渗碳淬火后回火几次合适

任务8　钢的化学热处理

化学热处理是把钢件放入具有一定温度的化学活性介质中保温，使一种或数种元素的原子渗入到钢件表面改变表层的化学成分，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。化学热处理能使表面获得用表面淬火很难实现的性能，即提高了表面的硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性、抗氧化性等。常用的化学热处理有渗碳、渗氮、渗硼、液体碳氮共渗、渗硫、渗铬等。

化学热处理不但可改变钢的组织，而且还可改变它的成分，因而钢表面能获得特殊的力学、物理、化学性能，这对提高产品质量，满足特殊要求，发挥材料潜力，节约贵金属具有重要意义。由于化学热处理不受工件形状的限制，所以，化学热处理的应用也越来越广泛，各种新工艺、新技术也相继涌现。

一、化学热处理的三个基本过程

任何化学热处理都是元素的原子向工件内部扩散的过程，一般分为分解、吸收和扩散等三个基本过程。

（1）分解。加热使介质分解出渗入元素的活性原子（或离子）。

（2）吸收。分解出的活性原子（或离子）被工件表面吸收。所谓吸收是指活性原子溶入钢的固溶体中或与钢中某元素形成化合物。

（3）扩散。吸收的活性原子在工件表面形成浓度梯度，因而必将由表及里向内部扩散，形成一定深度的渗透层。

目前，生产上最常用的化学热处理是渗碳、渗氮及碳氮共渗。

二、钢的渗碳

渗碳是将低碳工件放入增碳活性介质中加热、保温，使碳原子渗入工件表面的热处理工艺。低碳钢在表面渗碳、淬火、低温回火后，表面具有较高的硬度、耐磨性和较高的疲劳强度，而心部能在保持一定的强度下表现出良好的韧性。渗碳与表面淬火相比，渗碳件整体能承受较大的冲击载荷作用，表面具有较高的耐磨性。

1．渗碳方法

渗碳方法有固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳等三种，现介绍常用的固体渗碳和气体渗碳。

1）固体渗碳

固体渗碳是将工件置于装满固体渗碳剂的渗碳箱中，如图5－39所示。密封后加热到900 ～950℃，一般每保温1h渗碳层深度增加0．1～0．15mm。渗碳层深0．5～2mm需5～15h，渗碳剂为粒状木炭与15%～20%的碳酸盐（如Na₂CO₃或BaCO₃）的混合物。在这一过程中，木炭提供活性炭原子，碳酸盐起催渗作用。

图5－39　固体渗碳装箱示意图

固体渗碳法生产率低，劳动强度大，质量不易控制，难以实现机械化。但因其对设备要求不高，容易投产，所以仍有工厂在使用。

2）气体渗碳

气体渗碳是目前广泛使用的渗碳方法，它是把工件置于专门的气体渗碳炉中加热，如图5－40所示。一般每保温1h，渗碳层深度增加0．2～0．3mm，但渗碳层的增加速度会越来越慢。把煤油、苯、甲醇等有机物滴入渗碳炉中，或者直接通入煤气或石油液化气等气体中，这些有机物在高温下会分解出活性原子，即

图5－40　气体渗碳法示意图

1—炉体；2—工件；3—耐热罐；4—电阻丝；5—砂封；6—炉盖；7—废气水焰；8—风扇电动机

气体渗碳具有生产率高、劳动条件好、渗碳过程易控制、渗碳质量好、易实现机械化与自动化等优点，所以得到了广泛的应用。

2．渗碳层碳浓度及深度的确定

对重复交变载荷下工作的零件，渗碳层表面碳的质量分数以0．8%～1．05%为最佳；碳的质量分数过低时，耐磨性就不足，疲劳强度也低；碳的质量分数大于1．1%时碳化物易呈块状或网状，使硬化层脆性增大且易剥落，同时残余奥氏体增加，降低了耐磨性和疲劳强度。缓慢冷却后渗碳层的显微组织如图5－41所示。其表面为珠光体加少量二次渗碳体的过共析层，接着是珠光体的共析层，再往内到原始的低碳钢组织之间，是碳的质量分数逐渐降低的珠光体和铁素体的过渡层，一般规定，渗碳层的深度为表面过渡层的一半。渗碳层的组织中最好固溶体不要过高，碳化物呈细小粒状的均匀分布。

图5－41　低碳钢渗碳缓慢冷却后的光学显微组织（150倍）

渗碳层深度主要取决于工作条件、工件尺寸及材料的心部强度。渗碳层太薄易产生表面疲劳剥落，太厚则承受冲击载荷的能力降低。通常，对于机器零件，渗碳层深度δ＝0．5～2mm。对于轴类件，渗硫层厚度δ＝（0．1～0．2）R（半径）；对于齿轮体，渗硫层厚度δ＝（0．15 ～0．25）m（模数）；对于薄片件，渗硫层厚度δ＝（0．20～0．30）t（厚度）。当工作中磨损较轻、接触应力较小时，渗碳层可以薄些。应当注意的是，在确定渗碳深度时，也应考虑渗碳后的加工余量。

3．渗碳后的热处理

为了使渗碳层和心部获得良好的性能，工件在渗碳后还必须进行适当的淬火和回火，渗碳后的淬火方法有三种，如图5－42所示。

1）直接淬火

如图5－42（a）所示，即对渗碳后的预冷工件直接淬火。由于渗碳温度高，保温时间长，奥氏体晶粒可能较粗大，淬火后得到粗针状马氏体，残余奥氏体也较多，会降低耐磨性，且淬火变形也大。用本质结晶钢及预冷可以减少淬火变形和残余奥氏体，但预冷温度应略高于A_r3，以免心部析出铁素体。这种方法工艺简单、成本低、生产率高，适用于只要求硬度较高的非重要零件。

2）一次淬火

如图5－42（b）所示，也称为重新加热淬火，由于重新加热，可细化奥氏体晶粒。淬火温度应兼顾表层和心部的要求，一般在A_c1～A_c3之间选择。如对心部韧性、强度要求较高的零件，淬火温度应略高于A_c3。当表面要求硬度高、耐磨而载荷不大时，淬火温度可选择略高于A_c1。

图5－42　渗碳件渗碳后的三种热处理方法

3）二次淬火

如图5－42（c）所示，即渗碳缓冷后进行两次淬火，可以同时保证表面和心部的性能。第一次加热温度在A_c3以上30～50℃时进行淬火或正火，是为了细化心部组织和消除表层网状渗碳体。第二次淬火加热温度是A_c1以上30～50℃，是为了使表层获得细针马氏体和均匀分布的粒状渗碳体。二次淬火虽然能使表面具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度，心部具有良好的韧性和塑性，但工艺复杂，易氧化、脱碳，变形大，生产率低，成本高，能耗大，故只适用于使用性能要求很高的粗晶粒钢。

渗碳淬火后，都要在150～200℃时低温回火，减小淬火内应力和提高韧性。渗碳淬火后一般表层组织为回火马氏体、碳化物及少量残余奥氏体。硬度为58～64HRC。心部组织未淬透时为珠光体加铁素体，硬度为10～15HRC，淬透时为低碳马氏体或低碳马氏体加上屈氏体，硬度为35～45HRC。渗碳件的一般工艺路线如下。

锻造↑正火↑机加工↑渗碳↑淬火、低温回火↑精加工（磨削等）

渗碳钢的碳的质量分数通常为0．15%～0．25%，常用的牌号有20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi4等。

三、钢的渗氮

渗氮是将氮原子渗入钢的表层的一种化学热处理。渗氮使钢件表面获得较渗碳更高的硬度、耐磨性和疲劳强度，硬度高达950～1 200HV（相当于65～72HRC），且加热到550～600℃时，硬度基本上不会下降，即其具有较高的红硬性。此外，渗氮后还会形成一层致密的、化学稳定性较高的ε相层（Fe₂N），在过热蒸气及碱性溶液中有较高的耐腐蚀性，渗氮后不经淬火就可以获得高硬度，故渗氮件变形很小。

离子渗氮与气体渗氮相比较，可缩短1／2～3／4的时间，如38CrMoAlA钢获得0．53～0．7mm的氮化层，气体渗氮要70h，离子渗氮只需15～20h。离子渗氮后的氮化层硬度高，脆性小，耗氨量和耗电能少，无污染，变形小，且不受钢种限制。因而在近几十年来得到了广泛的发展。但其设备昂贵，技术要求高，质量也不稳定，因此其使用受到一定限制。

四、其他化学热处理简介

化学热处理除渗碳和渗氮外，还有许多方法，有些化学热处理不但能提高钢的表面强度，还能提高其表面抗氧化的能力和耐热性等。

1．碳氮共渗

碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。碳氮共渗有液体碳氮共渗和气体碳氮共渗两种。按碳氮共渗温度可分为高温、中温、低温三种，高、中温以渗碳为主，低温以渗氮为主。

碳氮共渗淬火后形成的碳氮马氏体具有较高的硬度，耐磨性比渗碳更好。碳氮共渗层具有比渗碳层更高的压应力，故其耐疲劳性和耐腐蚀性更高。碳氮共渗层深度又比单独氮化的更深，故其表面韧性和抗压强度也比氮化的高。

碳氮共渗与渗碳相比，具有处理温度低、速度快、变形小、淬透性好（氮原子溶入奥氏体中提高了淬透性）等优点。此外，碳氮共渗对各种钢的适应能力也较好，但由于渗层较薄，大多在0．7mm以下，目前，主要用于形状较复杂，要求变形小的小型耐磨件，如汽车和机车床上的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件等。

2．渗硼

渗硼是向钢的表面渗入硼原子的过程。钢的渗硼根据介质不同，可分为固体、液体、气体和膏糊等四种。国内常用液体盐浴渗硼。

电工用纯铁、低碳钢和中碳钢的渗硼层由FeB和Fe₂B两相组成，具有1 400～1 500HV的极高硬度，高的耐磨性和热硬性（800℃以下），并具有耐酸（盐酸、硝酸）和耐碱的能力。

渗层一般为50～250μm，主要应用于强化机器零件、工具和模具等方面。

复习思考题5

1．名词解释。

钢的奥氏体化　起始晶粒度　实际晶粒度　本质晶粒度　过冷奥氏体

残余奥氏体　等温冷却　连续冷却　过冷奥氏体等温转变曲线

过冷奥氏体的连续冷却转变曲线　索氏体　屈氏体　贝氏体　马氏体　单液淬火

双液淬火　分级淬火　等温淬火　回火马氏体　回火屈氏体　回火索氏体温

回火脆性　完全退火　等温退火　球化退火　去应力退火　再结晶退火

正火　表面淬火　渗碳　渗氮　液体碳氮共渗

2．何谓热处理？钢的热处理有哪些基本类型？试说明热处理在机械制造中的作用。

3．说明A₁、A₃、A_cm、A_c1、A_c3、A_ccm、A_r1、A_r3、A_rcm各临界点的意义。

4．以下所列三种钢的原始组织为平衡状态，试按表所规定的温度，填写三种钢的组织和特征。

5．为什么刚由珠光体转变为奥氏体的晶粒比较细小？加热温度升高后奥氏体晶粒大小还要发生什么变化，这对钢的性能有何影响？

6．绘出共析钢的过冷奥氏体等温转变图和连续转变图，并指出二者的不同之处。

7．填下表归纳比较共析钢过冷奥氏体转变产物的特点。

8．何谓临界冷却速度v_k？它对钢的淬火有何重要意义？

9．“淬火钢硬而脆”的概念是否对所有碳的质量分数的钢都正确？板条（低碳）马氏体的性能有何特点？在生产中有何实际意义？

10．用C曲线解释下列问题。

（1）为什么钢正火后的比退火后的硬度高？

（2）如果C曲线图中的MF线位于室温以下，对钢淬火后的性能有何影响？

（3）为什么碳钢淬火后用水冷却，而合金钢淬火后用油冷却？

（4）为什么截面大和形状复杂的调质零件要用合金钢制造？

（5）试分析“钢加热呈奥氏体后，冷却越快，硬度越高”这种说法的正确与错误之处。

11．球化退火一般用于什么钢？其目的是什么？低碳钢在什么情况下用完全退火？

12．正火与退火的区别是什么？说明下列情况下采用正火还是退火（何种退火）。

（1）ZG35的铸造齿轮。

（2）20钢齿轮锻件。

（3）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度。

（4）T12钢锉刀锻件。

（5）45钢齿轮锻件。

13．何谓淬硬性？淬硬性主要由什么决定？

14．为什么热处理工人在淬某些细长轴时，要将轴放在油、硝盐浴或碱浴中冷却到200℃左右立即从冷却介质中取出校直？

15．有一批销子，材料是T8A钢，直径为5mm，采取什么热处理工艺可以得到下列组织。

（1）珠光体；（2）屈氏体＋索氏体；（3）下贝氏体；（4）回火索氏体；（5）马氏体＋残余奥氏体。

16．试确定下列钢的淬火温度：20钢、45钢、60钢、T8钢、T10A钢。

17．下列选材可热处理要求是否正确？为什么？

（1）某零件要求52～56HRC，选用15钢、20钢加工后淬火来达到。

（2）碳素工具钢制成的刃具，要求淬火后达到67～70HRC。

18．一件工具，按图纸规定用T10A钢制造，要求淬硬到60～64HRC，但实际上把材料错用成45钢，按T10钢淬火后硬度怎样？能否按45钢的工艺，重新淬火来达到图纸要求的硬度，为什么？

19．试述常见淬火缺陷及其原因，如何防止？

20．何谓回火？回火分哪几类？各类回火的性能及应用范围。

21．某工厂用45钢制作某零件，先后用正火和调质得到的硬度值都达到要求，试分析在组织和性能上有何区别？

22．指出下列组织在形态和性能上的区别。

（1）索氏体和回火索氏体。

（2）屈氏体和回火屈氏体。

（3）马氏体和回火马氏体。

23．钢的热处理不能改变刚性，为什么？弹簧却可以通过热处理提高弹性，为什么？

24．为什么淬火钢回火后的性能主要取决于回火温度，而不是冷却速度？回火时间有何影响？

25．在砂轮上磨经过淬火的高硬度工具时，为何要经常用水冷却？

26．什么是淬透性？主要影响因素是什么？

27．在机械设计中如何考虑淬透性？

28．什么是表面淬火？表面淬火与没有淬透有何区别？

29．什么是化学热处理？化学热处理与其他热处理有何本质的不同？试述化学热处理的基本过程。

30．什么是钢的渗氮？为什么渗氮后零件不再淬火和进行在量的机加工？

31．填下表，归纳比较三种常用表面热处理。

32．车床主轴要求轴颈部位的硬度为56～58HRC，其余地方为20～24HRC，其工艺路线为锻造↑正火↑机加工↑轴颈表面淬火↑低温回火↑磨加工。请回答下列问题：

（1）主轴选用何种材料？

（2）正火、表面处理、低温回火目的和大致工艺；

（3）轴颈表面处理的组织和其他地方的组织。

33．有一40mm的20钢制成的工件，渗碳后空冷，随后进行正常的淬火、回火处理，试分析工件在渗碳空冷后及淬火、回火后由表面到心部的组织。

34．现在T10A钢制造形状简单的车刀，工艺路线为锻造→热处理→机加工→磨加工，工件在渗碳空冷后及淬火、回火后由表面到心部的组织。

（1）试写出各热处理工艺的名称并指出各热处理工序的作用。

（2）制定出最终热处理的工艺规范（温度、冷却介质）。

（3）指出最终热处理后的显微组织及大致硬度。

35．判断下列看法是否正确。

（1）共析钢加热为奥氏体后，冷却时所形成的组织主要取决于钢的加热温度。

（2）钢的回火温度不能超过A_c1。

（3）高碳钢为便于机加工采用球化退火，低碳钢为便于机加工也常预先进行球化退火。

（4）钢的实际晶粒度主要取决于钢在加热后的冷却速度。