化学热处理和表面淬火PPT课件
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影响因素：
温度 表面活性 表面面积等
化学热处理的基本过程－扩散
扩散是由于原子等微粒热运动引起的物 质传输现象。
活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一 定深度的扩散层（固溶体，或化合物）
扩散的阻力和条件
扩散与原子热运动相关，阻力就是周围原子对 运动原子的限制（扩散激活能），
不是所有原子都可以移动的！阻力（和键能相 关）大小不易改变
其
C0 t1 t2
t3
解
0
x
抛物线规律
应用中，常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限， 然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。
对于一定界面C，x/2(Dt)1/2 为定值；
即 渗层厚度x符合 x2 Kt 式中K为比例系数，这个关系式常称为抛物线
时间规律。这一关系被广泛地应用于如钢铁渗 碳、晶体管或集成电路生产等工艺。 在一指定浓度C时，增加一倍扩散深度则需延 长四倍的扩散时间。
离子渗碳与真空渗碳特点
在低真空条件下渗碳 可以采用较高的温度（和电场加速），
效率高 渗层均匀，尤其是小孔 节能 节省渗剂，环境好
固体渗碳
➢ 传统工艺
➢ 渗碳工艺：工件+渗碳剂密封装入渗碳箱， 加热至900～950℃保温。
➢ 固体渗碳剂：碳粉和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3) 的混合物。
扩散方程的一个解
纯铁渗碳时，在含碳量不变的气氛中，C
浓度分布的试验结果与计算结果符合很
好
表 面 扩 散 元 素 浓 度 C s且 恒 定
扩 散 物 体 中 扩 散 元 素 浓 度 C0
一
扩散方向
维
C
半
CCS(CSC0)erf2xDt C s
无
限
不同时刻
长
扩散元素
问
浓度分（A. Fick）于1855年通过实验获得了关于 稳定态扩散的第一定律，其数学表达式为
J D dC dx
即在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积的扩散流量J与浓度梯度成正比，
式中D为扩散系数，J为扩散通量，负号表示扩 散方向与浓度梯度方向相反。
影响扩散系数的因素
温度 晶体结构 固溶体类型 浓度 晶体缺陷
介质选择原则
碳氧比大于1，必要条件
目前，常采用两种或以上介质搭配，控制碳 势及成本
安全性 经济性：
产气量大 碳当量大 便宜，易得
滴注式气体渗碳工艺
一般分为升温排气、渗碳（包括强渗和扩散） ， 降温冷却几个阶段
碳势主要取决于液体种类、流量和温度 排气阶段：滴量大，快速换气，防止零件氧化。
爆
吸热式气氛渗碳
将碳氢化合物气体与空气按一定比例混 合后，在催化剂和加热条件下进行吸热 反应，得到碳势较低的渗碳气氛。
富化气多采用丙烷。可以通过调节富化 气流量实现炉气碳势的调节
（一般）用于连续作业炉，常用即可 连续式渗碳炉分为加热、渗碳、扩散、
冷却四个区，可以对碳势和温度进行分 区控制
气体渗碳的优点： 生产率高，劳动条件 好，渗碳过程容易控 制，容易实现机械化、 自动化，适用于大批 量生产。
3.1 钢的渗碳
目的：提高表面含碳量，从而提高表面 硬度、强度、耐磨性
举例：轴承，拖拉机变速齿轮
方法：气体，离子，真空，固体等
渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢：20钢、 20Cr 18CrMnTi、 、20CrMnTi钢等，考
虑力学性能、工艺性（尺寸与淬透性、晶粒长 大）要求和成本等进行选择
常用温度： 900～950℃？
➢ 化学反应：
C+O2→2CO
BaCO3或Na2CO3→BaO（或Na2O）+CO2
CO2+C →2CO
2CO→[C]+CO2
固体渗碳的特点
优点：
设备简单，不需要专门设备 适应性大， 操作简单
提高切削加工性（主要） 为渗碳淬火作组织准备（次要） 多采用正火处理
气体渗碳－滴注式
介质：煤油、醇、苯等液体 工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到
900～950℃(常用930℃)，向炉内滴入煤油、等 有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及 CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下在工件 表面进行反应，生成活性碳原子 ，被表面吸收 并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。 常用方法
因此必须在满足以下条件才能实现 （1）扩散原子能固溶； （2）具有驱动力：如浓度梯度，温度梯度。 （3）温度足够高； （4）时间足够长；
加速化学热处理的措施
提高活性物质的浓度 提高温度 活化金属表面，如净化活化表面 提高活性粒子的活性，如电场加速 改变基体材料 复合渗等
扩散定律
渗碳件主要技术要求
碳势：~1%，根据性能要求而定 碳浓度梯度：平缓，有利于渗层与基体
的结合，减少剥落。对于一些零件甚至 规定过共析层＋共析层的深度不超过 60～70％ 渗层深度：主要取决于工件受力和设计 寿命等因素，对于一些薄、小零件，渗 层深度一般不超过截面尺寸的20％
渗碳件的预备热处理
应用最广的化学热处理是渗碳、氮化和碳氮共 渗。
化学热处理的基本过程－分解
化学介质在高温下(分解或蒸发)释放出 待渗的活性原子，例如 2CO CO2 +〔C〕
影响因素：
反应温度 介质浓度 催化剂种类等
化学热处理的基本过程－吸收
活性原子被零件表面吸附，进而溶解或 反应。
根据作用力性质，分为化学吸附和物理 吸附。
>750 ℃开始甲醇，>900 ℃煤油。到温后延 续30－60分钟 渗碳阶段：正压150～200Pa，用富碳渗剂滴 量控制碳势。两段法渗层碳浓度梯度小，结合 好，渗速较快 降温阶段：降温至出炉温度
滴注式气体渗碳
操作要点
表面清洁； 同一炉零件材料、技术要求相同； 炉内正压，废气点燃； 零件之间气氛流通； 经常校对碳势； 严禁在750℃以下向炉内滴入有机液体，防
化学热处理与表面淬火
金属材料系 主任
3 钢的化学热处理和表面淬火
定义：化学热处理是将工件置于一定的介质中 加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表 层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而 使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。
根据渗入的元素来命名
渗碳、氮化、碳氮共渗等可提高工件表面的硬 度、耐磨性以及疲劳强度；渗氮、渗硅、渗铝 等用于提高工件的抗腐蚀性、抗氧化性，
温度 表面活性 表面面积等
化学热处理的基本过程－扩散
扩散是由于原子等微粒热运动引起的物 质传输现象。
活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一 定深度的扩散层（固溶体，或化合物）
扩散的阻力和条件
扩散与原子热运动相关，阻力就是周围原子对 运动原子的限制（扩散激活能），
不是所有原子都可以移动的！阻力（和键能相 关）大小不易改变
其
C0 t1 t2
t3
解
0
x
抛物线规律
应用中，常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限， 然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。
对于一定界面C，x/2(Dt)1/2 为定值；
即 渗层厚度x符合 x2 Kt 式中K为比例系数，这个关系式常称为抛物线
时间规律。这一关系被广泛地应用于如钢铁渗 碳、晶体管或集成电路生产等工艺。 在一指定浓度C时，增加一倍扩散深度则需延 长四倍的扩散时间。
离子渗碳与真空渗碳特点
在低真空条件下渗碳 可以采用较高的温度（和电场加速），
效率高 渗层均匀，尤其是小孔 节能 节省渗剂，环境好
固体渗碳
➢ 传统工艺
➢ 渗碳工艺：工件+渗碳剂密封装入渗碳箱， 加热至900～950℃保温。
➢ 固体渗碳剂：碳粉和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3) 的混合物。
扩散方程的一个解
纯铁渗碳时，在含碳量不变的气氛中，C
浓度分布的试验结果与计算结果符合很
好
表 面 扩 散 元 素 浓 度 C s且 恒 定
扩 散 物 体 中 扩 散 元 素 浓 度 C0
一
扩散方向
维
C
半
CCS(CSC0)erf2xDt C s
无
限
不同时刻
长
扩散元素
问
浓度分（A. Fick）于1855年通过实验获得了关于 稳定态扩散的第一定律，其数学表达式为
J D dC dx
即在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积的扩散流量J与浓度梯度成正比，
式中D为扩散系数，J为扩散通量，负号表示扩 散方向与浓度梯度方向相反。
影响扩散系数的因素
温度 晶体结构 固溶体类型 浓度 晶体缺陷
介质选择原则
碳氧比大于1，必要条件
目前，常采用两种或以上介质搭配，控制碳 势及成本
安全性 经济性：
产气量大 碳当量大 便宜，易得
滴注式气体渗碳工艺
一般分为升温排气、渗碳（包括强渗和扩散） ， 降温冷却几个阶段
碳势主要取决于液体种类、流量和温度 排气阶段：滴量大，快速换气，防止零件氧化。
爆
吸热式气氛渗碳
将碳氢化合物气体与空气按一定比例混 合后，在催化剂和加热条件下进行吸热 反应，得到碳势较低的渗碳气氛。
富化气多采用丙烷。可以通过调节富化 气流量实现炉气碳势的调节
（一般）用于连续作业炉，常用即可 连续式渗碳炉分为加热、渗碳、扩散、
冷却四个区，可以对碳势和温度进行分 区控制
气体渗碳的优点： 生产率高，劳动条件 好，渗碳过程容易控 制，容易实现机械化、 自动化，适用于大批 量生产。
3.1 钢的渗碳
目的：提高表面含碳量，从而提高表面 硬度、强度、耐磨性
举例：轴承，拖拉机变速齿轮
方法：气体，离子，真空，固体等
渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢：20钢、 20Cr 18CrMnTi、 、20CrMnTi钢等，考
虑力学性能、工艺性（尺寸与淬透性、晶粒长 大）要求和成本等进行选择
常用温度： 900～950℃？
➢ 化学反应：
C+O2→2CO
BaCO3或Na2CO3→BaO（或Na2O）+CO2
CO2+C →2CO
2CO→[C]+CO2
固体渗碳的特点
优点：
设备简单，不需要专门设备 适应性大， 操作简单
提高切削加工性（主要） 为渗碳淬火作组织准备（次要） 多采用正火处理
气体渗碳－滴注式
介质：煤油、醇、苯等液体 工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到
900～950℃(常用930℃)，向炉内滴入煤油、等 有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及 CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下在工件 表面进行反应，生成活性碳原子 ，被表面吸收 并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。 常用方法
因此必须在满足以下条件才能实现 （1）扩散原子能固溶； （2）具有驱动力：如浓度梯度，温度梯度。 （3）温度足够高； （4）时间足够长；
加速化学热处理的措施
提高活性物质的浓度 提高温度 活化金属表面，如净化活化表面 提高活性粒子的活性，如电场加速 改变基体材料 复合渗等
扩散定律
渗碳件主要技术要求
碳势：~1%，根据性能要求而定 碳浓度梯度：平缓，有利于渗层与基体
的结合，减少剥落。对于一些零件甚至 规定过共析层＋共析层的深度不超过 60～70％ 渗层深度：主要取决于工件受力和设计 寿命等因素，对于一些薄、小零件，渗 层深度一般不超过截面尺寸的20％
渗碳件的预备热处理
应用最广的化学热处理是渗碳、氮化和碳氮共 渗。
化学热处理的基本过程－分解
化学介质在高温下(分解或蒸发)释放出 待渗的活性原子，例如 2CO CO2 +〔C〕
影响因素：
反应温度 介质浓度 催化剂种类等
化学热处理的基本过程－吸收
活性原子被零件表面吸附，进而溶解或 反应。
根据作用力性质，分为化学吸附和物理 吸附。
>750 ℃开始甲醇，>900 ℃煤油。到温后延 续30－60分钟 渗碳阶段：正压150～200Pa，用富碳渗剂滴 量控制碳势。两段法渗层碳浓度梯度小，结合 好，渗速较快 降温阶段：降温至出炉温度
滴注式气体渗碳
操作要点
表面清洁； 同一炉零件材料、技术要求相同； 炉内正压，废气点燃； 零件之间气氛流通； 经常校对碳势； 严禁在750℃以下向炉内滴入有机液体，防
化学热处理与表面淬火
金属材料系 主任
3 钢的化学热处理和表面淬火
定义：化学热处理是将工件置于一定的介质中 加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表 层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而 使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。
根据渗入的元素来命名
渗碳、氮化、碳氮共渗等可提高工件表面的硬 度、耐磨性以及疲劳强度；渗氮、渗硅、渗铝 等用于提高工件的抗腐蚀性、抗氧化性，