第二章可控氣氛熱處理技術(shù)

1先進熱處理制造技術(shù)第二章可控氣氛熱處理技術(shù)前沿

熱處理生產(chǎn)技術(shù)重點發(fā)展的方向之一是可控氣氛熱處理。

在無氧化熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢中，首推可控氣氛熱處理?？煽貧夥諢崽幚硐冗M熱處理技術(shù)的主要組成部分。

在目前少品種、大批量生產(chǎn)中，尤其是碳素鋼和一般合金結(jié)構(gòu)鋼件的光亮淬火、退火、滲碳淬火、碳氮共滲淬火、氣體氮碳共滲仍以可控氣氛為主要手段。2主要內(nèi)容制備氣氛的氣源設(shè)備可控氣氛在熱處理中的應(yīng)用3制備氣氛的氣源最早的吸熱式氣氛發(fā)生爐主要用液化氣，即純度較高的丙烷或丁烷。

近年已證實，我國的天然氣資源豐富，為用甲烷制備吸熱式氣氛創(chuàng)造了良好的條件。4設(shè)備能密封的爐型自動化程度高，生產(chǎn)柔性大，適用性強的多用爐生產(chǎn)線5可控氣氛在熱處理中的應(yīng)用滲碳高溫滲碳是滲碳技術(shù)發(fā)展趨勢之一。碳氮共滲碳氮共滲溫度比滲碳低，工件畸變小67滲碳熱處理廣泛應(yīng)用于承受著高負(fù)荷、高磨損和高疲勞抗力的零件生產(chǎn)上，其中可控氣氛滲碳在汽車、拖拉機、汽輪機、工程機械、大型礦山成套機械裝置、船舶以及宇航等領(lǐng)域的齒輪生產(chǎn)上仍占著相當(dāng)大的比例，并且正在采用計算機動態(tài)控制技術(shù)以實現(xiàn)重現(xiàn)性高和品質(zhì)優(yōu)良的部件生產(chǎn)上?！?.1滲碳技術(shù)初步8§2.1滲碳技術(shù)初步一滲碳的定義、目的及分類定義：鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子深入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝目的：使機器零件獲得高的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和抗疲勞強度分類：根據(jù)所用滲劑在滲碳過程中聚集狀態(tài)的不同，可分為固體滲碳法液體滲碳法氣體滲碳法9二固體滲碳法定義：是把滲碳工件裝入有固體滲碳劑的密封箱內(nèi)，在滲碳溫度區(qū)間加熱滲碳。滲碳劑：一定大小的固體炭粒和催滲劑（e.g.碳酸鹽）

滲碳反應(yīng)：

Na2CO3→Na2O+CO2orC+O2→CO2

C

+CO2→2CO2CO→CO2+[C]（活性碳原子）

特點：設(shè)備便宜，工藝簡單，歷史較長適合多種少量生產(chǎn)熱源多樣，過程不可控，不適于連續(xù)大批量生產(chǎn)10三液體滲碳法定義：在能析出活性碳原子的鹽浴中進行的滲碳工藝。滲碳劑：氰化鹽（以700℃為界，上以滲碳為主，下以滲氮為主）滲碳反應(yīng)：

NaCN+O2→NaCNOorNaCN+CO2→NaCNO+CONaCNO→NaCO3+CO+N

特點：加熱迅速均勻，可直接淬火滲碳層薄且均勻，適于小件中量生產(chǎn)滲劑毒性大，處理后表面附著鹽不易清理滲劑易劣化，遇水強烈反應(yīng)，滲劑組成易變動11四氣體滲碳法定義：工件在氣體介質(zhì)中進行的滲碳工藝滲劑：碳?xì)浠衔镉袡C液體（e.g.煤油丙酮）滲碳?xì)夥眨A(yù)生成和直生式）滲碳反應(yīng)：

CO→[C]+CO2H2+CO→[C]+H2OCH4→[C]+H2C2H6→[C]+CH4+H2C3H8→[C]+C2H6+H2

特點：適于大量生產(chǎn)，易實現(xiàn)自動化可調(diào)節(jié)表面碳濃度（Control）設(shè)備昂貴，投資大五、國外滲碳工藝的新進展近二十多年來，國外的滲碳工藝已形成具有明顯特色的一些先進工藝技術(shù)，主要體現(xiàn)在高溫滲碳、深層滲碳、高濃度滲碳、真空滲碳淬火、不銹鋼的低溫滲碳等12高溫滲碳

高于常規(guī)氣體滲碳溫度930℃的滲碳稱為高溫滲碳。由計算知，將溫度由930℃提高至1050℃達到相同的滲層深度大約可縮短滲碳時間2／3以上。顯然，采用高溫滲碳，節(jié)能和縮短工藝周期的效果是顯著的。美國的熱處理技術(shù)路線圖將之作為重點推廣項目之一。1314AlSIlOl8鋼(相當(dāng)于我國鋼號20)，在一定條件下于不同滲碳溫度下的實測深度和表層含碳量變化數(shù)據(jù)表明，高溫滲碳速度提高了。2.鋼件的深層滲碳機械零件常規(guī)滲碳層深度為0.8～1.2mm，加機械零件的冷加工裕量，相應(yīng)深度為1.3—1.7mm。這樣，滲碳深度大于1.8mm零件的滲碳應(yīng)屬于深層滲碳范圍。15

深層滲碳對大模數(shù)重載齒輪的生產(chǎn)十分適用，許多工業(yè)發(fā)達國家，如瑞士、德國和日本都采用滲碳淬火和磨齒工藝技術(shù)。其中，瑞士馬格公司的技術(shù)享有世界盛名，處于領(lǐng)先地位。163.高濃度滲碳常規(guī)滲碳件表面的含碳量一般為0.8％～1.0％范圍。為此，要求將滲碳工件表面含碳量超過此范圍的化學(xué)熱處理操作稱為高濃度滲碳，或稱作為“過剩滲碳”或“高飽和滲碳”。高濃度滲碳適用于含一定量Cr或Mo或Ni、Cr、Mo的合金鋼。應(yīng)用于4118、5120、8620、8720、8822和9310等鋼。52100(GCrl5或100Cr6)鋼也可進行這種處理。17日本學(xué)者S．Nakamura等，I．Machida等和T．Moritov等分別在2002、2008和2010年在美國申請高濃度滲碳專利(US2002／0050307A1，US2008／0156399A1和US2010／0126632A1)，都能獲得在常規(guī)滲碳淬火的馬氏體基體上分布著細(xì)小彌散的碳化物粒狀。184.鋼件真空滲碳淬火真空滲碳也稱低壓滲碳，是一種非平衡的強滲一擴散型(non-equilibriumboost-diffusion-type)滲碳過程。其一般過程描述為在具有一定分壓的碳?xì)錃夥盏拇终婵盏膴W氏體化條件下進行滲碳和在粗真空條件下進行擴散，在達到技術(shù)條件要求后于油中或高壓氣淬條件下冷卻的一個過程。1920日本Inata采用乙炔真空滲碳處理后的汽車部件：圖a是高濃度滲碳工藝曲線，圖b是工件裝爐料筐，圖c是SNCM220高濃度滲碳后的組織(對應(yīng)的有效硬化層深為1.20mm)可以看出在常規(guī)滲碳層上沉淀析出細(xì)小球狀的碳化物，從而改善部件耐磨性和疲勞強度。21。SUS304不銹鋼1050℃滲碳后的組織及硬度梯度曲線和汽車部件的裝料。5.不銹鋼的低溫和滲碳奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性、高的韌性、無磁性和一定的生物相容性，被廣泛應(yīng)用于機械工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、食品加工業(yè)、制藥、生物和核工業(yè)領(lǐng)域，然而其硬度低、抗磨損性能差，因而應(yīng)用受到限制。

后來又發(fā)現(xiàn)，奧氏體不銹鋼經(jīng)低溫滲碳也可獲得具有高硬度、高耐磨性和優(yōu)良耐蝕性的表面滲層。滲碳溫度低于550℃，碳擴散進入材料表面，也不出現(xiàn)Cr的碳化物沉淀。22

2006年美國Swagelok公司報導(dǎo)了低溫非常超飽和處理工藝，并在奧氏體不銹鋼以外的含Cr沉淀硬化不銹鋼，雙相合金，鎳基合金和Co基合金上應(yīng)用。為此贏得2006年工程材料成就獎。2324日本AirWater公司316鋼在470℃20h滲碳25發(fā)展歷史

20世紀(jì)30年代開始工業(yè)應(yīng)用（僅爐溫和時間可控）

吸熱式氣氛發(fā)生裝置的開發(fā)（碳勢控制）滴注式可控氣氛的出現(xiàn)

氧濃差電池+紅外分析儀PLC+計算機

§2.2可控氣氛熱處理的概述26滴注式可控氣氛工藝過程：一般采用兩種有機液體同時滴入爐內(nèi)，一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體，另一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為富化氣。改變兩種液體的滴入比例，可控制零件的表面含碳量。

27吸熱式可控氣氛工藝過程：在發(fā)生器中，把天然氣、液化石油氣等氣體與一定比例的空氣混合，再通過加熱到高溫（1000℃以上）加入催化劑，使混合氣體的未燃部分（當(dāng)空氣量較少時，混合氣體先部分燃燒）熱裂解（吸熱反應(yīng)）而制得。

放熱式可控氣氛工藝過程：在發(fā)生器中,把天然氣、液化石油氣等氣體燃料或酒精、柴油等液體燃料與較多的空氣混合，使它接近于完全燃燒(放熱反應(yīng))，再對燃燒產(chǎn)物進行初步凈化(除水)或高度凈化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的氣體。28一概述早期：出現(xiàn)時間早、完全憑經(jīng)驗處理、僅能控制爐溫和時間轉(zhuǎn)折：碳活度公式在不平衡氣氛中的擴展應(yīng)用氧勢：采用氧探頭測定（Pt對CH4分解的強催化作用）CO：隨滲碳溫度和時間改變，采用紅外分析儀分析應(yīng)用依據(jù)：滲碳試驗

§2.3直生式滲碳技術(shù)29二直生式氣氛

1.燃料種類：氣體或液體常見的有天然氣、丙烷、丙酮、異丙醇2.氣體組成：主要組分為CO,H2和CH4直生式氣氛的組成與燃料種類、燃料與空氣的比例以及爐內(nèi)溫度等有關(guān)。氣氛中含有較高的CH4，氣氛組成（尤其是CH4含量）受溫度影響較大。自然氣/空氣類型的直生式氣氛由于過高的CH4含量，在850℃以下已無法獲得實際應(yīng)用。

30三、優(yōu)勢a.碳傳遞系數(shù)（β）高：相同碳勢條件下，直生氣氛可使工件表面獲得較高的碳濃度，加大工件表層的濃度梯度，增加滲速和滲層厚度。b.碳可用量高含有高濃度的CH4，保證滲碳的均勻性，尤其有利于零件外形復(fù)雜、裝載密度較大、氣氛循環(huán)狀況較差的條件31c、控制方式簡單迅速高效：

采用調(diào)節(jié)空氣流量來控制碳勢，比調(diào)節(jié)燃料流量具有更好的碳勢控制效果，一方面是氣氛成分變化對空氣流量比較敏感；另一方面是調(diào)節(jié)燃料流量時，產(chǎn)生炭黑的危險較大。

d、調(diào)節(jié)時間較短

不需要添置發(fā)生器，不存在發(fā)生器啟動和調(diào)節(jié)時間的影響。天然氣是氣體，在裂化過程中很多氣源還需經(jīng)過氣化這個階段。在這個氣化階段時，就可以因為局部差異，而產(chǎn)生碳黑。天然氣主要成份甲烷，分子鏈最簡單，更容易裂化，其它氣源（除煤氣）分鏈長，不易裂化。天然氣直生式滲碳僅少需氧的參與，其裂解中變生的活性碳（CH4→Cad+H2）就能直接滲碳，有些氣源本身就有氧，或者分子鏈太長要裂解必需較多氧的參與。

32四、注意問題1.內(nèi)氧化問題（合金元素Cr、Mn、Si在滲碳亞表層的局部氧化）滲碳?xì)夥罩械腃O分解為[C]和O，兩種原子在鋼內(nèi)擴散，發(fā)生滲碳反應(yīng)和局部氧化反應(yīng)。局部氧化反應(yīng)隨CO濃度變化而發(fā)生變化控制氣氛中的CO濃度2.氣氛制備液體原料入爐前需先經(jīng)過爐頂蒸發(fā)器控制空氣流量來控制碳勢3.對加熱設(shè)備的要求加熱能力（甲烷和丙烷與空氣反應(yīng)為吸熱）氣體循環(huán)能力

33直生式滲碳?xì)夥罩蠧H4存在的影響有哪些？

34一工藝簡介爐膛在低真空至正壓大范圍變壓加熱，以中性氣體迅速置換爐膛中的空氣、水分等氧化物質(zhì)，而后充以工藝規(guī)定的滲劑，使工件在設(shè)定的氣氛中加熱。二工藝原理無含氧氣體，不可進行碳勢控制

1.質(zhì)量傳輸：碳質(zhì)量流的密度mc：單位表面積和單位時間內(nèi)進入材料的碳量

2.碳擴散：溫度決定§2.4低壓滲碳技術(shù)（LPC）

35三工藝特點

a、實現(xiàn)少無氧化加熱，能耗低加熱過程的低真空變壓，可借助中性氣體迅速排除爐膛中的空氣，而后再以少量的有機液體或液化氣消除爐膛中殘余氧和水蒸氣，實現(xiàn)工件的少無氧化加熱。輔料消耗比常規(guī)的可控氣氛爐(或保護氣氛爐)減少50%以上。

b、滲劑傳遞迅速，覆蓋面廣，滲層均勻

借助低真空變壓及滲劑可定向活動特性，在迅速排除工件四周的老化氣氛的同時，新鮮滲劑可立即迅速擴散到爐膛各處，工件上的小孔、盲孔孔壁及壓緊面均可得到滿足的滲層，從而實現(xiàn)工件密裝生產(chǎn)?！?.4低壓滲碳技術(shù)（LPC）

36c、高效迅速，工藝周期短

可將單一元素的爐氣迅速改變?yōu)閮深愒氐亩嘣毓矟B氣氛，并在質(zhì)量上和數(shù)目上予以精控(質(zhì)量上控制就是控制爐氣各成分的百分比，數(shù)目上控制就是控制爐氣的總壓力)。幾種元素同時滲透的互相促進作用，滲速加快，工藝周期明顯縮短。

因爐壓適當(dāng)提高可縮短滲氮和滲碳時間，低真空變壓設(shè)備可隨時迅速把爐壓調(diào)至滲速最高的范圍，從而縮短工藝周期。

d、可將滲碳與氣淬結(jié)合改善零件變形行為，減少間歇處理時間，降低氣體和能量的消耗，同時防止炭黑的產(chǎn)生。

37四具體工藝——真空低壓乙炔滲碳

產(chǎn)生背景：以丙烷為滲劑時，當(dāng)溫度高于600℃，丙烷易分解為C,H2和CH4，可致零件表面產(chǎn)生炭黑，在爐子內(nèi)腔和泵管產(chǎn)生焦油工藝特點：高溫滲碳能力強,低壓下不產(chǎn)生焦油和炭黑溫度T=900-1000℃壓力P≤2×103Pa38一關(guān)于滲碳鋼

1.低碳：含碳量一般為0.1-0.25%，以保證心部有足夠的塑性和韌性，碳高則心部韌性下降。2.合金元素：主加元素為Cr、Mn、Ni、B等，它們的主要作用是提高鋼的淬透性，從而提高心部的強度和韌性輔加元素為W、Mo、V、Ti等強碳化物形成元素，這些元素通過形成穩(wěn)定的碳化物阻止A晶粒長大進而細(xì)化A晶粒，同時還能提高滲碳層的耐磨性。

§2.5高溫滲碳技術(shù)

39二高溫滲碳的產(chǎn)生背景成本高滲碳淬火工藝的局限性能耗高時間長目前的滲碳工藝組成：滲碳過程+直接淬火滲碳淬火的經(jīng)濟性取決于加熱工件的能耗。其中主要的影響因素為滲碳時間。形成滲碳層所需時間取決于碳在工件內(nèi)的擴散速度。

擴散取決于溫度和濃度梯度40提高滲碳溫度可以縮短處理時間。

1.對滲碳鋼進行奧氏體化退火處理，可以測出其最佳的滲碳溫度和滲碳時間，即能保證細(xì)晶粒穩(wěn)定組織的滲碳溫度和時間。

2.添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分，提高鋼的A3溫度。41三高溫滲碳的技術(shù)要點

1.奧氏體化溫度和保溫時間影響晶粒的長大。

提高奧氏體化溫度和延長保溫時間，促進粗晶粒的形成；低溫奧氏體化過程中，保溫時間增加，晶粒開始長大；

F、G、H、I鋼的奧氏體化溫度由于合金元素的存在，可以提高到1000℃而不發(fā)生晶粒長大。

2.滲碳劑碳勢的高低會影響表面滲碳層的硬度。高碳勢滲碳劑導(dǎo)致殘余奧氏體含量增加，表層出現(xiàn)過量滲碳，硬度沿趨近表面的方向逐漸下降。低碳勢滲碳劑中滲碳后，硬度未出現(xiàn)沿趨近表面的方向下降的現(xiàn)象。高碳勢滲碳劑的滲碳效果也取決于合成成分。42§2可控氣氛熱處理技術(shù)——滲碳一滲碳知識初步

1.定義：鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子深入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝

2.目的：使機器零件獲得高的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和抗疲勞強度

3.分類：根據(jù)所用滲劑在滲碳過程中聚集狀態(tài)的不同，可分為固體滲碳法液體滲碳法(700℃)氣體滲碳法

4.過程：分解——吸收——擴散

[C]43二可控氣氛熱處理技術(shù)碳活度（碳勢）方程的建立1.產(chǎn)生基礎(chǔ)：氧濃差電池+紅外分析儀

2.生產(chǎn)現(xiàn)狀:氣體滲碳?xì)夥盏亩鄻踊巫⑹綒夥?/p>

吸熱式氣氛

放熱式氣氛

直生式氣氛44滴注式可控氣氛工藝過程：一般采用兩種有機液體同時滴入爐內(nèi)，一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體，另一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為富化氣。改變兩種液體的滴入比例，可控制零件的表面含碳量。45吸熱式可控氣氛工藝過程：在發(fā)生器中，把天然氣、液化石油氣等氣體與一定比例的空氣混合，再通過加熱到高溫（1000℃以上）加入催化劑，使混合氣體的未燃部分（當(dāng)空氣量較少時，混合氣體先部分燃燒）熱裂解（吸熱反應(yīng)）而制得。

46放熱式可控氣氛工藝過程：在發(fā)生器中,把天然氣、液化石油氣等氣體燃料或酒精、柴油等液體燃料與較多的空氣混合，使它接近于完全燃燒(放熱反應(yīng))，再對燃燒產(chǎn)物進行初步凈化(除水)或高度凈化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的氣體。47

1.產(chǎn)生背景：碳活度公式在不平衡氣氛中的擴展應(yīng)用

2.燃料種類：氣體或液體（天然氣、丙烷、丙酮、異丙醇）3.氣氛組成：主要為CO,H2和CH4氣氛組成不穩(wěn)定，受爐溫及氣體種類影響三直生式滲碳技術(shù)484.優(yōu)勢

a、碳傳遞系數(shù)（β）高：

相同碳勢氣氛下，可使工件表面獲得較高的碳濃度，并使表層獲得較高的碳濃度梯度，從而使?jié)B碳速度增加，滲層深度提高。

b、碳可用量高：

保證滲碳均勻性，尤其是對零件形狀比較復(fù)雜和工件裝載密度較大、氣氛的循環(huán)狀況較差的情況下49c、控制方式簡單迅速高效：

采用調(diào)節(jié)空氣流量來控制碳勢，比調(diào)節(jié)燃料流量具有更好的碳勢控制效果，一方面是氣氛成分變化對空氣流量比較敏感；另一方面是調(diào)節(jié)燃料流量時，產(chǎn)生炭黑的危險較大。

d、調(diào)節(jié)時間較短

不需要添置發(fā)生器，不存在發(fā)生器啟動和調(diào)節(jié)時間的影響。天然氣是氣體，在裂化過程中很多氣源還需經(jīng)過氣化這個階段。在這個氣化階段時，就可以因為局部差異，而產(chǎn)生碳黑。天然氣主要成份甲烷，分子鏈最簡單，更容易裂化，其它氣源（除煤氣）分鏈長，不易裂化。天然氣直生式滲碳僅少需氧的參與，其裂解中變生的活性碳（CH4→Cad+H2）就能直接滲碳，有些氣源本身就有氧，或者分子鏈太長要裂解必需較多氧的參與。

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1.工藝過程：

爐膛在低