特殊热处理——可控气氛

乙烯：C2H4=C+CH4 乙炔：C2H2=2C+H2
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深层渗氮
32Cr3MoVE钢深层渗氮(三段式气体渗氮）
深层渗氮工艺
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深层渗氮层的硬度及残余应力
渗氮－渗碳层硬度梯度
渗层残余应力分布（磨削后）
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离子渗氮
优点：
无须预除钝化膜即可对不锈钢进行气体渗氮； 渗氮层组织和相组成可以控制,；
渗层脆性小、质量好,可显著提高渗氮速度,其处理周




其他气氛8%
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吸热式气氛

气氛组成：CO、CO2、N2、H2O、H2 碳氢气和空气的比例应使有足够的氧形成一氧化碳 和氢而不足以形成二氧化碳及水蒸气。 氧化反应本质是吸热的，燃烧过程只能借助于外部 加热来维持，氧化过程释放的热不足以维持反应。

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吸热式气氛
采用天然气及丙烷制备：
A:提高丙烷气体流速和产生脉动的丙烷气压有
所改善， 采用乙炔能获得较高碳势，渗碳层均匀，适宜 复杂形状零件，消除炭黑及焦油的产生。
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真空低压乙炔渗碳
900~1000℃，P≤2×103Pa条件下，分解： 甲烷： CH4=CH4


丙烷：
C3H8=C+2CH4 C3H8=C2H4+CH4 C3H8=C2H2+H2+CH4=2C+CH4+2H2
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放热式气氛

典型成分（体积%）为：
淡型:
CO 1.5%, CO2 10.5~12.8%, H2 0.8~1.2%， CH40%，N2 其余; 浓型: CO 10.2~11.1%,CO2 5.0~7.3%， H2 6.7~12.5%，CH40.5%，N2 其余。

用于低碳钢退火、正火、淬火、回火；铜的退火、 钎焊及烧结保护等； 液化石油气制备。
0. 4～0. 5 0. 30～0. 35
45～50 10～14
490～510 ℃渗氮
0. 30～0. 35
25～30 25
高温渗氮
渗氮工艺方面的研究开发转向600 ～750 ℃温度区间 。 650 ℃以下时,随处理温度的升高,化合物层厚度迅速 增加; 650 ℃以上时,随着温度升高,化合物层厚度减 少。 在600～700 ℃渗氮,除得到化合物层、扩散层外,还 会得到奥氏体层。含氮奥氏体是这一温度的特有相, 在冷却时转变为马氏体或贝氏体,硬度可达800 HV以 上。 高硬度马氏体层与化合物层相配合,有利于提高零件 的耐磨性。
2CH4 +O2=CO+4H2
典型成分：CO
10%， CO2 0.1%， H2 40%， CH40.5%， N2 40%，H2O 0.2% 2C3H8+3O2=6CO + 8H2 典型成分：CO 23.7%， CO2 0.1~1.0%， H2 31.6%，CH4<1%， N2 44.7%，
用于渗碳、碳氮共渗载体气，淬火。



氨分解气氛：
H2 75%,N2 25%. 不锈钢、硅钢的退火等
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特殊气氛
有机液体的滴注式气氛： 典型成分（体积%）为：
CO 33.0%, CO2 0.1~1.0%，H2 66.0%，CH4<1.5% 有机液体：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、醋酸 乙酯等 用于钢件的淬火、渗碳、碳氮共渗载气。
限制：炉温高于800℃
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渗碳新技术
低压渗碳技术 真空低压乙炔渗碳 高温渗碳
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低压渗碳表面碳浓度
表面碳浓度与渗碳时间的关系
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低压渗碳+淬火工艺
700℃以平稳的逐步对流加热至930
℃，减少
变形； 脉冲渗碳达到2×103Pa丙烷，减少渗碳时间 ，使表面的深度、孔、不通孔及齿轮均匀化； 扩散周期中表面碳含量减少； 降低淬火温度减少变形； 均匀化和奥氏体化； 氮气压力为1.5×106Pa高压气淬，减少变形 ； 37
吸热型气体RX
丙烷，丁烷，天然气
净化的氨基气体 单组分气体NX
丙烷，丁烷，天然气 油
黑心可锻铸铁的退火， 无脱碳退火，低温退火， 炉子净化
氨基气体AX
氨（利用分解过程）
合金钢的退火和硬钎焊（存在Cr， 8 Al， Si）
工业使用率的统计

放热气氛25%
吸热气氛25% 净化的氮基或单组分气体气氛30% 分解氨气氛12%
可控气氛热处理
化学热处理的工艺方法
2
可控气氛热处理概述

为防止氧化、脱碳等缺陷，将热处理炉中充入中 性气氛或还原气氛等，对工件进行保护加热处理 ，或同时进行渗碳、渗氮、碳氮共渗等化学热处 理，称为可控气氛热处理。 将工件放在含有渗入元素的活性气体介质中， 加 热到一定的温度后进行保温，利用固态扩散使渗 入元素被吸附并扩散到表面层，改变表面层的化 学成分，从而使工件表面层的组织结构和性能发 生变化。
30
直生式渗碳技术
直接用固定流量的碳氢气体注入炉中; 主要组分：CO,
H2 和CH4
主要组分达不到热力学平衡，但当气氛存在某
个稳定的平衡状态，则有确定的碳活度，即使 CH4含量较高，碳的传输仍受CO反应控制： COCOad[C]+Oad
即碳活度可以用平衡方程确定
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直生式渗碳气氛的产生

炉压对渗氮过程的影响
提高炉压可以增加零件表面氮原子的吸附量 提高炉压可以提高氨气的活度 提高炉压可以提高界面反应速率 增高炉压可以提高对狭缝、深孔等的渗氮能力
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增压气体渗氮应用与分析
29
增压气体渗氮工艺影响因素



第一段温度在500～ 530 ℃ 吸附量与温度成反比但温度 过低不利于活性氮原子的界 面反应, 生成ε及γ’相。 第一段保温时间不用太长, 只要形成一定厚度的高氮化 合物层, 就足以保证氮原子 向α基体中的扩散。 随第二段温度的提高, 其平 均渗速提高。说明了扩散速 度主要决定于温度。但当超 过560℃长时间保温会使ε相 分解, 表面硬度下降。
量则提高碳势。
液体燃料系统是在燃料注入炉中以前，
经过安 装在炉定的蒸发器， 空气加入蒸发器，产生蒸 气（燃料气－载气）/空气的混合气进入炉子。
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要求炉子加热能力及气体循环能力较好。
直生式渗碳特点
优点：
炉子调控时间短
碳势变化迅速、灵活
渗碳均匀 碳的传递速率较高 气氛生成的成本低廉
主要的可控气氛
按原料分类： 碳氢化合物 吸热式气氛 放热式气氛 净化放热式气氛 空气制氮的氨基气氛 液氨制备的气氛 有机液体的滴注式气氛
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主要保护气氛的成分和露点
气氛的类别及标识
成分%
露点
CO
放热型气体（浓）DX 吸热型气体RX 净化的氨基气体 单组分气体NX 分解氨AX 4~12 15~25 1~5 0
空气制氮的氨基气氛：
典型成分（体积%）： CO 7.5~10%, CO2 0.11~0.19%, H2 15.0~20.0%，CH40.3%，N2 余量 用于渗碳、碳氮共渗、渗氮、钢件退火、正火、淬火、回火； 钎焊及烧结保护等； 氮气+甲醇（CH3OH）制备。



液氨制备的气氛：
氨燃烧气氛：
H2 1.0~20%,N2 余量. 不锈钢、电工钢、低碳钢的光亮退火、淬火、渗碳、碳氮共渗载气。
CO2
4~8 0.5 0.1 0
H2
4~15 30~60 1~5 75
N2
余量 余量 余量 25 -10/+20 -15/+5 -30 -30
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主要保护气的来源及应用
气氛的类型 放热型气体DX 基本燃料 丙烷，丁烷，油，天 然气 使用范围 铁基金属光亮退火，浓 有色金属，淡 电机和变压器硅钢片的脱碳 硬钎焊烧结 渗碳 退火，淬火，普通烧结，无脱碳的硬 材料烧结
期约为气体渗氮的1 /3～1 /5。
Q：
由于工件棱角、平面处接受离子撞击的概率不同,致
使棱角、平面处温度不一致； 温度场均匀性和检测温度的可靠性较差； 工件要有一定批量。
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离子渗氮改进
当前采用外热式加热,首先将炉内温度加热达
到400 ℃左右,再由离子轰击达到最终工艺温度 ,可较为有效地改善炉温均匀性。 先离子渗氮、后气体渗氮,充分利用离子渗氮 的优势,在渗氮前期更快地使氮原子渗入工件 中,后期则采用气体渗氮,调整渗层组织,实现渗 层优化。 金属活性屏作为炉子阴极,完全可避免弧光和 空心阴极放电损坏零件。
14NiCr14钢的低压渗碳
渗碳扩散时间与渗碳深度、表面含碳量的关系
38
14NiCr14钢的低压渗碳
300kg批料（4.5m2）14NiCr14试样的硬度分布
39
15CrNi6低压渗碳层性能
曲轴的硬度分布
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真空低压乙炔渗碳
Q:低压或真空渗碳主要的渗碳剂丙烷在温度高
于600℃时易分解成碳、氢及甲烷，使零件表 面产生炭黑及焦油。
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循环变温离子渗氮
45钢循环渗碳工艺

周期性的渗氮+时效,使ε→α″+ Fe3 C,形成α″通 道和若干缺陷界面,有利于提高N的扩散速度
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稀土催渗渗氮

大半径的稀土原子在完整晶体内部形成含稀土的固溶体,其 周围的Fe点阵发生畸变,间隙原子C、N等将在畸变区偏聚 形成气团,当N原子挣脱气团后将沿这个特殊通道向前快速 扩散,从而提高了扩散系数。 稀土的存在使铁原子晶格畸变加剧,相对于晶格内部,氮原子 在该处的扩散系数要高得多,大量弥散、细小的氮化物和畸 变区的存在,增加了氮的扩散通道,加速了渗氮过程 。 添加稀土元素后,离子渗氮过程中表面氮浓度为一变量,且随 时间延长而增加,表面相结构由渗氮2h的单一ε相逐渐转变 为ε和γ′双相,当渗氮时间超过4 h时,化合物层生长明显加速 。与未添加稀土元素者比较,经7 h脉冲稀土离子渗氮后化合 物层增加45%。 24