材料表面改性第7章

1、第第 7 章章 熱處理與化學熱處理熱處理與化學熱處理本章重點本章重點碳鋼的分類與應用碳鋼的分類與應用鐵碳合金相與鐵碳合金相與Fe-Fe3C相圖相圖鋼在熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變鋼在熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變滴注式氣體滲碳的原理及工藝流程滴注式氣體滲碳的原理及工藝流程7.1 鋼的合金化原理鋼的合金化原理鋼可看作以鐵為基的合金，其點陣結(jié)構(gòu)由鐵決定。鋼可看作以鐵為基的合金，其點陣結(jié)構(gòu)由鐵決定。鐵碳合金鐵碳合金碳鋼：碳含量碳鋼：碳含量0.03% 2.11%。生鐵：碳含量生鐵：碳含量2.11%4.3%。合金：合金：通過熔煉、燒結(jié)或其它方法將一種金屬同通過熔煉、燒結(jié)或其它方法將一種金屬同一種一種或幾種其它元素結(jié)合

2、在一起所形成的具有金屬特性的或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)新物質(zhì)。7.1.1 碳鋼概論碳鋼概論由于原材料、冶煉方法和工藝操作的影響，鋼中除碳外還有少量其由于原材料、冶煉方法和工藝操作的影響，鋼中除碳外還有少量其它元素（硅、錳、硫、磷、銅、鉻、鎳等），通常視為雜質(zhì)或殘余它元素（硅、錳、硫、磷、銅、鉻、鎳等），通常視為雜質(zhì)或殘余元素，而不認為是合金元素。元素，而不認為是合金元素。 碳素鋼常存在的雜質(zhì)碳素鋼常存在的雜質(zhì) 合金鋼合金鋼以合金化為目的在碳鋼中加入一定含量范圍的以合金化為目的在碳鋼中加入一定含量范圍的合金元素合金元素，使鋼的使鋼的使用性能使用性能與與工藝性能工藝性能得

3、以提高得以提高, ,這種鋼稱為這種鋼稱為合金鋼。合金鋼。硅、錳、鉻、鎳、硅、錳、鉻、鎳、鎢、鉬、釩、鈦、鎢、鉬、釩、鈦、鈮、鋯、鋁、銅、鈮、鋯、鋁、銅、鈷、氮、硼鈷、氮、硼鋼的分類鋼的分類按化學成分按化學成分 碳素鋼碳素鋼 合金鋼合金鋼按用途按用途 結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼 工具鋼工具鋼 特殊性能鋼特殊性能鋼按脫氧程度按脫氧程度 沸騰鋼沸騰鋼 鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼按冶煉方法按冶煉方法 平爐鋼平爐鋼 轉(zhuǎn)爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼 電爐鋼電爐鋼鋼的編號與用途鋼的編號與用途 碳素結(jié)構(gòu)鋼（如碳素結(jié)構(gòu)鋼（如Q235）：）：建筑工程（鋼筋、鋼管、鋼軌）建筑工程（鋼筋、鋼管、鋼軌） 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（如（如50Mn）：機器制造（齒

4、輪、軸承、彈簧）機器制造（齒輪、軸承、彈簧） 碳素工具鋼（如碳素工具鋼（如T9A）：）：量具、刃具、模具量具、刃具、模具 特殊功能鋼（如特殊功能鋼（如0Cr17Ni12Mo2）：）：耐熱鋼、不銹鋼、電工鋼耐熱鋼、不銹鋼、電工鋼7.1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成組元：組元：組成合金最基本的、能獨立存在的物質(zhì)。組成合金最基本的、能獨立存在的物質(zhì)。 組元與相組元與相相：物理與化學性能相同，并與系統(tǒng)中其它部分相：物理與化學性能相同，并與系統(tǒng)中其它部分以界面分開的均勻組成部分。以界面分開的均勻組成部分。組織：采用金相觀察法分辨出的微觀特征與形貌。組織：采用金相觀察法分辨出的微觀特征與形貌?；瘜W

5、成分或晶體結(jié)構(gòu)化學成分或晶體結(jié)構(gòu)微觀形貌微觀形貌碳素鋼顯微組織碳素鋼顯微組織鑄鐵顯微組織鑄鐵顯微組織 固溶體固溶體合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)合金組元通過溶解形成合金組元通過溶解形成成分和性能均勻，晶型成分和性能均勻，晶型與一種組元相同的固相。與一種組元相同的固相。絕大部分合金元素可以與絕大部分合金元素可以與鐵形成置換固溶體，而鐵形成置換固溶體，而碳碳、氮氮等元素形成間隙固溶體。等元素形成間隙固溶體。合金組元相互作用形成晶格類型和特性完全不同于任一合金組元相互作用形成晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。組元的新相。 金屬化合物金屬化合物 金屬與碳、氮、硼、氫形成的化合物金屬與碳、氮、硼、氫形成

6、的化合物例如：碳素鋼中的例如：碳素鋼中的Fe3C、高速鋼中的、高速鋼中的W2C 金屬間化合物金屬間化合物例如：例如：超硬鋁中的超硬鋁中的MgZn2特點：熔點與硬度高，使合金耐磨性提高，塑性與韌性特點：熔點與硬度高，使合金耐磨性提高，塑性與韌性降低，脆性大。降低，脆性大。鐵碳合金相鐵碳合金相 鐵素體鐵素體：碳溶解到碳溶解到-Fe中的中的間隙間隙固溶體，體心立方，強固溶體，體心立方，強度與硬度低，塑性與韌性好度與硬度低，塑性與韌性好。 奧氏體：奧氏體：碳溶解到碳溶解到-Fe中的中的間隙間隙固溶體，面心立方，固溶體，面心立方，順順磁性，很軟，塑性好磁性，很軟，塑性好。面心立方模型，如面心立方模型，如

7、-Fe、Cu、Ni、Al、Ag體心立方模型，如體心立方模型，如-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W 滲碳體：滲碳體：碳、鐵形成的穩(wěn)定化合物（碳、鐵形成的穩(wěn)定化合物（Fe3C） 特點特點：230 以下有弱鐵磁性，硬度高，無塑性與韌性，脆以下有弱鐵磁性，硬度高，無塑性與韌性，脆性極大。性極大。 碳、鐵原子可被其它原子置換，形成合金滲碳體，如碳、鐵原子可被其它原子置換，形成合金滲碳體，如(Fe,Mn) 3C 珠光體：珠光體：鐵素體與滲碳體的復相組織。鐵素體與滲碳體的復相組織。 類型類型：片狀、粒狀片狀、粒狀。 特點特點：強度與硬度高，塑性與韌性差。：強度與硬度高，塑性與韌性差。 萊氏體：萊氏體：凝固過程

8、中滲碳體與奧凝固過程中滲碳體與奧氏氏體的形成的共晶體。體的形成的共晶體。 特點特點：硬度高，塑性差。：硬度高，塑性差。綜上，奧氏體、綜上，奧氏體、鐵素體、滲碳體（室溫下主要相）鐵素體、滲碳體（室溫下主要相）是鐵碳是鐵碳合金的基本相，珠光體和萊氏體是基本組織。合金的基本相，珠光體和萊氏體是基本組織。片狀珠光體片狀珠光體粒狀珠光體粒狀珠光體Fe-Fe3C相圖相圖 熱處理（熱處理（heat treatment）加熱加熱保溫保溫冷卻冷卻溫度溫度時間時間臨界溫度臨界溫度熱處理工藝曲線熱處理工藝曲線7.2 表面熱處理表面熱處理時間和溫度時間和溫度 熱處理起作用的主要因素：熱處理起作用的主要因素：將鋼在固態(tài)

9、下，通過適當將鋼在固態(tài)下，通過適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和的方式進行加熱、保溫和冷卻，以改變材料內(nèi)部組冷卻，以改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善材料性織結(jié)構(gòu)，從而改善材料性能的一種工藝方法。能的一種工藝方法。熱處理的意義熱處理的意義 提高機器零件質(zhì)量提高機器零件質(zhì)量 延長工模具使用壽命延長工模具使用壽命 充分發(fā)揮金屬材料性能充分發(fā)揮金屬材料性能熱處理的工藝方法熱處理的工藝方法 表面熱處理表面熱處理：僅對零部件僅對零部件部分表層部分表層加熱、冷卻，從而加熱、冷卻，從而改變表層改變表層的的組織和性能組織和性能而而不改變成分的工藝。不改變成分的工藝。 目的：目的：通過表面層相變強化工件表面。通過表面層相變

10、強化工件表面。溫度/AccmAc3Ac1ArcmAr3Ar1AcmA1A3wc/%O鋼在實際加熱、冷卻時的臨界點鋼在實際加熱、冷卻時的臨界點GS平衡轉(zhuǎn)變溫度：平衡轉(zhuǎn)變溫度： A1 、 A3、 Acm加熱時的實際臨界點：加熱時的實際臨界點： Ac1 、 Ac3、 Accm冷卻時冷卻時的實際臨界點：的實際臨界點： Ar1 、 Ar3、 Arcm過熱度、過冷度過熱度、過冷度表面淬火的原理表面淬火的原理 表面層快速加熱，溫度由表及里逐漸降低；表面層快速加熱，溫度由表及里逐漸降低； 表面溫度超過相變點形成奧氏體；表面溫度超過相變點形成奧氏體； 快冷獲得馬氏體，即高硬度表面層；快冷獲得馬氏體，即高硬度表面

11、層； 內(nèi)部仍保持原組織。內(nèi)部仍保持原組織。奧氏體的形成過程奧氏體的形成過程鋼在熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變鋼在熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變奧氏體的晶粒大小與冷卻方式?jīng)Q定轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能。奧氏體的晶粒大小與冷卻方式?jīng)Q定轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能。將鋼加熱至臨界溫度以上，獲得奧氏體組織，然后以適當將鋼加熱至臨界溫度以上，獲得奧氏體組織，然后以適當方式（或速度）冷卻，以獲得所需組織和性能。方式（或速度）冷卻，以獲得所需組織和性能。馬氏體晶格結(jié)構(gòu)馬氏體晶格結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：奧氏體在極大過冷度下形成的組織，碳在：奧氏體在極大過冷度下形成的組織，碳在-Fe中的中的過飽和固溶體過飽和固溶體。a=bc。碳的過飽和度。碳的過飽和

12、度 ， c/a ，晶格畸變，晶格畸變 ，硬度，硬度 。馬氏體的組織形態(tài)馬氏體的組織形態(tài)板條狀馬氏體板條狀馬氏體針片狀馬氏體針片狀馬氏體晶格畸變小，殘余應力小。晶格畸變小，殘余應力小。晶格畸變大，殘余應力大。晶格畸變大，殘余應力大。表面淬火的改性目的表面淬火的改性目的 提高表面硬度、疲勞強度和耐磨性，心部保持一定強度和提高表面硬度、疲勞強度和耐磨性，心部保持一定強度和足夠的塑性和韌性。足夠的塑性和韌性。（外硬內(nèi)韌）（外硬內(nèi)韌） 應用對象：應用對象：承受交變載荷、沖擊載荷，并在摩擦條件下工承受交變載荷、沖擊載荷，并在摩擦條件下工作的零件，如齒輪、軸類等。作的零件，如齒輪、軸類等。 淬火加熱溫度淬火

13、加熱溫度 超過臨界溫度超過臨界溫度3050 。溫度太低，強度、硬度不足；溫度。溫度太低，強度、硬度不足；溫度過高，晶粒粗大，易變形開裂。過高，晶粒粗大，易變形開裂。 淬火冷卻速度淬火冷卻速度 為得到馬氏體組織，工件的實際冷卻速度必須大于為得到馬氏體組織，工件的實際冷卻速度必須大于臨界淬火臨界淬火冷卻速度（獲得馬氏體的最低冷卻速度）冷卻速度（獲得馬氏體的最低冷卻速度）。 淬冷介質(zhì)冷卻能力淬冷介質(zhì)冷卻能力 鹽（堿）水鹽（堿）水 水水 油油淬火工藝要求淬火工藝要求鋼的淬硬性與淬透性鋼的淬硬性與淬透性淬硬性主要取決于馬氏體中的含碳量。淬硬性主要取決于馬氏體中的含碳量。 淬硬性：淬硬性：鋼淬火后得到的馬

14、氏體的硬度的高低。鋼淬火后得到的馬氏體的硬度的高低。 淬透性：淬透性：鋼在一定淬火條件下淬火獲得馬氏體層鋼在一定淬火條件下淬火獲得馬氏體層深度的大小。深度的大小。淬透性主要取決于臨界冷卻速度淬透性主要取決于臨界冷卻速度Vk ，Vk ，淬透性，淬透性 。多數(shù)合金元素可減小臨界淬火冷卻速度，提高淬透性。多數(shù)合金元素可減小臨界淬火冷卻速度，提高淬透性。淬硬性與淬透性的關系淬硬性與淬透性的關系鋼種鋼種淬硬性淬硬性 淬透性淬透性低碳結(jié)構(gòu)鋼（低碳結(jié)構(gòu)鋼（20）低低小小碳素工具鋼（碳素工具鋼（T10A）高高小小低碳合金結(jié)構(gòu)鋼（低碳合金結(jié)構(gòu)鋼（18Cr2Ni4WA）低低大大高碳高合金工具鋼（高碳高合金工具鋼（

15、Cr12MoV） 高高大大淬火狀態(tài)三大特征淬火狀態(tài)三大特征 組織特征：組織特征：馬氏體與殘余奧氏體處于亞穩(wěn)態(tài)。馬氏體與殘余奧氏體處于亞穩(wěn)態(tài)。 機械特征：機械特征：硬度、強度高，塑性、韌性低。硬度、強度高，塑性、韌性低。 應力特征：應力特征：存在熱應力與相變應力。存在熱應力與相變應力。淬火時工件的變形淬火時工件的變形 回火回火 定義定義：淬火零件加熱到臨界轉(zhuǎn)化溫度以下的某一溫度，淬火零件加熱到臨界轉(zhuǎn)化溫度以下的某一溫度，保溫一段時間，再冷卻到室溫的工藝。保溫一段時間，再冷卻到室溫的工藝。 目的目的降低或消除淬火內(nèi)應力，抑制工件變形與開裂。降低或消除淬火內(nèi)應力，抑制工件變形與開裂。提高鋼的韌性，使

16、工件滿足使用要求。提高鋼的韌性，使工件滿足使用要求。穩(wěn)定組織，使工件長期使用不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。穩(wěn)定組織，使工件長期使用不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。表面淬火工藝表面淬火工藝 按加熱方式按加熱方式感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火接觸電阻加熱表面淬火接觸電阻加熱表面淬火浴爐加熱表面淬火浴爐加熱表面淬火電解液加熱表面淬火電解液加熱表面淬火高密度能量表面淬火高密度能量表面淬火表面保護熱處理表面保護熱處理感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火感應加熱的物理過程感應加熱的物理過程感應線圈通交流電，形成交流磁場；感應線圈通交流電，形成交流磁場；被加熱零件引起感應電動勢，產(chǎn)生閉合電流；被加熱零件引起

17、感應電動勢，產(chǎn)生閉合電流；利用電流熱效應將工件加熱。利用電流熱效應將工件加熱。頻率類型頻率類型高頻高頻中頻中頻工頻工頻頻率范圍頻率范圍200300 kHz25008000Hz50Hz淬硬層深度淬硬層深度0.52.5 mm210 mm1020 mm用途用途小模數(shù)齒輪、軸類小模數(shù)齒輪、軸類直徑較大的軸類和直徑較大的軸類和大、中模數(shù)齒輪大、中模數(shù)齒輪大型工件大型工件感應淬火的頻率與應用感應淬火的頻率與應用高頻感應加熱表面淬火高頻感應加熱表面淬火感應加熱淬火后的組織和性能感應加熱淬火后的組織和性能 表面組織：表面組織：細小的細小的隱晶馬氏體隱晶馬氏體，碳化物彌散分布。，碳化物彌散分布。 性能：性能：硬

18、度比普通淬火高硬度比普通淬火高23 HRC，耐磨性、抗疲勞強度，耐磨性、抗疲勞強度提高，抑制工件表面提高，抑制工件表面氧化氧化、脫碳脫碳，變形小。，變形小。 優(yōu)點：優(yōu)點：加熱速度快、熱效率高、易于機械化和自動化。加熱速度快、熱效率高、易于機械化和自動化。 其它感應加熱淬火方式其它感應加熱淬火方式 超高頻感應加熱淬火超高頻感應加熱淬火 雙頻感應加熱淬火雙頻感應加熱淬火 超音頻感應加熱淬火超音頻感應加熱淬火火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火 原理：原理：應用高溫火焰或燃燒后的熾熱氣體對零件表面快速應用高溫火焰或燃燒后的熾熱氣體對零件表面快速加熱，再淬火冷卻。加熱，再淬火冷卻。 用途：用途：尺寸和質(zhì)量

19、大的工件。尺寸和質(zhì)量大的工件。特點：特點：設備簡單、操作靈活、適用鋼種廣泛，零件表面清潔，無氧化和脫設備簡單、操作靈活、適用鋼種廣泛，零件表面清潔，無氧化和脫碳，畸變小。碳，畸變小。如大型齒輪、軸、軋輥、導軌如大型齒輪、軸、軋輥、導軌缺點：缺點：加熱溫度不易控制，噪音大，勞動條件差，混和氣不安全，不易獲得加熱溫度不易控制，噪音大，勞動條件差，混和氣不安全，不易獲得薄層。薄層?；鹧婕訜岜砻娲慊鸬脑硎疽鈭D火焰加熱表面淬火的原理示意圖加熱火焰特性加熱火焰特性 常用混合氣常用混合氣 煤氣煤氣+氧氣、天然氣氧氣、天然氣+氧氣、丙烷氧氣、丙烷+氧氣、氧氣、 乙炔乙炔+氧氣氧氣 火焰溫度：火焰溫度：氧炔焰

20、可超過氧炔焰可超過3100 加熱區(qū)域：加熱區(qū)域：焰心區(qū)、內(nèi)焰區(qū)、外焰區(qū)焰心區(qū)、內(nèi)焰區(qū)、外焰區(qū)火焰加熱表面淬火方法及工藝火焰加熱表面淬火方法及工藝 平面前進法：平面前進法：工件相對于噴嘴作直線運動，工件相對于噴嘴作直線運動， 火孔附近噴射冷卻介質(zhì)淬火?；鹂赘浇鼑娚淅鋮s介質(zhì)淬火。 適用于淬火部位不大的工件適用于淬火部位不大的工件 快速旋轉(zhuǎn)法：快速旋轉(zhuǎn)法：固定噴嘴對旋轉(zhuǎn)工件加熱一定固定噴嘴對旋轉(zhuǎn)工件加熱一定 時間后冷卻。時間后冷卻。 適用于直徑與寬度不大的齒輪、軸頸適用于直徑與寬度不大的齒輪、軸頸火焰淬火的質(zhì)量檢驗火焰淬火的質(zhì)量檢驗 外觀：外觀：表面不應有過燒、熔化、裂紋等缺陷。表面不應有過燒、熔化

21、、裂紋等缺陷。 硬度：硬度：HB、HRC、HV的波動范圍符合要求。的波動范圍符合要求。接觸電阻加熱表面淬火接觸電阻加熱表面淬火 原理：原理：利用觸頭和工件間的接觸電阻使工件利用觸頭和工件間的接觸電阻使工件 表面加熱，依靠自身熱傳導實現(xiàn)冷卻表面加熱，依靠自身熱傳導實現(xiàn)冷卻 淬火。淬火。 用途：用途：汽缸套、曲軸、工模具淬火汽缸套、曲軸、工模具淬火 優(yōu)點：優(yōu)點：設備簡單，操作靈活，工件變形小。設備簡單，操作靈活，工件變形小。 缺點：缺點：淬硬層較?。ù阌矊虞^?。?.150.30 mm），金相），金相 組織及硬度均勻性差。組織及硬度均勻性差。表面保護光亮熱處理表面保護光亮熱處理 保護涂層要求保護涂層

22、要求 耐高溫、抗氧化、穩(wěn)定、不與零件表面反應，防止零耐高溫、抗氧化、穩(wěn)定、不與零件表面反應，防止零件表面加熱時燒損、脫碳或氧化，無毒安全，室溫具件表面加熱時燒損、脫碳或氧化，無毒安全，室溫具有一定強度，操作過程不易脫落處理后能自行脫落。有一定強度，操作過程不易脫落處理后能自行脫落。 涂層成分：涂層成分：有機材料與無機材料混合。有機材料與無機材料混合。 有機組分：有機組分：粘結(jié)劑，熱處理可分解或炭化。粘結(jié)劑，熱處理可分解或炭化。 無機組分：無機組分：轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軣o機涂層，隔絕氣氛，冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軣o機涂層，隔絕氣氛，冷卻后，由于涂層與金屬熱膨脹系數(shù)不同而自行脫落。后，由于涂層與金屬熱膨脹系數(shù)不同而自

23、行脫落。7.3 化學熱處理化學熱處理 可用低廉的碳鋼或合金鋼來代替較昂貴的高合金鋼。可用低廉的碳鋼或合金鋼來代替較昂貴的高合金鋼。 原理：原理：將工件置于特定介質(zhì)中加熱和保溫，使一種或幾種將工件置于特定介質(zhì)中加熱和保溫，使一種或幾種元素滲入工件表面，以改變表層化學成分組織和性能。元素滲入工件表面，以改變表層化學成分組織和性能。與一般熱處理的區(qū)別：鋼表面有化學成分改變。與一般熱處理的區(qū)別：鋼表面有化學成分改變。優(yōu)點優(yōu)點化學熱處理的目的化學熱處理的目的 提高鋼件的硬度和耐磨性提高鋼件的硬度和耐磨性 提高材料的耐熱性和耐蝕性提高材料的耐熱性和耐蝕性 提高材料抵抗交變載荷的抗疲性提高材料抵抗交變載荷的

24、抗疲性常用化學熱處理工藝及其應用常用化學熱處理工藝及其應用化學熱處理基本過程化學熱處理基本過程 分解：分解：滲劑化學分解反應，生成活性原子。滲劑化學分解反應，生成活性原子。 滲碳滲碳 2CO CO2 + C 滲氮滲氮 2NH3 3H2 + 2N 吸收：吸收：活性原子被鋼表面吸附，溶入鐵晶格，形成活性原子被鋼表面吸附，溶入鐵晶格，形成固溶體或金屬化合物。固溶體或金屬化合物。如：如：C、N可溶于可溶于-Fe形成間隙固溶體形成間隙固溶體；N可溶于可溶于-Fe形成過飽和固溶體，再形成氮化物。形成過飽和固溶體，再形成氮化物。 擴散：擴散：被吸收原子的濃度逐漸升高，在濃度被吸收原子的濃度逐漸升高，在濃度

25、梯度作用下定向擴散。梯度作用下定向擴散。 溫度溫度，擴散系數(shù)，擴散系數(shù) 溫度一定，加熱時間溫度一定，加熱時間，擴散層厚度，擴散層厚度K texpQDART化學熱處理滲層的基本組織化學熱處理滲層的基本組織 單相固溶體，如滲碳層中的單相固溶體，如滲碳層中的-鐵素體鐵素體 化合物，如滲氮層中的化合物，如滲氮層中的相（相（Fe2-3N），滲硼層中的），滲硼層中的Fe2B 同時存在固溶體、化合物的多相滲層同時存在固溶體、化合物的多相滲層滲劑滲劑 作用：作用：保證在工藝溫度范圍內(nèi)能夠不斷地、充分地、保證在工藝溫度范圍內(nèi)能夠不斷地、充分地、持久地提供滲入金屬基體的原子。持久地提供滲入金屬基體的原子。 滿足條

26、件滿足條件 經(jīng)物理化學反應后具有足夠的活性。經(jīng)物理化學反應后具有足夠的活性。 成分具有良好的穩(wěn)定性。成分具有良好的穩(wěn)定性。 使用、儲存和運輸具有可靠的安全性。使用、儲存和運輸具有可靠的安全性。滲劑的化學反應機制滲劑的化學反應機制 置換反應置換反應 鋼鐵粉末滲釩鋼鐵粉末滲釩 VCl2 + Fe = V + FeCl2 還原反應還原反應 鋼鐵粉末滲鉻鋼鐵粉末滲鉻 Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 氧化反應氧化反應 鋼鐵固體滲碳鋼鐵固體滲碳 2C + O2 = 2CO或或C + O2 = CO2 熱分解反應熱分解反應 鋼鐵氣體滲氮鋼鐵氣體滲氮 2NH3 = 2N + 3H2 鋼鐵氣

27、體滲碳鋼鐵氣體滲碳 CH4 = C + 2H2 影響滲劑活性的首要因素是影響滲劑活性的首要因素是滲劑的固有性質(zhì)滲劑的固有性質(zhì)。 滲劑確定滲劑確定后，影響其活性的因素是后，影響其活性的因素是溫度溫度和分和分 解反應前后參與反應物質(zhì)的解反應前后參與反應物質(zhì)的濃度濃度及及分壓分壓?；瘜W熱處理中的催化劑化學熱處理中的催化劑 特點：特點：化學熱處理過程中，催化劑能化學熱處理過程中，催化劑能促進滲劑分促進滲劑分解或產(chǎn)生活性原子解或產(chǎn)生活性原子，本身僅是一種中間介質(zhì)，本身僅是一種中間介質(zhì)，本本身并不產(chǎn)生被滲元素身并不產(chǎn)生被滲元素的活性原子。的活性原子。 例如，固體滲碳時加入碳酸鹽例如，固體滲碳時加入碳酸鹽

28、作用：作用：受材料耐熱能力限制，不能通過提高受材料耐熱能力限制，不能通過提高 反應溫度來增強滲劑活性時，可采用反應溫度來增強滲劑活性時，可采用 催化劑提高反應速度。催化劑提高反應速度。 本質(zhì)：本質(zhì)：吸附反應物，降低反應活化能。吸附反應物，降低反應活化能。7.3.1 鋼的滲碳鋼的滲碳 原理：原理：鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面，增加表層的含碳量，并獲得一定的碳濃度入表面，增加表層的含碳量，并獲得一定的碳濃度梯度。梯度。 目的：目的：提高零件表面硬度、耐磨性、耐蝕性、接觸提高零件表面硬度、耐磨性、耐蝕性、接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，心部具有一定強

29、度、塑疲勞強度和彎曲疲勞強度，心部具有一定強度、塑性、韌性。性、韌性。滲碳不是最終目的，零件滲碳后必須經(jīng)過淬火或滲碳不是最終目的，零件滲碳后必須經(jīng)過淬火或低溫回火處理。低溫回火處理。 經(jīng)過滲碳淬火處理的閥門經(jīng)過滲碳淬火處理的閥門常用滲碳鋼用途常用滲碳鋼用途滲碳件技術指標滲碳件技術指標 滲碳層含碳量滲碳層含碳量 高耐磨要求高耐磨要求 0.9 %1.05 % 耐磨、抗疲勞強度要求耐磨、抗疲勞強度要求 0.8 %0.9 % 滲層碳濃度梯度滲層碳濃度梯度 梯度平緩下降，有利于滲層與心部結(jié)合。梯度平緩下降，有利于滲層與心部結(jié)合。 滲層深度滲層深度 對小零件和薄壁件，滲層深度小于對小零件和薄壁件，滲層深度

30、小于20 %。氣體滲碳氣體滲碳 原理：原理：將工件放在氣體介質(zhì)中加熱并進行滲碳。將工件放在氣體介質(zhì)中加熱并進行滲碳。 優(yōu)點：優(yōu)點：溫度與介質(zhì)易于控制，易實現(xiàn)直接淬火。溫度與介質(zhì)易于控制，易實現(xiàn)直接淬火。 方法：方法：滴注式、通氣式。滴注式、通氣式。滴注式氣體滲碳滴注式氣體滲碳 原理：原理：將苯、將苯、醇、煤油等醇、煤油等液體滲碳劑液體滲碳劑直接滴入爐直接滴入爐內(nèi)裂解內(nèi)裂解 。滴注式氣體滲碳工藝滴注式氣體滲碳工藝有機液體的選用原則有機液體的選用原則 碳氧比大于碳氧比大于1 碳當量（產(chǎn)生碳當量（產(chǎn)生1g原子碳所需有機物質(zhì)量）小原子碳所需有機物質(zhì)量）小 具有較大產(chǎn)氣量具有較大產(chǎn)氣量 形成炭黑形成炭黑

31、傾向小傾向小 來源廣、成本低、安全來源廣、成本低、安全滴注式氣體滲碳工藝流程滴注式氣體滲碳工藝流程 過程：過程：排氣排氣強烈滲碳強烈滲碳擴散擴散降溫降溫 排氣階段：排氣階段：使爐溫迅速恢復到規(guī)定的滲碳溫度，盡快排除使爐溫迅速恢復到規(guī)定的滲碳溫度，盡快排除進入爐內(nèi)的氣體，防止零件氧化。進入爐內(nèi)的氣體，防止零件氧化。 強烈滲碳階段：強烈滲碳階段：滲碳劑滴量多、氣氛濃，零件表面碳濃度滲碳劑滴量多、氣氛濃，零件表面碳濃度高于最終要求，形成高濃度梯度，提高滲碳速度。高于最終要求，形成高濃度梯度，提高滲碳速度。 滲碳擴散階段：滲碳擴散階段：滲劑滴量少、氣氛低，工件表面的碳逐漸滲劑滴量少、氣氛低，工件表面的

32、碳逐漸向內(nèi)層擴散，表面碳濃度與滲碳深度逐漸達到要求。向內(nèi)層擴散，表面碳濃度與滲碳深度逐漸達到要求。零件裝爐后，爐溫大幅下降，同時帶入大量空氣。零件裝爐后，爐溫大幅下降，同時帶入大量空氣。 降溫階段降溫階段 取樣檢查滲碳取樣檢查滲碳可直接淬火，冷卻至可直接淬火，冷卻至810840 。需重新加熱淬火，降溫至需重新加熱淬火，降溫至860 880 ，轉(zhuǎn)入防止氧化脫碳的冷卻室。轉(zhuǎn)入防止氧化脫碳的冷卻室。氣體滲碳工藝參數(shù)氣體滲碳工藝參數(shù) 滲碳溫度：滲碳溫度：一般在一般在900950 ，淺層滲碳可選，淺層滲碳可選880900 。 滲碳時間：滲碳時間：影響滲碳層深度，定時抽樣檢測，確定出爐時間。影響滲碳層深度

33、，定時抽樣檢測，確定出爐時間。 爐氣換氣速度：爐氣換氣速度：不斷更換滲碳氣氛，保持爐氣活性。不斷更換滲碳氣氛，保持爐氣活性。 爐氣碳勢：爐氣碳勢：影響強滲與擴散的效果。影響強滲與擴散的效果。 預處理：預處理：清潔工件表面，消除表面缺陷與殘余應力。清潔工件表面，消除表面缺陷與殘余應力。其它滲碳工藝其它滲碳工藝 固體滲碳：固體滲碳：將工件埋放在固體滲碳劑中，然后裝箱入爐進行將工件埋放在固體滲碳劑中，然后裝箱入爐進行加熱滲碳。加熱滲碳。 碳源：碳源：木炭、焦炭等木炭、焦炭等 固體滲碳本質(zhì)上是以固體滲碳本質(zhì)上是以CO為滲碳氣氛的為滲碳氣氛的“氣體氣體”滲碳滲碳 2 C + O2 2 CO 為加速為加速

34、CO形成，形成， 常加入常加入Na2CO3、BaCO3等等催滲劑。催滲劑。 液體滲碳：液體滲碳：把零件浸入鹽浴滲劑中加熱滲碳。把零件浸入鹽浴滲劑中加熱滲碳。 方法：方法：將純堿、尿素和木炭粉等滲碳劑熔融，加入將純堿、尿素和木炭粉等滲碳劑熔融，加入到含到含NaCl、KCl的熔化鹽浴中。的熔化鹽浴中。 鹽浴滲碳加熱速度快，加熱均勻，便于直接淬火，鹽浴滲碳加熱速度快，加熱均勻，便于直接淬火，但多數(shù)鹽浴有毒。但多數(shù)鹽浴有毒。7.3.2 滲氮（氮化）滲氮（氮化） 定義：定義：將工件放入滲氮介質(zhì)中，加熱到滲氮溫度，將工件放入滲氮介質(zhì)中，加熱到滲氮溫度，保溫一段時間，使?jié)B氮介質(zhì)中發(fā)生分解、吸附和界保溫一段時

35、間，使?jié)B氮介質(zhì)中發(fā)生分解、吸附和界面反應等過程，活性氮原子被工件表面吸收，并擴面反應等過程，活性氮原子被工件表面吸收，并擴散滲入工件表層的化學熱處理工藝。散滲入工件表層的化學熱處理工藝。滲氮處理的優(yōu)缺點滲氮處理的優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 獲得比滲碳層更高的硬度獲得比滲碳層更高的硬度； 滲氮后可不進行淬火，零件變形小。滲氮后可不進行淬火，零件變形小。 缺點：缺點： 生產(chǎn)周期長（數(shù)十到上百小時）；生產(chǎn)周期長（數(shù)十到上百小時）； 滲氮層薄，不能承受太大的接觸應力和沖擊載荷；滲氮層薄，不能承受太大的接觸應力和沖擊載荷； 只適用于特殊成分鋼種只適用于特殊成分鋼種( (如工具鋼、高速鋼如工具鋼、高速鋼) )。

36、滲碳與滲氮工藝特點滲碳與滲氮工藝特點工藝工藝處理溫度處理溫度處理時間處理時間處理后是否需處理后是否需要熱處理要熱處理滲碳滲碳880950 39 h需要需要滲氮滲氮500600 20100 h不需要不需要Fe-N相圖相圖 相相氮在氮在-Fe中的固溶體中的固溶體 相相氮在氮在-Fe中的固溶體中的固溶體 相相Fe4N 相相Fe2-3No590 C 590以下以下，wN % ， 純鐵氮化過程組織變化純鐵氮化過程組織變化 500590 氮化氮化 先形成先形成相相； 表面層中氮濃度上升至飽和，形成表面層中氮濃度上升至飽和，形成相相； 相中氮濃度達飽和，形成相中氮濃度達飽和，形成相相。 純鐵在該溫度范圍氮化，表面層具有純鐵在該溫度范圍氮化，表面層具有、和和的多相的多相結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。離子滲氮離子滲氮原理：原理：抽真空抽真空通通含氮氣氛含氮氣氛電離氣體電離氣體N+轟擊工件表面轟擊工件表面滲氮滲氮顯著優(yōu)點：顯著優(yōu)點：快速快速滲氮滲氮碳氮共滲碳氮共滲 定義：定義：在一定溫度下，同時將碳、氮原子滲入工件表在一定溫度下，同時將碳、氮原子滲入工件表層奧氏體中，并以滲碳為主的擴散滲入處理工藝。層奧氏體中，并以滲碳為主的擴散滲入處理工藝。 優(yōu)點優(yōu)點 降低滲碳溫度（降低滲碳溫度（780880 ） 提高滲