热处理原理与工艺 作者 赵乃勤 第11章 化学热处理

11.2.6 渗碳缺陷及控制
1.黑色组织 2.反常组织 3. 粗大网状碳化物组织 4.渗碳层深度不均匀 5.表层贫碳或脱碳 6.表面腐蚀和氧化
1.黑色组织
在含Cr、Mn及Si等合金元素的渗碳钢渗碳淬火 后，在渗碳层表面组织中出现沿晶界呈断续网 状的黑色组织。出现这种黑色组织的原因，可 能是由于渗碳介质中的氧向晶界扩散，形成Cr、 Mn和Si等元素的氧化物，即“内氧化”；也可 能是由于合金元素的优先氧化使晶界上及晶界 附近的合金元素贫化，淬透性降低，致使淬火 后出现非马氏体组织。
d)渗层硬度
5.渗碳件的质量检查
渗碳件的质量检查一般包括：①渗碳钢原材料 检查；②渗层质量检查，包括渗层深度、渗层 碳含量，碳化物、残留奥氏体及马氏体级别的 评定；③渗碳件心部游离铁素体级别的评定； ④渗层和心部硬度的检查；⑤渗碳件变形量的 检查和表面氧化、脱碳以及软点检查。
11.2.5 渗碳后钢的组织与性能［2］
5.表层贫碳或脱碳
图11-14
6.表面腐蚀和氧化
渗碳剂不纯，含杂质多，如硫或硫酸盐的含量 高，液体渗碳后零件表面粘有残盐，均会引起 腐蚀。渗碳后零件出炉温度过高，等温盐浴或 淬火加热盐浴脱氧不良，都可引起表面氧化， 应仔细控制渗碳剂的盐浴成分，并对零件表面 及时清洗。
11.3.1 渗氮的特点
渗氮(氮化)是将氮渗入钢件表面，从而提高其硬 度、耐磨性和疲劳强度的一种化学热处理方法。 渗氮的发展虽比渗碳晚，但却得到了广泛应用， 这是因为它具有以下优点：渗氮可以获得比渗 碳更高的表面硬度和耐磨性，钢渗氮后的表面 硬度可以高达950～1200HV (相当于65～72HRC)， 而且到600℃仍可维持相当高的硬度(即热硬性)； 渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳强度；由 于渗氮温度较低(500～570℃之间)，故变形很小； 渗氮也可以提高工件的耐蚀性能。但是，渗氮 的缺点是工艺过程较长，渗层也较薄，不能承 受太大的接触应力。目前除了钢以外，其它如 钛、钼等难熔金属及其合金也广泛地采用渗氮 工艺。
(2) 渗碳件表面状态的准备
主要包括以下几个方面：
1) 关于非渗碳面问题。 2) 渗碳件的表面检查。
3.渗碳过程的工艺操作
图11-3 20CrMnTi钢滴注式可控气氛渗碳工艺曲线
4.渗碳后的热处理［2］
(1)渗碳后热处理的目的 (2)渗碳后的热处理工艺
(1)渗碳后热处理的目的
渗碳只能改变零件表面的化学成分，使表层 具有高碳钢(对碳钢而言)或高碳合金钢(对合金 钢而言)在正火或退火后所得的组织和性能，因 而其硬度、耐磨及抗疲劳等性能都很低。
1.渗碳层的组织 2.渗碳件组织对性能的影响 3.钢中合金元素对渗碳组织和性能的影响
1.渗碳层的组织
图11-9
500×
1.渗碳层的组织
图11-10 10钢经渗碳、淬火、回火后表层、过渡区及心部的组织形貌(500
1.渗碳层的组织
图11-11 18CrMnTi钢和20钢920℃渗碳6h直接淬火后的渗层成分、组织及硬度 a)渗层奥氏体中碳含量的分布 b)渗层中残留奥氏体量 c)渗层硬度分布
—
43～49
备注 大件水淬 大件水淬
(1) 结构钢渗氮前的调质处理
表11-2 常用钢渗氮前的调质规范
25CrNi4 860～880 油 WA
18Cr2Ni4 860～880 油 WA
12Cr2Ni4 850～870 油 A
35CrMoV 840～860 油
540～580 空
302～321 —
560±20 空
吸热式气氛是将可燃性原料气，如丙烷、丁烷、 天然气等碳氢化合物与较少的空气混合后，通 入装有触媒剂的炉膛中，在触媒剂的作用下， 并借助外加热，使混合气在950～1050℃的条件 下进行反应，用这种方法制备的气氛称为吸热 式气氛。以丙烷气为例，空气与丙烷气之比为7. 2∶1。吸热式气氛成分稳定，主要成分为CO、H 2和N2，具有强的还原性和渗碳能力，是强渗碳 气氛。
(2)渗碳后的热处理工艺
1)直接淬火法。 2)一次淬火法。 3)二次淬火法。
图11-4 渗碳后直接淬火工艺曲线
图11-5 Fe-C相图一部分， 渗层和心部淬火温度
Байду номын сангаас
图11-6 渗碳后一次淬火 的工艺曲线
图11-7 渗碳后两次淬火工艺曲线
图11-8 碳素钢渗碳后渗层的 碳含量分布及渗层组织示意图 a)碳含量分布曲线 b)淬火组织 示意图 c)渗层中残留奥氏体量
—
30～35
520～580 空
—
27～36
600±20 空或油 197～229 —
(2) 模具、量具及刃具渗氮前的预备热处理
11.3.3 钢的气体渗氮工艺过程
1.渗氮前的热处理 2.渗氮前的准备 3.渗氮过程的工艺操作 4. 渗氮件的质量检查
1.渗氮前的热处理
(1) 结构钢渗氮前的调质处理 (2) 模具、量具及刃具渗氮前的预备热处理 (3)铸铁件渗氮前的热处理
(1) 结构钢渗氮前的调质处理
表11-2 常用钢渗氮前的调质规范
第11章 化学热处理
11.1 化学热处理分类及基本过程 11.2 表面渗碳［2,3］ 11.3 表面渗氮［2,5,6］ 11.4 表面碳氮共渗 11.5 渗硼［2,5⁃7］ 11.6 表面渗金属［7⁃9］
11.2 表面渗碳［2,3］
我们知道，高碳钢通过淬火和低温回火可以得 到高的硬度和高的耐磨性，但脆性大、冲击韧 性低；低碳钢通过淬火和低温回火可以得到很 好的强度、塑性和韧性，但硬度不高、耐磨性 能低。如果一个工件表层有高的含碳量，而心 部的含碳量又较低，则通过淬火加低温回火， 就可以获得具有高硬度和高耐磨性的表面，而 心部又具有强而韧的性能，使它可以适应承受 复杂应力所提出的要求。
20CrMnMo、20 CrNi3、20Cr2Ni 4A、18Cr2Ni4W
A
正火+回火
工艺规范 900～960℃空冷
显微组织
均匀分布的片 状珠光体和铁素 体
硬度 HBW
156～179
900～960℃淬火 600～650℃回火
回火索氏体
179～217
950～970℃空冷 均匀分布的片 179～217 状珠光体和铁素 体
11.3.2 钢的渗氮原理
1.Fe-N相图 2.渗氮介质的分解反应
1.Fe-N相图
（1）α相 (2) γ相 (3) γ′相 (4) ε相 (5)ξ相
(1) α相
图11-15 Fe-N相图
(2) γ相
氮在γ-Fe中的间隙固溶体为面心立方结构，存在 于共析温度590℃以上。
(3) γ′相
以下氮，化氮物的质Fe量4N分为数基为的5固.7溶％体～存6.1在％于。(680±5)℃以
回火 温度/℃ 640±30
冷却剂 空
560～600 油 540～590 空
660～700 空
500～540 水
550～575 空 520～560 油
440～480 油
调质后硬度
HBW
HRC
241～321 —
197～229 — 311～363 —
269～277 —
—
37～41
—
33～38
285～321 —
气体渗碳是工件在气体介质中进行渗碳的方法。
11.2.2 渗碳剂及渗碳化学反应
渗碳剂是提供活性碳原子的化学介质。常用 的气体渗碳剂有两大类：一类是碳氢化合物 有机液体，如煤油、苯和丙酮等，在渗碳炉 内的高温下发生热分解，析出活性碳原子； 另一类是气态的，如吸热式保护气、城市煤 气等。
11.2.3 典型的气体渗碳方法简介
牌号
淬火
温度/℃
38CrMoA 940±10 lA
冷却剂 油或水
40Cr
40CrNiM oA
840～860 840～860
油或水 油
40CrNiM 850～870 油 oVA
30CrMnS 890～100 油
i
0
30Cr3WA 870～890 油
35CrNiM 850～870 油 o
50CrVA 850～870 油
11.2.1 渗碳的目的、分类及应用
(1)固体渗碳法 (2)液体渗碳法 (3)气体渗碳法
(1)固体渗碳法
固体渗碳法是把渗碳工件装入有固体渗剂的密 封箱内(一般采用黄泥或耐火粘土密封)，在渗碳 温度加热渗碳。
(2)液体渗碳法
液体渗碳是在能析出活性碳原子的盐浴中进行 的渗碳方法。
(3)气体渗碳法
(3)心部组织对渗碳件性能的影响
渗碳零件的心部组织对渗碳件性能有着重大 影响。
(4) 渗碳层与心部的匹配对渗碳件性能的影响
图11-12 渗碳层深度对齿轮齿根弯曲疲劳强度的影响
3.钢中合金元素对渗碳组织和性能的影响
钢中的合金元素一般分为两种类型，一类是不 能形成碳化物的元素，如Si、Ni、A1、Cu等；一 类是能形成碳化物的元素,其强弱顺序大致如下： Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。
4.渗碳层深度不均匀
渗碳层深度不均匀的形成原因很多，可能是由 于原材料中带状组织严重，也可能是由于渗碳 件表面局部结焦或沉积炭黑、炉气循环不均匀、 零件表面有氧化膜或不干净、炉温不均匀、零 件在炉内放置不当等原因所造成。应分析其具 体原因，采取相应的预防措施。
5.表层贫碳或脱碳
图11-13 渗碳后齿轮表面和齿尖
2.反常组织
这种组织的特征是在先共析渗碳体周围出现铁 素体层，常在含氧量较高(如沸腾钢)的钢在固体 渗碳时看到。具有反常组织的钢经淬火后易出 现软点。补救办法是适当提高淬火温度或适当 延长淬火加热的保温时间，使奥氏体均匀化， 并采用较快的淬火冷却速度。
3. 粗大网状碳化物组织
这种情况如图11-13所示。其形成原因可能是由 于渗碳剂活性太大、渗碳阶段温度过高、扩散 阶段温度过低及渗碳时间过长引起的。预防补 救的办法是分析其原因，采取相应措施。对已 出现粗大网状碳化物的零件，可以进行温度高 于Accm的高温淬火或正火。