第七节-钢的化学热处理

第七节钢的化学热处理一、化学热处理的基本过程二、钢的渗碳三、钢的渗氮四、钢的碳氮和氮碳共渗一、化学热处理的基本过程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。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→工件表面对活性原子的吸收→二、钢的渗碳(一)渗碳件的主要技术要求和渗碳用钢1.渗碳件的主要技术要求渗碳层表面碳的质量百分数一般控制在0.70～1.05％渗碳层深度是指零件经渗碳后，含碳量高于心部的表层厚度。齿轮渗碳层深度（mm）＝齿轮模数×（0.15～0.25）其它渗碳零件渗碳层深度按零件壁厚汁算。渗碳层深度(mm)＝零件壁厚×(0.1～0.2)（厚壁零件选择系数的下限，而薄壁零件选择上限值）2.渗碳用钢渗碳用钢的碳的质量分数一般在0.15～0.25%之间。一般要求的渗碳件，多用碳素钢制造，如15和20钢。对于工件截面较大、形状复杂，表面耐磨性、疲劳强度、心部力学性能要求高的零件，多用合金渗碳钢来制造，如20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo和18Cr2Ni4WA等。1.固体渗碳设备：固体渗碳箱常用的固体渗碳剂：硬木木炭及焦炭。常用的催渗剂：碳酸钡或碳酸钠Na2CO3→Na2O＋CO2BaCO3→BaO＋CO2CO2＋C→2CO（二）渗碳方法零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱固体渗碳法示意图2.气体渗碳（900~950℃）常用渗碳设备：气体渗碳炉分为周期式炉和连续式炉。周期式炉有井式、卧式和滚筒炉等形式；连续式炉有振底式、输送带式、旋转罐式以及推杆式等炉型。按热源分为电加热炉和煤气加热炉。井式气体渗碳炉气体渗碳法示意图大型井式渗碳炉（三）渗碳后的热处理淬火＋低温回火1.淬火Ar3（心部）渗碳温度Ac3（心部）Ac1时间回火a）预冷直接淬火b）一次淬火缓冷回火c）二次淬火缓冷回火渗碳件常用的淬火方法（1）预冷直接淬火优点是减少加热和冷却次数，操作简化，生产率提高。可减少淬火变形及表面氧化脱碳。目前本质细晶粒钢（如20CrMnTi、20MnVB等）制作的工件大都采用本法。在淬透情况下，表层组织为回火马氏体＋部分二次渗碳体＋残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体。（2）一次淬火淬火温度的选择应兼顾表面和心部的要求。加热温度高于心部Ac3，改善心部性能；在Ac1以上，改善表面性能。该法也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。第一次淬火温度Ac3以上，改善心部性能；第二次在Ac1以上，改善表面性能。仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高的工件。这种方法因加热次数多，工艺较复杂，工件易氧化、脱碳和变形，成本高等缺点，目前已很少采用。（3）二次淬火消除淬火应力，提高韧性，保持高硬度与耐磨性。2.低温回火（160～200℃）渗碳层的缓冷组织（由表面至心部）：过共析组织（P＋Fe3CⅡ）→共析组织（P）→亚共析组织（P＋F）→心部组织（P＋F）渗碳件渗碳后淬火及低温回火后的组织：（四）渗碳后的组织淬透时: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渗碳后缓冷时渗碳层的显微组织P＋Fe3CⅡPP＋F心部20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火及低温回火后的显微组织节园：M回＋K＋A’齿顶：M回＋K＋A’心部：低碳M下料淬火→锻造正火机加工渗碳低温回火喷丸磨削→→→→→→→（五）渗碳件的加工工艺路线（六）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。三、钢的渗氮（一）气体氮化工艺工件表面渗入N原子，以提高钢铁件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。设备：井式炉渗氮剂：氨气渗氮温度：500～580℃；渗层厚度主要由渗氮时间决定。2NH3⇌3H2＋2[N]氮化速度慢，所需时间长，渗层也比较薄。井式气体氮化炉40Cr钢45钢N化层（白亮层）N化层（白亮层）钢渗氮后的显微组织（二）渗氮用钢及渗氮的特点1.渗氮用钢一般选用中碳合金钢。氮化用钢的常见代表钢种为38CrMoAlA，其特点是渗氮后可获得最高的硬度（1200HV），具有良好的淬透性。因此，普遍用来制造要求表面硬度高、耐磨性好、心部强度高的渗氮件。2.渗氮的特点（１）渗氮后的工件，不需淬火便具有很高的表面硬度、耐磨性和红硬性。氮化显著提高钢的疲劳强度。（２）氮化温度低，变形很小。与渗碳、感应加热淬火相比，其变形很小。（３）氮化后的钢具有很高的耐腐蚀性。（４）渗层脆而薄，不宜承受集中的重载荷。（５）氮化温度低，时间长。如：38CrMoAl钢，δ=0.53～0.77m时，气体渗氮70h左右，离子渗氮15～20h。（６）氮化处理是工件加工工艺路线中最后一道工序氮化零件工艺路线：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→去应力退火→粗磨→渗氮→精磨或研磨（三）离子氮化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（深井式与钟罩式）渗氮剂：N2＋H2、氨气、氨分解气优点：渗层质量高，处理温度宽，工艺可控性强，工件变形小，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。（一）中温气体碳氮共渗（820～860℃）渗剂：渗碳剂＋氨气将工件放在能产生碳、氮活性原子的介质中加热并保温，使工件表面同时吸收碳和氮原子并向内部扩散，然后按适当方式冷却的过程。四、钢的碳氮和氮碳共渗设备：各种渗碳炉均适用于碳氮共渗，但在普通渗碳炉上须加一套供氨设备。因加热温度低，共渗后可直接淬火。可用较低的速度冷却，淬火变形和开裂的倾向小；渗速较快，可以缩短工艺周期；氮提高了回火稳定性，可在较高温度回火。共渗并淬火后组织:表面——含氮的高碳M（细针状或隐晶状）＋少量A'＋碳氮化合物（颗粒状）心部——低碳M或低碳M＋屈氏体硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性优于渗碳。工艺上与渗碳相比，具有不同的特性。应用：汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件。当共渗层的厚度≤0.75时，采用碳氮共渗既可获得高性能的零件，又可提高生产率和降低生产成本。渗剂：NH3、尿素（NH2）2CO或甲酰胺＋渗碳剂设备：气体渗碳炉共渗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)。（二）低温气体氮碳共渗（500～570℃）（软氮化）性能上，抗疲劳性优于渗碳和中温碳氮共渗，硬度低于氮化，渗层较薄，不适于重载件。应用：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%。特点：氮化速度快，时间短，一般为l～4h，而气体氮化长达几十小时；软氮化所形成的表面白亮层一般脆性较小，不容易发生剥落；零件变形很小；适用的材料广，气体氮化适用于特殊的渗氮钢，而软氮化不受材料限制，38.某机床变速箱齿轮（模数m=4），要求齿面耐磨，心部强度和轫性要求不高，比较合适的选材和热处理工艺是（）。（a）5CrMnMo，调质处理（b）20CrMnTi渗碳+淬火+低温回火（c）45钢感应加热淬火（d）45钢退火处理随堂思考题39.某机床主轴，要求有良好的综合力学性能，轴颈部分要求耐磨（50~55HRC），比较合适的选材和热处理工艺是（）。（a）45钢淬火+高温回火（b）20CrMnTi渗碳+淬火+低温回火（c）45钢感应加热淬火（d）45钢先调质，然后轴颈处进行感应加热表面淬火40.床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合力学性能，比较合适的选材和热处理工艺是（）。（a）45钢先调质，然后轴颈处进行感应加热表面淬火（b）38CrMoAl钢先调质，然后进行渗氮处理（c）38CrMoAl钢先渗氮处理，然后进行调质（d）45钢渗氮处理