钢的化学热处理
学院：机械工程学院
班级: 机自0901班
姓名：张鹏
学号：200912030364
钢的化学热处理
作者：张鹏
班级：机自0901 班
学号：200912030364
概要：
化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表面层的性能尤为重要。经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。
关键字：
热处理方法渗碳渗氮碳氮共渗
正文：化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表面层的性能尤为重要。经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合，它比电镀等表面复护技术所获得的心、表部的结合要强得多。根据不同元素在金属中的作用，金属表面渗入不同的元素后，可以获得不同的性能。因此，金属的化学热处理，常以渗
入不同的元素来命名。常用化学热处理的方法及其使用范围如图：
一．钢的渗碳：渗碳是将零件放在具有活性碳原子的介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺。
[渗碳方法]：有固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，渗碳新技术有真空渗碳和离子渗碳等。其中气体渗碳原料气资源丰富，工艺成熟，应用最广泛。
气体渗碳工艺：渗碳温度一般为900~950℃，使钢完全奥氏体化，被工件表面吸附的活性碳原子溶入奥氏体，并由表及里进行扩散，获得一定厚度的渗层。渗碳的保持时间可根据渗层深度要求确定，一般可按每小时完成0.1~0.15mm的渗层深度来估算。渗碳后一般表面碳质量分数达到0.85%~1.05%；渗碳层深度一般
=0.4%）的垂直距离，工件的渗碳是从表面向内至碳质量分数规定处（一般为w
c
层深度取决于工件的尺寸和工作条件，一般为0.5~2.5mm。
[渗碳件用钢]：一般采用碳质量分数为0.1%~0.25%的低碳钢或低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi等。可使渗碳件表面高硬度、耐磨，心部高强韧性、承受较大冲击。
[渗碳后的热处理及性能]：渗碳后必须经淬火+低温回火后才能满足使用性能的要求。经过热处理后使渗碳件表面具有马氏体和碳化物的组织，一般表面硬度58~64HRC。而心部根据采用钢材淬透性的大小和零件尺寸大小，获得低碳马氏体或其他非马氏体组织，具有心部良好的强韧性。
[渗碳工艺应用]：主要应用于要求表面高硬度、高耐磨性而心部具有良好的塑性和韧性的零件上，如汽车变速齿轮与机床齿轮、凸轮、轴、活塞销等。
二、渗氮（氮化）
渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。方法主要有气体渗氮和离子渗氮等。
[气体渗氮工艺]：渗氮温度一般为500~560℃，时间一般为30~50小时，采用氨) 作渗氮介质。氨气在450℃以上温度时即发生分解，产生活性氮原子：气(NH
3
+2[N]
2NH——3H
2
活性氮原子被工件表面吸附后，首先形成氮在α-Fe中的固溶体，当含氮量超过α-Fe的溶解度时，便形成氮化物（Fe4N、Fe2N）。氮还与许多合金元素形成弥
N等，这些合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，散的氮化物，如AlN、CrN、Mo
2
同时具有高的耐腐蚀性。因此，38CrMoAlA等含有Cr、Mo、Al等合金元素的钢是最常用的渗氮钢。
由于气体渗氮工艺周期很长，因此发展了快速渗氮方法如辉光离子渗氮、卤化物催化渗氮、高频感应加热渗氮等。
[渗氮的特点]：
（1）渗氮件的表面硬度高达（相当于65HRC～72HRC）。并可保持到560～600℃而不降低。
（2）氮化后钢件不需其他热处理，渗氮件的变形很小。
（3）渗氮后具有良好的耐腐蚀性能。这是由于渗氮后表面形成致密的氮化物薄膜。
（4）气体渗氮所需时间很长，渗氮层也较薄（一般为0.3~0.6mm）。例如38CrMoAl 钢制压缩机活塞杆为获得0.4～0.6mm的渗氮层深度，气体渗氮保温时间需60h 左右。
[应用]：渗氮特别适宜要求表面向耐磨的精密零件。例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。
三、碳氮共渗
碳氮共渗是在奥氏体状态下，同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。常用的为气体碳氮共渗。
碳氮共渗工艺分为高温和中温两种，目前广泛应用的是中温气体碳氮共渗。中温碳氮共渗的温度为820℃～860℃，向密封的炉内通入煤油、氨气。保温时间主要取决于要求的渗层深度。一般零件的渗层深度为0.5mm～0.8mm，共渗保温时间约为4h～6h，碳氮共渗后表层碳的质量分数为0.7%~1.0%，氮的质量分数为0.15%~0.5%。
碳氮共渗件需进行淬火、低温回火。
碳氮共渗同时兼有渗碳和渗氮的优点。碳氮共渗速度显著高于单独的渗碳或渗氮。在渗层碳浓度相同的情况下，碳氮共渗件比渗碳件具有更高的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度，但耐磨性和疲劳强度低于渗氮件。碳氮共渗多用于结构零件，如齿轮、蜗杆、轴类零件等。
四、氮碳共渗（软氮化）
在工件表层同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺称为氮碳共渗，也称软氮化。氮碳共渗的温度一般为560℃±10℃，保温时间一般为3h～4h，保温后即可出炉空冷。氮碳共渗有气体氮碳共渗和液体氮碳共渗两种，生产上多采用气体氮碳共渗。
氮碳共渗层的表面硬度比渗氮件稍低，故称为软氮化，但仍具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度，耐蚀性也有明显提高。氮碳共渗的加热温度低、处理时间短、钢件变形小，又不受钢种限制，所以主要用于处理各种工模具以及一些轴类零件。
化学热处理方法很多，除了上述几种方法外，还有渗硼、渗硫、渗金属（如渗铬、渗铝等）、多元共渗（如硫氮、铬铝、硫氮碳、碳氮硼共渗等）。
