第11章钢的化学热处理总结

b. 固体渗碳
将工件埋在固体渗碳剂中密封起来，加热到
900~930º C，保温后出炉。 固体渗碳由两类物质组成： 渗碳物质（85～90％）：木炭、焦炭、骨炭等。 催化剂（10～15％）：碳酸钠、碳酸钡等。
木炭与渗碳箱内的氧气发生反应： C+O2→CO2, CO2+C→2CO 2CO→CO2+[C] 催化剂的反应为： BaCO3→BaO+CO2, CO2+C→2CO Na2CO3→Na2O+CO2, CO2+C→2CO
第十一章 钢的化学热处理
表面淬火缺陷：成分所限；形状所限。
——改变成分与组织结构的化学热处理
（1）化学热处理定义：工件置于一定活性介质
中，使非金属或金属元素扩散到工件表层中，
以改变表面的化学成分和性能的工艺。 （2）化学热处理的作用： ①强化表面，提高硬度与耐磨性，抗疲劳性 等；
②保护表面，改善物化性能，抗腐蚀、耐高
预防补救的办法是分析其原因，采取相 应措施，对已出现粗大网状碳化物的零件可 以进行温度高于ACcm 的高温淬火或正火
4、渗碳层深度不均匀
可能由于原材料中带状组织严重，也可 能由于渗碳件表面局部结焦或沉积碳黑，炉 气循环不均匀，零件表面有氧化膜或不干净， 炉温不均匀，零件在炉内放置不当等所造 成．预防措施，应分析其具体原因，采取相 应措施。
渗氮：2NH3→3H2+2[N]
[C],[N]——活性原子
I x I 0e x /
活性原子：指那些在一定的化学反应中产生的
渗入元素，它以原子状态存在，性质活泼，
能为工件表面吸收。
[N]+[N]→N2
[C]+[C]→G(石墨)
分子态，非活性
化学反应除分解外还有
置换 SiCl4+2Fe→2FeCl2+[Si] 还原 B2O3+6Na→3Na2O+2[B] 歧化 3Twk.baidu.comCl2→2TiCl3+[Ti]
渗碳后钢的组织与性能
1 渗层淬火组织
根据表面碳含量、合金元素和淬火温度，渗层 淬火组织可分两类： （1）表面无碳化物，自表面至中心，依次由高 碳马氏体＋残余奥氏体逐渐过渡到低碳马氏体；
（2）细小针状马氏体＋残余奥氏体＋细小颗粒 状碳化物→高碳马氏体＋残余奥氏体→逐步过渡 到低碳马氏体。
2 渗碳层组织对性能影响 （1）渗碳层碳化物的数量及分布：
碳势的意义
① “碳势”定量地表示渗碳气氛的活性， 即炉气渗碳能力强弱： 炉气氛碳势高，渗碳能力强。 ②用化学反应平衡时钢件表面的含碳量表示， 但衡量的是气氛的碳势，可用来考察该气氛 下钢的渗碳与脱碳行为： 碳势为1％的气氛，可使碳含量<1%的 钢渗碳，碳含量>1%的钢脱碳；
吸热式渗碳气氛渗碳
• 是将可燃性原料气如丙烷、丁烷、天然气 等碳氢化合物与较少的空气混合后，通入装 有触媒剂的炉膛中，在触媒剂的作用下，并 借助外加热，使混合气在950~1050º C的条件 下进行反应，用这种方法制备的气氛称为吸 热式气氛。 • 多用于连续式炉气体渗碳
• 20mm的小轴，经930℃，5小时渗碳后， 表面碳的质量分数增加至1.2％分析经下 列热处理后表面及心部的组织：13.用 20钢制造的 (1)渗碳后缓冷到室温。 (2)渗碳后直接淬火，然后低温回火。 (3)渗碳后预冷到820℃，保温后淬火， 低温回火。 (4)渗碳后缓冷到室温，再加热到880oC 后淬火，低温回火。 (5)渗碳后缓冷到室温，再加热到780 oC 后淬火，低温回火。
细小隐晶M组织的基体上均匀分布着适量的粒 状碳化物为最好，耐磨性和接触疲劳强度较高； 而粗大块状和网状碳化物会破坏基体的连续性 而引起脆性，易造成疲劳麻点和表面剥落；
（2）残余奥氏体量不易过多； （3）心部组织应为低碳马氏体，贝氏体、屈氏 体，索氏体为好，不允许有大块、多量游离F；
（4）渗碳淬火后表面处于压应力状态，有利于 疲劳强度。
2、一次淬火法（重新加热淬火法） • 工件经渗碳空冷(或坑冷）后，再重新加热至淬 火温度进行淬火，然后在180～200℃回火。这 种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细化， 使钢的性能得到提高。 • 用途 适用于比较重要的零件，如高速柴油机齿 轮等。
淬火加热温度的选择
①心部要求较高强韧性的零件，加热至心部Ac3稍 上。心部通过相变重结晶，细化了晶粒，淬火后得 到细小的低碳M，具有较高的强韧性；表面可消除 网状渗碳体；但表面加热温度高，淬火后晶粒较粗 大，残余奥氏体较多，影响耐磨性。 ②对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选 择在Ac1稍上，淬火后表面层为M、未溶碳化物和 少量残余奥氏体，有较高的硬度和耐磨性。而对心 部组织来说，加热温度过低，淬火后低碳M和未溶 铁素体，强度受到一定的影响。
温等。
（3）优点： ①可在较大浓度范围有效改变表层化学成分、
组织与性能；
②不受形态限制，渗层较均匀；
仿形渗层——渗层的轮廓与工件形状相似
③表面层性能提高幅度更大，且往往可同时 提高机械、物化性能； 成分＋相变 ④表面过热现象可在随后热处理中消除。 缺点：周期长
（4）常用化学热处理：
名称 渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗硫 硫氮共渗 渗硼 渗铝 渗入元素 C N C、N S S、N B Al 作用 ↑表面硬度、耐磨性、疲劳强度 ↑表面硬度、耐磨性、疲劳强度、 耐腐蚀性 ↑表面硬度、耐磨性、疲劳强度 减磨，提高抗咬合作用 ↑硬度、耐磨性、减磨 ↑表面硬度 ↑抗氧化性及硫化介质中耐蚀性
等温期
3. 渗碳后的热处理
为使渗碳件具有表面高硬度，心部高韧性， 渗碳后必须进行适当的淬火、回火。 渗碳后热处理的目的 (1) 获得高硬度(58~63HRC)和高耐磨的表面层 (2) 消除网状渗碳体和调整残留奥氏体的数量和分布 (3) 细化晶粒，提高强度和韧性 (4) 消除内应力，稳定尺寸。
渗碳后热处理工艺
5、表层贫碳或脱碳
其成因是扩散期炉内气氛碳势过低，或 高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳。
补救办法：在碳势较高的渗碳介质中进行补渗。 在脱碳层小于0．02mm情况下可以采用把其 磨去或喷丸等办法进行补救。
6、表面腐蚀或氧化
• 渗碳剂不纯，含杂质多，如硫或硫 酸盐的含量高，液体渗碳后零件表面粘 有残盐，均会引起腐蚀．渗碳后零件出 炉温度过高，等温盐浴或淬火加热盐浴 脱氧不良，都可引起表面氧化，应仔细 控制渗碳剂盐浴成分，并对零件表面及 时清洗 。
c. 渗入元素的扩散过程 扩散：钢件表面被吸收的活性原子向钢件深
处迁移，并形成一定厚度的渗层。
原因：表层与心部的浓度差——
渗入元素的原子沿浓度梯度下降的方向迁移 扩散层的特点：渗入元素在表面层的浓度最高， 离开表层越远，浓度越低。
2. 化学热处理分类
表面渗碳
高碳钢 淬火+低温回火 硬度、强度↑ 冲击韧性↓ 低碳钢 淬火+低温回火 塑性、韧性↑ 硬度、耐磨性↓
a. 气体渗碳
工件在气体介质中进行渗碳的方法。
气体渗碳装置示意图
渗碳介质：
液体介质：碳氢化合物
煤油、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯等。
气体介质：混合气体
天然气、甲烷、液化石油气、丙烷、丁烷
——渗碳能力很强，须与渗碳能力弱的气
体配合使用
滴注式可控气氛渗碳
• 可控气氛渗碳是通过控制渗碳气体的成分 来控制钢件渗碳层的碳浓度。 • 滴注式可控气氛渗碳的主要特点是把两种 有机液体直接滴入渗碳炉内进行分解，使其 中一种滴液形成稀释气，另一种滴液形成渗 碳气。 • 碳势：是指纯铁在一定温度下于加热炉气中 加热时达到既不增碳也不脱碳，并与炉气保 持平衡时表面的碳含量，它表示炉气对纯铁 饱和碳的能力。
工序，把其磨去，或进行表面喷丸处理。
2、反常组织
其特征是在先共析渗碳体周围出现铁素体 层．在渗碳件中，常在钢中含氧量较高(如沸腾 钢)的固体渗碳时看到。具有反常组织的钢经淬 火后易出现软点。
补救办法: 适当提高淬火温度或适当延长淬火加 热的保温时间，使奥氏体均匀化，并采用较快的 淬火冷却速度。
3、粗大网状碳化物 形成原因可能是由于渗碳剂活性太大， 渗碳阶段温度过高，扩散阶段温度过低及渗 碳时间过长引起。
三、渗层淬火组织及对性能影响
3 渗层性能与表面碳量、渗层深度关系
总体上硬度、耐磨性、疲劳强度随表层C%↑, 渗层深度↑而提高，冲击韧性随C%↑而降低。 但C%↑过高，渗层深度过大，硬度、耐磨性、 疲劳强度反而下降。 例如：疲劳强度开始随表层C%↑而提高，到 0.93时具有最高值，然后下降。 渗碳层表面碳浓 度（C％） 疲劳强度 ×107N/m2 0.8 85.3 0.93 92.1 1.15 82.3 1.42 66.6
一次淬火发可以提高心部或者改善表面的性能， 但却无法使两者同时得到提高。
3、二次淬火法
适用于对于表面和心部 性能都要求较高的零件 第一次淬火加热温度在 Ac3稍上，强化心部 第二次淬火在Ac1稍上， 保证表面硬度
•
第一次淬火是为了细化心部组织和消除 表层网状碳化物，因此，加热温度应选在心 部的Ac3以上。 • 第二次淬火是为了改善渗碳层的组织和 性能，使其获得细针状马氏体和均匀分布的 未溶碳化物颗粒，因此，加热温度通常选在 Ac1以上30~50℃。 • 两次淬火法的主要缺点是，零件经两次高 温加热及冷却后变形较严重；渗碳层易发生 部分脱碳、氧化；生产周期长和成本高。故 一般很少使用这种方法，只对粗晶粒钢和使 用性能要求很高的零件才用它。
固体渗碳优点： 设备简单，方便易行，中小型工厂； 缺点：周期长，生产效率低，劳动条件差， 质量不易保证。
c. 液体渗碳 在能析出活性碳原子的盐浴中进行的。 优点：加热速度快，加热均匀，渗碳效率高， 渗碳层均匀，便于直接淬火。 缺点：成本高，渗层盐浴大多有毒，不宜于 大件和大批量生产。 渗碳盐浴一般由三类物质组成： ①加热介质：通常用NaCl和BaCl2的混和盐。 BaCl2还同时具有催化剂的作用。 ②催化剂（5～30％）：常用碳酸盐 （Na2CO3或BaCO3）。
渗碳钢 表层碳含量↑ 心部碳含量↓
一般选用碳含量为0.1~0.3%的 低碳钢和低碳合金钢
表面渗碳
定义：钢的渗碳就是将钢件在渗碳介质中加热 和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含
碳量和一定碳浓度梯度的工艺。
目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 根据介质不同，分为气体渗碳、固体渗碳和 液体渗碳三种。应用最多的是气体渗碳。
③渗碳介质（10～15％） 氰盐如氰化钠或氰化钾，剧毒，受限。 现多采用石墨、木炭或黄血盐
渗碳工艺过程
1. 渗碳前的热处理和准备 低碳钢或低碳合金钢 预留加工余量； 镀铜法； 涂防渗碳涂料如将耐火泥、石棉粉、用水玻璃 调成膏状。 正火、调质处理
2. 渗碳过程的工艺操作
扩散期 排气期 强渗期 降温期
1、直接淬火法 渗碳后可直接 预冷淬火， ＋180～200ºC 低温回火
•
预冷的目的是为了减少淬火变形与开裂， 并使表层析出一些碳化物，降低残A，提高表 层硬度，预冷温度略高于Ar3,目的是为避免析 出铁素体。 • 特 点： 操作简单、成本低，生产率高， 但在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大， 影响淬火后工件的性能，故只适用于渗碳件 的心部和表层都不过热的情况下；此外预冷 过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析 出，对工件淬火后的性能不利。 • 用途：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用 此法。
b. 活性原子被工件表面吸收过程
吸收：活性原子可溶入基体金属中或者与基体
金属形成化合物。
例如渗碳时：
①被表面吸附的活性碳原子固溶到奥氏体中
Fe+[C]吸附→Fe· C固溶 (γ间隙固溶体） ②碳原子超出最大固溶度后形成化合物： 3Fe· [C]吸附→Fe3C 另钢件的粉末渗硼时，先形成化合物 300º C — FeB，700º C — Fe2B， 900º C－含B的固溶体
化学热处理分类及基本过程
1.化学热处理的基本过程
化学热处理由化学介质分解产生的活性原子， 被工件表面吸收，并向内部扩散三个基本过程 组成。 a. 化学介质的分解
分解：渗剂在一定温度下经化学反应而形 成活性原子过程。 渗碳：2CO→CO2+[C]; CH4→2H2+[C] CO+H2→H2O+[C]
渗碳层深度及工艺路线
• • 渗碳层深度：0.5~2mm 采用渗碳工艺的零件的加工工艺路线： 锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火 →低温回火→精加工→成品
渗碳缺陷与控制
1、黑色组织 在含Cr，Mn及Si等合金元素的渗碳钢渗碳淬火 后，在渗层表面组织中出现沿晶界呈现断续网状 的黑色组织。
防黑色组织的办法是注意渗碳炉的密封性能， 降低炉气中的含氧量．一旦工件上出现黑色组织 时，若其深度不超过0.02mm,可以增加一道磨削