钢的化学热处理101页PPT

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50Hz
2.0-10 10-15
适用范围
中小零件 直径较大的轴、齿轮和其他件
大型零件如轧辊等
第21讲 钢的表面热处理与化学热处理
如：某45钢齿轮加工工艺路线为： 锻造正火或退火粗机加工调 质精机加工感应加热表面淬 火+低温回火精磨 ➢ 试分析其最终的组织以及各热
处理的作用。
感应加热表面淬火生产实景
3）氮化的特点及应用
⑴ 氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。 ⑵ 疲劳强度高。由于表面存在压应力。
•⑶工件变形小。原因是氮化温度低（500-600℃），氮化后不需进行热处理 。
•⑷ 耐蚀性好。因为表层形成的氮化 物化学稳定性高。
•氮化的缺点：工艺复杂，成本 高，氮化层薄。
4)常用的钢种 :38CrMoAl
怎么办？
选择合适的钢，采用表面热处理！
表面淬火或化? 学热处理
第21讲 钢的表面热处理与化学热处理
一、钢的表面淬火
1.表面淬火的定义
表面淬火是在不改变钢的化学成分及心部组织的情 况下，利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火， 以强化工件表面的热处理工艺。
2.表面淬火用材料及表面淬火后的组织 表面淬火用材料
淬火+低温回火 →研磨→入库。
汽 车 变 速 箱 齿 轮
第21讲 钢的表面热处理与化学热源自理4、渗氮1)定义: 在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺 。 2)目的: 提高零件表层含氮量以增强表面硬度和耐磨性、提高疲劳强 度和抗蚀性。
经氮化的机车曲轴
第21讲 钢的表面热处理与化学热处理
性能：良好的韧性和足够的强度。
第21讲 钢的表面热处理与化学热处理

第五章 钢的化学热处理
2、固体渗碳法
把渗碳工件装入有固体渗碳剂的密封箱内，在渗碳温度下加热渗碳。渗 碳剂主要为固体炭粒和起催化作用的碳酸盐组成。
渗碳温度为900～930℃。 Na2CO3=Na2O+CO2 BaCO3=BaO+CO2 CO2+C（炭粒）=2CO 2CO=CO2+[C]
第五章 钢的化学热处理
第五章 钢的化学热处理
共渗介质：含氨气的渗碳气及含碳氮的有机液体（滴注法） 共渗温度：共渗温度愈高，碳含量↑，氮含量↓，渗层厚度↑。
共渗温度↓ ，减小变形，但形成高氮化合物，心部组织淬火后硬度低。 共渗后的热处理：淬火＋低温回火 共渗层组织：
细针状马氏体＋碳、氮化合物＋残余奥氏体。 含碳量过高，接近渗碳体性能，脆性增加； 含碳量低，含氮量高，硬度降低，脆性也增加。 常见缺陷： 表层残余奥氏体过多，碳氮浓度过高所致； 黑色组织，气氛较难控制，易出现氢脆。
第五章 钢的化学热处理
低温气体氮碳共渗（软氮化 ）： 以渗氮为主的氮、碳共渗，温度一般低于570℃ 。 与一般气体氮化相比，处理时间可大大缩短（1～3小时），另一个突出
优点为软氮化表层硬面具有一定的韧性，不易剥落。 渗层外表面由Fe2N、Fe4N和Fe3C组成，又称白亮层，往里为氮化物和含
氮铁素体组成的扩散层，白亮层硬度较纯气体渗氮低，故脆性小。 特点：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。例如高速钢刀具经其处理后，寿命 可提高20%～200%。3Cr2W8压铸模处理后寿命可提高3～5倍，中低碳钢处理 后，疲劳强度可提高60%以上。
第五章 钢的化学热处理
（a）扩散控制型 表面浓度很快达到界面反应平衡浓度，化学热处理过程主要取决于扩散过程。 渗层深度与扩散时间的关系：

二、气体渗碳工艺
2）渗碳温度的选择与控制 ①T影响分解反应的平衡；②T影响碳的扩散速度；③T影响钢的组
织转变 T=920~930℃ 薄层：880~900℃ 便于控制
深层：980~1000℃ 缩短渗碳时间 3）渗碳时间的选择和控制：影响渗层深度和碳浓度梯度。
渗碳时间渗层深度可有公式
二、气体渗碳工艺
§10-1 化学热处理概述
三、基本过程 1.分解：零件周围介质的分解以形成渗入元素的活性原子。
初生的、原子态（未结合成分子）的原子 如CH4≒2H2+[C] 、 2NH3≒3H2+2[N] 分解速度取决于渗剂的浓度、分解温度、压力等
§10-1 化学热处理概述
2.吸附：活性原子被金属表面吸收的过程。 物理吸附—活性原子与表面金属原子在范德瓦尔力作用下形成单原子或 多原子吸附层。 化学吸附—活性原子与表面金属原子在吸附过程中产生了化学交互作用。 吸附—自发过程发出热量，自由能 先决条件：活性原子必须在表层金属中具有可溶性 吸附的强弱取决于零件的成分、组织结构、表层状态及渗入元素 的性质、活性原子的形成速度
固体渗碳
2C+ O2 → 2CO 2CO → [C] +CO2
三、固体和液体渗碳简介
1.2.液体渗碳（在液体介质中渗碳） 2.分两类： 3.1）加有氰化物的盐浴：氰化物有毒，故此法已不再采用。 4.2）不加氰化物的盐浴 5.组成：加热介质（KCl，NaCl）+催渗剂（Na2CO3）+供碳介质 （尿素和木炭粉） 6.优点：加热速度快、生产率高、加热均匀、利于直接淬火 7.缺点：易腐蚀零件、碳势调整幅度小且不易精确控制、难于实现自 动控制、劳动条件差等。
一、气体渗碳原理
4.钢中合金元素对渗碳过程的影响 1）合金元素对表面碳浓度的影响 碳化物形成元素—表面碳浓度 非碳化物形成元素—表面碳浓度 2）合金元素对渗层深度的影响 Mn、Cr、Mo—略微增加渗层深度 W、Ni、Cr—减小渗层深度

直接淬火或重新加热淬火→低温回火
行业学习
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2、渗碳工艺参数
（1）碳势
根据经验确定→通常表面为0.8~1.0% →好
（2）渗碳温度
通常880~920℃，薄层渗碳→温度可以降 低，快速渗碳→提高渗碳温度
温度对扩散、分解均有影响，提高温度→ 缩短渗碳时间→效率提高
提高温度→渗层增加
温度过高→粗晶；变形；设备寿命缩短
行业学习
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§2 钢的渗碳
目的 ➢获得高的耐磨性 ➢疲劳性能
为什么？ 渗C种类
➢气体渗C ➢固体渗C ➢液体渗C
行业学习
7
一、气体渗碳原理
1、渗碳介质分解 （1）渗剂 ➢ 气体渗剂：载气（N基气氛；吸热式或放
热式可控气体）+富化气（甲烷、丙烷等） ★吸热式气体：天然气与空气按一定比例
混合，CO、N2、H2%大 ➢ 液体渗剂：C、H化合物有机液体（煤油、
➢合金元素会影响渗速（或快、或慢），碳化物形 成元素→扩散快
➢晶界、形变→加快渗行业速学习
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二、气体渗碳
1、工艺流程
材料：低碳钢或低碳合金钢
预备热处理?
渗碳前准备
去油、去垢、清洗（热水或碳酸钠水溶
液） → 烘干→涂防渗剂、装炉布置→确 定温度、时间、碳势→保证表面C%、层 深、浓度梯度
渗碳后工序
定义： 炉气C%与工件表面化学反应达到 平衡时的炉气状态。即保持不增碳也不减 碳时炉气中的C%
Cp↑→渗碳能力↑→ 表面C%↑、渗层↑
但是当Cp 太高→ 炭黑→ 渗速↓
CO、CH4% → Cp↑ 以上4种反应在一个体系中→相互制约→只
有一个CO%
温度一定、吸热气氛→ H2O ↑ →CO2 ↑ →cp ↓

氮化原理
03
钢在氮化介质中加热到高温，表面氮原子吸收活性气体中的氮
原子，形成氮浓度梯度，进而扩散到钢的内部。
钢的碳氮共渗处理
01
碳氮共渗定义
将低碳钢表面同时通过含碳和含氮的活性气体或液体介质，使其获得一
定碳氮含量的表面层的过程。
02
碳氮共渗目的
提高钢的表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能。
03
碳氮共渗原理
冷却
4
将材料冷却到室温或所需 的温度，以完成化学热处 理过程。
加热
2
将材料加热到所需的温度
，使其表面发生化学反应
。
保温
3 在一定温度下保持一定时
间，使化学反应充分进行 。
化学热处理的分类
根据处理过程中是否需要使用保 护气体，化学热处理可分为可控 气氛热处理和真空热处理。
根据材料的不同，化学热处理可 分为钢铁热处理、有色金属热处 理等。
降低生产成本
与物理热处理相比，化学热处理 所需的设备和能源消耗相对较小 ，因此可以降低生产成本。
缺点
周期长
化学热处理过程通常需要较长的时间才能完成，这可能会影响生产效 率。
工艺控制要求高
化学热处理的工艺参数控制要求非常严格，否则可能会导致处理效果 不佳或产生其他问题。
设备投资大
虽然与物理热处理相比，化学热处理的设备投资较小，但仍然需要一 定的资金投入。
3
渗碳、氮化等工艺的时间通常在1~4小时之间， 具体时间根据工艺要求和材料种类而定。
介质成分的影响
介质成分是化学热处理过程中的 关键因素之一，它决定了反应的
类型和程度。
不同成分的介质对同一材料的作 用效果不同，因此选择合适的介 质是实现良好化学热处理的关键

1.8
第6章
钢的热处理工艺
6.1 钢的Байду номын сангаас通热处理
6.1.2 正火
正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)和Ac cm(过共析钢)以上30℃～50℃，经 过保温一段时间后，在空气中或在强制流动的空气中冷却到室温的工艺方法。 正火的目的为以下三点。 1. 作为最终热处理 对强度要求不高的零件，正火可以作为最终热处理。正火可以细化晶粒， 使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而 提高钢的强度、硬度和韧性。 2. 作为预先热处理 截面较大的结构钢件，在淬火或调质处理(淬火加高温回火)前常进行正火 ，可以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于含碳量大于 0.77%的碳钢和合金工具钢中存在的网状渗碳体，正火可减少二次渗碳体量， 并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。 3. 改善切削加工性能 正火可改善低碳钢(含碳量低于0.25%)的切削加工性能。含碳量低于0.25% 的碳钢，退火后硬度过低，切削加工时容易“粘刀”，表面粗糙度很差，通过 正火使硬度提高至140HB～190HB，接近于最佳切削加工硬度，从而改善切削 1.9 加工性能。
1.6
第6章
钢的热处理工艺
6.1 钢的普通热处理
2) 适用范围 完全退火主要适用于含碳量为0.25%～0.77%的亚共析成分的碳钢、合金钢 和工程铸件、锻件和热轧型材。过共析钢不宜采用完全退火，因为过共析钢加热 至Accm以上缓慢冷却时，二次渗碳体会以网状沿奥氏体晶界析出，使钢的强度 、塑性和冲击韧性显著下降。 2. 等温退火 将钢件或毛坯加热至Ac3(或Ac1)以上20℃～30℃，保温一定时间后，较快 地冷却至过冷奥氏体等温转变曲线“鼻尖”温度附近并保温(珠光体转变区)，使 奥氏体转变为珠光体后，再缓慢冷却下来，这种热处理方式为等温退火。 等温退火的目的与完全退火相同，但是等温退火时的转变容易控制，能获得 均匀的预期组织，对于大型制件及合金钢制件较适宜，可大大缩短退火周期。 3. 球化退火 球化退火是将钢件或毛坯加热到略高于 Ac1 的温度，经长时间保温，使钢中二 次渗碳体自发转变为颗粒状(或称球状)渗碳体，然后以缓慢的速度冷却到室温的 工艺方法。 1) 球化退火的目的 降低硬度，均匀组织，改善切削加工性能，为淬火作准备。

珠光体，用符号P表示， 形成温度为A1-650℃， 片层较厚。
珠光体显微组织
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1.珠光体型转变—高温转变（A1～550℃）
索氏体，用符号S表示， 形成温度为650-600℃ ， 片层较薄。
索氏体显微组织
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1.珠光体型转变—高温转变（A1～550℃）
托氏体，用符号T表示， 形成温度为600-550℃ ， 片层极薄。
➢ 转变终了线以右及 Mf以下为转变产物 区。
➢ 两线之间及Ms与Mf 之间为转变区。
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二、过冷奥氏体等温转变过程、产物及性能
➢ 过冷奥氏体转变分三种类型：珠光体型转变 、贝氏体型转变及马氏体型转变。
➢以共析钢为例加以说明
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1.珠光体型转变—高温转变（A1～550℃）
➢冷却时的临界温度用 Ar1、Ar3、Arcm表示。
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4
二、奥氏体的形成
➢ 以共析钢为例，说明加热时组织转变的情况 。
➢ 珠光体转变为奥氏体分为以下四个阶段。
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二、奥氏体的形成
➢ 第一步：奥氏体晶核的形成； ➢ 第二步：奥氏体晶核的长大； ➢ 第三步：残余渗碳体的溶解 ； ➢ 第四步：奥氏体成分均匀化。
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二、奥氏体的形成
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三、影响奥氏体形成的因素
➢ 加热温度与加热速度的影响：加热速度越快 ，温度越高 ，转变越快。
➢ 钢中合金元素与碳质量分数对奥氏体形成的 影响：合金元素会造成奥氏体的形成速度明 显减慢；钢中碳质量分数越高，奥氏体的形 成速度越快。