热处理技术课件：化学热处理教学课件下载

热处理技术化学热处理欢迎学习热处理技术的重要分支化学热处理课程化学热处理是通——过改变金属表面化学成分来提高工件表面性能的一系列工艺方法，在现代工业制造中具有不可替代的地位本课程将系统介绍化学热处理的基本原理、主要工艺方法、设备应用以及最新技术发展，帮助学员掌握化学热处理的理论知识和实际应用技能，为今后的专业研究和工程实践奠定坚实基础课程概述化学热处理的定义课程目标主要内容123化学热处理是将工件置于特定的活通过本课程学习，学员将掌握各种本课程主要包括化学热处理的基本性介质中加热，使介质中的某些元化学热处理方法的基本原理、工艺概念、工艺分类、渗碳、渗氮、碳素（如碳、氮、硼等）渗入工件表过程及控制要点；了解不同化学热氮共渗、渗硼等主要处理方法的理面，改变表层化学成分和组织结构处理方法的适用范围和应用场合；论与工艺，以及化学热处理的设备，从而获得特定表面性能的一种热培养化学热处理工艺设计和质量控、质量控制、应用案例和发展趋势处理工艺它结合了传统热处理和制的实际能力等内容表面处理技术的优点化学热处理的基本概念定义目的与其他热处理方法的区别化学热处理是一种通过改变金属表面化学热处理的主要目的是提高金属表与普通热处理不同，化学热处理不仅层的化学成分，从而获得表面层和心面的硬度、耐磨性、耐疲劳性和耐腐改变金属的组织结构，还改变了表面部具有不同性能的热处理工艺这种蚀性等性能，同时保持心部的韧性和层的化学成分与表面涂层不同，化方法利用高温条件下元素的扩散原理塑性这种表面硬、心部韧的性能学热处理形成的表层与基体之间有一，将特定元素渗入工件表面，形成具组合，能够满足许多机械零件在复杂个过渡区，结合更为牢固，不存在剥有特殊性能的表层工况下的使用要求落的风险化学热处理的分类渗碳渗氮渗硼其他方法将碳原子渗入低碳钢或低碳合金使氮原子渗入钢铁表面形成氮化将硼原子渗入金属表面形成硼化还包括渗铬、渗铝、渗硅以及多钢表面的过程，形成高碳浓度的物的过程渗氮层硬度极高、耐物层的过程渗硼层具有超高硬元渗透等方法这些方法可以赋表层渗碳处理后的零件表面硬磨性和耐疲劳性优异、热稳定性度、极佳的耐磨性和良好的耐腐予金属表面特殊的性能，如耐高度高、耐磨性好，心部保持较好好，且变形小，适用于精密零件蚀性，特别适合在苛刻工况下工温氧化、耐腐蚀、耐磨损等，在的韧性，广泛应用于齿轮、凸轮如量具、模具和高负荷机械零件作的零件，如挤压模具、泵零件航空航天、化工等领域有重要应等零件的处理的处理等用化学热处理的基本过程加热扩散冷却将工件加热到规定温度，使金属表面活化活性元素以原子状态渗入金属表面并向内处理完成后，根据工艺要求选择适当的冷，同时活性元素解离成原子状态加热温部扩散，在表层形成浓度梯度扩散过程却方式，如油冷、水冷、空冷等冷却方度通常在范围内，取决于具体遵循菲克定律，扩散速度受温度、时间、式影响渗层的组织结构和性能，特别是对500-1000°C的处理方法和材料此阶段需要严格控制活性元素浓度等因素影响这是化学热处渗碳处理，常需通过淬火获得马氏体组织升温速率和均温时间理的核心阶段以提高硬度化学热处理的影响因素时间介质成分处理时间直接影响渗层深度和元素介质中活性元素的含量和状态决定浓度分布时间越长，渗层越深，了渗透能力如渗碳介质中的CO温度工件材料但生产效率降低实际生产中需根浓度、渗氮中的分解率等都是NH₃据零件要求和生产效率进行平衡，关键控制参数介质纯度和活性也温度是影响化学热处理效果的关键材料化学成分和初始组织结构对渗通常从几小时到几十小时不等会影响处理质量和一致性因素温度越高，元素扩散速度越透效果有显著影响合金元素如快，但可能导致晶粒粗大每种处、、等会促进或阻碍特定Cr MoV理方法都有其最佳温度范围，如渗元素的扩散，并影响硬化层的性能碳通常在，渗氮则在选择适合的材料是化学热处理成900-950°C功的前提500-570°C2314渗碳处理概述定义目的渗碳是一种将碳原子渗入低碳渗碳处理的主要目的是提高工钢或低碳合金钢表面，使表层件表面的硬度和耐磨性，同时形成高碳浓度区域的化学热处保持心部的韧性和塑性这种理方法渗碳后通常需要进行性能组合特别适合承受冲击载淬火和低温回火，形成高硬度荷和接触应力的零件，可显著的马氏体组织，从而获得表面提高零件的使用寿命和可靠性硬、心部韧的性能应用范围渗碳处理广泛应用于各类需要高表面硬度和良好心部韧性的零件，如齿轮、凸轮、轴承、轴类零件、连杆等这些零件通常在汽车、机床、农机、工程机械等领域有大量应用渗碳机理碳原子扩散过程在高温条件下，活性介质中的碳以原子状态吸附在钢件表面，然后向内部扩散扩散遵循菲克定律，形成从表面到内部逐渐降低的碳浓度梯度扩散深度与温度和时间的平方根成正比奥氏体形成渗碳温度通常在，此时钢处于奥氏体状态，碳原子可以900-950°C大量溶解在奥氏体中随着渗碳过程进行，表层奥氏体中的碳含量逐渐升高，最高可达左右，形成高碳奥氏体

1.2%马氏体转变渗碳完成后进行淬火冷却，高碳奥氏体转变为高碳马氏体，获得高硬度通常为而心部低碳奥氏体转变为低碳马58-62HRC氏体或贝氏体，保持较好的韧性这种梯度结构正是渗碳处理的核心优势渗碳方法固体渗碳1将工件与含碳物质如木炭粉与混合物一起装入密封容器中加热BaCO₃，碳原子通过固气固过程渗入工件表面这是最古老的渗碳方法，设--液体渗碳备简单但效率低、污染大，现代工业中应用较少2在含碳熔盐主要成分为、和等中进行，温度一般在Na₂CO₃BaCl₂NaCl渗碳速度快，适合小批量多品种生产，但有环境污染和操820-950°C气体渗碳3作危险性等问题，目前应用也较少在含碳气氛主要为、等碳氢化合物中进行，温度一般在CO CH₄900-这是当前最主要的渗碳方法，具有控制精确、自动化程度高、950°C环境友好等优点，广泛应用于大批量工业生产中气体渗碳工艺温度选择时间控制气氛成分气体渗碳的温度通常在范围内渗碳时间直接决定渗层深度，一般以小气体渗碳的介质主要是甲烷、丙烷或乙900-950°C，需根据材料种类和渗层要求确定温时计算在时，每小时渗层约醇等碳氢化合物与载气氮气、氢气的混900°C

0.1-度过高会导致晶粒粗大，降低机械性能实际生产中，根据要求的渗层合物通过控制碳势通常为

0.15mm

0.8%-

1.2%；温度过低则渗碳效率低一般普通结深度，结合工艺曲线确定渗碳时间对来调整表面碳浓度现代设备采用红外构钢选择，合金钢选择精密零件，常采用分段渗碳技术，确保分析仪和氧探针实时监控和调整气氛成920-930°C900-，高合金钢选择碳浓度分布合理分，确保渗碳质量920°C870-900°C渗碳层深度控制渗碳层深度控制是渗碳工艺的核心影响渗碳深度的主要因素包括温度、时间、碳势和材料成分等温度升高，渗碳速度可提高倍，是影响最显著的因素100°C5-7渗碳层深度测量通常采用硬度法和金相法硬度法测定硬度为基体硬度处的深度；金相法则通过观察显微组织确定控制策略包括精确控制温度、时间、碳势和采用计算机模拟辅助设计+50HV工艺参数渗碳钢的热处理回火减少内应力提高韧性1,二次淬火2细化组织提高性能,直接淬火3基础处理方式渗碳钢的热处理是渗碳工艺的重要环节，直接影响最终性能直接淬火是指渗碳后直接冷却到马氏体转变温度以下，结构简单但容易产生粗大晶粒适用于一般要求的零件二次淬火是指渗碳后先冷却至室温，然后再加热到进行淬火这种方法可以细化晶粒，改善组织结构，获得更好的力学性能适用于重要零件780-820°C如高速齿轮等无论采用何种淬火方式，都需要进行的低温回火，以消除内应力，提高韧性，防止开裂回火时间通常为小时，对大型零件可适当延长150-200°C1-2渗碳质量控制硬度检测1表面和截面硬度测试组织观察2金相显微检测深度测量3有效硬化层定量分析渗碳质量控制是确保处理效果的关键环节硬度检测通常采用洛氏硬度计或维氏硬度计，要求表面硬度达到良好的渗碳零件应具HRC HV58-62HRC有均匀的硬度分布，没有明显的软点或硬点金相组织观察可以直观地评价渗碳层的质量，包括表面碳浓度、碳化物分布、晶粒大小等正常的渗碳层应具有细小均匀的马氏体组织和适量的细小碳化物，无明显的网状碳化物和粗大晶粒渗碳深度测量是最重要的检测手段，通常定义硬度为基体硬度处的距离为有效硬化层深度常规渗碳硬化层深度为，应根据零件的工作+50HV

0.5-

2.0mm条件和尺寸合理确定渗碳处理常见问题及解决方案问题类型现象原因解决方案脱碳表面硬度低于预期氧化性气氛、冷却不当严格控制气氛纯度、改善冷却工艺过渗表面碳化物网络多碳势过高、时间过长降低碳势、调整工艺参数、加扩散段表面氧化表面出现氧化皮气氛含氧量高、淬火介质问题控制气氛纯度、改善淬火介质开裂表面出现裂纹内应力过大、淬火过急调整淬火温度、改用温和淬火介质在渗碳处理中，常见问题主要包括脱碳、过渗、表面氧化和开裂等这些问题直接影响零件的使用性能和可靠性，必须采取相应措施予以防止和解决现代渗碳工艺通过采用精确的气氛控制系统、计算机模拟辅助设计和实时监测技术，大大减少了以上问题的发生但在实际生产中，仍需技术人员根据具体情况灵活调整工艺参数，确保渗碳质量渗氮处理概述定义目的应用范围123渗氮是将氮原子渗入钢铁或合金表渗氮的主要目的是提高零件表面硬渗氮广泛应用于各种需要高硬度、面，形成硬质氮化物的化学热处理度、耐磨性、耐疲劳性和耐腐蚀性高耐磨性和尺寸稳定性的精密零件工艺与渗碳不同，渗氮在相对较由于处理温度较低，渗氮处理变，如量具、模具、精密轴类、凸轮低的温度下进行一般为形小，特别适合精密零件的处理轴、缸套、活塞环等特别适用于500-570°C，处理后通常不需要淬火即可获得同时，渗氮层具有良好的热稳定性航空航天、精密机械和模具制造等高硬度表层，可保持到以上高端领域500°C渗氮机理渗氮机理主要包括氮原子扩散和氮化物形成两个过程在渗氮过程中，活性氮原子首先吸附在钢铁表面，然后向内部扩散由于氮原子半径小于碳原子，即使在较低温度下也能实现有效扩散当氮原子浓度超过固溶极限时，与铁或合金元素如、、、等结合形成硬质氮化物这些氮化物主要有表层的相Cr MoV Alε和相，以及合金元素形成的特种氮化物如、等正是这些细小、弥散分布的硬质氮化物赋予了渗氮层Fe₂₃NγFe₄N CrNAlN极高的硬度和优异的性能渗氮方法气体渗氮等离子渗氮盐浴渗氮在分解产生的活利用辉光放电产生的在含氰化物的熔盐如NH₃性氮原子氛围中进行等离子体活化氮气，中进行，温度为KCN，温度为在下进行渗氮速500-570°C400-570°C510-570°C，时间较长小，处理时间短小度快，工件表面光洁40-604-20时这是传统的渗氮时这是现代主流的，但存在严重的环境方法，设备简单但能渗氮技术，具有能耗污染和安全隐患目耗高、效率低通过低、效率高、污染少前已被其他方法逐渐控制分解率通常、可精确控制的优点取代，仅在特殊领域NH₃为来调节渗，适合高精度要求有限应用20-40%氮效果气体渗氮工艺时间小时时的渗氮深度时的渗氮深度时的渗氮深度573°C mm523°C mm473°C mm气体渗氮工艺的温度选择通常在范围内温度过高会使材料强度下降，过低则渗氮速度过慢对于一般合金钢，常选用；对于高合金钢，可适当提高到500-570°C520-540°C550-570°C渗氮时间根据所需渗层深度确定，通常为小时，对于特殊零件可延长至小时气体渗氮的核心是氨气分解率控制，通常维持在之间分解率过高会降低氮势，过低则形成脆性过20-6010020-40%渡层现代设备采用多区控制技术，先用高氮势渗氮，后用低氮势扩散，获得理想的渗层结构等离子渗氮技术原理设备工艺参数等离子渗氮利用辉光放电产生的等离子等离子渗氮设备主要由真空室、电源系关键工艺参数包括温度通常450-570°C体轰击工件表面，使表面活化并促进氮统、气体供应系统、控制系统和冷却系、压力、气体成分与300-700Pa N₂H₂原子吸附和扩散工件作为阴极，炉壁统组成关键部件包括直流或脉冲电源的比例通常为至、电压1:33:1400-作为阳极，在低压下施加、精确的温度控制装置和气体流量控制和处理时间小时脉冲等离300-700Pa400-1000V4-20电压形成辉光放电等离子体中的系统现代设备多采用计算机自动控制子技术可更精确控制放电能量，减少过1000V活性粒子与工件表面反应，大大提高了，确保工艺参数精确稳定热和边缘效应，提高处理均匀性渗氮效率渗氮层性能1200500最高硬度热稳定性HV°C渗氮层表面硬度极高，最高可达渗氮层具有优异的热稳定性，可在左右1000-1200HV500°C，远高于渗碳层通常为这种高的温度下长期保持硬度这是渗氮处理的一个700-800HV硬度主要来自于细小、弥散分布的氮化物颗粒显著优势，特别适合高温工作条件下的零件300%疲劳强度提升渗氮处理可显著提高材料的疲劳强度，提升幅度可达这主要是由于表面压应力200-300%和氮化物颗粒阻碍位错运动所致渗氮层的硬度分布呈梯度变化，从表面向内逐渐降低典型的硬化层深度为，比渗碳

0.2-

0.8mm层浅但硬度更高渗氮层的耐磨性极佳，特别是在高温和腐蚀环境下表现更为突出此外，渗氮还能降低材料的摩擦系数，减少粘着磨损渗氮钢的选择合金元素影响常用渗氮钢种类合金元素对渗氮效果有显著影响铬、钼、铝常用渗氮钢包括铬钼钢如、铬铝钢如和Cr MoAl38CrMoAl38CrAl、钒和钛等元素易与氮形成稳定的氮化物，提高渗氮铬钒钢如等这些钢材通常含有适量的V Ti40Cr12MoV Cr1-层的硬度和耐磨性铝的影响最为显著，含铝钢的渗氮硬度、和等元素碳含量一般

1.5%Mo

0.15-

0.3%Al

0.8-

1.2%可达；铬和钼次之，含铬钼钢可达控制在，既保证了心部强度又避免了过多的铁素1100-1200HV900-

0.3-

0.45%硅和锰对渗氮效果负面影响较大体出现特殊的渗氮不锈钢含更高的，兼具耐腐1000HV Cr12-18%蚀性渗氮质量控制硬度检测1渗氮质量控制的首要方法是硬度测试，包括表面硬度和硬度分布曲线测定由于渗氮层较薄且硬度极高，常采用显微硬度计或测定有效硬化层深度HV

0.1HV

0.05通常定义为硬度达到基体硬度处的距离正常渗氮处理的表面硬度应达到+50HV，随深度递减800-1200HV组织观察2金相显微组织观察是评价渗氮质量的重要手段良好的渗氮层应具有均匀的化合物层白亮层和扩散层化合物层厚度通常控制在，过厚会导致脆性扩散10-20μm层中应有细小、弥散分布的合金氮化物，而非粗大析出物电子显微镜和射线衍X射可用于进一步分析氮化物类型和分布深度测量3渗氮层深度测量采用硬度法和金相法硬度法测定渗层截面硬度分布，确定有效硬化层深度；金相法通过腐蚀显示氮化物分布边界来测量总渗层深度正常渗氮层深度为，应根据零件工作条件合理确定此外，还可通过光谱分析、射

0.2-

0.8mm X线荧光等方法测定氮元素分布，进一步评价渗层质量渗氮处理常见问题及解决方案脆化变形表现为渗氮层过硬过脆，容易剥落或虽然渗氮变形比渗碳小，但仍可能出开裂主要原因是化合物层白亮层现尺寸变化或翘曲主要原因是内应过厚或氮含量过高解决方法包括调力释放、不均匀加热或悬挂不当解整气体成分，降低氨气分解率；采用决方法包括渗氮前进行充分退火，消双段渗氮工艺，先高氮势渗透，后低除内应力；改善工件装载方式，保证氮势扩散；必要时可进行后处理如抛均匀受热；对精密零件，预留少量加光或轻微磨削，去除部分表层工余量，渗氮后进行精加工；采用脉冲等离子技术减小热应力表面粗糙度增加主要表现为表面发白、粗糙度增加原因包括表面污染、清洁不当或放电不均匀等离子渗氮解决方法包括加强渗氮前的清洁工作，去除油污和氧化物；控制气氛纯度，减少杂质影响；对于等离子渗氮，优化电压参数和脉冲控制，避免异常放电；必要时考虑渗氮后进行抛光处理碳氮共渗概述定义工艺特点1同时渗入碳氮元素温度低时间短成本低,,2应用前景性能优势4广泛应用于精密零件3综合渗碳渗氮优点碳氮共渗是一种将碳和氮同时渗入钢铁表面的化学热处理工艺，也称为渗碳氮化或碳氮共渗它结合了渗碳和渗氮的优点，既获得较深的硬化层类似渗碳，又获得较高的表面硬度和耐磨性类似渗氮碳氮共渗的温度通常在之间，低于常规渗碳但高于渗氮处理时间显著短于单独的渗碳或渗氮过程，通常为小时这种工艺在汽800-880°C2-8车、机床和工程机械等领域有广泛应用，特别适用于需要兼顾表面硬度和硬化层深度的零件，如中小型齿轮、轴类和模具等碳氮共渗机理碳氮共渗机理涉及碳氮原子协同扩散和碳氮化物形成两个关键过程在处理温度下通常为，钢铁表面同时吸收碳800-880°C和氮原子由于原子尺寸和扩散系数的差异，碳原子扩散速度快、渗透深度大，而氮原子扩散速度较慢但活性高这种协同扩散导致形成独特的梯度结构表层富含碳和氮，形成细小的碳氮化物；亚表层主要为含碳较高的区域，类似渗碳层碳和氮的共同存在可促进特殊碳氮化物如的形成，这些碳氮化物比单纯的碳化物或氮化物具有更高的硬度和稳定Fe₃C,N性，从而提供优异的表面性能碳氮共渗工艺温度选择碳氮共渗的温度通常选择在之间，这是一个折衷区间温度过高800-880°C会导致晶粒粗大、渗层中氮含量降低；温度过低则碳的渗透深度不足对于普通钢常选择，合金钢可适当降低至温度控制精840-860°C820-840°C度要求，以确保处理质量的一致性±5°C时间控制处理时间根据所需渗层深度确定，通常为小时，远短于单独的渗碳或渗2-8氮碳氮共渗渗层深度通常为较长的处理时间可获得更深的

0.3-

0.8mm渗层，但会导致表面氮含量降低实际生产中常采用分段控制，先高碳氮势渗透，后低碳氮势扩散气氛成分控制气氛控制是碳氮共渗的核心通常采用含碳气体如甲烷、丙烷和含氮气体如氨气的混合物，加入适量载气氮气或氢气碳势通常控制在

0.8-

1.2%，氨气分解率控制在现代设备采用红外分析仪和氧探针实时监控15-30%气氛组成，精确调节碳氮配比碳氮共渗层性能距表面深度渗碳硬度渗氮硬度碳氮共渗硬度mm HV HVHV碳氮共渗层的硬度分布兼具渗碳和渗氮的特点，表面硬度高达，介于渗碳和渗氮之间，但硬化层深度通常比渗碳小，比渗氮大硬度分布更加平缓，没有明显的硬度突变区，减小了900-1100HV应力集中的风险碳氮共渗层具有优异的耐磨性，在干摩擦、油润滑和边界润滑等各种工况下均表现良好比单纯渗碳提高的耐磨性同时，其耐腐蚀性也明显优于渗碳，特别是在酸性和中性介质中另30-50%外，碳氮共渗层还具有良好的接触疲劳强度和抗冲击性能，适合承受复杂载荷的零件碳氮共渗质量控制硬度检测组织观察深度测量碳氮共渗质量控制的基本方法是硬度测金相显微组织观察是评价碳氮共渗质量碳氮共渗层深度测量采用硬度法和金相试，包括表面硬度和硬度分布曲线测定的重要手段良好的碳氮共渗层应具有法硬度法测定硬度为基体硬度+50HV通常采用洛氏硬度计或维氏硬度薄而均匀的化合物层和丰富的处的距离为有效硬化层深度；金相法通HRC5-15μm计测定表面硬度，要求达到扩散层化合物层主要由过腐蚀显示碳氮化物分布边界测量总渗HV58-ε-Fe₂-₃C,N或；采用显微硬度计相和相组成扩散层中应有层深度此外，电子探针和光谱分析可65HRC800-1100HVγ-Fe₄C,N测定截面硬度分布，绘制硬度曲线，确细小、弥散分布的碳氮化物，而非粗大用于检测碳氮元素的分布情况，进一步定有效硬化层深度网状析出物评价渗层质量和均匀性渗硼处理概述定义1渗硼是将硼原子渗入金属表面，形成硬质硼化物的化学热处理工艺处理温度通常在，远高于渗氮但与渗碳相近渗硼后表面形800-1050°C目的成Fe₂B和FeB等硼化物，赋予工件极高的硬度和耐磨性2渗硼的主要目的是获得超高表面硬度和极佳的耐磨性渗硼层硬度可达，远高于渗碳和渗氮同时，渗硼层还具有良好的耐高温1600-2000HV性能可耐以上高温和优异的耐蚀性，特别是在酸性介质中的耐应用范围800°C3腐蚀性渗硼主要应用于极端条件下工作的零件，如耐磨模具、挤压模和拉拔模具、热作模具、金属成型工具、泵和阀门零件、矿山和石油钻探设备等渗硼虽然处理成本较高，但在特殊工况下的使用寿命提升显著，具有良好的经济性渗硼机理硼原子扩散过程在高温条件下，活性硼原子从介质中释放出来，吸附800-1050°C在金属表面，然后向内部扩散硼原子尺寸小，在钢铁中的扩散系数较大，但由于其容易与铁形成稳定的化合物，实际扩散深度有限渗硼是一个典型的反应扩散过程，扩散速率受化学反应的控制硼化物形成硼原子与铁结合形成硬质硼化物，主要有两种含硼FeB和含硼通常表层形成，下层形成

16.2%Fe₂B

8.8%FeB Fe₂B硬度更高但较脆，处理中常尽量控制形成单一的相FeB Fe₂B硼化物层形成的典型特征是锯齿状结构，这种结构增强了硼化层与基体的结合强度渗硼方法粉末包埋渗硼气体渗硼12最传统的渗硼方法，将工件与硼在含硼气体如、等和BCl₃B₂H₆渗剂如、、等还原气体如的混合气氛中进B₄C KBF₄Na₂CO₃H₂混合物一起装入容器中，密封后行设备复杂，成本高，但渗层在加热处理设备均匀，污染少，可实现自动化控850-1000°C简单，成本低，但渗层均匀性较制主要用于批量生产的精密零差，污染大，效率低适合小批件由于硼的气体化合物毒性大量或大型零件处理渗层深度通、易爆，安全要求高渗层深度常为可达

0.05-

0.3mm

0.05-

0.2mm等离子渗硼3利用等离子体技术活化硼源，在下进行处理时间短小时，700-900°C2-6能耗低，渗层质量好这是现代渗硼的发展方向，尤其适合精密零件和复杂形状零件设备投资大但长期效益好渗层深度通常为，但质

0.04-

0.15mm量更佳。