工藝第5章_鋼的化學(xué)熱處理

1、第五章第五章 金屬的化學(xué)熱處理金屬的化學(xué)熱處理概述概述1 1、概念、概念l將金屬制件放在特定的活性介質(zhì)中，加熱保溫使一種或幾將金屬制件放在特定的活性介質(zhì)中，加熱保溫使一種或幾種元素滲入它的表層，改變其表面的化學(xué)成分和組織，以達(dá)種元素滲入它的表層，改變其表面的化學(xué)成分和組織，以達(dá)到改變表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理工藝總稱。到改變表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理工藝總稱。l簡單說是向鋼的表面滲入某種元素的熱處理工藝。簡單說是向鋼的表面滲入某種元素的熱處理工藝。l注意：注意：化學(xué)熱處理既改變表面的化學(xué)成分，又改變其組織。化學(xué)熱處理既改變表面的化學(xué)成分，又改變其組織。2 2、目的、目的獲得單一材料難以

2、獲得的性能或進(jìn)一步提高制件的使用性能。獲得單一材料難以獲得的性能或進(jìn)一步提高制件的使用性能。p 1）碳鋼滲）碳鋼滲C或或C、N共滲共滲（淬火）獲得表面高硬度、耐（淬火）獲得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好磨性，心部保持良好 的塑韌性。的塑韌性。p 2）滲氮（軟）滲氮（軟N化或離子滲化或離子滲N）表面耐磨、抗腐蝕表面耐磨、抗腐蝕p 3）滲）滲Al提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。3 3、分類、分類以滲入元素命名：滲金屬，滲非金屬。以滲入元素命名：滲金屬，滲非金屬。1）滲入非金屬元素：）滲入非金屬元素： 單元滲：單元滲：C、N、B、O、S、Si等；等； 多元滲：多元滲

3、：CN、ON、O CN2）滲入金屬元素：）滲入金屬元素： 單元滲：單元滲：Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn 多元滲：多元滲：AlSi、AlCr、 AlV、 AlCrSi3）滲入元素對表面性能作用分類：）滲入元素對表面性能作用分類：提高滲層強(qiáng)度及耐磨性提高滲層強(qiáng)度及耐磨性滲滲C、N、B、Nb、V等。等。高抗氧化、耐高溫高抗氧化、耐高溫Al、Cr。提高抗嚙合、抗擦傷提高抗嚙合、抗擦傷滲滲S、N、磷化等。、磷化等。提高抗腐性能提高抗腐性能滲滲N、滲、滲Si、滲、滲Zn。 4）質(zhì)的物理狀態(tài)分：）質(zhì)的物理狀態(tài)分：固體固體如固體滲如固體滲C、固體滲、固體滲B等。等。液體液體如鹽溶爐滲如鹽溶爐滲B或或B、C

4、、N共滲等，滲共滲等，滲Al等金屬等金屬 氣體氣體氣體滲氣體滲C和和C、N共滲。共滲。4）能獲得具有特殊性能的表面層）能獲得具有特殊性能的表面層 3）經(jīng)濟(jì)效果好）經(jīng)濟(jì)效果好2）具有較好的工藝性）具有較好的工藝性1）不受工件幾何形狀的限制）不受工件幾何形狀的限制4.鋼的化學(xué)熱處理具有如下特點鋼的化學(xué)熱處理具有如下特點不受工件幾何不受工件幾何形狀的限制形狀的限制即任何幾何形狀復(fù)雜的工即任何幾何形狀復(fù)雜的工件經(jīng)過化學(xué)件經(jīng)過化學(xué) 熱處理后，均熱處理后，均可獲得沿其輪廓分布的均可獲得沿其輪廓分布的均一的表面化學(xué)熱處理層一的表面化學(xué)熱處理層 具有較好的工藝性具有較好的工藝性如開裂傾向較?。惶幚砣玳_裂傾向較

5、小；處理溫度范圍較寬；對冷溫度范圍較寬；對冷 卻卻介質(zhì)的敏感性較小等等介質(zhì)的敏感性較小等等經(jīng)濟(jì)效果好經(jīng)濟(jì)效果好能獲得具有特殊性能的表面層能獲得具有特殊性能的表面層廉價的鋼材經(jīng)化學(xué)熱處理后可廉價的鋼材經(jīng)化學(xué)熱處理后可獲得表面性能高的工獲得表面性能高的工 件。經(jīng)件。經(jīng)化學(xué)熱處理的碳鋼件的表層性化學(xué)熱處理的碳鋼件的表層性能不亞于同類合金鋼的性能。能不亞于同類合金鋼的性能。 如耐腐蝕性、耐磨性等如耐腐蝕性、耐磨性等 5.1 基本原理一、化學(xué)熱處理的基本過程一、化學(xué)熱處理的基本過程p基本過程基本過程 大致分為三個階段：大致分為三個階段：p1.分解階段分解階段：滲劑中的化學(xué)反應(yīng)分解出滲入元素的活滲劑中的化

6、學(xué)反應(yīng)分解出滲入元素的活p 性原子性原子p2.吸收階段吸收階段：活性原子被金屬表面吸收：活性原子被金屬表面吸收p3.擴(kuò)散階段擴(kuò)散階段：滲入原子在金屬基體內(nèi)達(dá)到一定濃度后：滲入原子在金屬基體內(nèi)達(dá)到一定濃度后p 從工件表面向內(nèi)部擴(kuò)散從工件表面向內(nèi)部擴(kuò)散1、滲劑分解l滲劑一般由含有被滲元素的物質(zhì)組成，有時加入一定量的催滲劑，催化滲劑分解反應(yīng)。滲劑必須具有一定活性。l滲劑活性：在相界面反應(yīng)中易于分解出被滲元素原子的能力。l催化劑：是促進(jìn)含有被滲元素的物質(zhì)分解或產(chǎn)生出活性原子的物質(zhì)。例如：滲碳時除木炭外加碳酸鋇或碳酸鈉2232COONaCONa23COBaOBaCOCOCCO2222CCOCO界面反應(yīng)化

7、學(xué)熱處理時滲劑分解出被滲元素活性原子的反應(yīng)有：1）分解反應(yīng)：如普通氣體滲碳、滲氮時，2）置換反應(yīng)：滲金屬時，3）還原反應(yīng)：如滲金屬時，中FeCHCH234中FeNHNH 23233MeFeClFeMeClx3MeHClHMeClx22、吸附過程及影響因素 固體表面對氣相的吸附作用按其作用力的性質(zhì)不同可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。l1）物理吸附：沒有電子轉(zhuǎn)移和化學(xué)鍵生成的吸附現(xiàn)象。n這種吸附能迅速達(dá)到平衡，并在較低溫度下發(fā)生。n溫度升高時吸附量下降，溫度下降時吸附量又增加。l2）化學(xué)吸附：當(dāng)氣體（吸附質(zhì)）與金屬表面（吸附劑）接觸時二者以高速發(fā)生反應(yīng)形成化學(xué)鍵，即發(fā)生電子交換，組成離子鍵結(jié)合或共價

8、鍵結(jié)合叫化學(xué)吸附。n化學(xué)吸附在低溫時速度較小，隨溫度升高明顯增大，這種吸附可以使分子解離。p吸附是物質(zhì)在相界面上自動聚集的過程。吸附是物質(zhì)在相界面上自動聚集的過程。p吸附過程并非在固體表面均勻進(jìn)行，吸附中心往往出現(xiàn)在吸附過程并非在固體表面均勻進(jìn)行，吸附中心往往出現(xiàn)在表面的一些缺陷處。表面的一些缺陷處。p吸收過程就是活性原子由鋼的表面進(jìn)入晶格的過程。吸收過程就是活性原子由鋼的表面進(jìn)入晶格的過程。p鋼的表面上存在大量的位錯和晶界，為活性原子的滲入提鋼的表面上存在大量的位錯和晶界，為活性原子的滲入提供了方便的通道。供了方便的通道。 擴(kuò)散指金屬表面溶入被滲元素后，該元素濃度增加，形成擴(kuò)散指金屬表面溶入

9、被滲元素后，該元素濃度增加，形成濃度差，發(fā)生遷移現(xiàn)象。濃度差，發(fā)生遷移現(xiàn)象。（1 1）純擴(kuò)散與反應(yīng)擴(kuò)散）純擴(kuò)散與反應(yīng)擴(kuò)散l純擴(kuò)散指純擴(kuò)散指滲入元素原子在母相金屬中形成固溶體滲入元素原子在母相金屬中形成固溶體, ,在擴(kuò)散過程中不發(fā)生相變或化合物的形成和分解。在擴(kuò)散過程中不發(fā)生相變或化合物的形成和分解。l純擴(kuò)散常發(fā)生在化學(xué)熱處理的初期，或滲劑的活純擴(kuò)散常發(fā)生在化學(xué)熱處理的初期，或滲劑的活性不足以形成飽和濃度的場合。如滲碳。性不足以形成飽和濃度的場合。如滲碳。l反應(yīng)擴(kuò)散指通過擴(kuò)散使固溶體溶質(zhì)組元的濃度超過反應(yīng)擴(kuò)散指通過擴(kuò)散使固溶體溶質(zhì)組元的濃度超過固溶度極限而形成新相的過程。固溶度極限而形成新相的過

10、程。3、化學(xué)熱處理的擴(kuò)散過程、化學(xué)熱處理的擴(kuò)散過程p在化學(xué)熱處理中，滲入元素原子在金屬中形成的固溶體有在化學(xué)熱處理中，滲入元素原子在金屬中形成的固溶體有兩種：兩種：p當(dāng)滲入元素為原子半徑較小的非金屬元素（當(dāng)滲入元素為原子半徑較小的非金屬元素（C、N、B)時，時，其與金屬形成其與金屬形成間隙固溶體間隙固溶體；p當(dāng)滲入元素是金屬元素時，其與原金屬形成當(dāng)滲入元素是金屬元素時，其與原金屬形成置換固溶體置換固溶體（鋁、鉻、硅、鋅等）。（鋁、鉻、硅、鋅等）。滲層指在鋼的表面滲入某種元素后，從表面向內(nèi)保持該元素滲層指在鋼的表面滲入某種元素后，從表面向內(nèi)保持該元素較高濃度的距離。較高濃度的距離。（2）影響滲層

11、深度的因素：）影響滲層深度的因素：20MnSi 930滲碳10h后硬度1 1）滲層深度與擴(kuò)散時間的關(guān)系）滲層深度與擴(kuò)散時間的關(guān)系l說明滲層深度說明滲層深度與時間與時間 t t 呈拋物線呈拋物線關(guān)系；關(guān)系；l即延長化學(xué)熱處理時間，相鄰區(qū)域即延長化學(xué)熱處理時間，相鄰區(qū)域的濃度差減小，擴(kuò)散速度逐漸降低的濃度差減小，擴(kuò)散速度逐漸降低；l隨時間延長，擴(kuò)散濃度的增加值也隨時間延長，擴(kuò)散濃度的增加值也越來越少（先快后慢）。越來越少（先快后慢）。12K2 2）滲層深度與溫度的關(guān)系）滲層深度與溫度的關(guān)系RTQeK22滲層深度與溫度呈指數(shù)關(guān)系，滲層深度與溫度呈指數(shù)關(guān)系，因而溫度對深度的影響，遠(yuǎn)比因而溫度對深度的影

12、響，遠(yuǎn)比時間的影響強(qiáng)時間的影響強(qiáng)。3 3）表面濃度愈高，相同擴(kuò)散時）表面濃度愈高，相同擴(kuò)散時間條件下，滲層深度愈深。間條件下，滲層深度愈深。（3）擴(kuò)散層的組織結(jié)構(gòu)擴(kuò)散層的組織結(jié)構(gòu)可以根據(jù)基體金屬與滲入元素的合金狀態(tài)圖及擴(kuò)散條件來確定。擴(kuò)散層形成規(guī)律（滲劑擴(kuò)散層形成規(guī)律（滲劑B B向金屬向金屬A A擴(kuò)散為例）擴(kuò)散為例） T T1 1CmCmCminCminA AT/T/CmaxCmax1 12 23 34 4CmCmCminCminCmaxCmaxAnBmAnBm由表至里距離由表至里距離AnBmAnBmAnBmAnBm表面表面AAnBmAnBmAAnBmAnBmAAnBmAnBmT1溫度下擴(kuò)散層

13、組織變化過程溫度下擴(kuò)散層組織變化過程T1溫度下擴(kuò)散層組織溫度下擴(kuò)散層組織AnBmAnBmAAnBmAnBm冷卻到室溫后擴(kuò)散層組織冷卻到室溫后擴(kuò)散層組織AnBmAnBmAAnBmAnBm快冷快冷慢冷慢冷AnBmAnBmAnBm+AAnBmAnBm1 1、物理催滲法、物理催滲法l概念：是利用改變溫度、氣壓，或利用特定的物理場（等概念：是利用改變溫度、氣壓，或利用特定的物理場（等離子場、真空、高頻、電磁場等），加速滲劑的分解，活離子場、真空、高頻、電磁場等），加速滲劑的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速滲入元素的擴(kuò)化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速滲入元素的擴(kuò)散等。散等。l基本方法：

14、基本方法：A)A)高溫化學(xué)熱處理；高溫化學(xué)熱處理；B)B)高壓或負(fù)壓化學(xué)熱處理；高壓或負(fù)壓化學(xué)熱處理；C)C)高頻化學(xué)熱處理；高頻化學(xué)熱處理；D)D)采用彈性振蕩加速。采用彈性振蕩加速。二、加速化學(xué)熱處理過程的途徑二、加速化學(xué)熱處理過程的途徑2 2、化學(xué)催滲法、化學(xué)催滲法l概念：概念： 是在滲劑中加入一種或幾種化學(xué)試劑或物質(zhì)，促進(jìn)滲劑的分是在滲劑中加入一種或幾種化學(xué)試劑或物質(zhì)，促進(jìn)滲劑的分解，去除表面鈍化膜，改善工件表面活化狀態(tài)，以提高滲劑解，去除表面鈍化膜，改善工件表面活化狀態(tài)，以提高滲劑活性和增加活性原子的濃度。從而提高滲入能力。活性和增加活性原子的濃度。從而提高滲入能力。l分類：分類：A

15、)A)鹵化物催滲法；鹵化物催滲法；B B）提高滲劑活性的催滲方法。）提高滲劑活性的催滲方法。5.2 5.2 鋼的滲碳鋼的滲碳一、滲碳的概述一、滲碳的概述l概念：概念：p 將鋼件在碳的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入將鋼件在碳的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的一種表面化學(xué)熱處理工藝。表層的一種表面化學(xué)熱處理工藝。l目的：目的： 提高零件的表面硬度、耐磨性提高零件的表面硬度、耐磨性 高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度 心部保持良好的塑性與韌性。心部保持良好的塑性與韌性。l分類：分類： 按滲碳介質(zhì)狀態(tài)不同，分為固體滲碳、液體滲碳、氣體按滲碳介質(zhì)狀態(tài)不同，分為固體滲

16、碳、液體滲碳、氣體滲碳。以氣體滲碳應(yīng)用最廣泛。滲碳。以氣體滲碳應(yīng)用最廣泛。l滲碳的材料滲碳的材料 含碳量為含碳量為0.10.10.30.3的低碳鋼或合金鋼。的低碳鋼或合金鋼。 低淬透性、低強(qiáng)度低淬透性、低強(qiáng)度 1515、2020、2525 中等強(qiáng)度，淬透性中等強(qiáng)度，淬透性 20Cr20Cr、20Mn220Mn2、20MnV20MnV 高強(qiáng)度，淬透性高強(qiáng)度，淬透性 20CrMnTi20CrMnTi、 20CrMnMo等。等。 超高強(qiáng)度超高強(qiáng)度 20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA (1) 固體滲碳法固體滲碳法p固體滲碳過程主要由下列步驟組成：固體滲碳過程主要由下列步驟組成：p在灼熱的固體碳表

17、面上，在灼熱的固體碳表面上，CO2與碳反應(yīng)生成與碳反應(yīng)生成CO；p在金屬工件表面，在金屬工件表面，CO分解析出活性碳原子；分解析出活性碳原子；p活性碳原子被工件表面吸收，并向內(nèi)部擴(kuò)散?；钚蕴荚颖还ぜ砻嫖?，并向內(nèi)部擴(kuò)散。pa、固體滲碳劑、固體滲碳劑p固體滲碳劑主要由固體滲碳劑主要由供碳劑、催化劑供碳劑、催化劑組成。組成。p供碳劑一般為供碳劑一般為木炭、焦炭木炭、焦炭；p催化劑一般是催化劑一般是碳酸鹽碳酸鹽。木炭與滲碳箱內(nèi)的氧氣發(fā)生反應(yīng)：木炭與滲碳箱內(nèi)的氧氣發(fā)生反應(yīng)： C+OC+O2 2COCO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO 2COCO 2COCO2 2+C+C催化劑的反應(yīng)

18、為：催化劑的反應(yīng)為： BaCOBaCO3 3BaO+COBaO+CO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO Na Na2 2COCO3 3NaNa2 2O+COO+CO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2COb、固體滲碳工藝、固體滲碳工藝p把工件埋入滲碳箱中，四周填滿固體滲碳劑，并用蓋和耐把工件埋入滲碳箱中，四周填滿固體滲碳劑，并用蓋和耐火泥將箱密封，然后送入加熱爐中，加熱至滲碳溫度火泥將箱密封，然后送入加熱爐中，加熱至滲碳溫度(900 930C)，保溫一定時間后出爐，即得所需樣品。，保溫一定時間后出爐，即得所需樣品。p優(yōu)點：不需要專門的滲碳設(shè)備，操作簡單，成本低，大小零件都

19、能用。p缺點：滲速慢，滲碳時間長，滲層不易控制，不能直接淬火，勞動條件差，效率低。(2) 液體滲碳法液體滲碳法p在熔融狀態(tài)的鹽溶滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。在熔融狀態(tài)的鹽溶滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。p1)、液體滲碳用鹽、液體滲碳用鹽p液體滲碳鹽浴一般由液體滲碳鹽浴一般由中性鹽中性鹽和和滲碳劑滲碳劑組成，中性鹽一般不組成，中性鹽一般不參與滲碳反應(yīng)，主要起調(diào)整鹽浴密度、熔點和流動性的作參與滲碳反應(yīng)，主要起調(diào)整鹽浴密度、熔點和流動性的作用。用。p傳統(tǒng)的滲碳鹽浴以傳統(tǒng)的滲碳鹽浴以NaCN為供碳劑，這種鹽浴相對易于控為供碳劑，這種鹽浴相對易于控制，滲碳件表面碳含量較穩(wěn)定，但氰鹽有劇毒。制，滲碳件表面碳含量較穩(wěn)

20、定，但氰鹽有劇毒。p近年來發(fā)展了低氰滲碳鹽浴（近年來發(fā)展了低氰滲碳鹽?。∟aCN含量保持在含量保持在0.7-2.3%）和無）和無NaCN型滲碳鹽?。ㄓ媚咎糠酆托蜐B碳鹽?。ㄓ媚咎糠酆蚐iC作為供作為供碳劑）。碳劑）。2)、液體滲碳工藝、液體滲碳工藝p液體滲碳溫度及鹽浴活性是決定滲碳速度和表面碳含量的主液體滲碳溫度及鹽浴活性是決定滲碳速度和表面碳含量的主要因素。要因素。p對于滲層薄及變形要求嚴(yán)格的工件，可采用較低的滲碳溫度對于滲層薄及變形要求嚴(yán)格的工件，可采用較低的滲碳溫度（850 900C）；）；p對于要求滲層厚者，滲碳溫度要高一些（對于要求滲層厚者，滲碳溫度要高一些（910 950C）。）。p

21、溫度一定條件下，滲碳保溫時間由滲層深度決定。溫度一定條件下，滲碳保溫時間由滲層深度決定。3)、液體滲碳優(yōu)缺點、液體滲碳優(yōu)缺點優(yōu)點：加熱速度快，加熱均勻，滲碳后便于直接淬火，適合優(yōu)點：加熱速度快，加熱均勻，滲碳后便于直接淬火，適合于處理中、小型零件。于處理中、小型零件。缺點：多數(shù)鹽浴有毒。缺點：多數(shù)鹽浴有毒。4)、液體滲碳后的冷卻方式、液體滲碳后的冷卻方式p隨爐降溫或?qū)⒐ぜ浦恋葴夭壑蓄A(yù)冷，然后直接淬火隨爐降溫或?qū)⒐ぜ浦恋葴夭壑蓄A(yù)冷，然后直接淬火（預(yù)冷溫度應(yīng)高于心部鐵素體析出的溫度）。（預(yù)冷溫度應(yīng)高于心部鐵素體析出的溫度）。p等溫槽預(yù)冷后，工件出爐空氣冷卻（預(yù)冷目的是為了減等溫槽預(yù)冷后，工件出

22、爐空氣冷卻（預(yù)冷目的是為了減少表面脫碳及氧化），然后重新加熱淬火。少表面脫碳及氧化），然后重新加熱淬火。3、 氣體滲碳（1）概念：把工件放在一定溫度的富碳?xì)怏w介質(zhì)中，加熱和保溫進(jìn)行滲碳的工藝。（2）特點： 操作簡便，周期短，質(zhì)量容易控制，勞動條件好。氣體滲碳示意圖p氣體滲碳根據(jù)所用滲碳?xì)怏w的產(chǎn)生辦法及種類，可分為氣體滲碳根據(jù)所用滲碳?xì)怏w的產(chǎn)生辦法及種類，可分為滴滴注式、吸熱式和氮基式注式、吸熱式和氮基式三種氣體滲碳方法。三種氣體滲碳方法。1)、滴注式氣體滲碳、滴注式氣體滲碳滴注式氣體滲碳是指將苯、醇、煤油等有機(jī)液體直接滴入滴注式氣體滲碳是指將苯、醇、煤油等有機(jī)液體直接滴入滲碳爐中裂解進(jìn)行氣體滲

23、碳的方法。滲碳爐中裂解進(jìn)行氣體滲碳的方法。滴注式氣體滲碳，一般采用兩種有機(jī)液體同時滴入爐內(nèi)。滴注式氣體滲碳，一般采用兩種有機(jī)液體同時滴入爐內(nèi)。一種液體高溫下分解產(chǎn)生的氣體碳勢較低，作為一種液體高溫下分解產(chǎn)生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體稀釋氣體；另一種液體高溫下分解產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為另一種液體高溫下分解產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為滲碳?xì)怏w。滲碳?xì)怏w。滴注劑的滴注劑的選擇原則選擇原則滲碳能力強(qiáng)，足夠的活性原子滲碳能力強(qiáng)，足夠的活性原子 用碳氧比與碳當(dāng)量衡量（液體介質(zhì)）用碳氧比與碳當(dāng)量衡量（液體介質(zhì)） 碳氧比碳氧比：分子式中碳氧原子數(shù)之比。：分子式中碳氧原子數(shù)之比。 C/OC/O越大，分解的活性碳

24、原子越多越大，分解的活性碳原子越多 滲碳能力越強(qiáng)。滲碳能力越強(qiáng)。 甲醇甲醇 CHCH2 2OH C/O=1OH C/O=1 乙醇乙醇 C C2 2H H2 2OH C/O=2OH C/O=2 丙酮丙酮 CHCH3 3COCHCOCH3 3 C/O=3 C/O=3 碳當(dāng)量碳當(dāng)量：產(chǎn)生一克分子碳所需該物質(zhì)的量。：產(chǎn)生一克分子碳所需該物質(zhì)的量。 碳當(dāng)量越小，滲碳能力越強(qiáng)。碳當(dāng)量越小，滲碳能力越強(qiáng)。 甲醇甲醇 CHCH2 2OH OH 碳當(dāng)量碳當(dāng)量6464 乙醇乙醇 C C2 2H H2 2OH OH 碳當(dāng)量碳當(dāng)量4646 丙酮丙酮 CHCH3 3COCHCOCH3 3 碳當(dāng)量碳當(dāng)量2929 滲碳能力

25、由強(qiáng)至弱順序：滲碳能力由強(qiáng)至弱順序： 丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇 氣氛成分的穩(wěn)定性氣氛成分的穩(wěn)定性 原料經(jīng)濟(jì)，來源方便，無公害原料經(jīng)濟(jì)，來源方便，無公害p碳勢調(diào)節(jié)方法：碳勢調(diào)節(jié)方法：p改變兩種液體的滴入比例來調(diào)節(jié)碳勢。改變兩種液體的滴入比例來調(diào)節(jié)碳勢。p使用幾種滲碳能力不同的液體，通過改變液滴來調(diào)節(jié)碳使用幾種滲碳能力不同的液體，通過改變液滴來調(diào)節(jié)碳勢。勢。p滴注式氣體的滲碳過程滴注式氣體的滲碳過程:p分為四個階段：分為四個階段：排氣、強(qiáng)滲、擴(kuò)散及降溫出爐排氣、強(qiáng)滲、擴(kuò)散及降溫出爐p排氣階段：加大滲碳劑（稀釋劑）滴量，使?fàn)t內(nèi)氧化性排氣階段：加大滲碳劑

26、（稀釋劑）滴量，使?fàn)t內(nèi)氧化性氣氛迅速減少。氣氛迅速減少。p強(qiáng)滲階段：滲碳劑滴量較多，保證爐氣有較高碳勢，以強(qiáng)滲階段：滲碳劑滴量較多，保證爐氣有較高碳勢，以提高滲碳速度。提高滲碳速度。p擴(kuò)散階段：減少滲碳劑滴量，保持預(yù)定的碳勢，使表層擴(kuò)散階段：減少滲碳劑滴量，保持預(yù)定的碳勢，使表層過剩的碳向內(nèi)部擴(kuò)散，最后得到要求的深度及合適的碳含過剩的碳向內(nèi)部擴(kuò)散，最后得到要求的深度及合適的碳含量分布。量分布。p降溫出爐階段：直接淬火的工件，隨爐冷至適宜的淬火降溫出爐階段：直接淬火的工件，隨爐冷至適宜的淬火溫度，保溫溫度，保溫15 30min后出爐淬火；需重新加熱淬火的后出爐淬火；需重新加熱淬火的工件，自滲碳溫

27、度出爐后在空氣中冷卻。工件，自滲碳溫度出爐后在空氣中冷卻。2)、吸熱式氣氛氣體滲碳、吸熱式氣氛氣體滲碳p吸熱式氣氛滲碳時，爐內(nèi)滲碳?xì)怏w由吸熱式氣氛滲碳時，爐內(nèi)滲碳?xì)怏w由吸熱式氣體吸熱式氣體（CO、H2、N2、H2O、CO2、O2等）加等）加富化氣富化氣（CH4、C3H8）組成。）組成。p吸熱式氣氛由一定比例的原料氣（天然氣、丙烷、丁烷等吸熱式氣氛由一定比例的原料氣（天然氣、丙烷、丁烷等碳?xì)浠衔铮┖涂諝饣旌?，通過內(nèi)部催化劑、外部加熱的碳?xì)浠衔铮┖涂諝饣旌?，通過內(nèi)部催化劑、外部加熱的反應(yīng)罐，經(jīng)吸熱反應(yīng)制備所得的氣氛。反應(yīng)罐，經(jīng)吸熱反應(yīng)制備所得的氣氛。p吸熱式氣氛的化學(xué)反應(yīng)通式：吸熱式氣氛的化學(xué)

28、反應(yīng)通式：3)、氮基氣氛滲碳、氮基氣氛滲碳p氮基氣氛滲碳是一種以純氮為載體，添加碳?xì)浠衔镞M(jìn)行氮基氣氛滲碳是一種以純氮為載體，添加碳?xì)浠衔镞M(jìn)行氣體滲碳的工藝方法。氣體滲碳的工藝方法。p特點：特點：p不需要氣體發(fā)生裝置。不需要氣體發(fā)生裝置。p成分與吸熱式氣氛基本相同，滲碳層深度的均勻性不低成分與吸熱式氣氛基本相同，滲碳層深度的均勻性不低于吸熱式氣氛滲碳。于吸熱式氣氛滲碳。p具有與吸熱式氣氛相同的點燃極限，由于具有與吸熱式氣氛相同的點燃極限，由于N2能自動安能自動安全吹滅，故采用氮氣氣氛的工藝具有更大的安全性。全吹滅，故采用氮氣氣氛的工藝具有更大的安全性。p滲碳速度不低于吸熱式氣氛滲碳。滲碳速度

29、不低于吸熱式氣氛滲碳。(4) 真空滲碳法真空滲碳法p是一種較新的氣體滲碳工藝。是一種較新的氣體滲碳工藝。p1) 真空滲碳的溫度和適用范圍真空滲碳的溫度和適用范圍特點特點pa 由于將滲碳溫度由普通氣體滲碳時由于將滲碳溫度由普通氣體滲碳時900 950C提高提高到到1030 1050C以上，以及由于真空加熱的表面凈以上，以及由于真空加熱的表面凈化作用所造成的表面活化狀態(tài)，使?jié)B碳時間顯著縮短?；饔盟斐傻谋砻婊罨癄顟B(tài)，使?jié)B碳時間顯著縮短。pb. 滲碳表面質(zhì)量好，滲碳層均勻，沒有過渡滲碳的危險滲碳表面質(zhì)量好，滲碳層均勻，沒有過渡滲碳的危險等，無脫碳現(xiàn)象，工件變形小，節(jié)省能源。等，無脫碳現(xiàn)象，工件變形

30、小，節(jié)省能源。pc. 作業(yè)條件好，如排除了煙、熱對環(huán)境的污染等。作業(yè)條件好，如排除了煙、熱對環(huán)境的污染等。二、評定滲碳質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)：二、評定滲碳質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)：1 1、滲碳層的碳濃度：、滲碳層的碳濃度：0.850.851.051.05 。l碳濃度低，則耐磨性不夠，疲勞強(qiáng)度較低。碳濃度低，則耐磨性不夠，疲勞強(qiáng)度較低。l碳濃度過高滲層變脆，出現(xiàn)網(wǎng)狀或塊狀碳化物，則很容易剝落碳濃度過高滲層變脆，出現(xiàn)網(wǎng)狀或塊狀碳化物，則很容易剝落影響使用壽命。影響使用壽命。l滲碳層的濃度梯度也應(yīng)滿足一定要求，滲層的碳濃度梯度應(yīng)平滲碳層的濃度梯度也應(yīng)滿足一定要求，滲層的碳濃度梯度應(yīng)平衡下降。衡下降。2）滲層深

31、度 ：為了提高工件的疲勞強(qiáng)度，滲碳層的總濃度和工件斷面之間有一個經(jīng)驗的比例關(guān)系：R)2 . 01 . 0(軸類m)3 . 02 . 0(齒輪t )3 . 02 . 0(薄片零件R半徑(mm)； m模數(shù)(mm)； t 厚度(mm)。一般情況，小截面工件滲層深度不大于工件截面的20； 大截面工件滲層深度不大于23mm。四、滲碳后的熱處理工件滲碳后，表層高碳，心部低碳。為獲得理想的性能，需要進(jìn)行熱處理。滲碳后熱處理的目的滲碳后熱處理的目的pa. 提高工件表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性能；提高工件表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性能；pb. 提高心部的強(qiáng)度和韌性；提高心部的強(qiáng)度和韌性；pc. 細(xì)化晶粒；細(xì)化晶粒；pd

32、. 消除網(wǎng)狀碳化物和減少殘留奧氏體；消除網(wǎng)狀碳化物和減少殘留奧氏體；pe. 消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。1、直接淬火滲碳后，預(yù)冷到一定溫度，立即進(jìn)行淬火冷卻，這種方法適合于氣體或液體滲碳，固體滲碳不適合。2、一次淬火法工件滲碳后隨爐冷卻到室溫，然后再重新加熱到淬火溫度，經(jīng)保溫后淬火。3、兩次淬火法將滲碳緩冷到室溫的工件進(jìn)行兩次加熱淬火。注意：淬火后需要進(jìn)行低溫回火。1 1、直接淬火法、直接淬火法本質(zhì)細(xì)晶粒鋼滲本質(zhì)細(xì)晶粒鋼滲碳件，滲碳后晶碳件，滲碳后晶粒不易長大，滲粒不易長大，滲碳后可直接預(yù)冷碳后可直接預(yù)冷淬火，淬火， 180180200C200C 低溫回火低溫回火p優(yōu)點：減少加

33、熱和冷卻的次數(shù)，使操作簡化、生產(chǎn)效率提優(yōu)點：減少加熱和冷卻的次數(shù)，使操作簡化、生產(chǎn)效率提高，還可減少淬火變形及表面氧化脫碳。高，還可減少淬火變形及表面氧化脫碳。p缺點：滲碳溫度高，奧氏體晶粒粗大，淬火后缺點：滲碳溫度高，奧氏體晶粒粗大，淬火后A較多，工較多，工件性能下降。件性能下降。p只適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼或性能要求較低的零件。只適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼或性能要求較低的零件。p工件滲碳后直接出爐，空冷至室溫，然后再重新加熱淬火。工件滲碳后直接出爐，空冷至室溫，然后再重新加熱淬火。淬火溫度的選擇要兼顧表面和心部的要求。淬火溫度的選擇要兼顧表面和心部的要求。 心部要求較高強(qiáng)韌性的零件，加熱至心部心部要求較

34、高強(qiáng)韌性的零件，加熱至心部Ac3Ac3稍上。稍上。 心部心部: :細(xì)小的低碳細(xì)小的低碳M M； 表面可消除網(wǎng)狀滲碳體；表面可消除網(wǎng)狀滲碳體； 晶粒較粗大，殘余奧氏體較多，影響耐磨性。晶粒較粗大，殘余奧氏體較多，影響耐磨性。 對表面耐磨性要求較高的零件，加熱溫度應(yīng)選擇在對表面耐磨性要求較高的零件，加熱溫度應(yīng)選擇在Ac1Ac1稍上，稍上， 表面層為表面層為M M、未溶碳化物和少量殘余奧氏體、未溶碳化物和少量殘余奧氏體 心部低碳心部低碳M M和未溶鐵素體。和未溶鐵素體。2、一次淬火法、一次淬火法3)、二次淬火、二次淬火p將滲碳后的工件置于空氣中冷卻，然后再進(jìn)行兩次淬火和將滲碳后的工件置于空氣中冷卻，

35、然后再進(jìn)行兩次淬火和低溫回火。低溫回火。p第一次淬火溫度：第一次淬火溫度：Ac3+30-50，p目的：細(xì)化心部組織，使淬火后心部組織為細(xì)晶粒低碳馬目的：細(xì)化心部組織，使淬火后心部組織為細(xì)晶粒低碳馬氏體，消除滲層的網(wǎng)狀碳化物。氏體，消除滲層的網(wǎng)狀碳化物。p第二次淬火溫度：第二次淬火溫度：Ac1+30-50，p目的：使表層得到細(xì)針狀馬氏體和呈小顆粒狀分布的二次目的：使表層得到細(xì)針狀馬氏體和呈小顆粒狀分布的二次滲碳體，減少滲層的殘留奧氏體數(shù)量。滲碳體，減少滲層的殘留奧氏體數(shù)量。p優(yōu)點：能獲得較好的表面和心部組織。優(yōu)點：能獲得較好的表面和心部組織。p缺點：工藝較復(fù)雜，工件易氧化、脫碳和變形。缺點：工藝

36、較復(fù)雜，工件易氧化、脫碳和變形。p僅在當(dāng)直接淬火、一次淬火無法滿足要求時才使用。僅在當(dāng)直接淬火、一次淬火無法滿足要求時才使用。五、滲碳后的組織與性能1、滲碳后緩冷到室溫下的組織表面過共析區(qū)：PFe3CII；接近共析區(qū)：P；亞共析區(qū)（過渡區(qū)）：FP；心部：原始組織。共析區(qū)過共析區(qū)滲碳后緩冷，滲層分滲碳后緩冷，滲層分三個區(qū)域：三個區(qū)域：過共析層：過共析層：OAOA段段珠光體網(wǎng)狀滲碳體珠光體網(wǎng)狀滲碳體共析層：共析層：A A段段珠光體珠光體過渡層：過渡層：ACAC段段珠光體鐵素體珠光體鐵素體 心部原始組織：大量心部原始組織：大量鐵素體少量珠光體鐵素體少量珠光體滲滲碳碳層層的的組組織織過共析組織過共析組

37、織(P+Fe3C) 共析組織共析組織(P) 過渡區(qū)亞共析組織過渡區(qū)亞共析組織(P+F) 原始亞共析組織原始亞共析組織(F+P) 2 2、滲碳后淬火加低溫回火后的組織：、滲碳后淬火加低溫回火后的組織：l表面：回火馬氏體表面：回火馬氏體+ +顆粒狀碳化物顆粒狀碳化物+ +殘余奧氏體；殘余奧氏體；l心部組織依據(jù)鋼種來確定。心部組織依據(jù)鋼種來確定。l若為低碳鋼，淬透性差，為鐵素體若為低碳鋼，淬透性差，為鐵素體+ +珠光體；珠光體；l若為低碳合金鋼，淬透性好，為馬氏體加少量鐵素體。若為低碳合金鋼，淬透性好，為馬氏體加少量鐵素體。亞共析區(qū)心部3 3、性能、性能l表面：具有較高的硬度、耐磨性以及疲勞強(qiáng)度；表

38、面：具有較高的硬度、耐磨性以及疲勞強(qiáng)度；l心部：具有良好的塑性與韌性。心部：具有良好的塑性與韌性。滲碳件的組織對性能的影響滲碳件的組織對性能的影響p（1）表層碳含量）表層碳含量p表面含碳量應(yīng)控制在表面含碳量應(yīng)控制在0.9左右左右 。p（2）、殘留奧氏體：與馬氏體相比，殘留奧氏體強(qiáng)度、）、殘留奧氏體：與馬氏體相比，殘留奧氏體強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性較高，組織中有一定數(shù)量的殘留奧硬度較低，塑性、韌性較高，組織中有一定數(shù)量的殘留奧氏體，能起到對外力緩沖和使應(yīng)力分布均勻的作用，增加氏體，能起到對外力緩沖和使應(yīng)力分布均勻的作用，增加了疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的阻力，提高了鋼的斷裂韌性。了疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的

39、阻力，提高了鋼的斷裂韌性。p不宜超過不宜超過30 p（3）滲層碳化物：可顯著提高工件的耐磨性和抗咬合性，）滲層碳化物：可顯著提高工件的耐磨性和抗咬合性，但粗大塊狀或網(wǎng)狀碳化物的存在，會破壞基體組織的連續(xù)但粗大塊狀或網(wǎng)狀碳化物的存在，會破壞基體組織的連續(xù)性而引起脆性，使工件表面產(chǎn)生剝落。性而引起脆性，使工件表面產(chǎn)生剝落。p（4）心部硬度及組織：工件心部硬度取決于鋼的碳含量。）心部硬度及組織：工件心部硬度取決于鋼的碳含量。合適的心部組織應(yīng)為低碳馬氏體、貝氏體或索氏體，不允合適的心部組織應(yīng)為低碳馬氏體、貝氏體或索氏體，不允許有大塊、大量的鐵素體存在。許有大塊、大量的鐵素體存在。p（5）滲碳層深度：滲

40、碳層的深度愈深，可以承載接觸應(yīng)）滲碳層深度：滲碳層的深度愈深，可以承載接觸應(yīng)力愈大。在滿足工件使用要求的前提下，滲層越淺越經(jīng)濟(jì)。力愈大。在滿足工件使用要求的前提下，滲層越淺越經(jīng)濟(jì)。過多地增加層深，會使表面殘余壓應(yīng)力降低，工件韌性下過多地增加層深，會使表面殘余壓應(yīng)力降低，工件韌性下降，疲勞強(qiáng)度降低。降，疲勞強(qiáng)度降低。一般滲碳件的工藝路線一般滲碳件的工藝路線p鍛造鍛造正火正火切削加工切削加工滲碳滲碳淬火淬火+低溫回火低溫回火精加工精加工六、滲碳件的質(zhì)量檢查六、滲碳件的質(zhì)量檢查 1 1、滲碳層的深度的檢查（測定）、滲碳層的深度的檢查（測定） 常用隨爐滲碳試樣來判別。常用隨爐滲碳試樣來判別。（1 1）

41、斷口分析法：將滲碳試樣淬火后打斷觀察，滲層斷口呈白色）斷口分析法：將滲碳試樣淬火后打斷觀察，滲層斷口呈白色瓷狀，未滲碳部位為灰色纖維狀，兩層交界處的含碳量約為瓷狀，未滲碳部位為灰色纖維狀，兩層交界處的含碳量約為0.40.4。為了清楚地顯示滲碳層，可將試樣斷口磨平拋光，為了清楚地顯示滲碳層，可將試樣斷口磨平拋光，4 4硝酸酒精溶硝酸酒精溶液腐蝕，滲碳層呈黑色，中心部分呈灰色，直接用讀數(shù)放大鏡測液腐蝕，滲碳層呈黑色，中心部分呈灰色，直接用讀數(shù)放大鏡測出滲層深度出滲層深度。（2 2）金相分析法：退火態(tài)下測量。）金相分析法：退火態(tài)下測量。l 碳鋼件：從表面測到過渡區(qū)的碳鋼件：從表面測到過渡區(qū)的1/21

42、/2處。處。l 合金鋼：從表面到出現(xiàn)原始組織為止。合金鋼：從表面到出現(xiàn)原始組織為止。（3 3）硬度法：）硬度法：滲碳滲層深度為從表面向里到硬度滲碳滲層深度為從表面向里到硬度HV550HV550。2 2、硬度檢查：、硬度檢查： 根據(jù)技術(shù)要求和工藝規(guī)定的部位檢查硬度。根據(jù)技術(shù)要求和工藝規(guī)定的部位檢查硬度。 一般要求檢查淬火及低溫回火后的表面硬度(大于58HRC)和心部硬度。 3 3、金相組織檢查、金相組織檢查 滲碳件淬火及回火后的金相組織檢查，包括表層碳化物的數(shù)量，滲碳件淬火及回火后的金相組織檢查，包括表層碳化物的數(shù)量，分布特征，馬氏體粗細(xì)，殘余奧氏體的含量，心部游離鐵素體的分布特征，馬氏體粗細(xì)，

43、殘余奧氏體的含量，心部游離鐵素體的數(shù)量大小分布狀態(tài)數(shù)量大小分布狀態(tài)。 圖圖5-21塊狀碳化物塊狀碳化物級別級別8級級400 滲滲C缺陷及控制缺陷及控制1.表面粗大網(wǎng)狀、塊狀碳化物表面粗大網(wǎng)狀、塊狀碳化物控制方法：控制方法：降低滲碳劑濃度、數(shù)量，降低滲碳劑濃度、數(shù)量，強(qiáng)滲期溫度調(diào)低。強(qiáng)滲期溫度調(diào)低。形成原因形成原因： 碳勢太高，溫度太高，碳勢太高，溫度太高， 保溫時間太長。保溫時間太長。返修方法：返修方法：調(diào)整碳勢并補(bǔ)滲；脫調(diào)整碳勢并補(bǔ)滲；脫C層層0.02mm時，噴丸處理時，噴丸處理18CrMnTi滲碳表面脫碳滲碳表面脫碳2.表層貧碳或脫碳表層貧碳或脫碳形成原因：形成原因：擴(kuò)散期碳勢降低太多，爐擴(kuò)散期碳勢降低太多，爐子漏氣，緩冷或出爐時氧子漏氣，緩冷或出爐時氧化脫碳化脫碳形成成因：形成成因：滲滲C或淬火溫度過高，或淬火溫度過高， 使使A中中的的C及含及含C量過高。量過高。防止方法：防止方法：降低碳勢，降低降低碳勢，降低滲滲C溫度和淬火溫度，降低重溫度和淬火溫度，降低重淬溫度。淬溫度。返修方法