钢材的化学热处理技术优化方案

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。

表面化学成分的改变通过以下3个基本过程实现。

①化学介质的分解。通过加热使化学介质释放出待渗元素的活性原子。例如，渗碳时CH4→2H2+[C]，渗氮时2NH3→3H2+2[N]。

②活性原子被钢件表面吸收和溶解，进入晶格内形成固溶体或化合物。

③原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。按表面渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。目前，生产上应用最广的化学热处理是渗碳、渗氮和碳氮共渗、渗硼。

1.钢的渗碳

渗碳通常是指为提高工件表层的碳含量而将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入工件表面的化学热处理工艺。渗碳用钢为低碳钢及低碳合金钢，如20钢、20Cr、20CrMnTi等。

渗碳的目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好的抗疲劳性能，而其心部具有较高的强度和良好的韧性。渗碳并经淬火加低温回火与表面淬火不同，表面淬火不改变表层的化学成分，而是依靠表面加热淬火来改变表层的组织，从而达到表面强化的目的；而渗碳并经淬火加低温回火则能同时改变表层的化学成分和组织，因而能更有效地提高表层的性能。

（1）渗碳方法

渗碳方法有气体渗碳法、固体渗碳法和液体渗碳法。目前广泛应用的是气体渗碳法。气体渗碳法是将低碳钢或低碳合金钢工件置于密封的渗碳炉中，加热至完全奥氏体化温度（奥氏体溶碳量大，有利于碳的渗入），通常加热温度是900～950℃，并通入渗碳介质使工件渗碳。气体渗碳介质可分为两大类：一类是液体介质（含有碳氢化合物的有机液体），如煤油、苯、醇类和丙酮等，使用时直接滴入高温炉罐内，经裂解后产生活性碳原子；另一类是气体介质，如天然气、丙烷气及煤气等，使用时直接通入高温炉罐内，经裂解后用于渗碳。图6.10为气体渗碳装置示意图。

图6.10　气体渗碳装置示意图

气体渗碳法具有生产效率高、劳动条件好、容易控制、渗碳层质量较好等优点，在生产中广泛应用。

固体渗碳法是将工件装入渗碳箱中，周围填满固体渗碳剂，用盖子和耐火泥封好，送入加热炉内，加热至温度为900～950℃，保温足够长时间，从而得到一定厚度的渗碳层。固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与15%～20%碳酸盐的混合物。木炭提供渗碳所需要的活性碳原子，碳酸盐起催化作用。与气体渗碳法相比，固体渗碳法生产效率低、劳动条件差、渗碳层质量不容易控制，因而在生产中较少应用。但由于其所用设备简单，故在小批量、非连续生产中仍有采用。其渗碳时间取决于渗碳层厚度的要求，一般按每小时0.1～0.15mm渗碳层深度估算。

（2）渗碳后的组织

工件渗碳后渗层中的碳含量表面最高（碳的质量分数约为1.0%），由表及里逐渐降低至原始碳含量。所以渗碳后缓冷组织从工件表面至心部依次为过共析组织（珠光体+碳化物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体+铁素体），直至心部的原始组织。对于碳钢，其渗层深度规定为从表层到过渡层一半（50%P+50%F）的厚度。

根据渗层组织和性能的要求，一般零件表层碳含量ωC最好控制在0.85%～1.05%之间，若碳含量过高，会出现较多的网状或块状碳化物，则渗碳层变脆，容易脱落；若碳含量过低，则硬度不足，耐磨性差。渗碳层碳含量和渗碳层深度依靠控制通入的渗碳剂量、渗碳时间和渗碳温度来保证。当渗碳零件有不允许高硬度的部位时，如装配孔等，应在设计图样上予以注明。该部位可采取镀铜或涂抗渗涂料的方法来防止渗碳，也可采取多留加工余量的方法，待零件渗碳后在淬火前去掉该部位的渗碳层（即退碳）。

（3）渗碳后的热处理

工件渗碳后必须进行适当的热处理，否则就达不到表面强化的目的。渗碳后的热处理方法有直接淬火法、一次淬火法和两次淬火法，如图6.11所示。

工件渗碳后随炉冷却[见图6.11（a）]或出炉预冷[见图6.11（b）]到稍高于心部成分的Ar3线的温度（避免析出铁素体），然后直接淬火，这就是直接淬火法。预冷的目的主要是减少零件与淬火介质的温差，以减少淬火应力和零件的变形。直接淬火法工艺简单、生产效率高、成本低、氧化脱碳倾向小。但因工件在渗碳温度下长时间保温，奥氏体晶粒粗大，淬火后则形成粗大马氏体，性能下降，所以只适用于过热倾向小的本质细晶粒钢，如20CrMnTi等。零件渗碳终止出炉后缓慢冷却，然后再重新加热淬火，称为一次淬火法[见图6.11（c）]。这种方法可细化渗碳时形成的粗大组织，提高力学性能。淬火温度的选择应兼顾表层和心部要求，如果要强化心部，则加热到Ac3线以上，使其淬火后得到低碳马氏体组织；如果要强化表层，则需加热到Ac1线以上温度。这种方法适用于组织和性能要求较高的零件，在生产中应用广泛。工件渗碳冷却后两次加热淬火，即为两次淬火法[见图6.11（d）]。第一次淬火加热温度一般为心部的Ac3线以上，目的是细化心部组织，同时消除表层的网状碳化物。第二次淬火加热温度一般为Ac1线以上，使渗透层获得细小粒状碳化物和隐晶马氏体，以保证获得高强度和高耐磨性。该工艺复杂、成本高、效率低、变形大，仅用于要求表面高耐磨性和心部高韧性的零件。(www.xing528.com)

渗碳件淬火后都要在160～180℃范围内进行低温回火。淬火加回火后，渗碳层的组织由高碳回火马氏体、碳化物和少量残留奥氏体组成，其硬度可达到58～64HRC，具有高的耐磨性。心部组织与钢的淬透性及工件的截面尺寸有关。全部淬透时为低碳马氏体；未淬透时为低碳马氏体加少量铁素体或托氏体加铁素体。

一般渗碳零件的加工工艺路线为下料→锻造→正火→机加工→*渗碳→淬火→低温回火→精加工。

汽车、机车、矿山机械、起重机械等用的传动齿轮都采用渗碳热处理工艺提高其耐磨损性能。

图6.11　渗碳后热处理示意图

（a）、（b）直接淬火法；（c）一次淬火法；（d）两次淬火法

2.钢的渗氮

向钢件表面渗入氮元素，形成富氮硬化层的化学热处理称为渗氮，通常也称为氮化。

和渗碳相比，钢件渗氮后具有更高的表面硬度和耐磨性。渗氮后钢件的表面硬度高达950～1200HV，相当于65～72HRC。这种高硬度和高耐磨性可保持到560～600℃而不降低，故渗氮钢件具有很好的热稳定性。由于渗氮层体积胀大，在表层形成较大的残留压应力，因此可以获得比渗碳更高的疲劳强度、抗咬合性能和低的缺口敏感性。渗氮后由于钢件表面形成致密的氮化物薄膜，因而具有良好的耐腐蚀性能。此外，渗氮温度低（500～600℃），渗氮后钢件不需热处理，因此渗氮件变形很小。由于上述性能特点，故渗氮在机械工业中获得广泛应用，特别适宜许多精密零件的最终热处理，如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠内燃机曲轴，以及各种精密齿轮和量具等。

气体渗氮是将氨气通入加热到渗氮温度的密封渗氮罐中，使其分解出活性氮原子并被工件表面吸收、扩散形成一定深度的渗氮层。氮和许多合金元素都能形成氮化物，如CrN、Mo2N、AlN等，这些弥散的合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，同时具有高的耐蚀性。因此Cr-Mo-Al钢得到了广泛应用，其中最常用的渗氮钢是38CrMoAl。其中，Cr、Mo还能提高钢的淬透性，有利于渗氮件获得强而韧的心部组织；Mo还可以消除钢的回火脆性。钢件渗氮后一般不进行热处理。为了提高钢件心部的强韧性，渗氮前必须进行调质处理。

由于氨气分解温度较低，通常的渗氮温度在500～580℃之间，故在这种较低的处理温层下，氮原子在钢中扩散速度很慢，渗氮所需时间很长，渗氮层也较薄。例如，38CrMoAl钢制压缩机活塞杆为获得0.4～0.6mm的渗氮层深度，其渗氮保温时间需60h以上。

为了缩短渗氮周期，目前广泛应用离子渗氮工艺。低真空气体中总是存在微量带电粒子（电子和离子），当施加一高压电场时，这些带电粒子即做定向运动，其中能量足够大的群电粒子与中性的气体原子或分子碰撞，使其处于激发态，成为活性原子或离子。离子渗氮就是利用这一原理，把作为阴极的工件放在真空室，充以稀薄的H2和N2混合气体，在阴极和阳极之间加上直流高压后，产生大量的电子、离子和被激发的原子，它们在高压电场的作用下冲向工件表面，产生大量的热把工件表面加热，同时活性氮离子和氮原子被工件表面力吸附，并迅速扩散，形成一定厚度的渗氮层。氢离子则可以清除工件表面的氧化膜。离子渗氮适用于所有钢种和铸铁，其渗氮速度快，渗氮层及渗氮组织可控，变形极小，可显著提高钢的表面硬度和疲劳强度。

3.钢的碳氮共渗

向钢件表层同时渗入碳和氮的过程称为碳氮共渗，也叫作氰化。碳氮共渗方法有液体和气体碳氮共渗两种。液体碳氮共渗使用的介质氰盐是剧毒物质，污染环境，故逐渐被气体碳氮共渗所替代。根据共渗温度的不同，气体碳氮共渗可分为高温（900～950℃）、中温（700～880℃）及低温（500～570）℃3种。目前工业上广泛应用的是中温和低温气体碳氮共渗。其中低温气体碳氮共渗主要是提高耐磨性及疲劳强度，而硬度提高不多，故又称为软氮化，多用于工具、模具。中温气体碳氮共渗多用于结构零件。

中温气体碳氮共渗是将钢件放入密封炉内，加热到820～860℃，并向炉内通入煤油或渗碳气体，同时通入氨气。在高温下共渗剂分解形成活性碳原子[C]和氮原子[N]，被工件表面吸收并向内层扩散，形成一定深度的碳氮共渗层。在一定的共渗温度下，保温时间主要取决于要求的渗层深度。一般零件的渗层深度为0.5～0.8mm，共渗保温时间约为4～6h。由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，所以钢件碳氮共渗后可直接油淬，渗层组织为细针状马氏体加碳、氮化合物和少量残留奥氏体。淬火后钢件应进行低温回火。钢件碳氮共渗后可同时兼有渗碳和渗氮的优点。碳氮共渗温度虽低于渗碳温度，但碳氮共渗速度却显著高于单独的渗碳或渗氮。在渗层碳浓度相同的情况下，碳氮共渗件比渗碳件具有更高的表面硬度、耐磨性、耐蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。但碳氮共渗件的耐磨性和疲劳强度低于渗氮件。

低温气体碳氮共渗是以渗氮为主的碳氮共渗过程。当氮和碳原子同时渗入钢中时，很快在表面形成很多细小的含氮渗碳体Fe3（CN），它们是铁的氮化物的形成核心，加快了渗氮过程。低温气体碳氮共渗所用的渗剂一般采用吸热式气氛和氨气混合气，在软氮化温度下发生分解形成活性[C]、[N]原子。软氮化温度一般为（560±10）℃，保温时间一般为3～4h。到达保温时间后即可出炉空冷。为了减少钢件表面氧化以及防止某些合金钢的回火脆性，通常在油或水中冷却。低温气体碳氮共渗后，渗层外表面是由Fe2N、Fe4N和Fe3C组成的化合物层，又称白亮层；往里为扩散层，主要由氮化物和含N的铁素体组成。白亮层硬度比纯气体渗氮低，脆性小，故低温气体碳氮共渗层具有较好的韧性。共渗层的表面硬度比纯气体渗氮稍低，但仍具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度，耐蚀性也有明显提高。低温气体碳氮共渗加热温度低，处理时间短，钢件变形小，又不受钢种限制，适用于碳钢、合金钢和铸铁材料。可用于处理各种工、模具以及一些轴类零件。

4.钢的渗硼

用活性硼原子渗入钢件表层并形成铁的硼化物的化学热处理工艺称为渗硼。渗硼能显著提高钢件的表面硬度（1300～2000HV）和耐磨性，同时具有良好的耐热性和耐蚀性。因此，渗硼工艺得到了迅速发展。

目前用得最多的是盐浴渗硼，最常用的盐浴渗硼剂是由无水硼砂加碳化硼、硼铁或碳化硅组成的。其中无水硼砂提供活性硼原子，碳化硅或碳化硼作为还原剂。通常渗硼温度为900～950℃，时间为4～6h，渗硼层深度可达0.1～0.3mm。盐浴渗硼层的组织由化合物层和扩散层组成。常见的化合物层表面是FeB，次层是Fe2B；或者是单相Fe2B。由于FeB硬度高、脆性大，所以当渗硼层由FeB和Fe2B组成时，两者之间将产生应力，在外力作用下容易剥落。因此应当尽可能减少FeB，最好获得单相Fe2B。在渗硼过程中，随着硼化物的形成，钢中的碳被排向内侧，所以紧靠化合物层是富碳区，可以形成珠光体型组织，称为扩散层。由于硼化物层的硬度与冷却速度无关，所以有些只要求耐磨、不要求心部强度的钢件渗硼后可以不淬火，采用空冷以减小变形。若钢件要求较高的心部硬度和强度，可以采用油淬或分级淬火，以减小内应力，防止渗层开裂，淬火后应及时回火。由于硼化物层具有很高的硬度，并且淬火、回火之后也不发生变化，因此钢件渗硼后，其耐磨性比渗碳和碳氮共渗都高，尤其在高温下的耐磨性显得更为优越。渗硼层在800℃以下仍保持很高的硬度和抗氧化性，并且在硫酸、盐酸及碱中具有良好的耐蚀性（但不耐硝酸腐蚀）。因此，渗硼处理广泛用于在高温下工作的工、模具及结构零件，使其使用寿命能成倍地增加。