软氮化的渗层除了表面的氮碳化合物层课件

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1、钢的化学热处理第五章热处理工艺钢的化学热处理钢的化学热处理定义：将钢件放在具有一定活性的介质中加热、保将钢件放在具有一定活性的介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入钢件的表层，以改变其化学温，使一种或几种元素渗入钢件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。成分、组织和性能的热处理工艺。基本过程：分解：在一定温度下，介质通过化学分解，形分解：在一定温度下，介质通过化学分解，形成能渗入工件的活性原子；成能渗入工件的活性原子；吸收：工件表面吸收活性吸收：工件表面吸收活性原子，并溶入工件材料晶格的间隙或与其中元素形成化原子，并溶入工件材料晶格的间隙或与其中元素形成化合物；合物；扩散：被吸收的

2、原子由表面逐渐向心部扩散，扩散：被吸收的原子由表面逐渐向心部扩散，从而形成具有一定深度的渗层。从而形成具有一定深度的渗层。目的目的目的目的：提高渗层硬度和耐磨性；提高渗层硬度和耐磨性；提高零件接触疲劳提高零件接触疲劳强度和提高抗擦伤能力；强度和提高抗擦伤能力；提高零件抗氧化、耐高温性能；提高零件抗氧化、耐高温性能；常用种类常用种类常用种类常用种类：渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗：渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗钢的化学热处理钢的化学热处理一、一、化学热处理基本原理化学热处理基本原理 1 1、化学热处理过程、化学热处理过程一般常把它看成由渗剂中的反应、渗剂中的扩散、渗剂一般常把它看成由渗剂中的反应

3、、渗剂中的扩散、渗剂与被渗金属表面的界面反应、被渗元素原子的扩散和相变等与被渗金属表面的界面反应、被渗元素原子的扩散和相变等过程所构成。过程所构成。例如相界面反应：例如相界面反应：2NH2NH3 33H3H2 2十十2N2N 产生活性氮原子，渗入钢件表面进行渗氮。渗金属时产生活性氮原子，渗入钢件表面进行渗氮。渗金属时也可以类似反应表示。也可以类似反应表示。扩散是相界面反应产生的原子渗入金属表面后向钢件扩散是相界面反应产生的原子渗入金属表面后向钢件内部的迁移过程。内部的迁移过程。化学热处理过程有时可以只有扩散过程，例如用热浸法渗金属时，就是把工件浸在熔融的金属中，直接吸附金属原子并向内部扩散。钢

4、的化学热处理钢的化学热处理 2、化学热处理渗剂 一般由含有欲渗元素的物质组成，有时还含有催渗剂一般由含有欲渗元素的物质组成，有时还含有催渗剂,以便从渗剂中分解出含有被渗元素的活性物质。所谓渗剂以便从渗剂中分解出含有被渗元素的活性物质。所谓渗剂的活性就是在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能的活性就是在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。力。例如固体渗碳时，除了炭粒以外，还尚须加碳酸钡和例如固体渗碳时，除了炭粒以外，还尚须加碳酸钡和碳酸钠，这碳酸钡和碳酸钠就是催渗剂，碳酸钡和碳酸钠碳酸钠，这碳酸钡和碳酸钠就是催渗剂，碳酸钡和碳酸钠在渗碳前后没有变化，仅在渗碳过程中把炭粒变成活性物在渗碳前

5、后没有变化，仅在渗碳过程中把炭粒变成活性物质质COCO。钢的化学热处理钢的化学热处理3、化学反应分类分解反应：CHCH4 4=2H=2H2 2+C+C气体渗碳气体渗碳2NH2NH3 3=3H=3H2 2+2N+2N气体渗氮气体渗氮置换反应：3MeClx+xFexFeCl3MeClx+xFexFeCl3 3+3Me+3Me渗金属渗金属还原反应：2MeClx+xH2MeClx+xH2 2xHCl+2MexHCl+2Me渗金属渗金属在渗剂一定条件下，则影响渗剂活性的因素是温度和分在渗剂一定条件下，则影响渗剂活性的因素是温度和分解反应前后参与反应物质的浓度或分压。解反应前后参与反应物质的浓度或分压。钢

6、的化学热处理钢的化学热处理4、化学热处理的吸附过程及其影响因素化学热处理时，相界面反应是和金属表面对渗剂的吸附过化学热处理时，相界面反应是和金属表面对渗剂的吸附过程紧密相关的。一般固体表面对气相的吸附分成两类，即物理程紧密相关的。一般固体表面对气相的吸附分成两类，即物理吸附和化学吸附。吸附和化学吸附。物理吸附：固体表面对气体分子的凝聚作用。大多为多分固体表面对气体分子的凝聚作用。大多为多分子层，吸附速度快，达到平衡也快。子层，吸附速度快，达到平衡也快。化学吸附：固体晶格与活性原子之间结合力类似化学键力，：固体晶格与活性原子之间结合力类似化学键力，有明显选择性。单分子层，需要一定的活化能，吸附速

7、度随温有明显选择性。单分子层，需要一定的活化能，吸附速度随温度升高而增大。度升高而增大。影响因素：温度、表面活性、表面粗糙度温度、表面活性、表面粗糙度钢的化学热处理钢的化学热处理表层与心部的被渗元素的浓度差引起的。包括：纯扩散表层与心部的被渗元素的浓度差引起的。包括：纯扩散和反应扩散。和反应扩散。1）纯扩散 定义：渗入元素在母相金属中形成固溶体，在扩散过程中渗入元素在母相金属中形成固溶体，在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。不发生相变或化合物的形成和分解。C C、N N、B B与与FeFe形成间隙固溶体；形成间隙固溶体；CrCr、AlAl、SiSi等形成置换固溶体。等形成置换固溶体。扩

8、散过程扩散过程纯扩散纯扩散反应扩散反应扩散扩散控制型扩散控制型混合控制型混合控制型5、扩散过程钢的化学热处理钢的化学热处理（a a）扩散控制型）扩散控制型表面浓度很快达到界面反应平衡浓度，化学热处理过表面浓度很快达到界面反应平衡浓度，化学热处理过程主要取决于扩散过程。程主要取决于扩散过程。渗层深度与扩散时间的关系：渗层深度与扩散时间的关系：这种扩散现象多数发生在化学热处理过程的初期，或这种扩散现象多数发生在化学热处理过程的初期，或发生在渗剂活性不足以使渗入元素在工件表面达到钢中饱发生在渗剂活性不足以使渗入元素在工件表面达到钢中饱和浓度的场合。和浓度的场合。扩散层深度与扩散时间之间符合抛物线定律

9、。扩散层深度与扩散时间之间符合抛物线定律。（b b）混合控制型）混合控制型表面被渗原子不能马上达到平衡浓度，渗层的增长速度表面被渗原子不能马上达到平衡浓度，渗层的增长速度取决于界面反应速度（被渗原子溶入表面的速度）和金属取决于界面反应速度（被渗原子溶入表面的速度）和金属中该元素的扩散速度。中该元素的扩散速度。扩散过程扩散过程纯扩散纯扩散反应扩散反应扩散扩散控制型扩散控制型混合控制型混合控制型钢的化学热处理钢的化学热处理2）反应扩散当渗剂的活性高，渗入元素的浓度大于该温度下的饱和当渗剂的活性高，渗入元素的浓度大于该温度下的饱和极限时，可能出现以下情况：极限时，可能出现以下情况：a a）发生相变，

10、由溶解度较低的固溶体转变为溶解度较）发生相变，由溶解度较低的固溶体转变为溶解度较高的固溶体；高的固溶体；b b）由溶解度较低的固溶体转变为浓度更高的化合物。）由溶解度较低的固溶体转变为浓度更高的化合物。新相的长大速度不仅取决于渗入元素在新相中的扩散，新相的长大速度不仅取决于渗入元素在新相中的扩散，而且取决于渗入元素在与其相邻的相中的扩散。而且取决于渗入元素在与其相邻的相中的扩散。钢的化学热处理钢的化学热处理 加速化学热处理过程的途径：1）物理催渗法利用电场、磁场、辐射等，改变温度、气压的物理方法，利用电场、磁场、辐射等，改变温度、气压的物理方法，或利用机械的弹塑性变形等方法来加速渗剂的分解，活

11、化工件或利用机械的弹塑性变形等方法来加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，加速扩散。表面，提高吸附和吸收能力，加速扩散。高温化学热处理；高温化学热处理；高压或负压化学热处理；高压或负压化学热处理；高频化学热处理；高频化学热处理；促进分解，提高活性，降低扩散激活能，提高扩散速度。促进分解，提高活性，降低扩散激活能，提高扩散速度。2）化学催化法钢的化学热处理钢的化学热处理1）物理催渗法2）化学催化法在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解活化工件表面，提高被渗元素的渗入能力。分解活化工件表面，提高被渗元素的渗入能力。卤化物催化

12、法（氟、氯等化合物）卤化物催化法（氟、氯等化合物）提高渗剂活性的淬渗方法提高渗剂活性的淬渗方法如加入如加入BaCOBaCO3 3，NaNa2 2COCO3 3。加速化学热处理过程的途径：钢的化学热处理钢的化学热处理二、钢的渗碳定义：将零件放在具有活性碳原子的介质中加热、保将零件放在具有活性碳原子的介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺。温，使碳原子渗入的化学热处理工艺。渗碳方法：固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，渗碳新固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，渗碳新技术有真空渗碳和离子渗碳等。其中气体渗碳原料气资源技术有真空渗碳和离子渗碳等。其中气体渗碳原料气资源丰富，工艺成熟，应用最广泛。丰富，工艺

13、成熟，应用最广泛。钢的化学热处理钢的化学热处理1、气体渗碳气体渗碳介质：气体渗碳介质：（1 1）碳氢化合物有机液体，如煤油、甲醇等；）碳氢化合物有机液体，如煤油、甲醇等；（2 2）气态介质，如液化石油气、天然气。）气态介质，如液化石油气、天然气。渗碳介质滴入或通入高温（大于渗碳介质滴入或通入高温（大于900900）渗碳炉内，使其）渗碳炉内，使其分解为活性的碳原子分解为活性的碳原子CC，反应式如下：，反应式如下：2COCO2COCO2 2+C+CCHCH4 42H2H2 2+C+C钢的化学热处理钢的化学热处理材料：20钢工艺情况：左图：900气体渗碳8h，坑冷；右图：又经840淬火浸蚀方法：4硝

14、酸酒精溶液浸蚀组织说明：左图：平衡态下，由表(图左)及里(图右)的组织形貌，珠光体(共析层)，珠光体和网状铁素体(亚共析过渡层)，铁素体和珠光体(心部)。其中共析层为0.95mm；亚共析层(过渡层)为0.95mm，总渗层为1.90mm。右图：渗碳淬火后表层组织，马氏体和少量残余奥氏体。由图可知，渗层表层的碳含量较低(无过共析层)，淬火温度不高，故马氏体细小，在高倍下才能分辨出针叶状。63800钢的化学热处理钢的化学热处理材料：20Cr工艺情况：930C渗碳后缓冷浸蚀方法：4硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：高温渗碳缓慢冷却的正常组织分布形貌，最表面为过共析渗碳层，基体组织为细片状珠光体及均匀分布的白色

15、颗粒状碳化物，含碳约0.9，占0.15mm深。第二层为共析渗碳层，占0.6mm，基体为细片状珠光体，l00倍下灰黑色分布，这一层含碳量为0.77左右，是渗碳层中主要的一层组织。第三层为亚共析渗碳过渡层，基体为珠光体及铁素体混合分布，而且铁素体随着深度的增加而增加，珠光体则逐渐减少，一直过渡到心部组织为止。过渡层占0.4mm。心部原始组织主要为白色铁素体及黑色珠光体，珠光体约占25。钢的化学热处理钢的化学热处理气体渗碳工艺：气体渗碳工艺：渗碳温度：一般为一般为900-950900-950，使钢完全奥氏体化，被，使钢完全奥氏体化，被工件表面吸附的活性碳原子溶入奥氏体，并由表及里进行工件表面吸附的活

16、性碳原子溶入奥氏体，并由表及里进行扩散，获得一定厚度的渗层。扩散，获得一定厚度的渗层。渗碳时间：可根据渗层深度要求确定，一般可按每小时可根据渗层深度要求确定，一般可按每小时完成完成0.1-0.15mm0.1-0.15mm的渗层深度来估算。渗碳后一般表面碳质量的渗层深度来估算。渗碳后一般表面碳质量分数达到分数达到0.85%-1.05%0.85%-1.05%。渗碳层深度：一般是从表面向内至碳质量分数规定处一般是从表面向内至碳质量分数规定处（一般为（一般为WcWc=0.4%=0.4%）的垂直距离，工件的渗碳层深度取决）的垂直距离，工件的渗碳层深度取决于工件的尺寸和工作条件，一般为于工件的尺寸和工作条

17、件，一般为0.5-2.5mm0.5-2.5mm。钢的化学热处理钢的化学热处理2、固体渗碳法把渗碳工件装入有固体渗碳剂的密封箱内，在渗碳温把渗碳工件装入有固体渗碳剂的密封箱内，在渗碳温度下加热渗碳。渗碳剂主要为固体炭粒和起催化作用的碳度下加热渗碳。渗碳剂主要为固体炭粒和起催化作用的碳酸盐组成。酸盐组成。渗碳温度为渗碳温度为900900930930。NaNa2 2COCO3 3=Na=Na2 2O+COO+CO2 2BaCOBaCO3 3=BaO+CO=BaO+CO2 2COCO2 2+C+C（炭粒）（炭粒）=2CO=2CO2CO=CO2CO=CO2 2+C+C钢的化学热处理钢的化学热处理渗碳件用

18、钢：一般采用碳质量分数为一般采用碳质量分数为0.1%-0.25%0.1%-0.25%的低碳钢或低碳的低碳钢或低碳合金钢，如合金钢，如2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等。可使渗碳件表面高硬度、耐等。可使渗碳件表面高硬度、耐磨，心部高强韧性、承受较大冲击。磨，心部高强韧性、承受较大冲击。渗碳后的热处理及性能：渗碳后必须经淬火渗碳后必须经淬火+低温回火后，才能低温回火后，才能满足使用性能要求。经过热处理后使渗碳件表面具有马氏体和满足使用性能要求。经过热处理后使渗碳件表面具有马氏体和碳化物的组织，一般表面硬度碳化物的组织，一般表面硬度58-64HRC58-64HRC。而心部

19、根据采用钢材。而心部根据采用钢材淬透性的大小和零件尺寸大小，获得低碳马氏体或其他非马氏淬透性的大小和零件尺寸大小，获得低碳马氏体或其他非马氏体组织，心部具有良好的强韧性。体组织，心部具有良好的强韧性。渗碳工艺应用：主要应用于要求表面高硬度、高耐磨性而心主要应用于要求表面高硬度、高耐磨性而心部具有良好的塑性和韧性的零件，如汽车变速齿轮与机床齿部具有良好的塑性和韧性的零件，如汽车变速齿轮与机床齿轮、凸轮、轴、活塞销等。轮、凸轮、轴、活塞销等。钢的化学热处理钢的化学热处理渗碳后的组织及常见缺陷：1 1）渗碳后组织）渗碳后组织马氏体残奥碳化物马氏体残奥碳化物马氏体残奥马氏体残奥马氏体马氏体心部组织心部

20、组织 2 2）常见缺陷）常见缺陷（1 1）黑色组织黑色组织含铬、锰、硅等合金元素的渗碳钢，组织中出现沿含铬、锰、硅等合金元素的渗碳钢，组织中出现沿晶界呈断续网状的黑色组织。介质中的氧向晶界扩散，晶界呈断续网状的黑色组织。介质中的氧向晶界扩散，形成氧化物。形成氧化物。钢的化学热处理钢的化学热处理（2 2）反常组织）反常组织先共析渗碳体周围出现铁素体。先共析渗碳体周围出现铁素体。适当提高淬火温度或延长加热时间，使奥氏体均匀化，适当提高淬火温度或延长加热时间，使奥氏体均匀化，并快速冷却淬火。并快速冷却淬火。（3 3）粗大网状碳化物）粗大网状碳化物原因可能是渗碳剂活性较大，渗碳温度过高。原因可能是渗碳

21、剂活性较大，渗碳温度过高。（4 4）渗碳层深度不均匀）渗碳层深度不均匀（5 5）表层贫碳或脱碳）表层贫碳或脱碳（6 6）表面腐蚀和氧化）表面腐蚀和氧化 钢的化学热处理钢的化学热处理定义：渗氮是在一定温度下，于一定介质中使氮原子渗氮是在一定温度下，于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。方法主要有气体渗氮和渗入工件表层的化学热处理工艺。方法主要有气体渗氮和离子渗氮等。离子渗氮等。气体渗氮工艺：渗氮温度一般为渗氮温度一般为500-560500-560，时间一般，时间一般为为30-5030-50小时，采用氨气小时，采用氨气(NH(NH3 3)作渗氮介质。氨气在作渗氮介质。氨气在450450

22、以上温度时即发生分解，产生活性氮原子：以上温度时即发生分解，产生活性氮原子：2NH2NH3 33H3H2 2+2N+2N三、钢的渗氮钢的化学热处理钢的化学热处理活性氮原子被工件表面吸附后：活性氮原子被工件表面吸附后：（1 1）首先形成氮在）首先形成氮在-Fe-Fe中的固溶体；中的固溶体；（2 2）当含氮量超过）当含氮量超过-Fe-Fe的溶解度时，便形成氮化物的溶解度时，便形成氮化物（FeFe4 4N N、FeFe2 2N N）。氮还可与许多合金元素形成弥散的氮化）。氮还可与许多合金元素形成弥散的氮化物，如物，如AlNAlN、CrNCrN、MoMo2 2N N等，这些合金氮化物具有高的硬等，这些

23、合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，同时具有高的耐腐蚀性。因此，含有度和耐磨性，同时具有高的耐腐蚀性。因此，含有CrCr、MoMo、AlAl等合金元素的钢是最常用的渗氮钢。等合金元素的钢是最常用的渗氮钢。由于气体渗氮工艺周期很长，因此发展了快速渗氮方由于气体渗氮工艺周期很长，因此发展了快速渗氮方法，如法，如辉光离子渗氮、卤化物催化渗氮、高频感应加热渗氮等。等。钢的化学热处理钢的化学热处理等离子渗氮原理等离子渗氮原理利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处理介质，使之实现在表面和电离化学热处理介质，使之实现在金属表面渗入欲渗元素的工艺称为金属表面渗入欲渗

24、元素的工艺称为辉光放辉光放电电离子化学热处理，简称离子化学热处理。离子化学热处理，简称离子化学热处理。因为在主要工作空间内是等离子体，故又因为在主要工作空间内是等离子体，故又称等离子化学热处理。称等离子化学热处理。在真空室内在真空室内(133-1330Pa)(133-1330Pa)，阴极，阴极(工件工件)与阳极与阳极(容器容器)之间通高压之间通高压(400-1100V)(400-1100V)电，电，可使通入真空室中的氨可使通入真空室中的氨(或氮、氢混合气或氮、氢混合气)电离，并在工件周围产生辉光放电。此时电离，并在工件周围产生辉光放电。此时氮离子向工件氮离子向工件(阴极阴极)表面冲击，加热工件

25、表面冲击，加热工件并在并在表面富集表面富集FeNFeN，分解后渗入钢铁材料。，分解后渗入钢铁材料。离子轰击阴极表面的反应钢的化学热处理钢的化学热处理离子渗氮过程表面的反应：离子渗氮过程表面的反应：l l载能电子产生电离和中性氮原子：载能电子产生电离和中性氮原子：l l氮离子轰击工件表面，溅射铁及表面污物，加热和清洁活化表氮离子轰击工件表面，溅射铁及表面污物，加热和清洁活化表面的作用。面的作用。l l溅射的铁原子与气相中性氮原子在邻近工件表面发生反应，生溅射的铁原子与气相中性氮原子在邻近工件表面发生反应，生产产FeNFeNl lFeNFeN在工件表面的沉积和分解。在工件表面的沉积和分解。钢的化学

26、热处理钢的化学热处理1-油旋转泵；2-冷却水入口；3-气压测量；4-冷却水出口；5-处理零件；6-供气；7-温度测量；8-电源；9-控制离子渗氮设备示意图钢的化学热处理钢的化学热处理钢的氮化组织钢的氮化组织钢的化学热处理钢的化学热处理渗氮的特点：（1 1）渗氮件的表面硬度高（相当于）渗氮件的表面硬度高（相当于65HRC65HRC72HRC72HRC）。并）。并可保持到可保持到560560600600而不降低；而不降低；（2 2）氮化后钢件不需其他热处理，渗氮件的变形很小；）氮化后钢件不需其他热处理，渗氮件的变形很小；（3 3）渗氮后具有良好的耐腐蚀性能。这是由于渗氮后表面）渗氮后具有良好的耐腐

27、蚀性能。这是由于渗氮后表面形成致密的氮化物薄膜；形成致密的氮化物薄膜；（4 4）气体渗氮所需时间很长，渗氮层也较薄（一般为）气体渗氮所需时间很长，渗氮层也较薄（一般为0.30.3 0.6mm0.6mm）。）。例如例如38CrMoAl38CrMoAl钢制压缩机活塞杆为获得钢制压缩机活塞杆为获得0.40.40.6mm0.6mm的渗氮的渗氮层深度，气体渗氮保温时间需层深度，气体渗氮保温时间需60h60h左右。左右。应用：特别适宜要求表面耐磨的精密零件。例如磨床主轴、镗床镗应用：特别适宜要求表面耐磨的精密零件。例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。杆、精密机床丝杠、

28、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。钢的化学热处理钢的化学热处理渗氮工艺分类：渗氮工艺分类：一类是以提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度等为主一类是以提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度等为主要目的的渗氮，称为要目的的渗氮，称为强化渗氮；另一类是以提高工件表面抗腐蚀性能为目的的渗氮，称另一类是以提高工件表面抗腐蚀性能为目的的渗氮，称为抗腐蚀渗氮（为抗腐蚀渗氮（防腐渗氮）。）。获得获得0.0150.0150.06mm0.06mm厚的厚的 相。相。钢的化学热处理钢的化学热处理渗碳与渗氮工艺比较 工艺温度/时间/h后续热处理表面硬度变形适用材料举例气体渗碳93095039淬火+低温回火5864HRC大2

29、0，20Cr,20CrMnTi气体渗氮5006002050不需要9501200HV相当于6572HRC小38CrMoAl钢的化学热处理钢的化学热处理常见渗氮缺陷：常见渗氮缺陷：（1 1）变形）变形挠曲变形，尺寸增大。挠曲变形，尺寸增大。渗氮前去应力处理。渗氮前去应力处理。（2 2）脆性和渗氮层剥落）脆性和渗氮层剥落由表层氮的浓度过大引起。由表层氮的浓度过大引起。（3 3）渗氮层硬度不足）渗氮层硬度不足预备热处理脱碳，晶粒粗大。预备热处理脱碳，晶粒粗大。钢的化学热处理钢的化学热处理渗氮层脆性检验：渗氮层脆性检验：根据维氏硬度压痕的完整程度来根据维氏硬度压痕的完整程度来评定其脆性等级。分为四级：评

30、定其脆性等级。分为四级：1 1级级 不脆压痕完整；不脆压痕完整；2 2级级 较脆压痕边缘略有蹦碎；较脆压痕边缘略有蹦碎；3 3级级 脆压痕边缘蹦；脆压痕边缘蹦；4 4级级 极脆严重蹦碎。极脆严重蹦碎。钢的化学热处理钢的化学热处理四、钢的碳氮共渗定义：碳氮共渗是在奥氏体状态下，同时将碳、氮碳氮共渗是在奥氏体状态下，同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。n n液体碳氮共渗：介质为氰盐，剧毒。液体碳氮共渗：介质为氰盐，剧毒。n n 气体碳氮共渗：常用。气体碳氮共渗：常用。n n 高温气体共渗（高温气体共渗（900900950950），温度

31、过高；），温度过高；n n 中温气体共渗（中温气体共渗（700700880880）；）；n n 低温气体共渗（低温气体共渗（570570）气体软氮化。）气体软氮化。钢的化学热处理钢的化学热处理中温气体碳氮共渗（渗碳为主）：优点优点：（：（1 1）同样条件下，共渗速度高于单独的渗碳、渗氮速度；同样条件下，共渗速度高于单独的渗碳、渗氮速度；（2 2）变形小；）变形小；（3 3）零件表面硬度、耐磨性抗蚀性、疲劳强度较渗碳的高。）零件表面硬度、耐磨性抗蚀性、疲劳强度较渗碳的高。但耐磨性和疲劳强度低于渗氮件。但耐磨性和疲劳强度低于渗氮件。中温碳氮共渗多用于处理汽车及机床上的齿轮、凸轮、蜗杆、蜗中温碳氮共

32、渗多用于处理汽车及机床上的齿轮、凸轮、蜗杆、蜗轮和活塞销等零件。轮和活塞销等零件。NHNH3 3+COHCN+H+COHCN+H2 2O ONHNH3 3+CH+CH4 4HCN+3HHCN+3H2 2 2HCNH2HCNH2 2+2C+2N+2C+2N钢的化学热处理钢的化学热处理 共渗介质：含氨气的渗碳气及含碳氮的有机液体（滴注法）含氨气的渗碳气及含碳氮的有机液体（滴注法）共渗温度：共渗温度愈高，碳含量共渗温度愈高，碳含量，氮含量，氮含量，渗层厚度，渗层厚度。共渗温度共渗温度，减小变形，但形成高氮化合物，心部组织淬火后硬，减小变形，但形成高氮化合物，心部组织淬火后硬度低。度低。共渗后的热处理

33、：淬火低温回火淬火低温回火 共渗层组织：细针状马氏体碳、氮化合物残余奥氏体。细针状马氏体碳、氮化合物残余奥氏体。含碳量过高，接近渗碳体性能，脆性增加；含碳量过高，接近渗碳体性能，脆性增加；含碳量低，含氮量高，硬度降低，脆性也增加。含碳量低，含氮量高，硬度降低，脆性也增加。常见缺陷：表层残余奥氏体过多，碳氮浓度过高所致；表层残余奥氏体过多，碳氮浓度过高所致；黑色组织，气氛较难控制，易出现氢脆。黑色组织，气氛较难控制，易出现氢脆。钢的化学热处理钢的化学热处理低温气体氮碳共渗（软氮化）：以渗氮为主的氮、碳共渗，温度一般低于以渗氮为主的氮、碳共渗，温度一般低于570570。与一般气体氮化相比，处理时间

34、可大大缩短（与一般气体氮化相比，处理时间可大大缩短（1 13 3小小时），另一个突出优点为软氮化表层硬面具有一定的韧时），另一个突出优点为软氮化表层硬面具有一定的韧性，不易剥落。性，不易剥落。渗层外表面由渗层外表面由FeFe2 2N N、FeFe4 4N N和和FeFe3 3C C组成，又称白亮层，组成，又称白亮层，往里为氮化物和含氮铁素体组成的扩散层，白亮层硬度往里为氮化物和含氮铁素体组成的扩散层，白亮层硬度较纯气体渗氮低，故脆性小。较纯气体渗氮低，故脆性小。特点：加热温度低、处理时间短、钢件变形小，又不受钢种限制，特点：加热温度低、处理时间短、钢件变形小，又不受钢种限制，所以主要用于处理各

35、种工模具以及一些轴类零件。例如高速钢刀具所以主要用于处理各种工模具以及一些轴类零件。例如高速钢刀具经其处理后，寿命可提高经其处理后，寿命可提高20%20%200%200%。3Cr2W83Cr2W8压铸模处理后寿命压铸模处理后寿命可提高可提高3 35 5倍，中低碳钢处理后，疲劳强度可提高倍，中低碳钢处理后，疲劳强度可提高60%60%以上。以上。钢的化学热处理钢的化学热处理氮碳共渗的工艺参数：(1)介质：连续式作业炉一般采用吸热式气氛和氨气的混合气，体连续式作业炉一般采用吸热式气氛和氨气的混合气，体积比积比1 1：1 1为最佳；周期式作业炉中所采用的介质种类较多。我国常为最佳；周期式作业炉中所采用

36、的介质种类较多。我国常用的有尿素、甲酰胺、三乙醇胺以及醇类加氨气等。用的有尿素、甲酰胺、三乙醇胺以及醇类加氨气等。采用不同介质，共渗层中碳、氮含量则有所不同，将对共渗采用不同介质，共渗层中碳、氮含量则有所不同，将对共渗层性能有一定影响，应根据试验来确定。层性能有一定影响，应根据试验来确定。(2)温度和时间：一般氮碳共渗温度为一般氮碳共渗温度为570570，共渗后快冷可显著，共渗后快冷可显著提高疲劳强度。温度过高，化合物层增厚，容易出现疏松，且高于提高疲劳强度。温度过高，化合物层增厚，容易出现疏松，且高于共析温度后，渗层中出现共析温度后，渗层中出现 相，快冷后出现马氏体，使变形增大；低相，快冷后

37、出现马氏体，使变形增大；低于于570570，不仅速度慢，性能也差。保温时间根据层深要求而定，一，不仅速度慢，性能也差。保温时间根据层深要求而定，一般为般为l-6l-6小时。小时。钢的化学热处理钢的化学热处理氮碳共渗的组织和性能：渗层组织表面一般为白亮层，又称化合物层，其主要为渗层组织表面一般为白亮层，又称化合物层，其主要为 相，视碳、氮含量不同，尚有少量相，视碳、氮含量不同，尚有少量 相和相和FeFe3 3C C。在化合物层在化合物层以内则为扩散层，这一层组织和普通渗氮相同，主要是氮以内则为扩散层，这一层组织和普通渗氮相同，主要是氮的扩散层。因此，扩散层的性能也和普通气体渗氮相同，的扩散层。因

38、此，扩散层的性能也和普通气体渗氮相同，若为具有氮化物形成元素的钢，则软氮化后可以显著提高若为具有氮化物形成元素的钢，则软氮化后可以显著提高硬度。硬度。钢的化学热处理钢的化学热处理化合物层的性能与碳氮含量有很大关系。含碳量过高，化合物层的性能与碳氮含量有很大关系。含碳量过高，虽然硬度较高，但接近于渗碳体性能，脆性增加；含碳量虽然硬度较高，但接近于渗碳体性能，脆性增加；含碳量低，含氮量高，则趋向于纯氮相的性能，不仅硬度降低，低，含氮量高，则趋向于纯氮相的性能，不仅硬度降低，脆性也反而提高。脆性也反而提高。氮碳共渗后应该快冷，以获得过饱和的固溶体，造成氮碳共渗后应该快冷，以获得过饱和的固溶体，造成表

39、面残余压应力，可显著提高疲劳强度。氮碳共渗后，表表面残余压应力，可显著提高疲劳强度。氮碳共渗后，表面形成的化合物层也可显著提高抗腐蚀性能。面形成的化合物层也可显著提高抗腐蚀性能。钢的化学热处理钢的化学热处理高高温温碳碳氮氮共共渗渗又又叫叫做做氰氰化化。由由于于温温度度比比较较高高，碳碳原原子子扩扩散散能能力力很很强强，所所以以以以渗渗碳碳为为主主,形形成成含含氮氮的的高高碳碳奥奥氏氏体体，淬淬火火后后得得到到含含氮氮高高碳碳马马氏氏体体。由由于于氮氮的的渗渗入入促促进进碳碳的的渗渗入入,使使共共渗渗速速度度比比渗渗碳碳快快，保保温温4 46 6h h可可得得到到0 0.5 50 0.8 8m

40、mm m的的渗渗层层，同同时时由由于于氮氮的的渗渗入入，提提高高了了过过冷冷奥奥氏氏体体的的稳稳定定性性，加加上上共共渗渗温温度度比比较较低低，奥奥氏氏体体晶晶粒粒不不会会粗粗大大，所所以以钢钢件件碳碳氮氮共共渗渗后后可可直直接接淬淬油油，渗渗层层组组织织为为细细针针状状的的含含氮氮马马氏氏体体加加碳碳氮氮化化合合物物和和少少量量残残余余奥奥氏氏体体。碳碳氮氮共共渗渗层层比比渗渗碳碳层层有有更更高高的的硬硬度度、耐耐磨磨性性、抗抗蚀蚀性性、弯弯曲曲强强度度和和接接触触疲疲劳劳强强度度。但但一一般般碳碳氮氮共共渗渗层层比比渗渗碳碳层层浅浅，所所以以一一 般般 用用 于于 承承 受受 载载 荷荷

41、较较 轻轻，要要 求求 高高 耐耐 磨磨 性性 的的 零零 件件。钢的化学热处理钢的化学热处理 低低温温氮氮碳碳共共渗渗的的温温度度较较低低，这这时时碳碳原原子子的的扩扩散散能能力力较较弱弱，且且铁铁素素体体溶溶碳碳能能力力很很低低,是是以以渗渗氮氮为为主主，形形成成氮氮碳碳化化合合物物层层。由由于于渗渗层层硬硬度度比比渗渗氮氮层层低低，所所以以又又称称软软氮氮化化。由由于于碳碳的的促促进进作作用用,软软氮氮化化的的渗渗速速比比渗渗氮氮快快得得多多。只只要要保保温温4 46 6h h就就可可形形成成0 0.1 15 50 0.2 25 5m mm m的的共共渗渗层层，大大大大缩缩短短了了共共渗

42、渗时时间间。软软氮氮化化的的渗渗层层除除了了表表面面的的氮氮碳碳化化合合物物层层(白白亮亮层层),往往里里还还有有一一定定深深度度的的扩扩散散层层，由由氮氮化化物物和和含含氮氮铁铁素素体体组组成成，所所以以渗渗层层硬硬度度过过渡渡较较氮氮化化层层平平缓缓，脆脆性性较较少少。白白亮亮层层硬硬度度虽虽比比渗渗氮氮层层稍稍低低，但但仍仍有有较较高高的的硬硬度度、耐耐磨磨性性和和高高的的疲疲劳劳强强度度。低低温温氮氮碳碳共共渗渗处处理理温温度度低低、时时间间短短、变变 形形 小小，适适 用用 于于 碳碳 钢钢、合合 金金 钢钢 和和 一一 些些 模模 具具 的的 处处 理理。钢的化学热处理钢的化学热处

43、理五、渗金属渗金属的基本原理和其他化学热处理相似，由含有渗入元渗金属的基本原理和其他化学热处理相似，由含有渗入元素的介质分解产生活性原子而被吸收到基体金属表面，由于扩素的介质分解产生活性原子而被吸收到基体金属表面，由于扩散作用使渗入元素向零件内部迁移。散作用使渗入元素向零件内部迁移。目的：将钢材表面合金化，使之具有所需要的特殊性能。将钢材表面合金化，使之具有所需要的特殊性能。分类：根据所用渗剂聚集状态不同，可分固体法、液体法根据所用渗剂聚集状态不同，可分固体法、液体法及气体法。及气体法。钢的化学热处理钢的化学热处理钢的化学热处理钢的化学热处理1 1、固体法渗金属、固体法渗金属最常用的是粉末包装

44、法，把工件、粉末状的渗剂、催渗最常用的是粉末包装法，把工件、粉末状的渗剂、催渗剂和烧结防止剂共同装箱、密封、加热扩散而得。剂和烧结防止剂共同装箱、密封、加热扩散而得。优点：操作简单，无需特殊设备，小批生产应用较多，如渗铬、渗钒等。优点：操作简单，无需特殊设备，小批生产应用较多，如渗铬、渗钒等。缺点：产量低，劳动条件差，渗层有时不均匀，质量不易控制等。缺点：产量低，劳动条件差，渗层有时不均匀，质量不易控制等。例如固体渗铬：渗剂为铬铁粉例如固体渗铬：渗剂为铬铁粉+NH+NH4 4ClClAlAl2 2O O3 3；渗铬过程如下：当加热至渗铬过程如下：当加热至10501050时，氯化铵分解形成时，氯

45、化铵分解形成HClHCl，HClHCl与铬铁粉与铬铁粉作用形成作用形成CrClCrCl2 2，并分解出活性铬原子，并分解出活性铬原子CrCr渗入工件表面。与此同时，氯与渗入工件表面。与此同时，氯与氢结合成氢结合成HCIHCI，HCIHCI再至铬铁粉表面形成再至铬铁粉表面形成CrClCrCl2 2，并重复前述过程而达到渗铬，并重复前述过程而达到渗铬目的。目的。钢的化学热处理钢的化学热处理2 2、液体法渗金属、液体法渗金属可分两种，一种是盐浴法，一种是热浸法。可分两种，一种是盐浴法，一种是热浸法。目前最常用的盐浴法渗金属是目前最常用的盐浴法渗金属是T TD D法。它是在熔融的法。它是在熔融的硼砂浴

46、中加入被渗金属粉末，例如渗钒：把欲渗工件放入硼砂浴中加入被渗金属粉末，例如渗钒：把欲渗工件放入(80-85)(80-85)Na2B407Na2B407（20-15)20-15)钒铁粉盐浴中，在钒铁粉盐浴中，在950950保温保温3-53-5小时，即可得到一定厚度小时，即可得到一定厚度(几个微米到几个微米到2020微米微米)的的渗钒层。渗钒层。钢的化学热处理钢的化学热处理优点：操作简单，可以直接淬火；操作简单，可以直接淬火；缺点：比重偏析，必须在渗入过程中不断搅动盐浴。比重偏析，必须在渗入过程中不断搅动盐浴。另外，硼砂有腐蚀作用，必须及时清洗工件。另外，硼砂有腐蚀作用，必须及时清洗工件。热浸法渗

47、金属是较早应用的渗金属工艺，例如渗铝：热浸法渗金属是较早应用的渗金属工艺，例如渗铝：把渗铝零件经过除油去锈后，浸入把渗铝零件经过除油去锈后，浸入780780土土1010熔融的铝液熔融的铝液中经中经15-6015-60分钟后取出，此时在零件表面附着一层高浓度铝分钟后取出，此时在零件表面附着一层高浓度铝覆盖层，然后在覆盖层，然后在950-1050950-1050温度下保温温度下保温4-54-5小时进行扩散处小时进行扩散处理。为了防止零件在渗铝时铁的溶解，在铝液中应加入理。为了防止零件在渗铝时铁的溶解，在铝液中应加入1010左右的铁。左右的铁。钢的化学热处理钢的化学热处理3 3、气体法渗金属、气体法

48、渗金属 一般在密封罐中进行，把反应罐加热至渗金属一般在密封罐中进行，把反应罐加热至渗金属温度，被渗金属的卤化物气体掠过工件表面时发生置温度，被渗金属的卤化物气体掠过工件表面时发生置换、还原、热分解等反应，分解出的活性金属原子渗换、还原、热分解等反应，分解出的活性金属原子渗入工件表面。入工件表面。气体渗铬速度较快，但氢气易爆炸，氯化氢有气体渗铬速度较快，但氢气易爆炸，氯化氢有腐蚀性，故应注意安全。腐蚀性，故应注意安全。钢的化学热处理钢的化学热处理渗金属法的进一步发展是多元共渗，如铬铝共渗，铝渗金属法的进一步发展是多元共渗，如铬铝共渗，铝硅共渗等。此外，还出现金属元素与非金属元素的共渗，硅共渗等。

49、此外，还出现金属元素与非金属元素的共渗，如硼钒共渗，硼铝共渗等。如硼钒共渗，硼铝共渗等。多元共渗的目的是为了获取单一渗的长处，克服单一多元共渗的目的是为了获取单一渗的长处，克服单一渗的不足。例如硼钒共渗，可以获得单一渗钒层硬度高、渗的不足。例如硼钒共渗，可以获得单一渗钒层硬度高、韧性好和单一渗硼层渗层深较的优点，克服了渗钒层较薄韧性好和单一渗硼层渗层深较的优点，克服了渗钒层较薄及渗硼层较脆的缺点，获得了较好的综合性能。及渗硼层较脆的缺点，获得了较好的综合性能。钢的化学热处理钢的化学热处理一、化学热处理基本原理1、化学热处理过程2、化学热处理渗剂3、化学反应分类4、化学热处理的吸附过程及其影响因素5、扩散过程二、钢的渗碳1、气体渗碳2、固体渗碳法三、钢的渗氮四、钢的碳氮共渗1、中温气体碳氮共渗2、低温气体碳氮共渗3、高温气体碳氮共渗五、渗金属1、固体法渗金属2、液体法渗金属3、气体法渗金属