化学热处理后的组织与性能教材课件

兰州理工大学一、目的和要求一、目的和要求化学热处理后的组织与性能化学热处理后的组织与性能 1、了解碳钢的基本渗碳工艺；、了解碳钢的基本渗碳工艺；2、熟悉钢渗碳后热处理的组织特征；、熟悉钢渗碳后热处理的组织特征；兰州理工大学1 1、化学热处理实验所用的简单实验设备；、化学热处理实验所用的简单实验设备；2 2、进行化学热处理的实验样品、进行化学热处理的实验样品;3 3、切割机（或者锯刀）、砂轮机、锉刀、预磨机、抛、切割机（或者锯刀）、砂轮机、锉刀、预磨机、抛光机、洛氏和布氏硬度试验机；光机、洛氏和布氏硬度试验机；二、仪器、设备和材料二、仪器、设备和材料 兰州理工大学1 1、化学热处理的定义、化学热处理的定义 将将工工件件置置于于特特定定的的介介质质中中加加热热、保保温温，使使介介质质中中的的活活性性原原子子渗渗入入工工件件表表层层，以以改改变变表表层层的的化化学学成成分分、组组织织和和性性能的一种热处理工艺。能的一种热处理工艺。活性原子从工件表层向内部的扩散活性原子从工件表层向内部的扩散原理原理:渗剂分解出活性原子渗剂分解出活性原子工件表面吸收活性原子工件表面吸收活性原子三、实验原理三、实验原理兰州理工大学2 2、化学热处理的目的、化学热处理的目的 获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。能。1 1）碳钢渗）碳钢渗C C或或C C、N N共渗共渗（淬火）获得表面高硬度、耐磨性，（淬火）获得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好的塑韧性。心部保持良好的塑韧性。2 2）渗氮（软）渗氮（软N N化或离子渗化或离子渗N N）表面耐磨、抗腐蚀。表面耐磨、抗腐蚀。3 3）渗）渗AlAl提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。兰州理工大学3 3、化学热处理的分类、化学热处理的分类以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。1 1）渗入非金属元素：）渗入非金属元素：单元渗：单元渗：C C、N N、B B、O O、S S、SiSi等；等；多元渗：多元渗：C CN N、O ON N、O O C CN N2 2）渗入金属元素：）渗入金属元素：单元渗：单元渗：AlAl、CrCr、TiTi、NbNb、V V、ZnZn 多元渗：多元渗：AlAlSiSi、AlAlCrCr、AlAlV V、AlAlCrCrSiSi兰州理工大学3 3）渗入元素对表面性能作用分类：）渗入元素对表面性能作用分类：提高渗层强度及耐磨性提高渗层强度及耐磨性渗渗C C、N N、B B、NbNb、V V等。等。高抗氧化、耐高温高抗氧化、耐高温AlAl、CrCr。提高抗啮合、抗擦伤提高抗啮合、抗擦伤渗渗S S、N N、磷化等。、磷化等。提高抗腐性能提高抗腐性能渗渗N N、渗、渗SiSi、渗、渗ZnZn。4 4）质的物理状态分：）质的物理状态分：固体固体如固体渗如固体渗C C、固体渗、固体渗B B等。等。液体液体如盐溶炉渗如盐溶炉渗B B或或B B、C C、N N共渗等，渗共渗等，渗AlAl等金属等金属 气体气体气体渗气体渗C C和和C C、N N共渗。共渗。兰州理工大学4）能获得具有特殊性能的表面层）能获得具有特殊性能的表面层 3）经济效果好）经济效果好2）具有较好的工艺性）具有较好的工艺性1）不受工件几何形状的限制）不受工件几何形状的限制4、化学热处理的特点、化学热处理的特点兰州理工大学不受工件几何形不受工件几何形状的限制状的限制即任何几何形状复杂的工件经即任何几何形状复杂的工件经过化学热处理后，均可获得沿过化学热处理后，均可获得沿其轮廓分布的均一的表面化学其轮廓分布的均一的表面化学热处理层热处理层 具有较好的工艺性具有较好的工艺性如开裂倾向较小；处理温度如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷却介质的敏范围较宽；对冷却介质的敏感性较小等等感性较小等等兰州理工大学经济效果好经济效果好能获得具有特殊性能的表面层能获得具有特殊性能的表面层廉价的钢材经化学热处理后可获得廉价的钢材经化学热处理后可获得表面性能高的工表面性能高的工 件。经化学热处理件。经化学热处理的碳钢件的表层性能不亚于同类合的碳钢件的表层性能不亚于同类合金钢的性能。金钢的性能。如耐腐蚀性、耐磨性等如耐腐蚀性、耐磨性等 兰州理工大学基本过程基本过程 大致分为三个阶段：大致分为三个阶段：分解阶段分解阶段：渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活性渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活性原子原子;吸收阶段吸收阶段：活性原子被金属表面吸收：活性原子被金属表面吸收;扩散阶段扩散阶段：渗入原子在金属基体内达到一定浓度后从：渗入原子在金属基体内达到一定浓度后从工件表面向内部扩散工件表面向内部扩散;5、化学热处理的基本过程、化学热处理的基本过程兰州理工大学6、几种化学热处理工艺的比较、几种化学热处理工艺的比较兰州理工大学7、化学热处理的应用、化学热处理的应用 化学热处理方法、渗层深度、组织、性能及主要应用范化学热处理方法、渗层深度、组织、性能及主要应用范围如下表。围如下表。兰州理工大学兰州理工大学l钢的渗碳钢的渗碳一、渗碳的概述一、渗碳的概述（1 1）概念：）概念：将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。表层的一种表面化学热处理工艺。（2 2）目的：）目的：提高零件的表面硬度、耐磨性提高零件的表面硬度、耐磨性 高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度 心部保持良好的塑性与韧性。心部保持良好的塑性与韧性。兰州理工大学排气排气升温升温增碳期增碳期扩散期扩散期降温期降温期 均温均温升温升温渗碳渗碳扩散扩散冷却冷却渗碳工艺过程渗碳工艺过程典型气体吸热式连续渗碳工艺，分为升温、渗碳、扩散和冷却四个区域。典型气体吸热式连续渗碳工艺，分为升温、渗碳、扩散和冷却四个区域。兰州理工大学（3 3）分类：）分类：按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。渗碳。以气体渗碳应用最广泛。（4 4）渗碳的材料）渗碳的材料 含碳量为含碳量为0.10.10.30.3的低碳钢或合金钢。的低碳钢或合金钢。兰州理工大学l问题：在什么状态下渗碳？问题：在什么状态下渗碳？A A还是还是F F？基本思路基本思路：在在FeFeC C相图中，相图中，-Fe-Fe中碳的最大溶解中碳的最大溶解0.0218%0.0218%，而而-Fe-Fe中碳的最大溶解度达到中碳的最大溶解度达到2.11%2.11%，所以在高温下，所以在高温下，A A状态下渗碳，可以获得高的表面含碳量。状态下渗碳，可以获得高的表面含碳量。渗后低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。渗后低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。兰州理工大学二、渗碳方法：二、渗碳方法：（一）气体渗碳（一）气体渗碳（1 1）概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热）概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热和保温进行渗碳的工艺和保温进行渗碳的工艺。（2 2）特点：）特点：操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件好好。（3 3）常用渗碳设备：）常用渗碳设备：按热源分为电加热炉和煤气加热炉。按热源分为电加热炉和煤气加热炉。滚筒炉滚筒炉卧式卧式振底式振底式输送带式输送带式旋转罐式旋转罐式推杆式推杆式连续式炉连续式炉周期式炉周期式炉气体渗碳炉气体渗碳炉兰州理工大学（4 4）常用的渗碳剂常用的渗碳剂渗碳剂渗碳剂渗碳剂渗碳剂气态渗剂气态渗剂气态渗剂气态渗剂天然气天然气天然气天然气丙丙丙丙 烷烷烷烷煤气等煤气等煤气等煤气等液态渗剂液态渗剂液态渗剂液态渗剂煤煤煤煤 油油油油甲甲甲甲 醇醇醇醇乙乙乙乙 醇醇醇醇丙丙丙丙 酮酮酮酮苯苯苯苯 等等等等兰州理工大学井式气体渗碳炉井式气体渗碳炉兰州理工大学大型井式渗碳炉大型井式渗碳炉兰州理工大学钢的气体渗碳钢的气体渗碳气体渗碳炉气体渗碳炉兰州理工大学 (二二)、固体渗碳法固体渗碳法（1 1）固体渗碳过程主要由下列步骤组成：）固体渗碳过程主要由下列步骤组成：在灼热的固体碳表面上，在灼热的固体碳表面上，CO2CO2与碳反应生成与碳反应生成COCO；在金属工件表面，在金属工件表面，COCO分解析出活性碳原子；分解析出活性碳原子；活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。（2 2）固体渗碳的优缺点：）固体渗碳的优缺点：优点：不需要专门的渗碳设备，操作简单，成本低，优点：不需要专门的渗碳设备，操作简单，成本低，大小零件都能用。大小零件都能用。缺点：渗速慢，渗碳时间长，渗层不易控制，不能直缺点：渗速慢，渗碳时间长，渗层不易控制，不能直接淬火，劳动条件差，效率低。接淬火，劳动条件差，效率低。兰州理工大学（3 3）固体渗碳剂：）固体渗碳剂：固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂组成。供碳剂一般固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂组成。供碳剂一般为木炭、焦炭；催化剂一般是碳酸盐。为木炭、焦炭；催化剂一般是碳酸盐。（4 4）固体渗碳工艺：）固体渗碳工艺：把工件埋入渗碳箱中，四周填满固体渗碳剂，并用盖把工件埋入渗碳箱中，四周填满固体渗碳剂，并用盖和耐火泥将箱密封，然后送入加热炉中，加热至渗碳温和耐火泥将箱密封，然后送入加热炉中，加热至渗碳温度度(900(900 930930C)C)，保温一定时间后出炉，即得所需样品。，保温一定时间后出炉，即得所需样品。（5 5）常用的设备：）常用的设备：固体渗碳箱，箱式电炉、反射式燃煤炉固体渗碳箱，箱式电炉、反射式燃煤炉兰州理工大学零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱钢的固体渗碳炉钢的固体渗碳炉兰州理工大学(三三)、液体渗碳法液体渗碳法（1 1）概念：在熔融状态的盐溶渗碳剂中进行渗碳的工艺。）概念：在熔融状态的盐溶渗碳剂中进行渗碳的工艺。（2 2）液体渗碳工艺：）液体渗碳工艺：液体渗碳温度及盐浴活性是决定渗碳速度和表面碳含液体渗碳温度及盐浴活性是决定渗碳速度和表面碳含量的主要因素。量的主要因素。对于渗层薄及变形要求严格的工件，可采用较低的渗碳对于渗层薄及变形要求严格的工件，可采用较低的渗碳温度（温度（850850 900900C C）；）；对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（910910 950950C C）。）。温度一定条件下，渗碳保温时间由渗层深度决定。温度一定条件下，渗碳保温时间由渗层深度决定。（3 3）常用的设备：内热式或外热式盐炉）常用的设备：内热式或外热式盐炉兰州理工大学（4 4）液体渗碳优缺点）液体渗碳优缺点优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后便于直接淬火，优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后便于直接淬火，适合于处理中、小型零件。适合于处理中、小型零件。缺点：多数盐浴有毒。缺点：多数盐浴有毒。（5 5）液体渗碳后的冷却方式）液体渗碳后的冷却方式随炉降温或将工件移至等温槽中预冷，然后直接淬火随炉降温或将工件移至等温槽中预冷，然后直接淬火（预冷温度应高于心部铁素体析出的温度）。（预冷温度应高于心部铁素体析出的温度）。等温槽预冷后，工件出炉空气冷却（预冷目的是为了减等温槽预冷后，工件出炉空气冷却（预冷目的是为了减少表面脱碳及氧化），然后重新加热淬火。少表面脱碳及氧化），然后重新加热淬火。兰州理工大学兰州理工大学三、一般渗碳件的工艺路线三、一般渗碳件的工艺路线锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火淬火+低温回火低温回火精加工精加工兰州理工大学四、渗碳后热处理的目的四、渗碳后热处理的目的 钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但其硬度钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但其硬度不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，才能获得不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，才能获得较高的硬度和耐磨性能。较高的硬度和耐磨性能。a.a.提高工件表面的强度、硬度和耐磨性能；提高工件表面的强度、硬度和耐磨性能；b.b.提高心部的强度和韧性；提高心部的强度和韧性；c.c.细化晶粒；细化晶粒；d.d.消除网状碳化物和减少残留奥氏体；消除网状碳化物和减少残留奥氏体；e.e.消除内应力，稳定尺寸。消除内应力，稳定尺寸。兰州理工大学五、渗碳后的组织与性能1、渗碳后缓冷到室温下的组织表面过共析区：PFe3CII；接近共析区：P；亚共析区（过渡区）：FP；心部：原始组织。共析区过共析区兰州理工大学亚共析区心部兰州理工大学渗碳后缓冷，渗层分渗碳后缓冷，渗层分三个区域：三个区域：过共析层：过共析层：OAOA段段珠光体网状渗碳体珠光体网状渗碳体共析层：共析层：A A段段珠光体珠光体过渡层：过渡层：ACAC段段珠光体铁素体珠光体铁素体 心部原始组织：大量心部原始组织：大量铁素体少量珠光体铁素体少量珠光体兰州理工大学渗渗碳碳层层的的组组织织过共析组织过共析组织(P+Fe3C)共析组织共析组织(P)过渡区亚共析组织过渡区亚共析组织(P+F)原始亚共析组织原始亚共析组织(F+P)兰州理工大学兰州理工大学2 2、渗碳后淬火加低温回火后的组织：、渗碳后淬火加低温回火后的组织：l表面：回火马氏体表面：回火马氏体+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+残余奥氏体；残余奥氏体；l心部组织依据钢种来确定。心部组织依据钢种来确定。l若为低碳钢，淬透性差，为铁素体若为低碳钢，淬透性差，为铁素体+珠光体；珠光体；l若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。兰州理工大学渗碳后淬火及低温回火后的显微组织渗碳后淬火及低温回火后的显微组织20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织：低温回火后的组织：节园：节园：M回回KA心部：低碳心部：低碳M齿顶：齿顶：M回回KA兰州理工大学六、渗碳后的钢的机械性能六、渗碳后的钢的机械性能硬度和耐磨性硬度和耐磨性 渗碳并淬火后可显著提高钢件的表面硬度和耐磨性。渗碳并淬火后可显著提高钢件的表面硬度和耐磨性。冲击韧性和断裂韧性冲击韧性和断裂韧性 钢件经过渗碳后，其冲击韧性和断裂韧性都降低，并且钢件经过渗碳后，其冲击韧性和断裂韧性都降低，并且表面碳含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。表面碳含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。兰州理工大学疲劳强度疲劳强度 钢件经过渗碳后，其疲劳强度显著提高：钢件经过渗碳后，其疲劳强度显著提高：a)a)表面碳含量越高，马氏体开始转变温度越低，得到的马表面碳含量越高，马氏体开始转变温度越低，得到的马氏体比容比心部大，在表面层得到的残余压应力越大，氏体比容比心部大，在表面层得到的残余压应力越大，它可以抵消相当部分由外加负载引起的拉应力，从而提它可以抵消相当部分由外加负载引起的拉应力，从而提高疲劳强度。高疲劳强度。b)b)一定层深的高硬度渗透层，可以提高抵抗微裂纹的形成一定层深的高硬度渗透层，可以提高抵抗微裂纹的形成和扩展，从而提高疲劳裂纹。和扩展，从而提高疲劳裂纹。兰州理工大学七、渗碳件的组织对性能的影响七、渗碳件的组织对性能的影响（1）表层碳含量：表面含碳量应控制在）表层碳含量：表面含碳量应控制在0.9左右左右。（2）残留奥氏体：与马氏体相比，残留奥氏体强度、）残留奥氏体：与马氏体相比，残留奥氏体强度、硬度较低，塑性、韧性较高，组织中有一定数量硬度较低，塑性、韧性较高，组织中有一定数量的残留奥氏体，能起到对外力缓冲和使应力分布的残留奥氏体，能起到对外力缓冲和使应力分布均匀的作用，增加了疲劳裂纹形成和扩展的阻力，均匀的作用，增加了疲劳裂纹形成和扩展的阻力，提高了钢的断裂韧性；不宜超过提高了钢的断裂韧性；不宜超过30（3）渗层碳化物：可显著提高工件的耐磨性和抗咬）渗层碳化物：可显著提高工件的耐磨性和抗咬合性，但粗大块状或网状碳化物的存在，会破坏合性，但粗大块状或网状碳化物的存在，会破坏基体组织的连续性而引起脆性，使工件表面产生基体组织的连续性而引起脆性，使工件表面产生剥落。剥落。兰州理工大学（4）心部硬度及组织：工件心部硬度取决于钢的碳）心部硬度及组织：工件心部硬度取决于钢的碳含量。合适的心部组织应为低碳马氏体、贝氏体含量。合适的心部组织应为低碳马氏体、贝氏体或索氏体，不允许有大块、大量的铁素体存在。或索氏体，不允许有大块、大量的铁素体存在。（5）渗碳层深度：渗碳层的深度愈深，可以承载接）渗碳层深度：渗碳层的深度愈深，可以承载接触应力愈大。在满足工件使用要求的前提下，渗触应力愈大。在满足工件使用要求的前提下，渗层越浅越经济。过多地增加层深，会使表面残余层越浅越经济。过多地增加层深，会使表面残余压应力降低，工件韧性下降，疲劳强度降低。压应力降低，工件韧性下降，疲劳强度降低。兰州理工大学 图图5-21块状碳化物块状碳化物级别级别8级级400 八、渗八、渗C缺陷及控制缺陷及控制1.表面粗大网状、块状碳化物表面粗大网状、块状碳化物控制方法：控制方法：降低渗碳剂浓度、数量，降低渗碳剂浓度、数量，强渗期温度调低。强渗期温度调低。形成原因形成原因：碳势太高，温度太高，碳势太高，温度太高，保温时间太长。保温时间太长。兰州理工大学返修方法：返修方法：调整碳势并补渗；脱调整碳势并补渗；脱C C层层0.02mm0.02mm时，喷丸处理时，喷丸处理18CrMnTi渗碳表面脱碳渗碳表面脱碳2.表层贫碳或脱碳表层贫碳或脱碳形成原因：形成原因：扩扩散散期期碳碳势势降降低低太太多多，炉炉子子漏漏气，缓冷或出炉时氧化脱碳气，缓冷或出炉时氧化脱碳兰州理工大学形成成因：形成成因：渗渗C或或淬淬火火温温度度过过高高，使使A中中的的C及含及含C量过高。量过高。防防止止方方法法：降降低低碳碳势势，降降低低渗渗C温温度度和和淬淬火火温温度度，降降低低重重淬温度。淬温度。返修方法：返修方法：（1）深冷处理，）深冷处理，使使AM（2）高温回火后重淬）高温回火后重淬 表面大量残余奥氏体表面大量残余奥氏体 400 3.表面大量残余奥氏体表面大量残余奥氏体兰州理工大学形成成因：形成成因：炉温不均匀，炉气循环不好，碳黑沉积在工件表面炉温不均匀，炉气循环不好，碳黑沉积在工件表面,固体渗固体渗C时，渗剂不均匀时，渗剂不均匀4.渗渗C层深度不均匀层深度不均匀形成原因：形成原因：炉温低，碳势低，炉温低，碳势低，漏气，装炉量过大等漏气，装炉量过大等防止办法：防止办法：检查渗剂给入量，修复检查渗剂给入量，修复 炉子不良状况，清理炉子不良状况，清理 沉积碳黑。沉积碳黑。返修方法：返修方法：补渗补渗5.渗层深度不够渗层深度不够兰州理工大学6.表面硬度低表面硬度低形成成因：表面碳浓度低，形成成因：表面碳浓度低，A量多，或表面形成屈氏体组织量多，或表面形成屈氏体组织返修方法：补渗、深冷、重淬。返修方法：补渗、深冷、重淬。7.变形变形 成因形成：摆放不当，压挤成因形成：摆放不当，压挤 防止方法：合理吊装工件，淬火压床加压淬火防止方法：合理吊装工件，淬火压床加压淬火8.开裂开裂在缓冷过程中产生表面裂纹在缓冷过程中产生表面裂纹 形成成因：渗形成成因：渗C后空冷渗层组织转变不均匀所致。如后空冷渗层组织转变不均匀所致。如 20CrMnMo渗后空冷，表层先形成薄层屈氏体，下渗后空冷，表层先形成薄层屈氏体，下 面为面为A，继续冷却时，继续冷却时AM，表面形成拉应力所至。，表面形成拉应力所至。防止方法：先减慢冷速使渗层共析转变后再快冷。防止方法：先减慢冷速使渗层共析转变后再快冷。