特殊热处理——真空渗碳.pptx

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1、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+2H2-45.2kJC3H8=C2H4+CH4 吸收阶段扩散阶段 第1页/共38页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的催化作用。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。CH4=C+2H21000以上分解较完全。以上分解较完全。第2页/共38页3渗碳气的吸收阶段渗碳气的吸收阶段化学反应在表

2、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奥氏体内；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；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第3页/共38页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：dT=802.6t1/2/10（6700/T）=25.4Kt1/2dT总渗碳深度，总渗碳深

3、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第4页/共38页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第5页/共38页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第6页/共38页7渗

4、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+N2第7页/共38页8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第8页/共38页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

5、表面碳浓度（渗碳温度下奥氏体最大碳溶解度）渗碳结束后表面碳浓度（渗碳温度下奥氏体最大碳溶解度）C0原材料的含碳量原材料的含碳量第9页/共38页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-螺栓螺栓第10页/共38页11渗碳层的分布渗碳层的分布材料：20CrMo渗层深度：0.38mm及0.64mm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2.6610-4Pa，脉冲时间5min。第11页/共38页12齿轮真空渗碳后的金相组织

6、齿轮真空渗碳后的金相组织齿轮（0.38mm渗层）真空渗碳后金相组织照片（400）a）齿顶处 b)齿工作面 c）心部第12页/共38页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（0.64mm渗层）真空渗碳后金相组织照片（400）a）齿顶处 b)齿工作面 c）心部第13页/共38页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）第14页/共38页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

7、第15页/共38页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第16页/共38页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）25第17页/共38页真空渗氮真空渗氮第18页/共38页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),

8、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。第19页/共38页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，：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；渗氮温度过低，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：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；

9、度越高，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：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，现硬度增加越明显，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，表面渗层变薄，排出气不能充分燃烧，时间过短，表面脆性大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，渗层加深第20页/共38页214Cr5MnSiV1钢热挤压模真空渗氮工艺钢热挤压模真空渗氮工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

10、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,服役服役条件过严条件过严,表面易发生热冲击裂纹、热粘着、熔损、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浸蚀等缺陷。对压铸型腔模以提高抗热冲击性能为主主,以防止龟裂发生以防止龟裂发生;对铸芯或浇口、顶杆等以提对铸芯或浇口、顶杆等以提高抗粘

11、着、熔损、浸蚀为主。高抗粘着、熔损、浸蚀为主。第21页/共38页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）/%第22页/共38页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第23页/共38页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第24页/共38页254Cr5MnSiV1钢真空渗氮层组织钢真空渗氮层组织真

12、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和白亮化合物层/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白亮层第25页/共38页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,减少工件表减少工件表面氮气和氢气的吸附面氮气和氢气的吸附,从而增大工件表面对活性氮从而增大工

13、件表面对活性氮原子的吸收原子的吸收,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和抽真空来调控和抽真空来调控炉内的氨量炉内的氨量,以得到无化合物层、仅有扩散层的渗以得到无化合物层、仅有扩散层的渗层组织层组织(显微组织图中的显微组织图中的N2),随着氨流量达到一随着氨流量达到一定值时定值时,工件表面活性氮原子的浓度梯度不断增大工件表面活性氮原子的浓度梯度不断增大,当超过了其在当超过了其在xFe中的溶解度后中的溶解度后,就会在表层开就会在表层开始形成白亮氮化物层始形成白亮氮化物层(显微组织图中的显微组织图中的N3)。第26页/

14、共38页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,从而可增加扩散从而可增加扩散层的厚度层的厚度,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可避免表面形成白亮氮化物层化物层,从而获得较为理想的渗层厚度及表面显微硬度从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影响了扩散层厚度的增加增加,而后期采用大的氨

15、流量而后期采用大的氨流量,促进了表面形成了白亮氮化促进了表面形成了白亮氮化物层。物层。第27页/共38页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（仅有扩散层）硬（仅有扩散层）硬度分布都较为平缓；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，这与更为平缓，这与N3的试样的试样表层形成白亮氮化物，造成相邻的次表层合金表层形成白亮氮化物，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元素的贫化，使得最外层的白亮层与次表层的硬度梯度特别陡峭，会影响到热挤模在热挤压硬度梯度特别陡峭，会影响到热挤模在热挤压过程中所承受的热疲劳状态，

16、产生渗层剥离现过程中所承受的热疲劳状态，产生渗层剥离现象，降低挤压寿命。有文献认为，仅有扩散层象，降低挤压寿命。有文献认为，仅有扩散层而无氮化物层（白亮层）的氮化层韧性最好而无氮化物层（白亮层）的氮化层韧性最好第28页/共38页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真空渗氮优点之一就是通过对送入含活性物质的复合气对送入含活性物质的复合气体种类和量的控制可以得到体种类和量的控制可以得到几乎没有化合物层几乎没有化合物层(白亮层白亮层),而只有扩散层的组织。而只有扩散层的组织。没有白亮层的原因据推测是没有白亮层的原因据推测是因为在真空炉排气至真空度因为在真空炉排气至真空度为为1

17、10-1Pa 很低的压力中很低的压力中处理的处理的,最重要的一个是带有最重要的一个是带有活性物质的复合气体在短时活性物质的复合气体在短时间内向钢中扩散生成的扩散间内向钢中扩散生成的扩散层组织。这种组织的极大优层组织。这种组织的极大优点是耐热冲击性、抗龟裂性点是耐热冲击性、抗龟裂性能优异。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第29页/共38页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了两者间的结合力，降低

18、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；强度，造成渗层剥落，严重影响了挤压通过量；N4说明仅有扩散层的渗层，其耐磨性还有待进一步的提高；说明仅有扩散层的渗层，其耐磨性还有待进一步的提高；提高仅有扩散层的渗层硬度，适当厚度的白亮层与扩散层提高仅有扩散层的渗层硬度，适当厚度的白亮层与扩散层的合理结合，的合理结合，真空渗氮试验模挤压通过量第30页/共38页314Cr5MoSiV1钢挤压模真空渗氮结果钢挤压模真空渗氮结果基本上消除渗层中的脉状晶组织，可通过改变炉压级氨流量来调控渗层组织结构，提高渗层质量，真空渗基本上消除渗层中的脉状晶组织，可通过改变炉压级氨流量来调控渗层

19、组织结构，提高渗层质量，真空渗氮层的显微硬度分布较平缓，仅有扩散层的渗层硬度分布更理想；氮层的显微硬度分布较平缓，仅有扩散层的渗层硬度分布更理想；工艺设备简单，节省主原料氨气用量；工艺设备简单，节省主原料氨气用量；真空渗氮的试验模通过考察其挤压通过量发现，适当的渗氮层厚度（真空渗氮的试验模通过考察其挤压通过量发现，适当的渗氮层厚度（0.120.15），仅有扩散层的明显优），仅有扩散层的明显优于有白亮层于有白亮层+扩散层的。扩散层的。第31页/共38页32H13，3Cr2W8V模具钢真空脉冲渗氮生产模具钢真空脉冲渗氮生产渗氮层组织均匀而致密，没有明显的孔隙或夹杂，这对材料的耐磨性、耐腐蚀性、耐疲

20、劳性、抗咬合性均有很好的作用。a)H13,b)3Cr2W8V模具钢真空渗氮层的显微组织500ab渗氮层组织分析的结果第32页/共38页33H13，3Cr2W8V模具钢渗氮层显微结构模具钢渗氮层显微结构在真空条件下，气体具有更多的运动机会，扩散更迅速。在真空脉冲渗氮过程中，采用脉冲送气和抽气方式，炉内氨气不断更新，避免出现滞留气体，使模具各表面经常能与新鲜的氨气接触，因而可以得到均匀的渗层。真空脉冲渗氮时，随着炉气压力的降低，由于局部脱气作用使表面化合物层内的孔隙程度减轻或消失，因而形成致密的化合物层。第33页/共38页34H13，3Cr2W8V模具钢渗氮层脆性及硬度模具钢渗氮层脆性及硬度H13

21、，3Cr2W8V经脉冲渗氮后的渗氮层脆性小、化合物经脉冲渗氮后的渗氮层脆性小、化合物层薄、扩散层较厚、硬度较高。层薄、扩散层较厚、硬度较高。炉温升到渗氮温度时，一部分氨分子在被模具表面吸附并炉温升到渗氮温度时，一部分氨分子在被模具表面吸附并发生分解，如发生分解，如2NH3=3H2+2N所述；随后活性氮原子所述；随后活性氮原子N 以间隙固熔体形式渗入模具表面。以间隙固熔体形式渗入模具表面。在渗氮保温时，一方面表层渗氮；另一方面氮向里层扩散，在渗氮保温时，一方面表层渗氮；另一方面氮向里层扩散，形成一定深度的氮层。两段渗氮的主要目的是降低渗层白形成一定深度的氮层。两段渗氮的主要目的是降低渗层白亮层的

22、厚度。亮层的厚度。H13，3Cr2W8V渗氮层脆性和表面硬度第34页/共38页35模具钢真空渗氮模具钢真空渗氮模具钢经真空脉冲渗氮后，可获得化合物层薄、无明显疏松、脆性小的渗氮层。渗氮层脆性小是真空脉冲渗氮特点，因而可大大提高压铸模、冷冲模和塑料模的寿命。第35页/共38页36真空渗氮应用真空渗氮应用第36页/共38页37真空渗氮新技术及其发展真空渗氮新技术及其发展真空脉冲液体氮碳共渗真空脉冲液体氮碳共渗在真空脉冲渗氮的基础上发展起来的采用氨气和无水乙醇，以在真空脉冲渗氮的基础上发展起来的采用氨气和无水乙醇，以脉冲法共渗。脉冲法共渗。真空液体氮碳共渗比真空渗氮有更高的耐磨性和抗咬合性，而真空液体氮碳共渗比真空渗氮有更高的耐磨性和抗咬合性，而且脆性小、周期短。且脆性小、周期短。渗层很致密、均匀。它承袭了真空渗氮的一些优点，如不通孔渗层很致密、均匀。它承袭了真空渗氮的一些优点，如不通孔内壁、狭缝的均匀液体氮碳共渗，装炉量多，可提高生产率，内壁、狭缝的均匀液体氮碳共渗，装炉量多，可提高生产率，而且以其渗速快、脆性小、耐磨性和抗咬合性能好等优点，使而且以其渗速快、脆性小、耐磨性和抗咬合性能好等优点，使经过处理的模具寿命大幅提高。经过处理的模具寿命大幅提高。第37页/共38页38感谢您的观看！第38页/共38页