1、項目七 鋼的化學(xué)熱處理,7.1 滲碳 7.2 滲氮 7.3 碳氮共滲 本篇小結(jié),7.1 滲碳,將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝稱為滲碳。其目的是通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好的抗疲勞性能，而心部具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。滲碳廣泛用于在磨損情況下工作并承受沖擊載荷、交變載荷的工件，如汽車、拖拉機(jī)的傳動齒輪，內(nèi)燃機(jī)的活塞銷等。,下一頁,返回,7.1 滲碳,7.1.1滲碳處理的原理與形式 1.滲碳方法 根據(jù)所用滲碳介質(zhì)的工作狀態(tài)，滲碳方法一般分為氣體滲碳、固體滲碳、真空滲透和鹽浴滲碳等。常用的是氣體滲碳和固體滲碳，尤其是氣體滲碳法

2、。 (1)氣體滲碳。氣體滲碳法是將工件放入密封的滲碳爐內(nèi)，加熱到900 950 ，然后向爐內(nèi)滴入煤油、苯、甲醇等有機(jī)液體，或直接通入煤氣、石油液化氣等氣體，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子，使鋼件表面滲碳，如圖7-1所示。滲碳使低碳(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%-0. 30%)鋼件表面獲得高濃度的碳。氣體滲碳法的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，滲層質(zhì)量好，勞動強(qiáng)度低，便于直接淬火。,上一頁,下一頁,返回,7.1 滲碳,(2)固體滲碳。固體滲碳法是將工件埋在固體滲碳劑中，裝箱密封，放入一般的加熱爐中加熱到滲碳溫度保溫，使工件表面增碳，是一種古老的方法。 固體滲碳劑是由主滲劑(木炭粒)和催滲劑(BaC03)組成的混合物。在

3、滲碳溫度下，滲碳劑發(fā)生如下反應(yīng):,上一頁,下一頁,返回,7.1 滲碳,固體滲碳法的滲碳速度，大約每保溫一小時，平均滲入0. 1 mm。 固體滲碳的優(yōu)點是設(shè)備簡單，成本較低，大小零件都可用。缺點是滲碳速度慢，生產(chǎn)效率低，勞動條件差，滲碳后不易直接淬火。 (3)真空滲碳。真空滲碳是將零件放入特制的真空滲碳爐中，先抽真空達(dá)到一定的真空度，然后將爐溫升至滲碳溫度，再通入一定量的富化氣進(jìn)行滲碳。由于爐內(nèi)無氧化性氣體等其他不純物質(zhì)，零件無吸附氣體，因而工件表面活性大，通入富化氣后，滲碳速度快(獲得同樣滲層厚度，滲碳時間約為普通氣體滲碳的1/3 )，而且表面光亮。,上一頁,下一頁,返回,7.1 滲碳,2.滲

4、碳后的組織 常用于滲碳的鋼為低碳鋼和低碳合金鋼，如20, 20Cr, 20CrMnTi, 12CrNi3等。滲碳后滲層中的含碳量表面最高(約1. 0%，由表及里逐漸降低至原始含碳量。所以滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為:過共析組織(珠光體+碳化物)、共析組織(珠光體)、亞共析組織(珠光體+鐵素體)的過渡層，直至心部的原始組織。對于碳鋼，滲層深度規(guī)定為:從表層到過渡層一半(50%P+50%F)的厚度。圖7-2為低碳鋼滲碳緩冷后的顯微組織。 根據(jù)滲層組織和性能的要求，一般零件表層含碳量最好控制在0. 85 %-1. 05%，若含碳量過高，會出現(xiàn)較多的網(wǎng)狀或塊狀碳化物，則滲碳層變脆，容易脫落;,上一

5、頁,下一頁,返回,7.1 滲碳,含碳量過低，則硬度不足，耐磨性差。 滲碳層含碳量和滲碳層深度依靠控制通入的滲碳劑量、滲碳時間和滲碳溫度來保證。 當(dāng)滲碳零件有不允許高硬度的部位時，如裝配孔等，應(yīng)在設(shè)計圖樣上予以注明。該部位可采取鍍銅或涂抗?jié)B涂料的方法來防止?jié)B碳，也可采取多留加工余量的方法，待零件滲碳后在淬火前去掉該部位的滲碳層(即退碳)。 3.滲碳后的熱處理 工件滲碳后，必須經(jīng)過淬火和低溫回火，才能達(dá)到性能要求。根據(jù)工件材料和性能要求的不同，其淬火方法有三種。,上一頁,下一頁,返回,7.1 滲碳,(1)延時淬火法。工件滲碳后出爐，自滲碳溫度預(yù)冷到略高于心部Ar3的溫度后立即淬火。這種方法不需重新

6、加熱淬火，因而減少了熱處理變形，節(jié)省了時間和費用。但由于滲碳溫度高，加熱時間長，因而奧氏體晶粒易粗大，淬火后殘余奧氏體量較多。所以只適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼和性能要求不高的工件。 (2)一次淬火法。一次淬火法是將工件滲碳后緩冷，然后再重新加熱進(jìn)行淬火。淬火溫度的選擇應(yīng)兼顧表層和心部，使表層不過熱而心部得到充分的強(qiáng)化。有時也偏重于心部或強(qiáng)化表層，如強(qiáng)化心部則加熱到Ar3以上完全淬火，如要強(qiáng)化表層則應(yīng)加熱到Ar1以上不完全淬火。,上一頁,下一頁,返回,7.1 滲碳,(3)二次淬火。二次淬火是將工件滲碳緩冷后再進(jìn)行兩次淬火或正火加一次淬火。第一次淬火或正火是為了細(xì)化心部晶粒和消除網(wǎng)狀滲碳體，加熱溫度應(yīng)高于

7、心部Ar3溫度。第二次淬火選在表層Ar1以上加熱，這樣可細(xì)化表層組織，對于心部影響不大。兩次淬火法工藝復(fù)雜，周期長，成本高，且工件變形、氧化脫碳傾向增大，應(yīng)盡量少用。 滲碳件經(jīng)淬火和170 200低溫回火后，表層組織為回火馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體，硬度可達(dá)58 64HRC。心部組織淬透時為低碳回火馬氏體，未淬透時為索氏體+鐵素體。,上一頁,下一頁,返回,7.1 滲碳,7.1.2滲碳處理的注意事項 (1)滲碳前的預(yù)處理正火。目的是改善材料原始組織、減少帶狀、消除魏氏組織，使表面粗糙度變細(xì)，消除材料流線不合理狀態(tài)。正火工藝:用860980空冷、179217 HBS 。 (2)滲碳后需進(jìn)行

8、機(jī)械加工的工件，硬度不應(yīng)高于30 HRC 。 (3)對于有薄壁溝槽的滲碳淬火零件，薄壁溝槽處不能先于滲碳之前加工。 (4)不得用鍍鋅的方法防滲碳。,上一頁,返回,7.2 滲氮,滲氮俗稱氮化，是在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。目的是提高工件表面的硬度和耐磨性，并可提高疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性。與滲碳相比，滲氮處理后零件具有: (1)高的硬度(10001 200HV)和耐磨性。 (2)高的疲勞強(qiáng)度。 (3)變形小，體積稍有脹大。 (4)并具有良好的熱硬性，(60065 0 )仍有較高的硬度，較好的抗蝕性。,下一頁,返回,7.2 滲氮,滲氮的缺點是周期長、成本高、滲層薄而脆，不

9、能承受太大的接觸應(yīng)力和沖擊載荷。因此，它主要用于耐磨性及精度均要求很高的傳動件，或要求耐熱、耐磨及耐腐蝕的零件。例如，高精度機(jī)床絲杠、撞床及磨床主軸、精密傳動齒輪和軸、汽輪機(jī)閥門及閥桿等。,上一頁,下一頁,返回,7.2 滲氮,7.2.1滲氮處理的原理與形式 1.滲氮處理的原理 滲氮是由分解、吸收、擴(kuò)散三個基本過程所組成。 滲氮時分解出的活性氮原子被鋼表面吸收，首先溶入固溶體，然后與鐵和合金元素形成化合物，最后向心部擴(kuò)散，形成一定厚度的滲氮層。鋼不能吸收氮分子，分解氮氣來得到活性氟原子也非常困難，所以滲氮過程中要利用氨氣在高于300的高溫下與工件接觸，在工件表面氨分解出活性氮原子供給氮化件吸收，

10、氨作為氣體滲劑，其分解反應(yīng)為:,上一頁,下一頁,返回,7.2 滲氮,工件表面吸收了活性氮原子，先形成含固氮溶體，隨著固溶體氮濃度達(dá)到飽和后再形成氮化物。 滲氮有多種方法，常用有氣體滲氮、離子滲氮和抗蝕滲氮。 (1)氣體滲氮。氣體參氮可采用等溫滲氮或多段(二段、三段)滲氮法。等溫滲氮是在整個滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480520,氨氣分解率為15%30%，保溫時間近80 h。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴(yán)、硬度要求高的零件，但處理時間過長。 二段滲氮是滲氮溫度分兩段控制的滲氮過程。第一階段在較低溫度(510 520)和較低的氨分解率(18%25 %)下，滲氮15 20

11、h，使工件表面形成彌散度大的氮化物。,上一頁,下一頁,返回,7.2 滲氮,第二階段將溫度提高到5505 60 ，加速氮原子擴(kuò)散，增加滲氮層深度。其特點是表面硬度比等溫滲氮低些，變形增大，但比一段滲氮速度快。 三段滲氮是在二段滲氮的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點是適當(dāng)提高第二階段的溫度，加速滲氮過程。三段滲氮能進(jìn)一步提高滲氮速度，但在硬度、脆性、變形等方面都比等溫滲氮差。 (2)離子滲氮。離子滲氮是一種較為先進(jìn)的滲氮工藝。其方法是以真空容器為陽極，工件為陰極，通以400 700 V的直流電壓，迫使電離后的氮離子高速轟擊工件表面，使工件表面溫度升高到450650 。同時氮離子在陰極上捕獲電子形成氮原子，

12、滲入工件表面并向內(nèi)層擴(kuò)散而形成氮化層。,上一頁,下一頁,返回,7.2 滲氮,離子滲氮的特點是:可適當(dāng)縮短滲氮周期，僅為氣體滲氮的1/41/3，例如，38CrMoALA鋼，氮化層深度若達(dá)到0. 530. 7mm，氣體氮化一般需70 h;而離子滲氮僅需1520 h ;滲氮層脆性小;可節(jié)約能源和氨的消耗量;對不需要滲氮的部分可屏蔽起來，實現(xiàn)局部滲氮;離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面鈍化膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮。滲層厚度和組織可以控制。離子滲氮發(fā)展迅速，已用于機(jī)床絲桿、齒輪、模具等工件。 (3)抗蝕滲氮。提高工件抗蝕性的滲氮過程稱為抗蝕滲氮?？刮g滲氮過程與強(qiáng)化滲氮過程基本相同。不過它只

13、要求在工件表面形成一層致密的相層。 相比 相具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性。,上一頁,下一頁,返回,7.2 滲氮,當(dāng)在工件表面獲得深達(dá)0. 0150. 02 mm的致密二相層時，便能使工件在潮濕空氣、過熱蒸汽、海水、氣體燃燒產(chǎn)物及弱堿溶液等介質(zhì)中具有不同程度的抗腐蝕能力。抗蝕滲氮適用于碳鋼和及一般的合金結(jié)構(gòu)鋼。,上一頁,下一頁,返回,7.2 滲氮,7.2.2滲氮處理的注意事項 (1)滲氮前的預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)。滲氮工件在滲氮前應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以獲得回火索氏體組織。調(diào)質(zhì)處理回火溫度一般高于滲氮溫度。 (2)滲氮前的預(yù)備熱處理和去應(yīng)力處理。滲氮前應(yīng)盡量消除機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定零件尺寸。消除應(yīng)力的溫

14、度均應(yīng)低于回火溫度，保溫時間比回火時間要長些，再緩慢冷卻到室溫。斷面尺寸較大的零件不宜用正火。工模具鋼必須采用淬火回火，不得用退火。,上一頁,下一頁,返回,7.2 滲氮,(3)滲氮零件的表面粗糙度Ra應(yīng)小于1. 6 m，表面不得有拉毛、碰傷及生銹等缺陷。不能及時處理的零件須涂油保護(hù)，以免生銹。吊裝入爐時再用清潔汽油擦凈以保證清潔度。 (4)含有尖角和銳邊的工件，不宜進(jìn)行氮化處理。 (5)局部不氮化部位的保護(hù)，不宜用留加工余量的方法。 (6)表面未經(jīng)磨削處理的工件，不得進(jìn)行氮化。,上一頁,返回,7.3 碳氮共滲,鋼的碳氮共滲，就是將碳、氮同時滲入工件表層的化學(xué)熱處理過程。按滲劑不同，碳氮共滲可分

15、成氣體、液體和固體三種。國內(nèi)多采用氣體法。按共滲溫度不同，又可分為低溫(500560、中溫(800880 )和高溫(900 950 )三種。 碳氮共滲是滲碳和滲氮工藝的綜合，兼有兩者的長處，這種工藝有逐步代替滲碳的趨勢。主要優(yōu)點如下。 (1)滲層性能好。共滲層比滲碳層的耐磨性和疲勞強(qiáng)度更高，比滲氮層有更高的抗壓強(qiáng)度和較低的表面脆性。,下一頁,返回,7.3 碳氮共滲,(2)滲入速度快。由于氮的滲入不僅降低了滲層的臨界點，同時還增加了碳的擴(kuò)散速度。 (3)變形小碳氮共滲溫度比滲碳低，晶粒不會長大，適宜于直接淬火，可以減小變形。 (4)不受鋼種限制。各種鋼鐵材料都可以進(jìn)行碳氮共滲。碳氮共滲的缺點是共

16、滲層較薄，易產(chǎn)生黑色組織。,上一頁,下一頁,返回,7.3 碳氮共滲,7.3.1低溫氣體氮碳共滲 低溫氣體氮碳共滲也稱“氣體軟氮化”。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。常用氨氣和滲碳?xì)怏w的混合氣、尿素等作共滲劑。共滲溫度為520 570，由于處理溫度低，實質(zhì)上以滲氮為主。但因為有活性碳原子與活性氮原子同時存在，滲氮速度大為提高。一般保溫時間為13 h，滲層深度為0. O1 0. 02 mm。工件經(jīng)氮碳共滲后，其共滲層的硬度比純氣體氮化低，但仍具有較高的硬度、耐磨性和高的疲勞強(qiáng)度。滲層韌性好而不易剝落，并有減摩的特點，在潤滑不良和高磨損條件下，有抗咬合、抗擦傷的優(yōu)點

17、，耐磨性也有明顯提高。由于處理溫度低，時間短，所以零件變形小。,上一頁,下一頁,返回,7.3 碳氮共滲,7.3.2中溫氣體碳氮共滲 中溫氣體碳氮共滲以滲碳為主，其工藝與滲碳相似。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強(qiáng)度。最常用的方法是在井式氣體滲碳爐內(nèi)滴入煤油，并通入氨氣。在共滲溫度下，煤油和氨除了前述的滲碳和氮化的作用外，它們之間相互作用還生成了C和N活性原子，活性碳、氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)擴(kuò)散形成共滲層。一般共滲溫度820860，保溫時間取決于要求的共滲層深度。 工件經(jīng)共滲處理后，需進(jìn)行淬火和低溫回火，才能提高表面硬度和心部強(qiáng)度。由于共滲溫度不高，鋼的晶粒不會長大，故一般都采用直接淬火。,上一頁,下一頁,返回,7.3 碳氮共滲,碳氮共滲件淬火并低溫回火后，滲層組織為含碳、氮的回火馬氏體+少量的碳氮化合物+少量殘余奧氏體。心部組織為低碳或中碳回火馬氏體。淬透性差的鋼也可能出現(xiàn)極細(xì)珠光體和鐵素體。 與滲碳相比，共滲層的硬度與滲碳層接近或略高，耐磨性和疲勞強(qiáng)度則優(yōu)于滲碳層，且具