第五章 金属的化学热处理山东科技大学材料科学与工程学院

概述

1 、概念 将金属制件放在特定的活性介质中，加热保温使一种或几种元素渗入它的表层，改变其表面的化学成分和组织，以达到改变表面性能，满足技术要求的热处理工艺总称。 简单说是向钢的表面渗入某种元素的热处理工艺。 注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。

概述

2 、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能。1 ）碳钢渗 C 或 C 、 N 共渗→（淬火）获得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好 的塑韧性。2 ）渗氮（软 N 化或离子渗 N ）→表面耐磨、抗腐蚀3 ）渗 Al→ 提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。

3 、方法1. 渗入法—在零件表面渗入某种元素 渗碳、渗氮、渗硼、渗铝、碳氮共渗等溶于

Fe 形成固溶体或与 Fe 形成化合物2. 沉积法—将具有某种特殊性能的化合物直接沉积于基

体表面 物理气相沉积、化学气相沉积

概述

4 、分类以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。

1 ）渗入非金属元素： 单元渗： C 、 N 、 B 、 O 、 S 、 Si 等； 多元渗： C ＋ N 、 O ＋ N 、 O ＋ C ＋ N

2 ）渗入金属元素： 单元渗： Al 、 Cr 、 Ti 、 Nb 、 V 、 Zn

多元渗： Al ＋ Si 、 Al ＋ Cr 、 Al ＋ V 、 Al ＋ Cr ＋ Si

3 ）渗入元素对表面性能作用分类：提高渗层强度及耐磨性→渗 C 、 N 、 B 、 Nb 、 V 等。高抗氧化、耐高温→ Al 、 Cr 。提高抗啮合、抗擦伤→渗 S 、 N 、磷化等。提高抗腐性能→渗 N 、渗 Si 、渗 Zn 。 4 ）质的物理状态分：固体―如固体渗 C 、固体渗 B 等。液体―如盐溶炉渗 B 或 B 、 C 、 N 共渗等，渗 Al 等金属 气体―气体渗 C 和 C 、 N 共渗。

4 、分类

4 ）能获得具有特殊性能的表面层 3 ）经济效果好2 ）具有较好的工艺性1 ）不受工件几何形状的限制

5 、特点

不受工件几何形状的限制

即任何几何形状复杂的工件经过化学 热处理后，均可获得沿其轮廓分布的均一的表面化学热处理层

具有较好的工艺性如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷 却介质的敏感性较小等等

经济效果好

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表面性能高的工 件。经化学热处理的碳钢件的表层性能不亚于同类合金钢的性能。

如耐腐蚀性、耐磨性等

5.1 基本原理一、化学热处理的基本过程基本过程—— 大致分为三个阶段：1. 分解阶段：渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活 性原子2. 吸收阶段：活性原子被金属表面吸收3. 扩散阶段：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

渗剂一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质。例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠

2232 COONaCONa

23 COBaOBaCO

COCCO 22 ][2 2 CCOCO 界面反应

1 、渗剂分解

化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的反应有：1 ）分解反应：如普通气体渗碳、渗氮时，

2 ）置换反应：渗金属时，

3 ）还原反应：如渗金属时，

中FeCHCH ][2 34

中FeNHNH ][232 33

MeFeClFeMeClx 3

MeHClHMeClx 2

1 、渗剂分解

2 、吸附过程及影响因素 固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理吸附

和化学吸附两类。 1 ）物理吸附：没有电子转移和化学键生成的吸附现象。 这种吸附能迅速达到平衡，并在较低温度下发生。 温度升高时吸附量下降，温度下降时吸附量又增加。 2 ）化学吸附：当气体（吸附质）与金属表面（吸附剂）接触时二者以

高速发生反应形成化学键，即发生电子交换，组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。

化学吸附在低温时速度较小，随温度升高明显增大，这种吸附可以使分子解离。

吸附是物质在相界面上自动聚集的过程。 吸附过程并非在固体表面均匀进行，吸附中心往往出

现在表面的一些缺陷处。 吸收过程就是活性原子由钢的表面进入晶格的过程。 钢的表面上存在大量的位错和晶界，为活性原子的渗

入提供了方便的通道。

2 、吸附过程及影响因素

扩散指金属表面溶入被渗元素后，该元素浓度增加，形成浓度差，发生迁移现象。

（ 1 ）纯扩散与反应扩散 纯扩散指渗入元素原子在母相金属中形成固溶体 , 在扩散过程中

不发生相变或化合物的形成和分解。 纯扩散常发生在化学热处理的初期，或渗剂的活性不足以形成饱

和浓度的场合。如渗碳。 反应扩散指通过扩散使固溶体溶质组元的浓度超过固溶度极限而

形成新相的过程。

3 、化学热处理的扩散过程

在化学热处理中，渗入元素原子在金属中形成的固溶体有两种： 当渗入元素为原子半径较小的非金属元素（ C 、 N 、 B) 时，其

与金属形成间隙固溶体； 当渗入元素是金属元素时，其与原金属形成置换固溶体（铝、铬、硅、锌等）。

3 、化学热处理的扩散过程

渗层指在钢的表面渗入某种元素后，从表面向内保持该元素较高浓度的距离。

（ 2 ）影响渗层深度的因素：

20MnSi 930℃ 渗碳 10h 后硬度

320340360380400420440

0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 mm离表面的距离

HV

显微

硬度

1 ）渗层深度与扩散时间的关系

说明渗层深度 δ 与时间 t 呈抛物线关系；

即延长化学热处理时间，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低；

随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。

12 K

（ 2 ）影响渗层深度的因素：

RTQ

eK

22

2 ）渗层深度与温度的关系

渗层深度与温度呈指数关系，因而温度对深度的影响，远比时间的影响强。3 ）表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。

（ 2 ）影响渗层深度的因素：

（ 3 ）扩散层的组织结构 扩散层的

组织结构可以根据基体金属与渗入元素的合金状态图及扩散条件来确定。

扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）

T1

Cm Cmin

A

T/℃

Cmax

1 2 3 4Cm

CminCmax

AnBm

由表至里距离AnBm

AnBm′α

表面α A

AnBm′ α AAnBm′ α AAnBm

T1 温度下扩散层组织变化过程

T1 温度下扩散层组织AnBm′ α AAnBm

冷却到室温后扩散层组织AnBm′ α AAnBm

快冷

慢冷AnBm′ AnBm′

+α AAnBm α

（ 3 ）扩散层的组织结构

1 、物理催渗法 概念：是利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（等

离子场、真空、高频、电磁场等），加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等。

基本方法：A) 高温化学热处理；B) 高压或负压化学热处理；C) 高频化学热处理；D)采用弹性振荡加速。

二、加速化学热处理过程的途径

2 、化学催渗法 概念： 是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分

解，去除表面钝化膜，改善工件表面活化状态，以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。从而提高渗入能力。

分类：A)卤化物催渗法；B ）提高渗剂活性的催渗方法。

二、加速化学热处理过程的途径

5.2 钢的渗碳一、渗碳的概述 概念： 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。 目的： 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 心部保持良好的塑性与韧性。

分类： 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。 渗碳的材料 含碳量为 0.1－ 0.3％的低碳钢或合金钢。 低淬透性、低强度： 15 、 20 、 25

中等强度，淬透性： 20Cr 、 20Mn2 、 20MnV

高强度，淬透性： 20CrMnTi 、 20CrMnMo 等。 超高强度： 20Cr2Ni4A 、 18Cr2Ni4WA

5.2 钢的渗碳

(1) 固体渗碳法

固体渗碳过程主要由下列步骤组成：

①在灼热的固体碳表面上， CO2与碳反应生成 CO；②在金属工件表面， CO 分解析出活性碳原子；③活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。

a 、固体渗碳剂固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂组成。供碳剂一般为木炭、焦炭；催化剂一般是碳酸盐。木炭与渗碳箱内的氧气发生反应： C+O2→CO2, CO2+C→2CO

2CO→CO2+[C]

催化剂的反应为： BaCO3→BaO+CO2, CO2+C→2CO

Na2CO3→Na2O+CO2, CO2+C→2CO

(1) 固体渗碳法

b 、固体渗碳工艺 把工件埋入渗碳箱中，四周填满固体渗碳剂，并用盖和耐火泥将箱密封，然后送入加热炉中，加热至渗碳温度 (900 930°C)∼ ，保温一定时间后出炉，即得所需样品。

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。

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。

(1) 固体渗碳法

(2) 液体渗碳法在熔融状态的盐溶渗碳剂中进行渗碳的工艺。1)液体渗碳用盐 液体渗碳盐浴一般由中性盐和渗碳剂组成，中性盐一般不参与渗碳反应，主要起调整盐浴密度、熔点和流动性的作用。 传统的渗碳盐浴以 NaCN 为供碳剂，这种盐浴相对易于控制，渗碳件表面碳含量较稳定，但氰盐有剧毒。 近年来发展了低氰渗碳盐浴（ NaCN 含量保持在 0.7-2.3% ）和无 NaCN型渗碳盐浴（用木炭粉和 SiC 作为供碳剂）。

2)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，可采用较低的渗碳温度（ 850 9∼00°C ）； 对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（ 910 950°C∼ ）。温度一定条件下，渗碳保温时间由渗层深度决定。3)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，适合于处理中、小型零件。缺点：多数盐浴有毒。

(2) 液体渗碳法

4)液体渗碳后的冷却方式①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）。②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。

(2) 液体渗碳法

（ 1 ）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。

（ 2 ）特点： 操 作 简

便，周期短，质量容易

控制，劳动条件好。 气体渗碳示意图

（ 3 ） 气体渗碳

气体渗碳装置示意图井式气体渗碳炉

（ 3 ） 气体渗碳

气体渗碳根据所用渗碳气体的产生办法及种类，可分为滴注式、吸热式和氮基式三种气体渗碳方法。1) 、滴注式气体渗碳 滴注式气体渗碳是指将苯、醇、煤油等有机液体直接滴入渗碳炉中裂解进行气体渗碳的方法。 滴注式气体渗碳，一般采用两种有机液体同时滴入炉内。一种液体高温下分解产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体高温下分解产生的气体碳势较高，作为渗碳气体。

（ 3 ） 气体渗碳

滴注剂的选择原则①渗碳能力强，足够的活性原子 用碳氧比与碳当量衡量（液体介质） 碳氧比：分子式中碳氧原子数之比。 C/O越大，分解的活性碳原子越多 渗碳能力越强。 甲醇 CH2OH C/O=1

乙醇 C2H2OH C/O=2

丙酮 CH3COCH3 C/O=3

碳当量：产生一克分子碳所需该物质的量。 碳当量越小，渗碳能力越强。 甲醇 CH2OH 碳当量＝ 64

乙醇 C2H2OH 碳当量＝ 46

丙酮 CH3COCH3 碳当量＝ 29

渗碳能力由强至弱顺序： 丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇 ②气氛成分的稳定性 ③原料经济，来源方便，无公害

（ 3 ）气体渗碳

碳势调节方法：①改变两种液体的滴入比例来调节碳势。②使用几种渗碳能力不同的液体，通过改变液滴来调节碳势。滴注式气体的渗碳过程 :

分为四个阶段：排气、强渗、扩散及降温出炉①排气阶段：加大渗碳剂（稀释剂）滴量，使炉内氧化性气氛

迅速减少。②强渗阶段：渗碳剂滴量较多，保证炉气有较高碳势，以提高

渗碳速度。

（ 3 ）气体渗碳

③扩散阶段：减少渗碳剂滴量，保持预定的碳势，使表层过剩的碳向内部扩散，最后得到要求的深度及合适的碳含量分布。

④降温出炉阶段：直接淬火的工件，随炉冷至适宜的淬火温度，保温 15 30min∼ 后出炉淬火；需重新加热淬火的工件，自渗碳温度出炉后在空气中冷却。

（ 3 ）气体渗碳

2) 吸热式气氛气体渗碳 吸热式气氛渗碳时，炉内渗碳气体由吸热式气体（ CO 、 H2、 N2、 H2O 、 CO2、 O2等）加富化气（ CH4、 C3H8）组成。 吸热式气氛由一定比例的原料气（天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物）和空气混合，通过内部催化剂、外部加热的反应罐，经吸热反应制备所得的气氛。 吸热式气氛的化学反应通式：

3) 氮基气氛渗碳 氮基气氛渗碳是一种以纯氮为载体，添加碳氢化合物进行气体渗碳的工艺方法。特点：①不需要气体发生装置。②成分与吸热式气氛基本相同，渗碳层深度的均匀性不低于吸热式气氛渗碳。③具有与吸热式气氛相同的点燃极限，由于 N2能自动安全吹灭，故采用氮气气氛的工艺具有更大的安全性。④渗碳速度不低于吸热式气氛渗碳。

(4) 真空渗碳法1) 真空渗碳的温度和适用范围

特点a 由于将渗碳温度由普通气体渗碳时 900 950°C∼ 提高到

1030 1050°C∼ 以上，以及由于真空加热的表面净化作用所造成的表面活化状态，使渗碳时间显著缩短。

b. 渗碳表面质量好，渗碳层均匀，没有过渡渗碳的危险等，无脱碳现象，工件变形小，节省能源。

c. 作业条件好，如排除了烟、热对环境的污染等。

二、评定渗碳质量的主要技术指标：1 、渗碳层的碳浓度： 0.85－ 1.05％ 。碳浓度低，则耐磨性不够，疲劳强度较低。碳浓度过高渗层变脆，出现网状或块状碳化物，则很容易剥落影响使用寿命。渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求，渗层的碳浓度梯度应平衡下降。

(4) 真空渗碳法

2 渗层深度 ：为了提高工件的疲劳强度，渗碳层的总厚度和工件断面之间有一个经验的比例关系：

R)2.0~1.0(轴类m)3.0~2.0(齿轮t)3.0~2.0(薄片零件

R－半径 (mm)； m－模数 (mm)； t －厚度 (mm) 。一般情况，小截面工件渗层深度不大于工件截面的 20％； 大截面工件渗层深度不大于 2~3mm 。

(4) 真空渗碳法

工件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为获得理想的性能，需要进行热处理。 渗碳后热处理的目的a. 提高工件表面的强度、硬度和耐磨性能；b. 提高心部的强度和韧性；c. 细化晶粒；d. 消除网状碳化物和减少残留奥氏体；e. 消除内应力，稳定尺寸。

5.2.6 渗碳后的热处理

5.2.6 渗碳后的热处理

1 、直接淬火渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合于气体或液体渗碳，固体渗碳不适合。2 、一次淬火法工件渗碳后随炉冷却到室温，然后再重新加热到淬火温度，经保温后淬火。3 、两次淬火法将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。注意：淬火后需要进行低温回火。

5.2.6 渗碳后的热处理

1 、直接淬火法本质细晶粒钢渗碳件，渗碳后晶粒不易长大，渗碳后可直接预冷淬火＋ 18

0～ 200ºC 低温回火

5.2.6 渗碳后的热处理

优点：减少加热和冷却的次数，使操作简化、生产效率 提高，还可减少淬火变形及表面氧化脱碳。缺点：渗碳温度高，奥氏体晶粒粗大，淬火后 A’ 较多，工件性能下降。只适用于本质细晶粒钢或性能要求较低的零件。

5.2.6 渗碳后的热处理

工件渗碳后直接出炉，空冷至室温，然后再重新加热淬火。淬火温度的选择要兼顾表面和心部的要求。 ①心部要求较高强韧性的零件，加热至心部 Ac3稍上。 心部 :细小的低碳 M； 表面可消除网状渗碳体； 晶粒较粗大，残余奥氏体较多，影响耐磨性。 ②对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选择在 Ac1稍上， 表面层为 M 、未溶碳化物和少量残余奥氏体 心部低碳 M 和未溶铁素体。

2 、一次淬火法

3 、二次淬火

将渗碳后的工件置于空气中冷却，然后再进行两次淬火和低温回火。第一次淬火温度： Ac3+30-50℃，目的：细化心部组织，使淬火后心部组织为细晶粒低碳马氏体，消除渗层的网状碳化物。

第二次淬火温度： Ac1+30-50℃，目的：使表层得到细针状马氏体和呈小颗粒状分布的二次渗碳体，减少渗层的残留奥氏体数量。优点：能获得较好的表面和心部组织。缺点：工艺较复杂，工件易氧化、脱碳和变形。仅在当直接淬火、一次淬火无法满足要求时才使用。

3 、二次淬火

1 、渗碳后缓冷到室温下的组织表面过共析区： P＋ Fe3CII；接近共析区： P；亚共析区（过渡区）： F＋P；心部：原始组织。

共析区过共析区

五、渗碳后的组织与性能

渗碳后缓冷，渗层分三个区域：①过共析层： OA 段珠光体＋网状渗碳体②共析层： A 段珠光体③过渡层： AC 段珠光体＋铁素体 心部原始组织：大量铁素体＋少量珠光体

五、渗碳后的组织与性能

渗碳层的组织

过共析组织 (P+Fe3CⅡ)

共析组织 (P)

过渡区亚共析组织 (P+F)

原始亚共析组织 (F+P)

2 、渗碳后淬火加低温回火后的组织：表面：回火马氏体 + 颗粒状碳化物 + 残余奥氏体；心部组织依据钢种来确定。若为低碳钢，淬透性差，为铁素体 + 珠光体；若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。

亚共析区 心部

表面：具有较高的硬度、耐磨性以及疲劳强度； 心部：具有良好的塑性与韧性。

3 、性能

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 0.9％左右 。（ 2 ）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，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，使工件表面产生剥落。

（ 4 ）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，会使表面残余压应力降低，工件韧性下降，疲劳强度降低。

渗碳件的组织对性能的影响

1 、渗碳层的深度的检查（测定） 常用随炉渗碳试样来判别。（ 1 ）断口分析法：将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断口呈白色瓷状，未渗碳部位为灰色纤维状，两层交界处的含碳量约为 0.4％。为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光， 4％硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直接用读数放大镜测出渗层深度。（ 2 ）金相分析法：退火态下测量。 碳钢件：从表面测到过渡区的 1/2 处。 合金钢：从表面到出现原始组织为止。

六、渗碳件的质量检查

（ 3 ）硬度法：渗碳渗层深度为从表面向里到硬度 HV550 。2 、硬度检查： 根据技术要求和工艺规定的部位检查硬度。 一般要求检查淬火及低温回火后的表面硬度 ( 大于 58HRC) 和心部硬度。 3 、金相组织检查 渗碳件淬火及回火后的金相组织检查，包括表层碳化物的数量，分布特征，马氏体粗细，残余奥氏体的含量，心部游离铁素体的数量大小分布状态。

六、渗碳件的质量检查

图 5-21 块状碳化物级别 8 级 400×

七、渗 C 缺陷及控制1. 表面粗大网状、块状碳化物

控制方法：降低渗碳剂浓度、数量，强渗期温度调低。

形成原因： 碳势太高，温度太高， 保温时间太长。

返修方法：调整碳势并补渗；脱 C 层≤ 0.02mm 时，喷丸处理

18CrMnTi 渗碳表面脱碳

2. 表层贫碳或脱碳形成原因：扩散期碳势降低太多，炉子漏气，缓冷或出炉时氧化脱碳

七、渗 C 缺陷及控制

形成成因：渗 C 或淬火温度过高， 使 A 中的C及含 C 量过高。防止方法：降低碳势，降低渗 C 温度和淬火温度，降低重淬温度。返修方法：（ 1 ）深冷处理， 使 A′→M

（ 2 ）高温回火后重淬 表面大量残余奥氏体 400×

3.表面大量残余奥氏体

七、渗 C 缺陷及控制

形成成因：炉温不均匀，炉气循环不好，碳黑沉积在工件表面 ,固体渗 C 时，渗剂不均匀

4. 渗 C 层深度不均匀

形成原因：炉温低，碳势低， 漏气，装炉量过大等防止办法：检查渗剂给入量，修复 炉子不良状况，清理 沉积碳黑。返修方法：补渗

5. 渗层深度不够

七、渗 C 缺陷及控制

7. 表面硬度低形成成因：表面碳浓度低， A′ 量多，或表面形成屈氏体组织返修方法：补渗、深冷、重淬。8. 变形 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9.开裂——在缓冷过程中产生表面裂纹 形成成因：渗 C 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 面为 A ，继续冷却时 A→M ，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。

七、渗 C 缺陷及控制

用 20 钢制造的 20mm 的小轴，经 930 ℃ ， 5 小时渗碳后，表面碳的质量分数增加至 1.2％，分析经下列热处理后表面及心部的组织： 20 钢 AC3 为 855℃， Ar3 为 835℃； T12 钢 Acm

为 820 ℃(1) 渗碳后缓冷到室温。(2) 渗碳后直接淬火，然后低温回火。(3) 渗碳后预冷到 820℃，保温后淬火，低温回火。(4) 渗碳后缓冷到室温，再加热到 880 ℃后淬火，低温回火。(5) 渗碳后缓冷到室温，再加热到 780 ℃后淬火，低温回火。

习题

1 、有一 φ10mm 的 20# 钢制工件，经渗碳热处理后空冷，随后进行正常的淬火、低温回火处理，试分析工件在渗碳空冷后以及淬火回火后，由表面到心部的组织。

1 、有一 φ10mm 的 20# 钢制工件，经渗碳热处理后空冷，随后进行正常的淬火、回火处理，试分析工件在渗碳空冷后以及淬火回火后，由表面到心部的组织。答： 1 ）渗碳空冷后：由表及里：表面：网状渗碳体 +珠光体 相当于 T12 平衡组织次层： 100% 珠光体 相当于 T8 平衡组织再次层：珠光体 +少量先共析铁素体 相当于 45# 钢 平衡组织心部： 大量先共析铁素体 +少量珠光体 相当于 20# 钢 平衡组织由表及里是逐渐过渡的。2 ）渗碳淬火 +回火处理：表面：断续网状渗碳体 +回火马氏体 +参与奥氏体 相当于 T12 淬火组织次层：回火马氏体 +残余奥氏体 相当于 T8 淬火组织再次层：少量铁素体 +回火马氏体 +残余奥氏体 相当于 45# 钢 亚温淬火组织心部： 大量析铁素体 +回火马氏体 +残余奥氏体 相当于 20# 钢 亚温淬火组织

5-3 金属的渗氮 定义：钢铁工件在一定温度的

含有活性氮的介质中保温一定时间，使其表面渗入氮原子的过程称为渗氮或氮化。

目的：提高工件的表面硬度、疲劳强度、耐磨性、耐蚀性及抗咬合性。

α 相—氮溶于 α-Fe 中的固溶体（含氮铁素体），体心立方结构， N 含量<0.11% 。

γ’ 相—以 Fe4N 为基的固溶体，面心立方结构， N 含量 5.7-6.1% 。 ε 相—以 Fe3N 为基的固溶体，密排六方结构， N 含量 8.25-11% 。 γ 相—存在于共析温度 (590°C)之上，含氮奥氏体，面心立方结构。 ξ 相—以 Fe2N 为基的固溶体，正交结构， N 含量 11-11.35% 。极脆，容

易脆裂和剥落，渗氮时应避免此相出现。两个共析反应：590℃： γ→α＋ γ’ 650℃： ε →γ＋ γ’

5-3 金属的渗氮

钢的渗氮过程 钢铁的渗氮过程和其它化学热处理过程一样，由分解、吸收、扩散三个基本过程组成。

渗剂的分解：指渗剂中分解出含有活性氮原子的物质。使用最多的渗氮介质是氨气。

2NH3→3H2+2[N]

活性氮原子遇到铁原子时发生如下反应： Fe + [N] →Fe(N)

4Fe + [N] →Fe4N （ γ’ ） 3Fe + [N] →Fe3N （ ξ ） 2Fe + [N] →Fe2N （ ε ） 活性氮原子被钢的表面吸收形成固溶体和氮化物，随着

氮化时间的增长，氮原子逐渐往里扩散，形成一定深度的氮化层。

钢的渗氮过程

由 Fe-N 相图可知， 在低于共析温度 590ºC 以下进行氮化时， 首先在表面形成 α- 相， 当 α- 相氮浓度达到饱和时，形出 γ´相， 当 γ´相的氮浓度达到饱和时，又形成 ε 相。

氮化层的组织

1 、由铁 - 氮状态图可见，在低于 590℃氮化，渗氮层组织由表及里为： 平衡条件下： ε→ε+γ′→γ′→γ′+ɑ→ɑ 相 实际上 ： ε→γ′→ɑ 相

氮化层的组织

●这是由于冷却不够缓慢， γ′ 相不易从 ε 相中析出；同样，γ′ 相也不易从 ɑ 相中析出，两相区 ε+γ′ 、 γ′+ɑ 不会出现，所以，金相观察只有 ε→γ′→ɑ 相组织。●同理，在大于 600℃渗氮后，渗氮层组织由表及里为： 实际上： ε→γ′→ɑ 相

氮化层的组织

38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ε ( Fe2-3N ) + γ’ ( Fe4N ) ; 红色区 : γ’ ( Fe4N ) ;蓝绿色区 : 含氮索氏体 + 脉状氮化物 ; 绿黄色区 : 索氏体基体。

3 、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响 （ 1 ）碳的影响 ①减少氮的扩散速度，减少氮化层的深度；

②N 能溶入渗碳体，形成含氮渗碳体 Fe3(C,N);

③C 能溶入 ε 相，成为 Fe2-3(C,N),而不溶入 γ´ 相中。

钢中的含碳量（％） 0.06 0.43 1.18

氮扩散系数（ m2/s) 5×10 － 9 1.25×10 － 9 0.514×10 －9

5-3 金属的渗氮

3 、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响 （ 2 ）合金元素的影响 含有氮化物形成元素 Cr 、 Mo 、 Al 等时，当表面氮浓度达到 α- 相饱和极限浓度后，按照和 N亲和力的大小，先形成 AlN ，然后形成 MoN ，再形成 CrN ，当表面层合金元素都形成氮化物后，才会形成 γ´ 和 ε 相。

5-3 金属的渗氮

选择氮化的钢材，一般应含有 Cr 、 Mo 、 Al 、V 、 Ti 等氮化物形成元素的钢。常用的氮化钢有： 40Cr 、 35CrMo 、 38CrMoAl 等。 三、氮化工艺 1 、氮化前的预处理 ①保证心部有足够的强度支撑较脆的氮化层； ②消除加工应力，减小变形； ③为氮化层的性能作组织上的准备。 常用调质处理，获得回火索氏体组织。

5-3 金属的渗氮

2 、非氮化层的保护 ①镀锡 熔点 232ºC ，锡熔化后吸附在工件表面，阻碍氮原子渗入，镀锡层厚： 0.004～ 0.008mm ②涂料 水玻璃＋石墨粉，涂后烘干，涂 2～ 3次。3 、氮化工艺参数 ①氮化温度 500～ 530ºC ②氮化时间 氮化速度为 0.005～ 0.02mm/h, 氮化层深度为 0.4～ 0.7mm ，需要几十个小时。

5-3 金属的渗氮

渗氮件的性能⑴氮化件表面硬度高（ HV1000-1200 ），耐磨性高（表

面形成了一层极硬的合金氮化物）。此性能可维持到相当高的温度（ 600-650°C ）。

⑵疲劳强度高（氮化后表层体积增大，产生压应力）。(3) 耐腐蚀性好（表层形成的氮化层由致密的、抗腐蚀的

氮化物 ε 和 γ’ 组成，其化学稳定性高）。 (4) 工件变形小（氮化温度低，氮化后不需进行热处理）。

渗氮工艺方法 根据渗氮目的不同，渗氮工艺方法分成两大类： 一类是以提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度等为主要目的而进行的渗氮，称为强化渗氮；

另一类是以提高工件表面抗腐蚀性能为目的的渗氮，称为抗腐蚀渗氮，也称防腐渗氮。

一段渗氮（等温氮化）在同一温度下长时间保温的渗氮工艺 .

在 20h 内采用较低的氨分解率，使工件表面迅速吸收大量氮原子，形成弥散分布氮化物，提高工件表面硬度；

在中间阶段，氨分解率提高到 30-40% ，使表层氮原子向内扩散，增加渗层深度；

保温结束前 2-4h ，氨分解率高于 80% 以上，进行退氮处理，减薄或清除脆性白亮层。

一段渗氮（等温氮化）

二段氮化法 二阶段把温度提高到 550

一 570℃，氨分解率控制在 40 一 6

0％之间，目的是加速氮在钢中的扩散，以增加氮化层深度。由于第一阶段形成的氯化物稳定性高，在第二阶段稍提高温度时，氮化物不会显著聚集长大，因此硬度下降不多，面且可使氮化层的硬度分布趋于平缓。

三段氮化法 三段氮化法是在二

段氮化的基础上发展起来的。它的特点是第二阶段的温度比二段氮化的更高一些，一般为 560~580℃，以进一步提高氮化速度，达到一定氮化深度后，再将温度降至相当于第一段的温度或稍高的温度下继续氯化，使表层氮浓度达到最佳浓度，而不致使表面硬度过低。

渗碳工艺路线： 锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火 + 低温回火→精加工

渗氮工艺路线： 锻造→正火→粗加工→调质 →精加工→去应力→粗磨→氮化 →精磨或研磨

渗碳和渗氮工艺路线比较

1 、氮化层的深度 （ 1 ）断口法 出炉后在凹槽处敲断，用 25倍带刻度的放大镜测量，氮化层组织较细呈瓷状，中心组织较粗，很易区分。 （ 2 ）金相法 将氮化试棒制成金相试样，腐蚀后在显微镜下测量。

五、氮化层质量的检查

2 、氮化层硬度 氮化层很薄，一般用载荷较小的维氏硬度， 10kg负载。3 、氮化层的脆性 一般用维氏硬度压痕形状来评定； 1 、 2级为合格， 3 、 4级为不合格

渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点

不需要20～ 50500～ 600渗氮需要3～ 9920～ 930渗碳

处理后是否需要热处理处理时间 ( h )

处理温度( )℃

名称

5-4 碳氮共渗 在钢的表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺称为碳氮共渗 。 氰化：碳氮共渗可以在气体介质中进行，也可在液体介质中进行．因

为液体介质的主要成分是氰盐，故液体碳氮共渗又称为氰化。 目的：对低碳结构钢、中碳结构钢以及不锈钢等，为了提高其表面硬

度、耐磨性及疲劳强度，进行 820—850℃碳氮共渗。 中碳调质钢在 570—600℃温度进行碳渗共渗，可提高其耐磨性及疲劳强度，

高速钢在 550—560℃碳氮共渗的目的是进一步提高其表面硬度、耐磨性及热稳定性．

一、碳和氮同时在钢中扩散的特点1． 共渗温度不同，共渗层中碳氮含量不同。 氮含量随着共渗温度的提高而降低，而碳含量则起先增加，至一定温度后反而降低。渗剂增碳能力不同，达到最大碳含量的温度也不同。2．碳、氮共渗时碳氮元素相互对钢中溶解度及扩散深度有影响。 由于 N 使相区扩大，且 Ac3点下降，因而能使钢在更低的温度增碳。氮渗入浓度过高，在表面形成碳氮化合物相，因而氮又障碍着碳的扩散。碳降低氮在相中的扩散系数，所以碳减缓氮的扩散。

3． 碳氮共渗过程中碳对氮的吸附有影响碳氮共渗过程可分成两个阶段：(1) 共渗时间较短 (1—3 小时 ) ，碳和氮在钢中的渗入情况

相同；(2)若延长共渗时间，出现第二阶段，此时碳继续渗入而

氮不仅不从介质中吸收，反而使渗层表面部分氮原子进入到气体介质中去

一、碳和氮同时在钢中扩散的特点

二、中温气体碳氮共渗1. 中温气体碳氮共渗的优点与气体渗碳相比有如下优点：(1) 可以在较低温度下及在同样时间内获得同样渗层深度，或在

处理温度相同情况下，共渗速度较快。(2) 碳氮共渗在工件表面、炉壁和发热体上不析出碳黑；(3) 处理后零件的耐磨性比渗碳的高；(4) 工件扭曲变形小。

2. 共渗介质(1) 含 2～ 10％氨气的渗碳气体；(2) 含碳氮的有机液体。3. 共渗温度及时间820—880℃4. 碳氮共渗后的热处理 碳氮共渗比渗碳温度低，一般共渗后都采用直接淬火．因为氮的渗入，使过冷奥氏体稳定性提高，故可采用冷却能力较弱的淬火介质，但应考虑心部材料的淬透性。碳氮共渗后采用低温回火．

二、中温气体碳氮共渗

5．碳氮共渗层的组织与性能 碳氮共渗层的组织取决于共渗层中碳、氮浓度，钢种及共渗温度 。

表面为马氏体基底上弥散分布的碳氮化合物，向里为马氏体加残余奥氏体，残余奥氏体量较多，马氏体为高碳马氏体；再往里残续奥氏体量减少，马氏体也逐渐由高碳马氏体过渡到低碳马氏体。

碳氮共渗的特点1.兼有渗碳层和氮化层的优点 和渗碳相比：比渗碳处理具有更高的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳强度。 和氮化相比：共渗层的深度要比氮化层深，表面脆性小，抗压强度较好。2 、奥氏体相变温度降低 碳、氮都是扩大奥氏体区的元素，碳、氮的渗入都能降低钢 A1点和 A3点，故共渗温度要比单独渗碳时低，使奥氏体晶粒不明显长大，保证了零件的心部强度，减少了零件的淬火变形。

3.奥氏体的稳定性提高， C曲线右移。 氮的渗入使渗层的淬透性提高。4. 碳氮共渗的速度显著大于单独渗碳或氮化的速度，因而可缩短生产周期。

碳氮共渗的特点

三、氮碳共渗 (软氮化 ) 氮碳共渗是指使工件表面同时渗入氮、碳原子，并以渗氮

为主的表面化学热处理工艺，亦称软氮化。

氮碳共渗层组织 氮碳共渗处理后的组织与渗氮层组织大致相同。由表及里为：由 Fe2 3∼

(C ， N) 为主、含有 Fe4N 的化合物层，由 γ’ 相组成的扩散层和以含氮铁素体 α(N) 为主的过渡层。氮碳共渗的工艺参数 连续式作业炉一般采用吸热式气氛和氨气的混合气体积比 1 ： 1 为最佳 。 在周期式作业炉中所采用的介质种类较多．我国常用的有尿素、甲酰胺、三乙醇胺，以及醇类加氨气等氮碳共渗温度和时间 在 570°C 下保温 1~6h （ 2-3h ）氮化层硬度值最高

三、氮碳共渗 (软氮化 )

分解反应尿素：（氮势大于碳势，适合软氮化）(NH2)2CO →2[N]+ CO + 2H2

2CO →CO2 + [C]

甲酰胺：（氮势大于碳势，适合软氮化）4HCONH2→2CO +4H2+ 2H2O+ 4[N] + 2[C]

三乙醇胺： （碳势大于氮势，不适合软氮化）2(C2H4OH)3N →4CH4 + 6CO +7H2+ 2[C] + 2[N]

几种表面热处理工艺的比较

5-5 渗 硼 将钢的表面渗入硼元素以获得铁的硼化物的工艺成为渗硼。1. 钢的渗硼效果 渗硼能显著提高钢件表面硬度 (HV=1300—2000) 和耐磨性能。此外，渗硼层还具有良好的耐热性和耐蚀性。因此近年来渗硼工艺发展很快，在石油化工机械。汽车拖拉机制造，纺织机械，工模具以及原子能工业方面的应用日渐增多。

渗硼在热锻模上的应用

2. 渗硼方法 渗硼方法有盐浴渗硼，固体渗硼和气体渗硼，但应用最多的是固体渗硼。

渗硼方法

Fe—B 状态图

3. 渗硼组织

2 ） FeB 和 Fe2B 的物理性能（表 5-3 ） Fe2B 和 FeB 的物理性质

3 ）渗硼层组织 渗硼层组织由表及里为 FeB 相和 Fe2B 相，成梳齿状楔入基体，图5-35 、 5-36 、 5-37 中的白亮层为单相 Fe2B 组织。

3. 渗硼组织

图 5-35 45 钢 850 ×8h℃渗硼 250×

图 5-36 20CrNiMo 渗碳后再渗硼 920 ×7h 400×℃

图 5-37 20CrNiMo 渗碳后再渗硼 850 ×8h 250×℃

当渗硼层由 FeB 和 Fe2B 两相构成时，在它们之间将产生应力，在外加负荷（特别是冲击负荷）作用下，极易因产生裂纹而剥落。此外 FeB 相脆性较大，从使用的角度看，希望尽量减少 FeB 相，因此近年来大量研究工作致力于获得单一的 Fe2B 相。试验结果表明，渗层的表面结构形式与渗硼方法，渗剂组成和渗硼规程等密切相关，在固体渗硼时，只要分配比适当，是可以获得单相的 Fe2B

层的。

采用固体渗硼方法时，是将零件埋入装有粉状或粒状渗硼剂的钢质箱中，箱上加盖，放入炉内，渗硼温度范围 850～ 950℃，保温时间 5～ 10h ，出炉后缓冷至 300℃开箱。对于要求心部强度高的零件，可出炉取出零件直接淬火。

4 渗硼工艺

5-6 钢的渗铝 特点

抗高温氧化（达到 950~1000℃） 抗热腐蚀 代替不锈钢、耐热钢→经济效益提高

机理 钢铁材料表面形成铝铁化合物 Al2O3氧化膜

应用 沿海电站 海军舰艇 航空发动机

渗铝工艺方法及原理 不加活化剂 铝粉与工件表面直接接触→高温扩散 例如：热浸法 700~780℃熔融铝液中→直接接触→形成金属化合物（ Fe2Al5 ）→空冷→高温扩散退火→渗层 加活化剂 铝粉或铝铁合金粉等 + 活化剂→高温→活性铝原子

转移到工件表面→扩散 例如：粉末或浆料或铝铁合金块 +1~2% 活化剂（氯

化铵）→ 900~1050℃、 10h → 铝铁化合层

渗层组织 钢铁渗铝（参照 Fe-Al 相图） 渗层 θ+η+ζ+β2→ 过渡区→基体 渗速慢、渗层浅 高温环境工作的渗层，铝向内、外同时扩散→渗层↑；

Al%↓ （高铝相→ 低铝相） →组织转变为 Fe3Al 时（不能再提供足够 Al 形成致密膜）→渗层抗氧化、腐蚀性能↓

5-7 钢的离子氮化

离子氮化炉

含氮气体在直流电场作用下，产生辉光放电作用，使氮离子化渗入金属表面

1. 特点1 ）离子氮化时间短； 2 ）无白层或白层很薄； 3 ）变形小； 4 ）易局部氮化； 5 ）易均匀氮化；6 ）适用各种材料； 7 ）节约能源；8 ）改善劳动条件，无污染； 9 ）缺点—设备复杂投资大

5-7 离子氮化

2. 离子氮化原理电子向阳极运动—气体分子电离—离子高速轰击阴极（零件表面） 加热零件 阴极溅射（铁原子） -- 与氮结合 FeN—回散射或沉淀在阴极表面— Fe2N 和 Fe3N+[N]—

氮化

3.离子氮化工艺选择工艺参数主要是确定温度，时间和气氛。电参数—电压、电流 热参数—温度、时间 气参数—气体成分、气压、流量

1 化学热处理的基本过程有哪些？2 什么叫纯扩散？什么叫反应扩散？3 某齿轮要求具有高的耐磨性，并承受一定的冲击载荷，拟采用下列材料和热处

理工艺：（ 1 ） 45 钢的淬火和低温回火；（ 2 ） 45 钢的高频淬火和低温回火；（ 3 ） T8 钢淬火和中温回火；（ 4 ） 20 钢渗碳淬火和低温回火。你认为哪种工艺比较合适？为什么？

4确定下列零件的热处理工艺，并制定简明的工艺路线：（ 1 ）某机床变速箱齿轮，要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，且选用 4

5 钢；（ 2 ）某机床主轴，要求有良好的综合机械性能，轴颈部要求耐磨（ 50～ 55HR

C ），材料选用 45 钢；（ 3 ）柴油机凸轮轴，要求凸轮表面有较高的硬度（ HRC>60 ），心部有较好

的韧性（ Ak>50J), 材料选用 15 钢；（ 4 ）镗床和镗杆，在重载荷作用下工作，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面

有极高的硬度，心部有较高的综合力学性能，材料选用 38CrMoAlA 。