金属表面热处理渗碳工艺对比.docx

金属表面热处理渗碳工艺的对比一、热处理发展历史在实用生产技术发展上值得回顾的有：①1890年英国首次公布了制备不可燃气氛发生炉 的专利，该气氛用于金属的光亮热处理，德国的A.富利1921年申请了在井式炉中通氨渗氮 的专利②P. P.阿诺索夫在1837年就倡导用气体渗碳法，而经过100年后（1935年）前 苏联的利哈乔夫汽车厂才有了第一台用煤油裂解气的罐式连续渗碳炉；直到20世纪50年代 才逐步取代了固体渗碳和用氤盐的液体渗碳③前苏联的G. V.沃罗格金在20世纪40年代 逐步把感应加热技术应用到炼钢、锻造加热和表面淬火热处理等领域④20世纪40年代末 出现了用LiCl露点仪的碳势可控渗碳⑤离子渗氮于20世纪30年代在德国就有了专利，而 KlÊ； ckner公司是在20世纪50年代末才开发出商品设备，并推向工业应用⑥20世 纪60年代初瑞士的H.魏斯发明了在井式炉中的CARBOMAAG滴注可控渗碳法⑦20世纪60 年代中期，用吸热式气（载气）、甲烷或丙烷（作富化气）并用CO2红外仪测控炉气碳势的可 控渗碳在汽车工业中得到推广与此同时第一代的冷壁式真空加热油中淬火炉和真空渗碳炉 问世。

⑧20世纪50年代开发，60年代推广的被称作Tenifer或Tufftride商品名称的盐浴 氮碳共渗，使渗氮周期由数十小时缩短到1h〜2h，可明显提高传动件的抗疲劳、耐磨性和抗 咬合能力；由于处理温度低（＜5800，工件畸变小，其缺点是所用氤盐剧毒、废盐废水需 妥善处理⑨为避免使用剧毒的氤盐， 20世纪60年代后期开发出了 NH3 +吸热式气（Nikotrier）和NH3 + CO2 （Nitroc）在570°C的井式或箱式炉中施行的气体氮碳共渗法，随 后在汽车曲轴、低载齿轮等零件上获得广泛应用⑩20世纪50年代高分子聚合物溶液开始 用做淬火剂最早使用的此类聚合物是聚乙烯醇（PVA），以0.1%〜0.3%的浓度用做感应加热 件的喷冷淬火，其冷却能力介于水油之间，不易燃、无污染20世纪60年代美国联碳公司 推出UCON （PAG）系列合成淬火剂，可代替油用于铁和非铁合金的淬火及固溶处理的冷却 随后又有一系列其它类别的合成淬火剂商品问世11）高、中、工频以及超音频和超高频、超 高频脉冲感应加热表面热处理工艺广泛应用各种静态固体电路高频、大功率电源相继问世， 全自动程控多工位淬火机床和自动装卸料机械手或机器人获得工业应用。

12）20世纪80年代 氧探头逐步代替红外仪用于炉气碳势控制的传感器和计算机仿真自适应控制、无损检测技术、 机器人装卸结合，使大批量生产的汽车零件的渗碳、淬火、清洗、回火、质检全过程实现自 动化和无人作业13）20世纪90年代，欧洲IpsenInternational、ALD和ECM等公司相继推 出低压渗碳、低压离子渗碳和高压气淬的周期炉和半连续生产线，为提高效率、改善质量、 减少畸变和保护环境作出了贡献，为汽车工业热处理未来提供了前景近20年来，热处理新 技术的大量涌现，为机器制造业的发展、机械产品质量的提高、热处理企业的技术改造积累 了大量的技术储备，为热处理生产技术的进步提供了广阔前景二、氨气的作用：提高淬透性渗碳淬火后的齿轮零件正常的组织应该是马氏体与残余奥氏体，但在实际生产中经常发 现在渗碳淬火件的表层出现连续、断续的黑色组织或沿晶界分布的黑色氧化物普遍的理论 认为是由于内氧化使合金元素贫化、淬透性下降导致形成屈氏体类组织，这类组织就被称为 非马氏体组织非马氏体组织深度如果超标严重，反映在力学性能上就是出现零件表面硬度 低头的现象，影响硬度梯度在实际使用中会降低齿轮的耐磨性和疲劳寿命，危害比较严重。

尽可能选择含Cr、Mo、V、Mn和Ni等高淬透性的低碳合金钢作为齿轮原材料对渗碳后的零 件采取剧烈的冷却方式（比如强力搅拌）可以有效地减少非马氏体组织，但前提是不能使零件产生开裂或严重的变形因此在零件变形允许的条件下，尽可能采用激烈的冷却介质和采取 剧烈的冷却方式例如对大的轴齿类零件采用强力搅拌的冷却方式，可以有效地提高齿轮心 部硬度及减少非马氏体组织在渗碳工艺的扩散段，当炉温降至860°C左右时，开始通入氨 气(流量为0.3m3/h)，一直到零件淬火关闭该方法的原理是，通入氨气给零件渗氮，由于氮 原子的渗入，可以补充由于内氧化减少的合金元素，在一定程度上提高了零件表层的淬透性， 因此减少了非马氏体组织(参考文献：李新斌，齿轮渗碳淬火表层非马氏体组织产生的原因 及对策[J].热加工工艺,2010,39(04):161-172.)三、各种渗碳方法的比较方法条件反应特性固体渗碳法(pack carburizin g)1、 A、零件装入渗碳箱B、渗碳洌充填后 加盖，粘土密封 C、加熟:®加熟于 850-950C，持温约6~24小畤D、加 热完，取出渗碳箱:®外冷谷L冷却后取 出零件(可加以热处理)2、 渗碳膂U :木炭粉末(的90%)和促逵割 (BaCO3 或 Na2CO3 冬勺 10%)A:主要反应式：C + CO2 = 2CO(CO2少许)(1) 木炭表面：C + O2 = CO2 (2)零件表面：yFe+2CO-yFe〔C〕 +CO2 (3)〔C〕，雷舄初生碳 或活性碳(nascent Carbon)B:固憩反雁甚慢。

加入促逵洌:BaCO3，Na2CO3, LiCO3 , SrCO3 可促逵反雁BaCO3 + C 一2CO + BaO (4)Na2CO3 + C 一2CO + Na2O (5)C、处理温度越高，处理时间越长，渗碳层厚 度越大液体渗碳法(liquid carburizin g)1、 将钢料浸入以氰化钠(NaCN)为主成 分的溶融盐浴中，NaCN分解出C和N 渗入钢料表层因为同时渗碳及氰化， 亦称为渗碳氮化(Carbonitriding)2、 处理温度约以700C为界，此温度以下 以氮化为主，渗碳为辅，700C以上则 渗碳为主，氮化为辅3、 渗碳洌主成分：NaCN,添加NaCl、 NaCO3、BaCl2(减轻NaCN氧化、挥发、 劣化，BaCl2促进渗碳)4、 处理的零件200-500C预热处理：A:减 少温度降低和热应变B:蒸发附着水 分，防止爆炸5、 NaCN随溶融时间增加而劣化，添加补 充剂，保持渗碳能力钢箔实验：淬 火后做弯曲实验或化学分析)注：补充 剂应提前预热A:主要反应式：2 NaCN + 02 = 2 NaCNO (1) NaCN + C02= NaCNO + CO (2) 高温：4 NaCNO = 2 NaCNO + N忌 CO3 + CO +2 N (3)低温：5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N (4)渗碳反应：Fe + 2 CO = Fe(C)+ CO2 (5) 氮化反应：Fe + N = Fe(N) (6)B、 随温度增加碳浓度增加而氮浓度减少。

一 般液体渗碳温度较高所以渗碳反应为主体C、 钢箔试验：(1)能反复弯曲，碳含量0.1% 左右，无渗碳能力(2)可弯曲，一定角度折 断，碳含量0.3-0.5%，渗碳能力降低，需补充 剂U3)马上折断，碳含量0.5%以上，渗碳 能力良好气体渗碳法(gas carburizing)1、 将碳化气体(C4H10，c3h8, ch4等)和空气相混合后，通过1000〜1100C Ni触媒，使碳化氢和空气反应生成吸热 型控制炉气即变成气体(Converted Gas)输送气体+增碳气体)A、 主要反应式：2CO=〔C〕+CO2 (1)CO+H2= 〔C〕 +H2O (2)CH4= 〔C〕 +2H2 (3)B、 渗碳期间的碳势控制：CH4+CO2=2CO+2H2 (4)CH4+H2O=CO+3H2 (5)2、 将此气体送进无外气泄入的加热炉内 施行渗碳3、 变成气体组成：CO=20%、H2=40%、n2余量，内含微量co2、h2o、ch44、 去除煤烟（soot）即burnout5、 煤气调整作业（seasoning）C、 控制炉气中CO2或H2O量控制渗碳的碳势， 添加CH4、C3H8、C4H10控制炉气中的CO2和 H2。

D、 气体渗碳优点：（1）容易调节渗碳浓度（2） 渗碳效果均匀（3）可直接淬火（4）利用扩散 可容易调节渗碳层（5）热效率好（6）作业清 洁且简单真空渗碳法 (vaccum carburizin g)1、 利用真空热处理炉，在减压状态下使用 ch4、c3h8等渗碳性气体施行钢料零件 的渗碳温度约1030-105O°C2、 真空渗碳作业可分为以下阶段：（1）预 热（2）均热（3）渗碳（4）扩散（5） 晶粒微细化（6）淬火加热（7）淬火3、 真空无法渗碳，需适当渗碳剂参与，渗 碳剂一般为：ch4、c3h8等A、 主要反应式如：Fe+CH4-Fe（c）+2H2B、 CH4渗碳时分解慢，不易平衡，C3H8分解 太快，容易产生大量煤烟，碳势难控制，所以 一般在渗碳期间先使钢料表层发生过剩渗碳， 然后扩散方式把钢料表面碳量调整到所需数 值C、 真空渗碳是通过渗碳时间与扩散时间配合 来控制表面碳量和渗碳深度D、 真空渗碳优点：（1）渗碳层表面碳量和渗 碳深度控制简单、准确（2）渗碳效果均匀（3） 可缩短作业时间（4）渗碳后零件扔保持辉面 状态离子渗碳法 (ion carburizing)1、 在真空反应炉装上处理件后，真空泵把炉内压力降到10-2-10-3torr，把Ar和 ch4或c3h8通入炉内，配合处理条件 降到一定压力，以炉体为阳极，处理件 为阴极，两极间通数百伏特直流电发生 辉光放电（glow discharge）产生高温电 浆，碳离子高速冲向处理件表面，可直 接将离子注入表面或发生阴极溅散形 成FeN。

类似离子氮化）A、 主要反应式：Fe+C=FeCB、 离子渗碳特点：（1）利用辉光放电加热， 所以无需特别的加热装置（2）防止碳化的部 位，不用做碳化防止镀覆，只要把该部位用软 钢板覆盖即可（3）只要处理件被加热，电力 消费少（4）为保证辉光放电，处理件装入密 度有限度，比较难做大量处理四、铝合金淬火介质的分类及特性实际使用的淬火介质种类繁多，一般可分为液体（水、无机物水溶液、有机聚合物水溶液、 淬火油、熔融金属、熔盐、熔碱等）、气体（空气、压缩空气、液化气等）、固体（流态床、金 属板等）三大类其中，水、无机物水溶液、有机聚合物水溶液、各种淬火油等，在淬火时要 发生物态转变，而气体、熔盐金属、熔碱、熔盐等，在淬火时则不发生物态变化工件淬火希 望的理想效果是获得高而均匀的表面硬度和足够的淬硬深度，消除淬火裂纹和减小淬火变形 即实现“高温阶段快冷，低温阶段慢冷”的理想冷却通常对淬火介质特性的要求是应满足冷却转变曲线对冷却速度的要求，避免工件变形和 开裂;淬火后工件表面应保持清洁;在使用过程中性能稳定，不分解、不变质、不老化、易于 控制;工件浸入时不产生大量烟雾和有害气体，以保持良好的劳动条件；便于配置、运输和存 储，使用安全:原材料易得，成本廉价。

淬火介质的冷却能力，主要取决于该介质的组成及其 物理化学性能在实际运用中，要注意淬火介质冷却特性对淬火工件的质量影响，并根据工 件的合金成分多少、淬透性高低、有效厚度和形状复杂程度等因素，来选择合适的淬火介质 采用同一种淬火介质，如果能够改进冷却方法和适当调整工艺参数，则可以获得最佳淬火效 果例如，对淬火介质进行循环、搅拌或施以一定的压力通过工件表面时，可提高淬火介质 的冷却能力和工件冷却的均匀性，这对于避免形成淬火软点、减少变形和开裂具有良好的作。