渗碳淬火 百科内容来自于: 百度百科

渗碳淬火是金属材料常见的一种热处理工艺,它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度,提高其耐磨程度。传统工艺主要有:低温回火、预冷直接淬火、一次加热淬火、渗碳高温回火、二次淬火冷处理、渗碳后感应加热等工序。淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。机械中重要零件,尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件干差万别的技术要求,发展了各种淬火工艺。

解释

渗碳:是对金属表面处理的一种,采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢,具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分. 相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺,它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度,提高其耐磨程度。
渗碳(carburizing/carburization)
渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层,再经过淬火低温回火,使工件的表面层具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。
渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(960~1100℃)气体渗碳得到发展。至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。

原理

渗碳与其他化学热处理一样﹐也包含3个基本过程。
①分解
渗碳介质的分解产生活性碳原子。
②吸附
活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。
③扩散
表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。
渗碳零件的材料 一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小於0.25%)。渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8~1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC58~63﹐心部硬度为HRC30~42。渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命。

分类

按含碳介质的不同﹐渗碳可分为固体渗碳﹑液体渗碳﹑气体渗碳、离子渗碳和真空渗碳。

新发展

渗碳工艺是一个十分古老的工艺,在中国,最早可上溯到2000年以前。起先是用固体渗碳介质渗碳。在20世纪出现液体和气体渗碳并得到广泛应用。后来又出现了真空渗碳和离子渗碳。到现在,渗碳工艺仍然具有非常重要的实用价值,原因就在于它的合理的设计思想,即让钢材表层接受各类负荷(磨损、疲劳、机械负载及化学腐蚀)最多的地方,通过渗入碳等元素达到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度及耐蚀性﹐而不必通过昂贵的合金化或其它复杂工艺手段对整个材料进行处理。这不仅能用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的高合金钢,而且能够保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。因此,完全符合节能、降耗,可持续发展的方向。
近年来,出现了高浓度渗碳工艺,与传统工艺在完全奥氏体区(温度在900~950℃,渗碳后表面碳质量分数为0.85%~1.05%)进行渗碳不同,它是在Ac1~Accm之间的不均匀奥氏体状态下进行,其渗层表面碳浓度可高达2%~4%。其结果可获得细小颗粒碳化物均匀、弥散分布的渗层。其渗碳温度降至800℃~860℃温度范围,可实现一般钢材渗碳后直接淬火;由于高浓度渗碳层含有很高数量(20%~50%)的弥散分布的碳化物,故显示出比普通渗碳更优异的耐磨性、耐蚀性,更高的接触与弯曲疲劳强度,较高的冲击韧度、较低的脆性及较好的回火稳定性。该工艺还具有适用性广、对设备无特殊要求等优点,具有较高的经济效益和实用价值,近年来在国内外获得竞相研究与开发。
为了防止渗碳过程中奥氏体晶粒的粗化,一般都在钢材中添加适量的钛,通过形成碳氮化钛粒子钉扎晶界而阻止晶粒长大。国家标准规定渗碳钢中钛添加量为0.04~0.08wt%。然而,最近有研究工作表明,当钛含量超过0.032%,就会在渗碳钢冶炼铸锭凝固时析出氮化钛。这种氮化钛尺寸达到微米数量级,起不到阻止奥氏体晶粒长大的作用,反而由于这种呈立方体的粒子的尖角效应以及与基体组织的不连续性而成为微裂纹的策源地和裂纹扩展的中继站,严重损害钢材的韧塑性。工作还表明,将钛含量降至0.02~0.032%,仍然能够同样有效地起到控制奥氏体晶粒长大的作用,而又可避免有害氮化钛粒子的形成,因此是值得推荐的合理的选择范围。

渗碳工艺

1、 直接淬火低温回火
组织及性能特点:不能细化钢的晶粒。工件淬火变形较大,合金钢渗碳件表面残余奥氏体量较多,表面硬度较低
适用范围: 操作简单,成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件,适用于气体渗碳和液体渗碳工艺。
2 、 预冷直接淬火、低温回火,淬火温度800-850℃
组织及性能特点:可以减少工件淬火变形,渗层中残余奥氏体量也可稍有降低,表面硬度略有提高,但奥氏体晶粒没有变化。
适用范围: 操作简单,工件氧化、脱碳及淬火变形均小,广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。
3、 一次加热淬火,低温回火,淬火温度820-850℃或780-810℃
组织及性能特点:对心部强度要求较高者,采用820-850℃淬火,心部为低碳M,表面要求硬度高者,采用780-810℃淬火可以细化晶粒。
适用范围: 适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢,某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。
4、 渗碳高温回火,一次加热淬火,低温回火,淬火温度840-860℃
组织及性能特点:高温回火使M和残余A分解,渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出,便于切削加工及淬火后残余A减少。
适用范围: 主要用于Cr—Ni合金渗碳工件
5、 二次淬火低温回火
组织及性能特点:第一次淬火(或正火),可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织(850-870℃),第二次淬火主要改善渗层组织,对心部性能要求不高时可在材料的Ac1—Ac3之间淬火,对心部性能要求高时要在Ac3以上淬火。
适用范围: 主要用于对力学性能要求很高的重要渗碳件,特别是对粗晶粒钢。但在渗碳后需经过两次高温加热,使工件变形和氧化脱碳增加,热处理过程较复杂。
6、 二次淬火冷处理低温回火
组织及性能特点:高于Ac1或Ac3(心部)的温度淬火,高合金表层残余A较多,经冷处理(-70℃/-80℃)促使A转变从而提高表面硬度和耐磨性。
适用范围: 主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件。
7、 渗碳后感应加热淬火低温回火
组织及性能特点:可以细化渗层及靠近渗层处的组织。淬火变形小,不允许硬化的部位不需预先防渗。
适用范围: 各种齿轮和轴类

缺陷防止

(一)碳浓度过高
⒈产生原因及危害:如果渗碳时急剧加热,温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂,或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着碳浓度过高,工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生,使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬火时形成高碳马氏体,在磨削时容易出现磨削裂纹。
⒉防止的方法
①不能急剧加热,需采用适当的加热温度,不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时晶粒粗大,则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。
②严格控制炉温均匀性,不能波动过大,在反射炉中固体渗碳时需特别注意。
③固体渗碳时,渗碳剂要新、旧配比使用。催渗剂最好采用4—7%的BaCO3,不使用Na2CO3作催渗剂。
(二)碳浓度过低
⒈产生的原因及危害:温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。最理想的碳浓度为0.9—1.0%之间,低于0.8%C,零件容易磨损。
⒉防止的方法:
①渗碳温度一般采用920—940℃,渗碳温度过低就会引起碳浓度过低,且延长渗碳时间;渗碳温度过高会引起晶粒粗大。
②催渗剂(BaCO3)的用量不应低于4%。
(三)渗碳后表面局部贫碳:
⒈产生的原因及危害:固体渗碳时,木炭颗粒过大或夹杂有石块等杂质,或催渗剂与木炭拌得不均匀,或工件所接触都会引起局部无碳或贫碳。工件表面的污物也可以引起贫碳。
⒉防止的方法
①固体渗碳剂一定要按比例配制,搅拌均匀。
②装炉的工件注意不要有接触。固体渗碳时要将渗碳剂捣实,勿使渗碳过塌而使工件接触。
③却除表面的污物。
(四)渗碳浓度加剧过渡
⒈产生的原因及危害:渗碳浓度突然过渡就是表面与中心的碳浓度变化加剧,不是由高到低的均匀过渡,而是突然过渡。产生此缺陷的原因是渗碳剂作用很强烈(如新配制的木炭,旧渗碳剂加得很少),同时钢中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成强烈,而造成表面高浓度,中心低浓度,并无过渡层。产生此缺陷后造成表里相当大的内应力,在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。
⒉防止的方法:渗碳剂新旧按规定配比制,使渗碳缓和。用BaCO3作催渗剂较好,因为Na2CO3比较急剧。
(五)磨加工时产生回火及裂纹
⒈产生的原因:渗碳层经磨削加工后表面引起软化的现象,称之为磨加工产生的回火。这是由于磨削时加工进给量太快,砂轮硬度和粒度或转速选择不当,或磨削过程中冷却不充分,都易产生此类缺陷。这是因为磨削时的热量使表面软化的缘故。磨削时产生回火缺陷则零件耐磨性降低。
表面产生六角形裂纹。这是因为用硬质砂轮表面受到过份磨削,而发热所致。也与热处理回火不足,残余内应力过大有关。用酸浸蚀后,凡是有缺陷部位呈黑色,可与没有缺陷处区别开来。这是磨削时产生热量回火。使马使体转变为屈氏体组织的缘故。其实,裂纹在磨削后肉眼即可看见。
⒉防止的方法:
①淬火后必须经过充分回火或多次回火,消除内应力。
②采用40~60粒度的软质或中质氧化铝砂轮,磨削进给量不过大。
③磨削时先开冷却液,并注意磨削过程中的充分冷却 淬火 :

淬火目的

淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体
或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

淬火工艺

将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性,因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)。通过淬火与不同温度的回火配合,可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度,并可获得这些性能之间的配合(综合机械性能)以满足不同的使用要求。另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能,如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主要用于钢件。常用的钢在加热到临界温度以上时,原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却,奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比,马氏体硬度最高。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力,当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法,淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。
淬火效果的重要因素,淬火工件硬度要求和检测方法:

工件硬度

淬火工件的硬度影响了淬火的效果。淬火工件一般采用洛氏硬度计,测试HRC硬度。淬火的薄硬钢板表面淬火工件可测试HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm的淬火钢棒,可改用表面洛氏硬度计,测试HRN硬度。
在焊接中碳钢和某些合金钢时,热影响区中可能发生淬火现象而变硬,易形成冷裂纹,这是在焊接过程中要设法防止的。
由于淬火后金属硬而脆,产生的表面残余应力会造成冷裂纹,回火可作为在不影响硬度的基础上,消除冷裂纹的手段之一。
淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适,对于过大的零件,淬火深度不够,渗碳也存在同样问题,此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。
淬火是钢铁材料强化的基本手段之一。钢中马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相(表1),故钢件淬火可以获得高硬度、高强度。但是,马氏体的脆性很大,加之淬火后钢件内部有较大的淬火内应力,因而不宜直接应用,必须进行回火。
表1钢中铁基固溶体的显微硬度

工艺应用

淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。机械中重要零件,尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件干差万别的技术要求,发展了各种淬火工艺。如,按接受处理的部位,有整体、局部淬火和表面淬火;按加热时相变是否完全,有完全淬火和不完全淬火(对于亚共析钢,该法又称亚临界淬火);按冷却时相变的内容,有分级淬火,等温淬火和欠速淬火等。
工艺过程 包括加热、保温、冷却3个阶段。下面以钢的淬火为例,介绍上述三个阶段工艺参数选择的原则。

淬火加热温度

以钢的相变临界点为依据,加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒,淬火后获得细小马氏体组织。碳素钢的淬火加热温度范围如图1所示。
由本图示出的淬火温度选择原则也适用于大多数合金钢,尤其低合金钢。亚共析钢加热温度为Ac3温度以上30~50℃。从图上看,高温下钢的状态处在单相奥氏体(A)区内,故称为完全淬火。如亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度,则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体,即为不完全(或亚临界)淬火。过共析钢淬火温度为Ac1温度以上30~50℃,这温度范围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火,淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。这-组织状态具有高硬度和高耐磨性。对于过共析钢,若加热温度过高,先共析渗碳体溶解过多,甚至完全溶解,则奥氏体晶粒将发生长大,奥氏体碳含量也增加。淬火后,粗大马氏体组织使钢件淬火态微区内应力增加,微裂纹增多,零件的变形和开裂倾向增加;由于奥氏体碳浓度高,马氏体点下降,残留奥氏体量增加,使工件的硬度和耐磨性降低。常用钢种淬火的温度参见表2。
表2常用钢种淬火的加热温度
实际生产中,加热温度的选择要根据具体情况加以调整。如亚共析钢中碳含量为下限,当装炉量较多,欲增加零件淬硬层深度等时可选用温度上限;若工件形状复杂,变形要求严格等要采用温度下限。

淬火保温

淬火保温时间 由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。对整体淬火而言,保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火,其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。
加热与保温是影响淬火质量的重要环节,奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在5~8级。

淬火冷却

要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体,冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷
却过程中,
表面与心部的冷却速度有-定差异,如果这种差异足够大,则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体,而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质,以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大,工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力,可能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素,合理选择淬火介质和冷却方式。
冷却阶段不仅零件获得合理的组织,达到所需要的性能,而且要保持零件的尺寸和形状精度,是淬火工艺过程的关键环节。

淬火方式

单介质淬火

工件在一种介质中冷却,如水淬、油淬。优点是操作简单,易于实现机械化,应用广
泛。缺点是在水中淬火应力大,工件容易变形开裂;在油中淬火,冷却速度小,淬透直径
小,大型工件不易淬透。

双介质淬火

工件先在较强冷却能力介质中冷却到300℃左右,再在一种冷却能力较弱的介质中冷
却,如:先水淬后油淬,可有效减少马氏体转变的内应力,减小工件变形开裂的倾向,可
用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。双液淬火的缺点是难以掌握双液转换的时刻,转
换过早容易淬不硬,转换过迟又容易淬裂。为了克服这一缺点,发展了分级淬火法。

分级淬火

工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火,盐浴或碱浴的温度在Ms点附近,工件在这一温度停
留2min~5min,然后取出空冷,这种冷却方式叫分级淬火。分级冷却的目的,是为了使工
件内外温度较为均匀,同时进行马氏体转变,可以大大减小淬火应力,防止变形开裂。分
级温度以前都定在略高于Ms点,工件内外温度均匀以后进入马氏体区。现在改进为在略
低于 Ms 点的温度分级。实践表明,在Ms 点以下分级的效果更好。例如,高碳钢模具在
160℃的碱浴中分级淬火,既能淬硬,变形又小,所以应用很广泛。

等温淬火

工件在等温盐浴中淬火,盐浴温度在贝氏体区的下部(稍高于Ms),工件等温停留较长
时间,直到贝氏体转变结束,取出空冷。等温淬火用于中碳以上的钢,目的是为了获得下
贝氏体,以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。低碳钢一般不采用等温淬火。

表面淬火

表面淬火是将刚件的表面层淬透到一定的深度,而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热,使刚件表面很快到淬火的温度,在热量来不及穿到工件心部就立即冷却,实现局部淬火。

感应淬火

感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。
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