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渗碳淬火热处理工艺

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渗碳淬火工艺 1、钢的淬火钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要， 也是用途最广 泛的工

为了消除淬火钢的残余应力， 淬火可以显著提高钢的强度和硬 度。序。得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度 的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、 紧密衔接在一起的两种热 处理工艺。淬火、 回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理是 赋予钢 件最终性能的关键工序，也是钢件热处理强化的重要手段之 一。 淬火的定义和目的 1.1 然后以大于临界冷却保温一定时间， 把钢加热到奥氏体化温度， 钢件 淬火后获得马氏体或这种热处理操作称为淬火。速度进行冷却， 20CrNiMo 材料淬火、回火工艺。下贝氏体组织。图 4 为渗碳齿轮 2

温 830 ℃ 度 ℃油 冷 200 ℃ 8 空冷 时间 h

材料淬火、回火工艺 Mo 渗碳齿轮 20CrNi 图 4 2

淬火的目的一般有：

1.1.1 提高工具、 渗碳工件和其他高强度耐磨机器零件等的强度、 硬 度和

耐磨性。例如高速工具钢通过淬火回火后，硬度可达 63HRC， 且具有良好的红硬性。渗碳工件通过淬火回火后，硬度可达 58~63HRC

1.1.2 结构钢通过淬火和高温回火 （又称调质） 之后获得良好综合力 学性能。例如汽车半轴经淬火和高温回火（ 280~320HB）及外圆中频 淬火后，不仅提高了花键耐磨性，而且使汽车半轴承受扭转、弯曲和 冲击载荷能力（尤其是疲劳强度和韧性）大为提高。 淬火时，最常用的冷却介质是水、盐水、碱水和油等。通常碳素钢用 水冷却，水价廉易得，合金钢用油来冷却，但对要求高硬度的轧辊采 用盐水或碱水冷却， 辊面经淬火后硬度高而均匀， 但对操作要求非常 严格，否则容易产生开裂。 1.2 钢的淬透性

2.2.1 淬透性的基本概念 所谓钢材的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度

大小的能力 （即钢 材淬透能力），其大小用钢在一定条件下（顶端淬火法）淬火获得的 有效淬硬层深度来表示， 淬透性是每种钢材所固有的属性， 淬硬层愈 深，就表明钢的淬透性愈好 ,例如 45、 40Cr 、 42CrMo 钢三种试样， 按相同条件淬火后（油冷却） ，经检测 45 钢能被淬透的最大直径（称 临界直径）φ 10mm；40Cr 钢能被淬透的最大直径φ 22mm;

1

42CrMo 钢能被淬透的最大直径φ 40mm。 实际工件的有效淬硬深度与钢的

淬透性、 工件尺寸及淬火介质的冷却 能力等许多因素有关，例如，同一钢种在相同介质中淬火，小件比大 件的淬硬层深；同一钢种相同尺寸时，水淬比油淬的淬硬层深。 同一种钢， 其成分和冶炼质量必然在一定范围内波动， 因而有关手册 上所提供的某钢号的淬透性曲线往往不是一条线， 而是一个范围， 称 淬透性带。图 5为 40Cr钢的淬透性带。 图 5 40Cr 钢的淬透性带 钢的淬透性值可用 J（HRC/ d ）表示，其中 J表示末端淬透性， d 表 示至水冷端的距离，HRC 为该处测得的硬度值。 例如淬透性值 （J 42/5） 表示距水冷端 5mm 处试样硬度值为 42HRC；淬透性值 J（30~35/10） 表示距水冷端 10mm 处试样硬度值为 30~35HRC。对淬透性值有具体 要求的钢应根据 GB/T5216-2004《保证淬透性结构钢》标准的规定订 货，其钢号最后用 H 表

示，例如 42CrMoH 。 2、钢的回火

2.1 回火的定义和目的

钢淬火后必须经过回火， 回火是指将淬火钢加热到 Ac（钢件加 1 热时 的临界点）以下的某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至 室温的热处理工艺，见图 4。回火的目的： 2.1.1 降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。

2.1.2 获得工艺所要求的力学性能。淬火工件的硬度高且脆性大，通 过适当

回火可调整硬度，获得所需要的塑性、韧性。 ，它们会自发地向稳定的平衡组织转变， 从而引起工件尺寸和形状的 改变，通过回火可使淬火马氏体和残余奥氏体转变为较稳定组织， 以 保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化。 2.1.4 对于某些高淬透性的合金钢，空冷便可淬成马氏体，如采用退 火软

化，则周期很长。此时可采用高温回火，降低硬度，以利切削加 淬火钢不经回火一般不能直接使用， 为了避免工件在放置过程中发生 变形和开裂，淬火后应及时回火。 2.2、回火的种类

淬火钢回火后组织性能决定于回火温度， 根据回火温度范围， 可将回 火分为三类： 2.2.1 低温回火 低温回火的温度为 150~250℃，回火后组织为回火 马氏体，

低温回火主要降低钢的淬火内应力和脆性， 同时保持钢在淬 火后的高硬度（一般为 58~64HRC）和耐磨性，常用于处理各种工具、 模具、轴承、渗碳件及经表面淬火工件。 中温回火的温度为 350~500℃，回火后不仅保持较高硬度（一 2

般为 35~45HRC）和强度，而且具有高的弹性极限和足够的韧性。中 温回火主要用于各种弹簧的处理， 还用于某些塑料模、 热锻模以及要 求较高强度的轴、轴套等。 2.2.3 高温回火 高温回火的温度为 500~650℃。高温回火后的组织 为回火索

氏体，这种组织具有良好的综合力学性能。 二、化学热处理 工件放在一定的化学介质中加热到一定温度， 使其表面与介质相互作 用，吸收其中某些化学元素的原子（或离子） ，并自表面向内部扩散 的过程称为化学热处理。化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 化学热处理的结果是改变了金属表面的化学成分和性能。 例如低碳钢 经过表面渗碳淬火后， 该钢种的工件表面就具有了普通高碳钢淬火后 的高硬度、 高耐磨的性能特征， 而心部仍保留低碳钢淬火后良好的塑 性、韧性的特征。显然这是单一的低碳钢或高碳钢所不能达到的。 1、钢的渗碳 1.1 钢的渗碳基本原理和气体渗碳工艺 在渗碳温度下 （920℃ ）渗碳过程包

括三个基本过程： 一是由介质（甲醇、煤油、异丙醇）分解出活性原子。如分解产生的 一氧化碳和甲烷分解出活性碳原子： 2CO —— CO+[C] 2 CH —— 2H+[C] 24 二是 活性碳原子被工件表面吸收。 三是被吸收碳原子向工件内部扩散。 渗碳过程由分解、吸收、扩散三过程组成，三个过程又是同时发生的， 全部过程存在着复杂物理化学反应。 气体渗碳法是将工件放入密封 的渗碳炉内，图 8 为气体渗碳法示 意图，使工件在 920℃高温的渗碳 气氛中进行渗碳。通入的有机物液 体（甲醇、煤油、异丙醇）在高温 下分解，产生活性碳原子，并被加 热到奥氏体状态的工件表面吸收， 而后向钢内部扩散。渗碳时最主要 的工艺参数是加热温度和保温时间。 加热温度愈高，渗碳速度就愈快，

且扩散层的厚度也愈深。

温 920℃ 度 ℃ 渗碳 830-850 ℃ 排气 强渗 扩散 淬火 时间（ h） 3

图 9 气体渗碳典型工艺 图 9 为气体渗碳典型工艺， 从工艺中明显可见渗碳剂分解 （含排气）、 强

渗（吸收）、扩散和炉冷到 850℃直接油冷淬火的全过程。

气体渗碳法示意图图 8 1.2 渗碳件质量要求

对渗碳件质量要求在国标 GB/T8539-2000 中已有明确规定，这里对几 个主要方面再说明一下。 1.2.1 表面硬度和心部硬度 齿表面硬度是指成品齿轮工作齿高中间部位齿面

硬度，对锥齿轮指齿顶部表面硬度

轮齿的心部硬度是指齿宽中部齿根 o切线的法向上，深度为 530 倍硬化层 深，但不少于 1 倍模数。这是一个推荐 测量部位，为了便于可操作性，可按技

术条件或供需双方协议的 图 10

齿根圆相交处的硬度，见图 10 示意图。 劳和弯曲疲劳的一个特性。 经渗碳淬火后表面硬度应达到 58~64HRC 大截面齿轮和齿轮轴一般 56~62HRC），心部硬度根据不同质量要 求按规定控制，一般在 25~42HRC，MQ 级齿轮要求 25HRC 以上， ME 级齿轮要求 35HRC 以上。硬度一般采用里氏硬度计或洛氏硬度 计作为检测工

具。

1.2.2 渗碳层表面碳浓度和碳浓度梯度

渗碳零件表面碳浓度要求控制在 0.75~0.95%为宜，过低会使耐磨 性下降，过高时脆性增大，强度不能满足要求。 碳浓度梯度反映了碳浓度沿渗层下降的指标， 它间接地反映了渗层的 硬度梯度。碳浓度下降得越平稳越好，以保证渗层与基体牢固结合，

避免在使用过程中产生剥落现象。图 11 为相同渗碳层总深度（ 3 mm）三种碳浓度梯度状况。 图 11 相同渗碳层总深度（ 3 mm ）三

齿心部硬度示意图 检查方法进行检查。 一般检测齿宽中部法截面上， 在轮齿的中心线与

表面硬度和心部硬度是工件耐磨性能的重要指标， 也是材料抗接触疲 种碳浓度梯度 a ）好 b ）不好 c ）不好

1.2.3 有效硬化层深度（渗碳层深度） 有效硬化层深度取决于零件的工作条件和心部

强度， 是确定零件承载 能力的重要参数。目前对有效硬化层深度我厂技术设计部推荐采用 GC/SY01-10《渗碳淬火齿轮有效硬化层深度技术规范》的标准。有 效硬化层深度是指零件渗碳淬火后，从零件表面到维氏硬度值为 550HV 处的垂直距离。测定硬度所采用的试验力为 9.807N（1 kgf）。 11.3、零件渗碳后的热处理 工件渗碳的目的在于使表面获得高的硬度和耐磨性，因此渗碳后 4

的工件，必须通过热处理使表面获得马氏体组织， 渗碳后的热处理方 法有三种： 直接淬火法是将工件自渗碳温度炉冷到淬火温度后立即淬火，然 后在 160~190℃进行低温回火。这种方法不需要重新加热淬火，因而 减小了热处理变形，

节省了时间和降低成本，但由于渗碳温度高，渗 碳加热时间长，因而奥氏体晶粒粗大，淬火后残余奥氏体量较多，使 工件性能下降，所以直接淬火法只适用于本质细晶粒钢或性能要求较 低的工件。这是一般工厂经常采用工艺。 1.3.2 一次淬火法 一次淬火法是将工件自渗碳后以适当方式冷至室 温，然后再重新

加热淬火并低温回火。 对于要求心部有较高强度和较 好韧性的零件，可以细化晶粒。这是大型齿轮、齿轮轴等经常采用方 法。 1.3.3 两次淬火法 两次淬火法是将工件自渗碳后冷至室温后再进行 两次淬火。第一

次淬火目的是细化心部晶粒，淬火温度较高，第二次 淬火目的是细化表层晶粒， 淬火温度较低， 这种方法适宜用使用性能 要求很高的工件，缺点是工艺复杂，生产周期长，工件容易变形，工 厂应用较少。 对于零件有不允许渗碳硬化部位应在设计图样上标明， 该部位可采用 防渗涂料进行

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正火对渗炭淬火质量的影响

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。

真空渗碳技术工艺控制原理

真空渗碳技术工艺控制原理

真空渗碳技术工艺控制原理与传统井式炉气体渗碳工艺不同，真空渗碳时“碳势”的概念失效，不存在气体渗碳时的气氛反应平衡，也就不能使用氧探头等设备测量真空渗碳时的“碳势”。

由于真空渗碳热处理设备的精密性、可控性好和工艺重现性好等优点，真空渗碳工艺主要采用强渗—扩散型工艺控制方法，即采用多个强渗—扩散周期，在每一个周期内通过短时间的强渗(通常强渗时间为30s ~ 180s)，工件表层碳浓度达到该渗碳温度下的奥氏体饱和碳浓度，随后停止渗碳气氛供应，进入扩散阶段，当表面碳浓度达到设定的最低碳浓度时，扩散阶段结束，再次通入渗碳气氛，如此进行多个循环，直至达到工艺要求的最终表面碳浓度和渗层深度，最后执行相应的淬火工艺。

图1即为真空渗碳过程工件表面碳浓度分布图。

图1真空渗碳过程工件表面碳浓度随时间分布真空渗碳热处理工艺过程主要分为以下几步：(1)工件清洗、入炉，在真空条件(小于10Pa，基本达到无氧条件)下进行加热，根据工件材质可进行分段加热，可选择通入N2保持一定分压加快真空加热室内热传递速率；(2)达到设定的奥氏体化温度并保温，关闭和抽去N2，充入C2H2，保持一定分压开始进行强渗，进入第一个渗碳周期，强渗一定时间为使工件表面碳浓度达到该温度下奥氏体饱和碳浓度；(3)关闭和抽去C2H2，充入N2，进入扩散阶段，保持一定分压，使工件表面较高碳浓度向工件心部低碳浓度区扩散一定时间，使工件表面碳浓度下降，渗碳层厚度增加；(4)当工件表面碳浓度下降至预先设定的碳浓度，关闭和抽去N2，再充入C2H2，保持分压，进入第二个渗碳周期，然后重复步骤(2)和(3)，并在最后一个渗碳周期时给一个较长时间的扩散，以满足工件最终表面碳浓度的要求。

在这样多个渗碳周期内完成碳的扩散并调整工件表面碳浓度，达到工艺要求的渗碳层深度；(5)真空渗碳过程结束后，工件降温至淬火温度并保温一定时间，然后将工件转移至冷室(淬火室)，根据热处理工艺要求进行真空油淬。

渗碳——精选推荐

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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)。

渗碳淬火的问题和对策

渗碳淬火的问题和对策

大型铸锻件在渗碳淬火时经常会因工件材质、操作方法、淬火介质等很多复杂因素导致出现淬火裂纹，充分认识各种裂纹形成的原因，并针对问题提前做出有效措施进行预防，对大型铸锻件的渗碳淬火成功率会有很大的提高。

一、硬度不良渗碳淬火的目的是为了提高钢制零件的表面硬度，所以硬度不足就满足不了使用要求。

渗碳淬火硬度不足的原因，可以认为是渗碳不足；淬火时脱碳；淬火温度过低；冷却速度太慢等。

同时也不要忽略表面层内存在的残余奥氏体，以及晶界氧化对硬度的影响。

理想的渗碳含碳量是共析渗碳量的0.8%~0.9%。

如果含碳量高于0.8%~0.9%，将出现网状渗碳体而变脆，这是令人讨厌的，这种现象称为过渗碳。

出现过渗碳时，最好进行球化处理，渗碳至含碳量为1.1%~1.2%，使其像工具钢那样进行球化的工艺方法称为TSP （tool steel process ）法，即工具钢法，这个方法用于需要耐磨性的零件，它比渗碳不足所造成的硬度不良要强些。

渗碳不足是由渗碳气体的渗碳能力过低，渗碳温度和渗碳时间不足引起的，必须注意。

但是，即使顺利地渗了碳，渗碳后的淬火没做好也得不到好结果，渗碳后的淬火有一次淬火（未渗碳的心部细化）和二次淬火（表面硬化），此淬火温度过低和冷却速度过慢自然会引起硬化不良，不过最近为了节省能源，一般是渗碳后直接淬火，因此不存在这个问题。

渗碳层的硬度不足，是残余奥氏体和晶界氧化造成的，渗碳层的含碳量多及为减少淬火变形使用油淬，会使渗碳层的残余奥氏体多，在这种情形下最好进行冷处理，还有，晶界氧化是渗碳气体中少量的氧与钢中的铬和锰化合，在晶界上生成氧化物，使晶界的淬透性降低以致难以淬硬。

因此，最好在渗碳气体中掺入少量的氮气或提高淬火速度，以补充淬透性的不足。

不过，晶界氧化层在表面下只有数微米到数十微米厚，因此可以用磨削除掉。

二、软点有时在渗碳淬火的表面产生淬火软点，渗碳后淬火时如果冷却不均匀往往产生软点。

另外，在渗碳中出现异常组织时产生软点就更为明显。