第八章 钢的化学热处理(1)

1第八章钢的化学热处理2化学热处理原理定义将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的一种热处理工艺。活性原子从工件表层向内部的扩散原理:渗剂分解出活性原子工件表面吸收活性原子3适用钢种：WC0.10～0.25％低碳钢、低碳合金钢一、钢的渗碳目的：使钢件表层获得高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性。（一）气体渗碳1.常用渗碳设备按热源分为电加热炉和煤气加热炉。定义：将钢件置于渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。滚筒炉卧式井式振底式输送带式旋转罐式推杆式连续式炉周期式炉气体渗碳炉4井式气体渗碳炉5钢的气体渗碳气体渗碳炉动画6大型井式渗碳炉72.常用的渗碳剂(二)固体渗碳设备：固体渗碳箱，箱式电炉、反射式燃煤炉常用的渗碳剂：木炭或骨炭等常用的催渗剂：碳酸钡或碳酸钠渗碳剂气态渗剂天然气丙烷煤气等液态渗剂煤油甲醇乙醇丙酮苯等8钢的固体渗碳零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱钢的固体渗碳炉9（三）液体渗碳设备：内热式或外热式盐炉液体渗碳（无毒）盐浴的组成：•供碳剂——木碳粉、尿素[（NH2）2CO]•基体盐——NaCl2+KCl（加热介质）•催渗剂——Na2CO3等（四）渗碳后的热处理淬火＋低温回火10（四）渗碳后的热处理淬火＋低温回火渗碳零件的淬火温度的选择要兼顾高碳的深层和低碳的心部两方面的要求；过共析的的淬火温度应低于Accm，而亚共析层的淬火温度应高于Ac3；当AccmAc3，可以选择一个淬火温度同时满足亚（过）共析钢的要求，当Accm≤Ac3，心部和表面不能同时达到要求，应根据渗层表面的含碳量和采用的淬火方法的综合加以考虑。11渗碳温度Ac3（心部）Ar3（心部）Ac1时间回火a）预冷直接淬火b）一次淬火缓冷回火c）二次淬火缓冷回火1.常用的淬火方法渗碳件常用的淬火方法12在预冷过程中渗碳层析出一些二次渗碳体，在随后的冷却过程中减少了渗碳层的残余奥氏体的数量；预冷再淬火是为了减少工间的变形开裂；淬火后进行低温回火；适用于载荷小、耐磨性要求较低的工件。广泛用于制造承受高速、中载并却扛冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机变速箱齿轮、离合器轴和车辆的伞齿轮和主轴等。回火a）预冷直接淬火870℃（1）预冷直接淬火法13（2）一次淬火法淬火温度选择：应兼顾表面和心部的要求，通常：•心部性能要求较高时：THAc3，以↑心部性能•表面性能要求较高时：THAc1，以↑表面性能一般在820~850℃之间，大于Ac1，接近Ac3,略低于Accm，可以满足两方面的需求；应用：仅适用于本质细晶粒钢，如合金钢和不重要的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。渗碳后缓冷，重新加热淬火及低温回火。目的：防止Fe3CⅡ的过量析出细化晶粒防止变形14目的：•第一次淬火THAc3，细化心部组织↑其性能•第二次淬火THAc1，细化表层组织↑其性能•故可获得表面具有高硬度、耐磨性和疲劳强度，心部具有良好的强韧性和塑性。应用：仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高的工件。这种方法工艺较复杂，因加热次数多，工件易氧化、脱碳和变形，成本高等缺点，故目前该工艺已很少采用。（3）二次淬火15渗碳层的缓冷组织（由表面至心部）：亚共析组织（P＋F）渗碳件渗碳后淬火及低温回火后的组织：（五）渗碳层的组织目的：消除淬火应力，↑韧性，保持高硬度与耐磨性。2.低温回火（160～200℃）淬透时:未淬透时:M回＋K少＋A'→M回＋A'→低碳M回M回＋K少＋A'→M回＋A'→低碳M回＋F或有少量T、S过共析组织（P＋Fe3CⅡ）→共析组织（P）→16渗碳后缓冷组织（由表面至心部）：渗碳缓冷后的显微组织←←←过共析P＋Fe3CⅡ共析（P）亚共析（P＋F）心部17渗碳后淬火及低温回火后的显微组织20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织：节园：M回＋K＋A'心部：低碳M齿顶：M回＋K＋A'18下料→锻造正火机加工渗碳淬火低温回火喷丸磨削→→→→→→→（八）渗碳件的加工工艺路线（六）常用的渗碳钢20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等（七）局部防渗镀铜涂上专用防渗剂或水玻璃加石棉绳整体渗碳，局部淬火；渗碳缓冷后，把不需要渗碳的部分切削掉，然后整体加热整体淬火。19二、钢的渗氮定义：向钢件表面渗入N原子以形成高氮硬化层的化学热处理工艺。目的：提高钢铁件的表面硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性及热硬性（600～650℃下仍具有高硬度）（一）概述：（二）渗氮原理NH3550℃分解活性[N]表面形成固溶体或氮化物达到一定渗层0.40~0.60mm40~70h20铁氮状态图是研究钢的渗氮的基础。Fe-N系中可以形成如下五种相：α相——氮在α-Fe中的间隙固溶体。氮在α-Fe中的最大溶解度为0．1％(在590℃)。γ相——氮在γ-Fe中的间隙固溶体，存在于共析温度590℃以上。共析点的氮含量为2．35％(重量)。γ’相——可变成分的间隙相化合物。其晶体结构为氮原子有序地分布于由铁原子组成的面心立方晶格的间隙位置上．氮的含量为5．7、6．1％(重量)之间．当含氮量为5．9％时化合物结构为Fe4N．因此，它是以Fe4N为基的固溶体。γ’相在680℃以上发生分解并溶解于§相中。ε相——含氮量很宽的化合物．其晶体结构为在由铁原子组成的密集六方晶格的间隙位置上分布着氮原子。在一般渗氮温度下，§相的含氮量大致在8．25—11．0％范围内变化。因此它是以Fe3N为基的固溶体。ζ相——为斜方晶格的间隙化合物，氮原子有序地分布于它的间隙位置。也可认为是§相的扭曲变体(为六方晶格)，含氮在11．0—11．35％范围，分子式为Fe2N。其稳定温度为450℃以下，超过450℃则分解。21（三）渗氮方法1.气体渗氮设备：井式气体渗氮炉渗氮剂：氨气（2NH3⇌3H2＋2[N]）生产中通常是通过调解氨分解率控制渗氮过程（采用氨分解率测定计）渗氮温度：500～600℃渗层厚度：0.40~0.60mm井式气体氮化炉22氮化后，工件的最外层为一白色ε或γ相的氮化物薄层，很脆，常用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体（α＋γ′）层；心部为原始回火索氏体组织。2340Cr钢钢渗氮缓冷至室温的显微组织45钢N化层（白亮层）N化层（白亮层）由表至里为：ε+γ´相→γ´相→α相→心部242.离子渗氮基本原理：置于低真空度容器内的工件在辉光放电的作用下，带电氮离子轰击工件表面，使其温度升高，并渗入工件表层。设备：离子渗氮炉（井式或钟罩式）渗氮剂：N2＋H2、氨气、氨分解气优点：渗层质量高，工件变形小，处理温度范围宽，工艺可控性强，易实现局部防渗，渗速快，生产周期短，热效高，无污染，处理后工件洁净，工作环境好。255.氮化温度低，时间长。如：38CrMoAl钢，δ=0.53～0.77mm时，气体渗氮70h左右，离子渗氮15～20h。（四）渗氮的特点1.渗层具有很高的硬度和耐磨性。2.渗氮温度低，工件变形小，精度高。3.工件耐蚀性提高。4.渗层脆而薄，不宜承受集中的重载荷。26（六）渗氮的应用精密齿轮、主轴、汽缸、镗杆、压铸模具等。（五）渗氮用钢（七）渗氮工件的工艺路线下料→锻造退火粗加工调质精加工去应力退火渗氮粗磨→→→→→→→精磨或研磨（抛光）→常用渗氮钢为wC=0.15%～0.45%的合金结构钢。需要指出：渗氮前要进行调质处理，使工件心部得到回火索氏体。典型钢种：38CrMoAlA，35CrMo、18CrNiW等。271.高温气体碳氮共渗（800～880℃）渗剂：渗碳剂（如煤油）＋氨气定义：将工件置于能产生碳、氮活性原子的介质中加热并保温，使工件表面同时渗入碳和氮原子然后按适当方式冷却的化学热处理工艺。三、钢的碳氮和氮碳共渗目的：↑钢的硬度、耐磨性和疲劳强度设备：在各种普通渗碳炉的基础上，增加一套供氨装置即可用于碳氮共渗。应用：可用于低、中碳钢和低中碳合金钢制造的零件。如：汽车、机床上的各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件等。28与渗碳相比具有以下不同特性：(1)加热温度低、共渗后工件可直接淬火且变形小；(2)渗速快、生产效率高；(3)渗层的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗压强度较高，并兼有一定的抗蚀能力；(4)氮渗入后提高了回火稳定性，工件可在较高温度下回火，以消除或减少淬火组织应力等。29C-N共渗淬火后的组织:心部：工件尺寸较小淬透时为：M低碳工件尺寸较大淬不透时为：M低碳+B或T、F渗层表层：含氮的高碳M（细针状或隐晶状）+少量A´+碳氮化合物K（颗粒状）30渗剂：尿素（NH2）2CO、甲酰胺、三乙醇胺等设备：一般的气体渗碳炉皆可。组织：与渗氮层大致相同，但由于碳的作用，化合物层的成分有所变化（Fe2～3（N，C)+Fe4N)。2.低温气体氮碳共渗（软氮化）温度：500～570℃31工艺特点：（1）软氮化的工件变形很小，精度无明显变化。（2）工件的耐磨性、疲劳强度、抗咬合和抗檫伤等性能高。（3）与渗氮相比其渗层硬而韧，故不易产生剥落。应用：不受钢种限制。普遍用于模具、量具及耐磨零件处理。如3Cr2W8压铸模经软氮化处理其寿命提高3～5倍；高速钢刀具经软氮化处理后寿命可提高20～200%。32作业P2731，3，4，6，8