渗碳层深要求

渗碳、淬火和回火1. 应用范围：本资料主旨为汽车钢制零件和铁基粉末冶金制件的渗碳、淬火并回火之热处理要求和质量要求；资料中的规定可供设计和质量检查选用。

2. 术语含义：渗碳----把零件放入渗碳介质中，按要求加热、保温、使零件表层增碳的处理方法。

淬火----指渗碳后，从相变点温度以上的合适温度开始急速冷却而使之硬化的处理。

回火----指渗碳淬火后，把零件加热到相变点以下的某一温度后再冷却的处理。

3. 种类：3.1渗碳、淬火回火的种类： 表1为渗碳淬火回火的种类及符号：备注：碳素钢（热轧钢板、冷轧钢板、碳素钢管等）受低温回火的限制，可以用碳氮共渗淬火回火来代替渗碳淬火。

3.2防止表面渗碳硬化的处理方法123 所以在要求使用Z 1的情况下，可用Z 2或Z 3代替。

同样地Z 2可由Z 3来代替。

2. 对于铁基粉末冶金零件不可使用防止表面渗碳硬化的方法。

4. 标准规定：下面为渗碳淬火回火件的标准规定。

对于标准规定之外若还有要求的话，要与有关部门协商来解决。

4.1表面硬度表3为表面硬度的标准规定1/5注(1)包括热轧钢板，冷轧钢板，碳素钢管。

(2)适用于小件中硬化层深要求在0.5T以上的时候。

(3)适用于差速器齿轮。

4.2硬化层深：4.2.1钢件表4为硬化层深度的标准规定。

在表面硬度要求低于Hv650时，使用全硬化层深。

表4例1：0.5G，磨削部位的磨削后的有效硬化层深度为0.5mm。

例2：0.5GT，磨削部位的磨削后的全层硬化深度为0.5mm。

2.希望使用不带( )的硬化层深的指定值。

3.一个零件中能同时指定磨削部位的层深和非磨削部位的层深。

此时要考虑磨削量方可指定。

对于孔的内径来讲，其磨削前的层深(0.2～0.4mm)已经很薄，因而在此种情况下，希望由表5来确定。

对于象差速齿轮或驱动小齿轮那样转速相差比较大的情况，回转速度大的一方的层深要比表6中的标准值大0.1。

2/5表6 单位mm4.2.2铁基粉末冶金它的硬化层深的标准规格是全硬化层深在0.5T 以上。

扭力轴花键感应淬火与渗碳淬火的工艺实践分析感应淬火与渗碳淬火同属表面硬化工艺，早在50年代，兵器部541工厂研究院坦克扭力轴即指出“感应淬火的成本为渗碳淬火的1/3，其后又提出：高频电流淬火工艺具有加热时间短、零件氧化皮少、变形小、工作环境洁净、可以在线生产等一系列优点。

”然而，时至今日，渗碳淬火工艺在中小模数齿轮等领域，仍广泛应用于生产。

其原由是渗碳零件表面碳浓度高，耐磨性更优、工夹具简单和中、小零件批量装炉方便等多种因素。

感应淬火需要专用的感应器，工装、管理费用等相对高些，一汽研究所下属公司曾对连杆大头内孔渗碳与感应淬火的单件总成本作精细的对比，渗碳件材料加39道工序的加工费为14.73分，而感应淬火件28道工序相对费用为12.73分。

单件成本相差2分。

感应淬火对复杂形状的工件仿轮廓淬火具有难度，小内孔、不通孔的底面、卡盘爪的阶梯面、活塞的沟槽、曲面件等部位，不如渗碳工艺简便，因此，在选择表面硬化工艺时，应从工装、材料、工序数、产品寿命等作具体分析再确定，不能仅从节能一点来选取。

渗碳与感应淬火在工艺与装备研发上，近年来均有很大的进展。

感应淬火工艺具有优势的项目可列举如下：1.深层渗碳方面齿轮的渗碳层深与其模数有关，常选用的层深为（0.15～0.20）m。

对中、小模数齿轮，此值在0.2～1.0mm，一般渗碳工艺即可达到，但对大模数齿轮，如m=80的齿轮（见图1）和m=63齿条等，其层深要求常≥4mm，如采用渗碳，则必须深层渗碳，仅渗碳周期即不低于100h，更不论齿条长度几十米对设备装炉的要求了，而感应淬火是单齿扫描淬火，从电源容量与升降机构方面考虑，要简单得多。

国外另一实例是冶金设备的内孔，用感应淬火代深层渗碳。

2.畸变小方面渗碳齿轮由于是整体加热，时间长、温度高，所以淬火后畸变大，有些齿轮则需压模淬火才解决问题，因此，它的周期长、耗电大、成本高，感应淬火相对有利，国内已有企业成功地将渗碳内齿圈改为感应淬火用于生产的实例。

序号渗碳和渗氮比较12特点表面高硬度心部高韧性的耐磨抗冲击零件。

与整体淬火相比，抗挤压、抗弯疲劳强度好。

与渗氮比，抗冲击，工艺时间短，成本低。

高的硬度和耐磨性,高的疲劳强度,较高的抗咬合性,较高的抗蚀性。

渗氮过程在钢的相变温度以下(450-600℃)进行,因而变形小,用于精密零部件上。

氮化层较薄，一般0.5mm、且脆性较高，使氮化件不能承受太高的接触应力和冲击载荷。

渗碳渗氮就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900-950C)，使活性碳原子渗入钢的表面，以获得高碳的渗层组织。

随后经淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力，而心部仍保持足够的强度和韧性。

使氮原子渗入钢的表面,形成富氮硬化层的一种化学热处理工艺。

氮化层不用淬火即可得到很高的硬度。

原理碳氮共渗向钢件表面同时渗入碳、氮的化学表面热处理工艺。

以渗碳为主，渗入 少量氮。

因碳氮共渗工艺早期采用过氰盐或含氰气氛作为渗剂，故又称“氰化”。

按共渗介质状态分为气体、液体 及固体3类。

碳氮共渗有高温碳氮共渗(氰化处理)和中温碳氮共渗之分.低温碳氮共渗也叫软氮化(氮碳共渗).与渗碳相 比，具有较快的渗入速度，较高的渗层 的淬透性和回火抗力，耐磨性和抗疲 劳性能好等优点，处理温度较低，减少了零件的变形。

3适用材料渗碳必须用低碳钢或低碳合金钢。

含碳量一般都在0.15%-0.25％范围内，用得最多的低碳钢是15和20钢，低合金渗碳钢如20Cr、15CrMo理论上,任何钢种都能通过氮化来改善其表层特性,但实际上,普通的碳钢氮化后,钢的表面硬度提高的不多,这是因为铁的氮化物(如:Fe2N、Fe3N、Fe4N等)稳定性较差，易于集聚粗化，硬度较低。

所以为了获得高硬度和高耐磨性的表层，必须采用含有氮化物形成元素的合金钢。

最佳材料：38CrMoAl尤其是AI，铝是最强的氮化物元素。

在含铬的铬钢而言，如果有足够的含量，亦可得到很好的效果。

但没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。

渗碳补渗工艺的确定及措施（四川泸州长江挖掘机厂赵振东）渗碳件表面脱碳或渗碳深度未达到工艺要求，是渗碳件常见缺陷。

为满足技术要求，必须施行正确的补渗工艺方法，进行补救。

众所周知，补渗件表层已有较高的碳浓度，故与正常渗碳件的低碳表层状态有明显差异。

渗碳特性也必然不同，如不考虑其特点，将难以获得预期的效果，甚至造成废品。

（1）表面脱碳的补渗工艺及措施常规渗碳件表层大多数出现脱碳现象，因此，一般标准均规定：渗碳件表层只允许一定的脱碳深度（小于0.05mm），当脱碳深度超出规定时，必须进行补渗使其恢复到要求的碳浓度（＞0.80%）。

渗碳脱碳件最表层的碳浓度有明显下降，使渗层的正常碳浓度分布发生变化，最就碳浓度由表层移至次表层。

补渗件的表面碳浓度由C1提高到C S，使表层至次表层之间补充足够的碳后，才能满足渗碳质量要求。

在制定补渗工艺，选择其参数时，应充分考虑渗层碳浓度分布及其变化的这一特点。

理论分析及试验均证明，渗碳是一个不平衡过程，随着渗碳时间的延长，表面碳浓度按一定规律增加，最后达到与炉气碳势平衡的浓度，形成一定的碳浓度分布，对脱碳件，补渗前表面的碳浓度分布不同于正常渗碳件和非脱碳补渗的情况，其特征在于最表层为低或中碳浓度，而次表层为高碳浓度。

补渗时，脱碳层所需增加的碳来自高碳势炉气和次表面的高碳区域，相当于双面渗碳，其补碳速度成倍增加。

在补渗表面增碳的同时，其次表面碳浓度下降，浓度梯度降低，减弱了碳向内部扩散的能力。

因此，补渗时，渗层浓度增加并不明显。

只要炉气有足够的活性碳提供，脱碳表层被补足碳的时间并不长。

但应注意，工件入炉补渗并非立即进入渗碳过程，而要经历一段时间（一般为1.5～3h不等）排气，方能达到补渗要求的碳势。

在排气期，补渗件不但无碳渗入，而且还要脱碳，使原脱碳层加深，在制定补渗时间时，应考虑该情况。

①补渗温度渗碳是碳在γ—Fe中的扩散现象，温度越高，碳在钢中的扩散速度越快，在表面吸收同样碳量的条件下，表面碳浓度增长变慢，而渗层深度增加变快。

钢的渗碳---就是将低碳钢在具有丰富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C),使活性碳原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。

随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。

渗碳钢的化学成分特点 :(1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25--0.30％,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。

但含碳量不能太低,否则就不能保证一定的强度。

(2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。

在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。

常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。

(1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。

但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。

(2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。

(3)中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等。

固体渗碳;液体渗碳;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2％,层深为0.5--2.0mm。

渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材料。

渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现。

渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。

淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。

低温回火温度为150--200C 。

一渗碳工艺(气体渗碳——煤油)：渗碳钢的碳含量一般在0.12%~0.25%之间，其所含主要合金元素一般是铬、锰、镍、钼、钨、钛等。

○1把炉温升到800℃左右，断开电源打开炉盖，放入装好工件的工装，关闭炉盖升温到930℃左右。

在升温过程中，打开风扇及煤油阀门，以每分钟160滴的速度滴入炉内，进行排气，同时打开试样孔和排气管并点燃排气火焰。

排气时间一般为60~80分钟（保证温度到渗碳温度还要排气30分钟左右）；○2当火焰为鸡蛋黄颜色时开始强渗了，此时要加大煤油的滴量，按每分钟180~200滴。

在强渗时就可用放入试棒（含碳量少的材料，尺寸Ф8×100mm），关闭试样孔，炉压保持在6~10格——渗层深炉压取高值。

渗碳速度一般按0.15~0.2mm/h来计算，如要渗层深度为0.8~1.2mm，则强渗时间为6小时，提前在强渗设定时间结束前半小时，取出试棒，观察渗层深度（试棒渗层深度一般为工件的一半，这边渗层深度靠操作工的肉眼加经验判断），深度够在强渗结束就可以开始扩散，否则增加强渗时间；○3扩散期温度不变，减少煤油滴量，按每分钟100滴，一般扩散时间为60~90分钟，作用是均匀工件表层的碳溶度；○4扩散期结束开始降温，此时断开加热器，降温到810℃左右，并在此温度保温10~20分钟。

降温期减少煤油滴量，按每分钟60滴。

保温结束时断开加热器，关闭风扇，打开炉盖，用行车吊起工装，垂直进入温度为50~70℃的油中冷却，冷却时上下左右轻轻摇动工装，一般冷却时间为10~20分钟左右，吊起工装时也要注意工件出油的温度。

○5冷却好的工件要在半个小时之内（防止工件开裂）进行低温回火，温度一般在160~190℃（由硬度要求而定），保温时间2小时左右出炉空冷。

在渗碳过程中要随时注意火焰形状，正常的火焰是：火焰呈金黄色，无力不熄灭（断续熄灭，说明水气高了），火苗无黑焰和火星，火苗长100~150mm；若火苗出现火星，说明炉内炭黑过度；火苗过长、尖端外缘呈亮白色，说明渗碳剂供量过多；火苗短、外缘呈浅蓝色并有透明，说明渗碳剂供量不足或炉子漏气。

工厂标准
Q/DZ
渗碳淬火齿轮有效硬化层深度
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1、定义：渗碳齿轮齿面有效硬化层深度是指终加工齿面至心部硬度
为Hv550处的厚度a，国际上用Eht表示。

2、渗碳齿轮有效硬化层最小深度a min按下式计算。

可从表1中直
接查取。

a min= log（1.2m n）+ 0.018m n
表1
3、有效硬化层深度的最大值a max按表2确定
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表2
4、本规定适用于轧钢机械、连铸机械、炼焦机械、冶炼机械、装卸
机械的传动齿轮。

5、特殊工况用渗碳齿轮的有效硬化层深度，可根据接触剪应力的大
小另行确定。

6.、本表对于Mn≤8的齿轮而言，其推荐的渗碳深度是合理的，但对于Mn>8的齿轮而言，其数据缺乏合理性。

7. 对于合理的渗碳层深度各国、各公司的标准不同，而且差距还比较大。

各国及各行业推荐的渗碳层深度见表3
表3 各国及各行业推荐的渗碳层深度
注：根据JB/T 8853-2001《圆柱齿轮减速机》渗碳层的深度根据模数选择，当Mn=1.5～6时，渗碳层深度ht=(0.2～0.3)Mn;
当Mn=7～18时，渗碳层的深度ht=(0.15～0.25)Mn（小模数取大值，大模数取小值）。

图片：齿轮淬火的“最佳”硬化层深与“适当”硬化层深戴忠森众所周知，齿轮的淬硬层深“过浅”，对接触和弯曲承载能力都不利。

但淬硬层也不是越深越好，最佳或适当的硬化层深度，可使齿面和齿根都具有较高的强度（承载能力）。

另外，不同的热处理方法，其“最佳”值也不是一样的。

二十世纪七、八十年代，随着齿轮强度计算方法ISO标准的公布，以及国内GB/3480“圆柱齿轮承载能力计算方法”标准的实施，特别是工业硬齿面齿轮的广泛采用，国内外齿轮工作者（专家、学者），就热处理硬化层深问题，进行了大量的试验研究和理论分析。

其实质都是基于接触（弯曲）疲劳强度，其核心问题是：疲劳裂纹发生（萌生）在何处？破坏后的形状是点蚀（pitting贝壳状），还是片蚀（剥落spalling）？研究表明，一般软齿面大多是点蚀，而硬齿面大齿轮大多是剥落（片蚀）。

疲劳裂纹的萌生，有可能在表面，也有可能在表层。

至今，有关硬齿面齿轮接触疲劳强度（剥落）计算的理论和方法，主要有：最大剪切应力τmax （τ45°）；正交剪切应力（τyz）；当量剪切应力（τeffa）；深部接触应力；最大剪切应力/剪切强度的峰值；正交剪切应力/强度（硬度）（τyz/HV）max；当量剪切应力/强度的峰值等，通过理论计算可以确定接触疲劳强度（安全系数）；或者确定最佳淬硬层深度。

这些理论和方法一直都有争议，因此至今也没有一个权威的理论和方法被大家所能完全接受。

所谓“最佳硬化层深”，其说法也是较含糊的，而且众说不一，以渗碳淬火齿轮为例，德国DIN3990，硬化（渗碳）层深度，给出一个经验公式：（推荐）Eht= 0.15mn（mn——法面模数）(1)。

该经验公式，有一个突出的问题，就是未考虑实际载荷的情况。

所以，对于轻载齿轮，允许比经验公式稍浅的硬化层深度。

Thomas Tobie近年来提出在用ISO/DIN 进行标准化承载能力计算时，考虑硬化层深度对承载能力的影响，引入了影响系数ZEht（接触承载能力影响系数）；УEht（弯曲承载能力影响系数）。