特殊热处理-真空渗碳.ppt

真空渗碳真空渗碳1真空渗碳原理真空渗碳原理|渗碳气的分解 高纯天然气（CH4）或丙烷直接通入炉内CH4 =C+2H2C3H8=C2H4 + CH4 |吸收阶段|扩散阶段 2渗碳气的分解过程渗碳气的分解过程|甲烷的具体反应过程：甲烷的具体反应过程：CH4 = CH3+HCH4 +CH3 = C2H6 +HC2H6=C2H4 + H2 C2H4=C2H2 + H2 C2H2=2C + H2 |催化剂的作用：铁和钢的表面对甲烷分解起了良好催化剂的作用：铁和钢的表面对甲烷分解起了良好的催化作用的催化作用CH4=C + 2H2|1000以上分解较完全以上分解较完全3渗碳气的吸收阶段渗碳气的吸收阶段|化学反应在表层生成渗碳体：化学反应在表层生成渗碳体：3Fe+CH4=Fe3C+2H2薄层渗碳体分解出原子并向内部扩散；薄层渗碳体分解出原子并向内部扩散；|渗碳气分解产生的活性碳原子吸附在钢表面并融入渗碳气分解产生的活性碳原子吸附在钢表面并融入奥氏体内；奥氏体内；|化学热处理的过程：化学热处理的过程：表面净化过程表面净化过程吸附反应过程吸附反应过程吸收扩散形成渗层吸收扩散形成渗层4渗碳过程的扩散阶段渗碳过程的扩散阶段|渗碳气中的碳浓度与奥渗碳气中的碳浓度与奥氏体中饱和溶解度相等，氏体中饱和溶解度相等，则：则：|dT1/2/10（6700/T）1/2dT总渗碳深度，总渗碳深度，mmt-渗碳时间，渗碳时间，h T-渗碳温度，渗碳温度，+460 K-渗碳速度系数。

渗碳速度系数渗碳温度提高，渗碳效渗碳温度提高，渗碳效率大大提高率大大提高渗碳温度、时间渗碳温度、时间与总渗碳深度的关系曲线与总渗碳深度的关系曲线5真空渗碳工艺真空渗碳工艺|零件的清洗零件的清洗|零件的放置零件的放置|升温及均热升温及均热均热目的均热目的均热时均热时间的确定间的确定|渗碳期及扩散期渗碳期及扩散期6渗碳期及扩散期渗碳期及扩散期|渗碳剂|渗碳温度|渗碳方式|渗碳气的流量与渗碳压力|渗碳时间|渗碳期与扩散期时间的确定|脉冲渗碳方式的脉冲周期和次数的确定|渗碳后热处理7渗碳温度的确定渗碳温度的确定渗碳温度的适用范围渗碳温度的适用范围温度范围零件形状特点渗碳层深度零件类别渗碳气体1040较简单，外形要求不高深凸轮、轴齿轮 CH4C3H8+N2980一般一般C3H8C3H8+N2980以下形状复杂，变形要求严，渗层要求均匀较浅柴油机喷嘴等 C3H8C3H8+N28真空渗碳工艺流程真空渗碳工艺流程几种真空渗碳工艺流程几种真空渗碳工艺流程9时间的确定时间的确定|渗碳时间渗碳时间T|渗碳期时间渗碳期时间:Tc=T(C1-C0)/(C2-C0)2Tc 渗碳时间，渗碳时间，hC1渗碳后的表面浓度（技术要求渗碳后的表面浓度（技术要求)C2渗碳结束后表面碳浓度（渗碳温度下奥氏体最大渗碳结束后表面碳浓度（渗碳温度下奥氏体最大碳溶解度）碳溶解度）C0原材料的含碳量原材料的含碳量10电动机齿轮的真空渗碳电动机齿轮的真空渗碳20CrMo电机齿轮的形状电机齿轮的形状电机齿轮在料筐的堆放方式电机齿轮在料筐的堆放方式1-料筐，料筐，2-齿轮，齿轮，3-垫圈，垫圈，4-螺母，螺母，5-螺栓螺栓11渗碳层的分布渗碳层的分布|材料：20CrMo|渗层深度：及|硬度583HRC|带花键的内孔要求防渗|丙烷加氮气脉冲式渗碳，充气至10-4Pa，脉冲时间5min。

12齿轮真空渗碳后的金相组织齿轮真空渗碳后的金相组织齿轮（渗层）真空渗碳后金相组织照片（400）a）齿顶处 b) 齿工作面 c）心部13齿轮真空渗碳后的金相组织齿轮真空渗碳后的金相组织齿轮（渗层）真空渗碳后金相组织照片（400）a）齿顶处 b) 齿工作面 c）心部14电动机齿轮渗碳层金相电动机齿轮渗碳层金相渗碳后表面金相组织照片渗碳后表面金相组织照片a）真空渗碳（）真空渗碳（ 130) b) 滴注法气体渗碳（滴注法气体渗碳（600）15电动机齿轮渗碳层成分分析电动机齿轮渗碳层成分分析被氧化晶界处的探针分析a）O扫描分析 b) Mn扫描分析 c）Cr扫描分析16阀门电动装置零件阀门电动装置零件真空渗碳后的阀门电动装置阀门电动装置零件的真空渗碳工艺17蜗杆内渐开线花键孔真空渗碳蜗杆内渐开线花键孔真空渗碳气体渗碳后内渐开线花键孔的金相组织（退火）25真空渗碳后内渐开线花键孔的金相组织（退火）2518真空渗氮真空渗氮19概述概述|真空渗氮技术是利用真空加热时工件表面清洁无氧化等特点，采用真空热处理在负压下进行渗氮；|渗氮后工件表面硬度高，脆性小，渗氮层均匀能满足尖锐刃口刀具与冷冲模的技术要求真空渗氮时, 将真空炉排气至较高真空度(110-1Pa) , 然后将真空炉内工件升至(530 560) , 同时送入以氨气为主的, 含有活性物质的多种复合气体,并对各种气体的送入量进行精确控制, 炉压控制在665Pa, 保温(3 5) h 后实施炉内惰性气体的快速冷却。

根据不同的材质, 经此处理后可得到(20 80) m硬度为(600 1500)HV 的硬化层20真空脉冲渗氮影响因素真空脉冲渗氮影响因素|渗氮温度渗氮温度：真空渗氮温度过高，合金化合物粗大，渗：真空渗氮温度过高，合金化合物粗大，渗氮温度过低，渗层浅，合金化合物少，硬度低；氮温度过低，渗层浅，合金化合物少，硬度低；|炉压炉压：炉压上限越高，渗层的深度和硬度也好真空度：炉压上限越高，渗层的深度和硬度也好真空度越高，硬度和渗层的厚度较好；越高，硬度和渗层的厚度较好；|氮化时间氮化时间：时间增加，硬度增加，且有化合物层出现：时间增加，硬度增加，且有化合物层出现硬度增加越明显，渗层也加深脉冲时间过长，渗层硬度增加越明显，渗层也加深脉冲时间过长，渗层变薄，排出气不能充分燃烧，时间过短，表面脆性大变薄，排出气不能充分燃烧，时间过短，表面脆性大|氨气流量氨气流量：流量越多硬度越高，渗层加深：流量越多硬度越高，渗层加深214Cr5MnSiV1钢热挤压模真空渗氮工钢热挤压模真空渗氮工艺艺|真空渗氮是在低压状态下产生活性氮原子渗入并向真空渗氮是在低压状态下产生活性氮原子渗入并向钢中扩散而实现硬化的钢中扩散而实现硬化的“真空排气式氮碳共渗真空排气式氮碳共渗”处处理；理；|一般渗氮温度为一般渗氮温度为530560，保温时间，保温时间35h|低温碳氮共渗的渗层厚度只有在开始氮化的前低温碳氮共渗的渗层厚度只有在开始氮化的前34h 内增加显著，而后明显减慢。

内增加显著，而后明显减慢Q：压铸模具工作时：压铸模具工作时, 因集中性的急冷急热因集中性的急冷急热, 服役条件服役条件过严过严, 表面易发生热冲击裂纹、热粘着、熔损、浸蚀表面易发生热冲击裂纹、热粘着、熔损、浸蚀等缺陷对压铸型腔模以提高抗热冲击性能为主等缺陷对压铸型腔模以提高抗热冲击性能为主, 以以防止龟裂发生防止龟裂发生; 对铸芯或浇口、顶杆等以提高抗粘着、对铸芯或浇口、顶杆等以提高抗粘着、熔损、浸蚀为主熔损、浸蚀为主224Cr5MnSiV1钢真空渗氮试验钢真空渗氮试验|热处理工艺：热处理工艺： 1040 80min真空淬火真空淬火 +605 180min真空回火处理两次真空回火处理两次, |试样尺寸：试样尺寸：20mm 15mm 6mm；|试样材料：试样材料：试验材料4CrMnSiV化学成分（质量分数）/%23真空渗氮工艺流程真空渗氮工艺流程真空脉冲渗氮工艺曲线24六组试验结果六组试验结果4Cr5MoSiV 钢制铝型材热挤压模真空渗氮试验结果254Cr5MnSiV1钢真空渗氮层组织钢真空渗氮层组织|真空渗氮层组织中均无脉状晶组织存在真空渗氮层组织中均无脉状晶组织存在通过对氨流量及炉压的调控，可以获得仅有扩散层渗氮层和通过对氨流量及炉压的调控，可以获得仅有扩散层渗氮层和白亮化合物层白亮化合物层/ 扩散层的渗氮层两层。

扩散层的渗氮层两层真空渗氮层的显微组织400 a）N2 b）N3ab白亮层26白亮化合物层的获得及渗层厚度白亮化合物层的获得及渗层厚度|氨流量的变化：氨流量的变化：( N1、N2、N3、N6的比对）的比对）|适当提高氨流量可降低氨的分解率适当提高氨流量可降低氨的分解率, 减少工件表面减少工件表面氮气和氢气的吸附氮气和氢气的吸附, 从而增大工件表面对活性氮原子从而增大工件表面对活性氮原子的吸收的吸收,使渗层的厚度和硬度得到有效提高使渗层的厚度和硬度得到有效提高, |同时还通过循环交替的通入同时还通过循环交替的通入NH3和抽真空来调控炉内和抽真空来调控炉内的氨量的氨量, 以得到无化合物层、仅有扩散层的渗层组织以得到无化合物层、仅有扩散层的渗层组织(显微组织图中的显微组织图中的N2 ) , 随着氨流量达到一定值时随着氨流量达到一定值时, 工工件表面活性氮原子的浓度梯度不断增大件表面活性氮原子的浓度梯度不断增大, 当超过了其当超过了其在在xFe中的溶解度后中的溶解度后, 就会在表层开始形成白亮氮就会在表层开始形成白亮氮化物层化物层(显微组织图中的显微组织图中的N3 ) 27白亮化合物层的获得及渗层厚度白亮化合物层的获得及渗层厚度|N4前期加大氨流量以增大工件表面的活性氮原子的浓度梯度前期加大氨流量以增大工件表面的活性氮原子的浓度梯度, 强化氮原子不断由表面向内部的扩散强化氮原子不断由表面向内部的扩散, 从而可增加扩散层的厚从而可增加扩散层的厚度度, 而后期又减小了氨流量而后期又减小了氨流量, 可避免表面形成白亮氮化物层可避免表面形成白亮氮化物层, 从从而获得较为理想的渗层厚度及表面显微硬度而获得较为理想的渗层厚度及表面显微硬度(N4 ) , |相反相反, 试验试验N5中前期采用小的氨流量中前期采用小的氨流量, 影响了扩散层厚度的增加影响了扩散层厚度的增加, 而后期采用大的氨流量而后期采用大的氨流量, 促进了表面形成了白亮氮化物层。

促进了表面形成了白亮氮化物层28渗氮层显微硬度分布渗氮层显微硬度分布|N3 (白亮层白亮层+扩散层）扩散层）, N4（仅有（仅有扩散层）硬度分布都较为平缓；扩散层）硬度分布都较为平缓；|N4的硬度分布比的硬度分布比N3更为平缓，这更为平缓，这与与N3的试样表层形成白亮氮化物，的试样表层形成白亮氮化物，造成相邻的次表层合金元素的贫化，造成相邻的次表层合金元素的贫化，使得最外层的白亮层与次表层的硬使得最外层的白亮层与次表层的硬度梯度特别陡峭，会影响到热挤模度梯度特别陡峭，会影响到热挤模在热挤压过程中所承受的热疲劳状在热挤压过程中所承受的热疲劳状态，产生渗层剥离现象，降低挤压态，产生渗层剥离现象，降低挤压寿命有文献认为，仅有扩散层而寿命有文献认为，仅有扩散层而无氮化物层（白亮层）的氮化层韧无氮化物层（白亮层）的氮化层韧性最好性最好29真空渗氮层的性能真空渗氮层的性能|真空渗氮优点之一就是通过对真空渗氮优点之一就是通过对送入含活性物质的复合气体种送入含活性物质的复合气体种类和量的控制可以得到几乎没类和量的控制可以得到几乎没有化合物层有化合物层(白亮层白亮层) , 而只有而只有扩散层的组织扩散层的组织。

没有白亮层的原因据推测是因没有白亮层的原因据推测是因为在真空炉排气至真空度为为在真空炉排气至真空度为110-1Pa 很低的压力中处理很低的压力中处理的的, 最重要的一个是带有活性最重要的一个是带有活性物质的复合气体在短时间内向物质的复合气体在短时间内向钢中扩散生成的扩散层组织钢中扩散生成的扩散层组织这种组织的极大优点是耐热冲这种组织的极大优点是耐热冲击性、抗龟裂性能优异击性、抗龟裂性能优异1000次试验后断面裂纹的数量和长度磨损量与摩擦时间的关系30真空渗氮热挤压模的工作试验真空渗氮热挤压模的工作试验|N3试验模表层白亮化合物与次表层的硬度梯度较陡，减弱了试验模表层白亮化合物与次表层的硬度梯度较陡，减弱了两者间的结合力，降低了其在热挤压过程中的接触疲劳强度，两者间的结合力，降低了其在热挤压过程中的接触疲劳强度，造成渗层剥落，严重影响了挤压通过量；造成渗层剥落，严重影响了挤压通过量；|N4说明仅有扩散。