渗碳过程碳浓度的分布
正火对渗炭淬火质量的影响
正火对渗炭淬火质量的影响引言：正火是金属材料热处理的一种常用方法，通过正火可以改善材料的机械性能和工艺性能。
而渗碳淬火是一种先将低碳钢与碳质材料一起加热，使碳原子渗入低碳钢表面形成一定厚度的高碳表层，然后在高温下进行正火淬火。
正火对渗碳淬火质量具有重要的影响，下面将对其影响因素进行详细分析。
一、引入正火是将材料加热到高温，然后进行冷却的热处理方法。
在渗碳淬火过程中，正火可以起到调整碳元素分布和晶粒结构的作用，影响渗碳淬火层的质量。
下面将从以下几个方面分析正火对渗碳淬火质量的影响。
二、碳元素分布的调整渗碳淬火的目的是使得低碳钢的表层富含碳元素，从而提高硬度和耐磨性。
而在渗碳淬火后的正火过程中，会使得碳元素分布更加均匀，从而提高淬硬层的一致性和稳定性。
正火温度和时间的选择会直接影响到碳元素的分布情况。
正火温度过高或时间过长会使得碳元素在材料内部扩散过多，导致淬硬层脱碳，从而使得淬硬层的硬度降低。
而正火温度过低或时间过短，则会导致碳元素分布不均匀，浓度分布不合理，影响渗碳淬火层的质量。
因此，合理选择正火温度和时间是保证渗碳淬火质量的重要因素之一三、晶粒结构的调整渗碳淬火后，材料的晶粒结构会出现两种情况，即晶粒细化和晶粒长大。
渗碳淬火后的正火过程中，晶粒结构会得到进一步调整。
正火可以通过晶界扩散、晶界迁移和晶界消解等机制，调整晶粒的大小和形状。
较小的晶粒可以提高材料的强度和硬度，同时也可以提高渗碳淬火层的一致性。
因此，正火温度和时间的选择对晶粒结构的调整具有重要影响。
四、残余应力的消除在渗碳淬火中，材料经历变形和温度梯度的变化，会导致残余应力的产生。
正火可以通过热处理过程中的加热和冷却来调整材料的残余应力，并最终消除它们。
残余应力的存在会影响渗碳淬火层的质量，引起裂纹和变形等问题。
因此，正火的加热温度和冷却速率的选择对残余应力的消除具有重要意义。
五、冷却介质的选择正火的冷却介质是决定渗碳淬火质量的关键因素之一、冷却介质的选择取决于渗碳淬火层的厚度和要求，以及材料的性能要求。
机械加工中关于渗碳热处理的知识总结
渗碳热处理渗碳热处理(1)定义渗碳是目前机械制造工业中应用广泛的一种化学热处理方法。
所谓渗碳就是把用低碳钢或低碳合金钢制的工件置于富碳的活性介质中，加热到850～950℃保温数小时，使渗碳介质在工件表面上产生活性碳原子，经过表面吸收和扩散而渗入工件的表层，从而使表层的含碳量达到0.8%以上的热处理工艺。
渗碳后再通过淬火和低温回火处理，借以提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，同时在心部又能保持一定的强度和良好的韧性。
钢铁零件的渗碳是在奥氏体状态下进行的，其作用是使渗碳层中的含碳量与高碳钢中的碳相当，而心部成分保持不变，因此渗碳使零件表面的碳达到适当的浓度和合理分布，其各种力学性能是靠随后的热处理来实现的。
渗碳零件必须进行淬火+回火处理，才能使其表面和心部的力学性能达到预定的要求，即具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度等，并保持心部具有良好的韧性。
(2)目的通过渗碳及其随后的热处理，可使工件获得优良的综合力学性能，采用这种工艺的主要优点是：既可提高工件的使用寿命，又能节约贵重的钢材。
目前在机械制造工业中，对于表面要求耐磨性、抗疲劳强度高，而心部又要求有较高强度和韧性的结构件，如齿轮、曲轴、凸轮轴、活塞销、轴套、摩擦片等，大都是采用低碳钢或低碳合金钢加工成形后，进行渗碳、淬火和低温回火的工艺方法制造的。
因此渗碳后进行热处理的目的主要体现在以下几个方面：①提高表面渗层的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度；②消除渗层中的网状渗碳体和适当减少残余奥氏体的数量，减小脆性和有助于合金钢性能的改善；③消除内应力，增加零件的尺寸稳定性，可以防止因淬火和车削或磨削过程中产生的加工应力而引起精度或尺寸的改变；④细化晶粒，提高心部的和韧性。
可承受重载荷的作用。
(3)分类渗碳工艺的类型很多，常用的主要类型可分为：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳和特殊渗碳。
固体渗碳在固态介质中进行，将工件埋入装有粒状渗碳剂的铁箱中或在工件表面上涂一层渗碳膏剂，然后装入炉子中加热渗碳；液体渗碳是将工件直接放入能分解出活性碳原子的盐液中加热渗碳，近年来推广发展了不用氰盐的无毒液体渗碳剂，使这种渗碳工艺获得了新的生机；气体渗碳在气体介质中进行，可在天然气、石油裂化气等吸热式、氮基可控气氛中进行渗碳，也可在滴注液体渗碳剂的分解气体中渗碳；(4)材料选择①从提高渗碳速度来看，原始碳量越低渗速越快，但是原始含碳量过低，造成工件心部硬度组织和性能达不到设计要求，含碳量过高又会导致韧性不足的缺点。
热处理渗碳组织变化过程
04
热处理渗碳组织变化的影响因素
温度的影响
1
温度升高，渗碳速度加快，组织变化加剧。
2
温度达到一定值时，组织变化趋于稳定。
3
温度过高可能导致组织脆化，降低材料性能。
时间的影响
时间越长，渗碳深度越大，组织变化越明显。 时间过长可能导致材料变形或开裂。 时间过短可能导致渗碳效果不明显。
碳浓度的影响
07
热处理渗碳组织变化的研究展望
热处理工艺的发展趋势
高效节能
为降低热处理过程中的能源消耗，提高生产效率，未来的热处理 工艺将更加注重高效节能技术的研发和应用。
智能化控制
通过引入先进的传感器、控制器和优化算法，实现热处理过程的 智能化控制，提高产品质量和生产效率。
环保与可持续发展
为满足环保要求，未来的热处理工艺将更加注重资源的循环利用 和减少废弃物排放，实现可持续发展。
淬火介质的选择
淬火介质的选择对冷却速度和组织变化具有重要影响。应根据工件的材料和性能要求选择合适的淬火 介质。
合金元素的添加
合金元素的作用
在渗碳过程中，添加适量的合金元素可以 改变材料的组织和性能。例如，添加铬元 素可以促进碳的溶解和扩散，添加硅元素 可以抑制碳化物的析出。
合金元素的影响
合金元素的添加量、种类和加入方式都会 影响渗碳组织的转变和碳化物的析出。应 根据材料的具体要求和工艺条件选择合适 的合金元素。
03
组织变化过程
奥氏体化
奥氏体化是热处理渗碳过程中的一 个重要阶段，是指碳钢在一定温度 下，通过保温时间，使碳原子充分 扩散到奥氏体晶格中，形成均匀的 渗碳奥氏体的过程。
VS
奥氏体化的温度和时间会直接影响 渗碳层的碳含量和深度，进而影响 渗碳组织的性能。
渗碳
气体渗碳气体渗碳是比较完善和经济的渗碳方法，它的主要优点如下：①它不需要渗碳箱，零件直接加热，生产周期较短。
②易于控制渗碳气氛，产品质量较稳定。
③便于直接淬火，便于实现自动化。
④周围环境清洁，大大减轻劳动强度。
但是，气体渗碳一般需要专门的设备，因而影响了普遍推广使用。
气体渗碳所采用的炉子，一般有连续式无马弗炉和井式炉。
一般中，小批量生产的工厂，大都采用井式渗碳炉进行气体渗碳。
渗薄时，把零件装于用耐热钢诸如此类料筐内。
放入炉膛中，密封加热，然后输入氢把有机液体(煤油、苯、酒精、丙酮等)滴入炉内。
滴入剂的种类很短而以煤油应用得最广泛，因价格便宜，来源充分，且有很强的渗碳能力，可满足渗碳要求。
(一) 气体渗碳的基本原理煤油滴入渗碳炉后，经过高温热裂分解一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)，氧(O2)，氢(H2)和饱和碳氢化合物(CnH2n+2)及不饱和碳氢合化物(CnH2n)等多种混合气体。
气体渗碳主要利用其中一氧化碳，饱和的碳氢化合物和不饱和的碳氢化合物，靠这些气体在渗碳温度分解得到原子状态的碳而产生渗碳作用。
2CO —→CO2 + [C]CnH2n+2 —→(n+1)H2 + n[C]一氧化碳在高温渗碳时，其分解速度较慢，分解与吸收基本平衡，因此，一般没有过剩碳沉积，而不饱和碳氢化合物，渗碳开始时会猛烈地析出碳，形成一层碳黑，附于零件表面，阻止渗碳的进行。
所以，渗碳气体中不饱和碳氢化合物含量应控制低些。
(二) 气体渗碳工艺及操作⒈装炉：把零件与相同钢材的试样一起置于渗碳料筐中，零件之间应留5—10mm 间隙，空炉加热(封闭炉盖)至920—940℃时将渗碳料筐迅速吊入炉膛中，扳紧螺母以压紧炉盖，开大甲醇滴量，打开废气孔排气，并启动风扇马达。
⒉升温：工件装炉后立即开始升温，此时炉温下降较多，(约800—850℃)，而工件的温度更低。
此时不宜滴入大量的渗碳剂(因炉温低，不能充分裂解，而且工件温度低不能吸碳，滴入的渗碳剂将会形成大量的碳黑附于工件表面，影响随后渗碳正常进行)。
渗碳——精选推荐
渗碳⽓体渗碳⽓体渗碳是⽐较完善和经济的渗碳⽅法，它的主要优点如下：①它不需要渗碳箱，零件直接加热，⽣产周期较短。
②易于控制渗碳⽓氛，产品质量较稳定。
③便于直接淬⽕，便于实现⾃动化。
④周围环境清洁，⼤⼤减轻劳动强度。
但是，⽓体渗碳⼀般需要专门的设备，因⽽影响了普遍推⼴使⽤。
⽓体渗碳所采⽤的炉⼦，⼀般有连续式⽆马弗炉和井式炉。
⼀般中，⼩批量⽣产的⼯⼚，⼤都采⽤井式渗碳炉进⾏⽓体渗碳。
渗薄时，把零件装于⽤耐热钢诸如此类料筐内。
放⼊炉膛中，密封加热，然后输⼊氢把有机液体(煤油、苯、酒精、丙酮等)滴⼊炉内。
滴⼊剂的种类很短⽽以煤油应⽤得最⼴泛，因价格便宜，来源充分，且有很强的渗碳能⼒，可满⾜渗碳要求。
(⼀) ⽓体渗碳的基本原理煤油滴⼊渗碳炉后，经过⾼温热裂分解⼀氧化碳(CO)，⼆氧化碳(CO2)，氧(O2)，氢(H2)和饱和碳氢化合物(CnH2n+2)及不饱和碳氢合化物(CnH2n)等多种混合⽓体。
⽓体渗碳主要利⽤其中⼀氧化碳，饱和的碳氢化合物和不饱和的碳氢化合物，靠这些⽓体在渗碳温度分解得到原⼦状态的碳⽽产⽣渗碳作⽤。
2CO —→CO2 + [C]CnH2n+2 —→(n+1)H2 + n[C]⼀氧化碳在⾼温渗碳时，其分解速度较慢，分解与吸收基本平衡，因此，⼀般没有过剩碳沉积，⽽不饱和碳氢化合物，渗碳开始时会猛烈地析出碳，形成⼀层碳⿊，附于零件表⾯，阻⽌渗碳的进⾏。
所以，渗碳⽓体中不饱和碳氢化合物含量应控制低些。
(⼆) ⽓体渗碳⼯艺及操作⒈装炉：把零件与相同钢材的试样⼀起置于渗碳料筐中，零件之间应留5—10mm 间隙，空炉加热(封闭炉盖)⾄920—940℃时将渗碳料筐迅速吊⼊炉膛中，扳紧螺母以压紧炉盖，开⼤甲醇滴量，打开废⽓孔排⽓，并启动风扇马达。
⒉升温：⼯件装炉后⽴即开始升温，此时炉温下降较多，(约800—850℃)，⽽⼯件的温度更低。
此时不宜滴⼊⼤量的渗碳剂(因炉温低，不能充分裂解，⽽且⼯件温度低不能吸碳，滴⼊的渗碳剂将会形成⼤量的碳⿊附于⼯件表⾯，影响随后渗碳正常进⾏)。
自适应渗碳中渗碳参数对渗碳结果的影响
控制整 个过程。温 度控制精 度 为 ±ｌ ℃，碳 势摔 制精度 为 ±０ ０ ％。试验中设 汁了渗层深度为 ０ ８ ｍ、最高炉 ．５ ．ｒ ａ 气碳势 ０ ９ ％ 、最 高表 面碳 浓 度 ０ ９ ｃ 、表面碳 浓 度 ．５ ．０７ ｃ ０ ８ ％ ；渗层深 度 为０ ８ ．５ ． ｍｍ、最 高炉 气碳势 １ ０ ％ 、 ．５
２ ７第期 ｏ 年 １ ｏ
缸板ｌ 热 工 加
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圈
最高表面碳浓度 １ ％，表面碳浓度 ０８ ％；渗层深度 ． ０ ．５
为 １５ ｍ、最 高炉 气碳 势 １０ ％、最 高 表 面碳 浓 度 ．ｒ ａ ． ５
１０ ． ％，表面碳浓度 ０ ９ ％；渗层 深度 为 １ ５ ｍ、最高 ．０ ．ｒ ａ
部分上 贝氏体 ，这显然 对性能 不利 。用 复合 等温淬 火， 使心部残余奥 氏体转变为下 贝氏体 。因此 ，对实 际模具
性能的提高 ，要 比上述用试 样获得的效果更 为明显 。另 外 ，由于锻造淬 火的组织遗传作用而保 留下来 的亚结构 与位错将 阻碍 杂质原子 向原奥 氏体 晶界的偏聚 ，因而对 抑制 回火脆性 起着十分重要的作用。
在 Ｊ 一６ Ｔ ０井式炉 中进行 渗碳 渗碳温 度为 ９ ０Ｃ， １￣
渗剂采用煤油和甲醇 采用 自适应方式 ，微机完全 自动
部件的承载能 力和使用寿命 ，渗碳是典型 的化学热处理
工艺 ，广泛应用于各种大规模生产 的机械制造部 门 人 们在长期生产和科学试验 中认识 到，渗碳件 的各项性 能 与渗碳层的浓度分布及组织结构 有密切关 系，不同零部
热 处理行业 ，就 当前的发展水平来说 ，可控 气氛热 处理是重要 的组成部分。渗碳 产品是热处理 主流产品之
【传输原理】气体渗碳,离子渗碳
4.不同时间碳浓度分布
现以吸热气氛-丙烷气体渗碳为例，研究气体渗碳20#钢表面碳浓度分布的变化。该种气体渗碳其表面传递系数表达式如下：
计算得到1000℃加热温度下其值为
传递系数
碳势
下图绘出了1000℃加热温度下气体渗碳不同时间后其碳浓度分布曲线：
五、参考文献
[1]闫牧夫，刘志濡(哈尔滨工业大学)，祖国成(哈尔滨船舶工程学院)，气体渗碳过程表面碳浓度增长的数学模型，材料科学进展，199年第3期6月第6卷
[2]黄亲国，南昌航空工业学院，气体渗碳过程中表面碳浓度增长规律及传递系数的探讨，科技成果·学术论文
[3]杨林，王博文，李德高，稀土对气体渗碳过程中碳原子扩散的影响，沈阳工业大学学报，1994,是不同的，下图绘出了加热温度为1000℃时距渗碳表层为0mm、1mm、2mm、3mm这4个深度的碳浓度随时间的变化关系：
从图中可以看出,表面的碳浓度cs并不是一个恒定值,而是随着渗碳时间的延长逐渐升高,并不断地趋近于炉气碳势。这说明碳原子从气相向工件内部迁移有一个时间过程,此过程进行的驱动力是炉气与工件表面的碳势差值(cp—cs)。因此,在气体渗碳过程中渗层的增长取决于气一固界面反应和碳原子在金属中的扩散速度,即属于混合控制型,而不是一个纯扩散过程；不同深度的碳浓度也是随着保温时间的增加而逐渐增大，增大的速度由快变慢。
7.渗碳深度与渗碳时间关系
与离子渗碳类似，碳浓度高于0.38%的区域为高浓度区。下图绘出了不同加热温度860℃、900℃、950℃、1000℃下 随时间的变化关系：
从图中可以看出，随着温度的增加，相同保温时间下渗碳的深度逐渐增加，但是即使在1000℃高温下想要达到2mm的渗层深度也需要8h的较长时间，为了缩短处理时间，仅仅升高温度也是不够的，可以考虑改变渗碳氛围即改变界面碳的传递系数。
可控气氛渗碳工艺浅述
可控气氛渗碳工艺浅述一、可控气氛渗碳工艺可控气氛渗碳工艺主要包括滴注式气体渗碳工艺、吸热式气体渗碳工艺、氮基气体渗碳工艺、直生式气体渗碳工艺。
滴注式气体渗碳工艺是在密封室内通入有机液体甲醇和丙酮（或乙酸乙酯等），以适当的数量直接滴人炉内而制得所需气氛的。
甲醇热裂分解产物的渗碳能力很低，它主要是起携带气的作用，使炉内有一定的正压；起渗碳作用的气体主要是由丙酮或乙酸乙酯热裂分解形成的。
滴注式气体渗碳工艺对设备要求较低，碳势控制精度较差，只适用于一般零件的处理。
吸热式气体渗碳工艺的渗碳气氛由吸热式气体加富化气组成，吸热式气体主要包括天然气、煤气、丙烷、丁烷等，一般采用甲烷或丙烷作富化气。
需要有吸热式气氛发生装置。
氮基气氛渗碳工艺是指以氮气作为载体添加富化气进行渗碳的工艺，富化气主要有丙烷、丙酮等，同时通入甲醇作为基础气氛。
直生式气氛渗碳工艺是将燃料与氧化剂直接通入炉内形成渗碳气氛的工艺。
采用上述各渗碳工艺时，各种有机液体热裂分解时产生的主要是CO和H。
同时还存在少量的其它产物。
在一定条件下，达到平衡时，炉气的各成分之间具有一定的比例平衡關系。
可控气氛渗碳工艺已应用多年，积累了丰富的经验，可以满足一般零件的性能要求，但也有自身的缺点，例如：无法解决表面内氧化问题，即在渗层表面出现一层很薄的非马氏体组织，影响零件的疲劳性能；无法解决高温渗碳及深层渗碳问题；生产能耗高；生产区域环境较差。
这些设备一般都布置在独立的热处理车间，或者与机加工车间组建联合厂房，但与机加工车间之间需要有隔墙，以减少对加工设备的影响，并要求加强热处理车间的排烟措施，改善生产环境。
二、低压真空渗碳工艺低压真空渗碳工艺的真空压力一般为10—100Pa。
其工艺过程是：加热室装料—抽真空—通保护气—加热—工件在高温下脉冲式通入渗碳气氛（纯的乙炔等）和保护气氛（纯的氮气等）进行高速渗碳过程，是一个强渗—扩散—强渗—扩散……的过程，经过几个循环达到工艺渗碳层的要求（故此工艺又被称为脉冲渗碳工艺），然后进行高压气淬或真空油淬。
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渗碳过程碳浓度的分布
渗碳是一种常用的表面处理工艺，用于提高材料的硬度和耐磨性。
在
渗碳过程中，碳原子在材料表面通过扩散进入到材料内部，形成碳浓度的
分布。
渗碳过程中，碳浓度的分布对材料的性能有着重要影响。
渗碳过程中，碳原子以固溶态进入材料晶格的间隙中，取代原有的金
属原子。
由于碳原子的尺寸较小，相比金属原子，可以更轻易地占据晶格
的间隙。
渗碳过程中，最常用的金属基体载体包括铁、钢、高温合金等。
渗碳过程中，碳浓度的分布受到多种因素的影响，包括渗碳时间、温度、渗碳介质、渗碳方法等。
渗碳时间指的是渗碳过程中材料所处的时间，温度则是渗碳过程中的处理温度，渗碳介质则是指用于渗碳的气体、液体
或固体物质，渗碳方法则是指渗碳过程中采用的工艺方法。
在渗碳过程中，常用的渗碳方法包括气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳。
气体渗碳通过将材料暴露在富含碳原子的气体中，让碳原子进入金属基体
载体。
液体渗碳则是将材料浸泡在富含碳原子的液体介质中，使碳原子进
入金属基体载体。
固体渗碳则是将含有碳的固体材料直接接触到金属基体
表面，使碳原子扩散到金属基体内。
渗碳过程中，碳浓度的分布通常呈现出自渗层和外渗层的特点。
自渗
层指的是渗碳层中离材料表面最近的部分，也是碳浓度最高的部分。
外渗
层则是离材料表面较远的部分，其碳浓度较低。
碳浓度的分布取决于渗碳
时间、温度和渗碳介质。
在渗碳过程中，渗碳时间越长，碳原子的扩散距离越远，因此碳浓度
的分布越均匀。
同时，温度的提高也会促进碳原子的扩散，使得碳浓度更
加均匀。
渗碳介质的选择也会对碳浓度的分布产生影响。
比如，气体渗碳中，渗碳气体的流动性能会影响碳原子的扩散速率和均匀性。
渗碳过程中，碳浓度的分布对材料的性能产生重要影响。
高浓度的碳
原子可以增加材料的硬度和抗磨性，提高材料的使用寿命。
然而，过高的
碳浓度可能会导致材料的脆化，降低其韧性和强度。
因此，在渗碳过程中，需要合理控制碳浓度的分布，以满足不同材料的要求。
综上所述，渗碳过程中碳浓度的分布受多种因素的影响，包括渗碳时间、温度、渗碳介质和渗碳方法等。
碳浓度的分布对材料的性能有着重要
影响，需要合理控制以达到最佳效果。
在进行渗碳处理时，需要根据具体
要求进行操作和控制，以获得理想的渗碳效果。