1先進熱處理制造技術第二章可控氣氛熱處理技術前沿

熱處理生產技術重點發展的方向之一是可控氣氛熱處理。

在無氧化熱處理技術的發展趨勢中，首推可控氣氛熱處理。可控氣氛熱處理先進熱處理技術的主要組成部分。

在目前少品種、大批量生產中，尤其是碳素鋼和一般合金結構鋼件的光亮淬火、退火、滲碳淬火、碳氮共滲淬火、氣體氮碳共滲仍以可控氣氛為主要手段。2主要內容制備氣氛的氣源設備可控氣氛在熱處理中的應用3制備氣氛的氣源最早的吸熱式氣氛發生爐主要用液化氣，即純度較高的丙烷或丁烷。

近年已證實，我國的天然氣資源豐富，為用甲烷制備吸熱式氣氛創造了良好的條件。4設備能密封的爐型自動化程度高，生產柔性大，適用性強的多用爐生產線5可控氣氛在熱處理中的應用滲碳高溫滲碳是滲碳技術發展趨勢之一。碳氮共滲碳氮共滲溫度比滲碳低，工件畸變小67滲碳熱處理廣泛應用于承受著高負荷、高磨損和高疲勞抗力的零件生產上，其中可控氣氛滲碳在汽車、拖拉機、汽輪機、工程機械、大型礦山成套機械裝置、船舶以及宇航等領域的齒輪生產上仍占著相當大的比例，并且正在采用計算機動態控制技術以實現重現性高和品質優良的部件生產上。§2.1滲碳技術初步8§2.1滲碳技術初步一滲碳的定義、目的及分類定義：鋼件在滲碳介質中加熱和保溫，使碳原子深入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝目的：使機器零件獲得高的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和抗疲勞強度分類：根據所用滲劑在滲碳過程中聚集狀態的不同，可分為固體滲碳法液體滲碳法氣體滲碳法9二固體滲碳法定義：是把滲碳工件裝入有固體滲碳劑的密封箱內，在滲碳溫度區間加熱滲碳。滲碳劑：一定大小的固體炭粒和催滲劑（e.g.碳酸鹽）

滲碳反應：

Na2CO3→Na2O+CO2orC+O2→CO2

C

+CO2→2CO2CO→CO2+[C]（活性碳原子）

特點：設備便宜，工藝簡單，歷史較長適合多種少量生產熱源多樣，過程不可控，不適于連續大批量生產10三液體滲碳法定義：在能析出活性碳原子的鹽浴中進行的滲碳工藝。滲碳劑：氰化鹽（以700℃為界，上以滲碳為主，下以滲氮為主）滲碳反應：

NaCN+O2→NaCNOorNaCN+CO2→NaCNO+CONaCNO→NaCO3+CO+N

特點：加熱迅速均勻，可直接淬火滲碳層薄且均勻，適于小件中量生產滲劑毒性大，處理后表面附著鹽不易清理滲劑易劣化，遇水強烈反應，滲劑組成易變動11四氣體滲碳法定義：工件在氣體介質中進行的滲碳工藝滲劑：碳氫化合物有機液體（e.g.煤油丙酮）滲碳氣氛（預生成和直生式）滲碳反應：

CO→[C]+CO2H2+CO→[C]+H2OCH4→[C]+H2C2H6→[C]+CH4+H2C3H8→[C]+C2H6+H2

特點：適于大量生產，易實現自動化可調節表面碳濃度（Control）設備昂貴，投資大五、國外滲碳工藝的新進展近二十多年來，國外的滲碳工藝已形成具有明顯特色的一些先進工藝技術，主要體現在高溫滲碳、深層滲碳、高濃度滲碳、真空滲碳淬火、不銹鋼的低溫滲碳等12高溫滲碳

高于常規氣體滲碳溫度930℃的滲碳稱為高溫滲碳。由計算知，將溫度由930℃提高至1050℃達到相同的滲層深度大約可縮短滲碳時間2／3以上。顯然，采用高溫滲碳，節能和縮短工藝周期的效果是顯著的。美國的熱處理技術路線圖將之作為重點推廣項目之一。1314AlSIlOl8鋼(相當于我國鋼號20)，在一定條件下于不同滲碳溫度下的實測深度和表層含碳量變化數據表明，高溫滲碳速度提高了。2.鋼件的深層滲碳機械零件常規滲碳層深度為0.8～1.2mm，加機械零件的冷加工裕量，相應深度為1.3—1.7mm。這樣，滲碳深度大于1.8mm零件的滲碳應屬于深層滲碳范圍。15

深層滲碳對大模數重載齒輪的生產十分適用，許多工業發達國家，如瑞士、德國和日本都采用滲碳淬火和磨齒工藝技術。其中，瑞士馬格公司的技術享有世界盛名，處于領先地位。163.高濃度滲碳常規滲碳件表面的含碳量一般為0.8％～1.0％范圍。為此，要求將滲碳工件表面含碳量超過此范圍的化學熱處理操作稱為高濃度滲碳，或稱作為“過剩滲碳”或“高飽和滲碳”。高濃度滲碳適用于含一定量Cr或Mo或Ni、Cr、Mo的合金鋼。應用于4118、5120、8620、8720、8822和9310等鋼。52100(GCrl5或100Cr6)鋼也可進行這種處理。17日本學者S．Nakamura等，I．Machida等和T．Moritov等分別在2002、2008和2010年在美國申請高濃度滲碳專利(US2002／0050307A1，US2008／0156399A1和US2010／0126632A1)，都能獲得在常規滲碳淬火的馬氏體基體上分布著細小彌散的碳化物粒狀。184.鋼件真空滲碳淬火真空滲碳也稱低壓滲碳，是一種非平衡的強滲一擴散型(non-equilibriumboost-diffusion-type)滲碳過程。其一般過程描述為在具有一定分壓的碳氫氣氛的粗真空的奧氏體化條件下進行滲碳和在粗真空條件下進行擴散，在達到技術條件要求后于油中或高壓氣淬條件下冷卻的一個過程。1920日本Inata采用乙炔真空滲碳處理后的汽車部件：圖a是高濃度滲碳工藝曲線，圖b是工件裝爐料筐，圖c是SNCM220高濃度滲碳后的組織(對應的有效硬化層深為1.20mm)可以看出在常規滲碳層上沉淀析出細小球狀的碳化物，從而改善部件耐磨性和疲勞強度。21。SUS304不銹鋼1050℃滲碳后的組織及硬度梯度曲線和汽車部件的裝料。5.不銹鋼的低溫和滲碳奧氏體不銹鋼具有優良的耐蝕性、高的韌性、無磁性和一定的生物相容性，被廣泛應用于機械工業、化學工業、食品加工業、制藥、生物和核工業領域，然而其硬度低、抗磨損性能差，因而應用受到限制。

后來又發現，奧氏體不銹鋼經低溫滲碳也可獲得具有高硬度、高耐磨性和優良耐蝕性的表面滲層。滲碳溫度低于550℃，碳擴散進入材料表面，也不出現Cr的碳化物沉淀。22

2006年美國Swagelok公司報導了低溫非常超飽和處理工藝，并在奧氏體不銹鋼以外的含Cr沉淀硬化不銹鋼，雙相合金，鎳基合金和Co基合金上應用。為此贏得2006年工程材料成就獎。2324日本AirWater公司316鋼在470℃20h滲碳25發展歷史

20世紀30年代開始工業應用（僅爐溫和時間可控）

吸熱式氣氛發生裝置的開發（碳勢控制）滴注式可控氣氛的出現

氧濃差電池+紅外分析儀PLC+計算機

§2.2可控氣氛熱處理的概述26滴注式可控氣氛工藝過程：一般采用兩種有機液體同時滴入爐內，一種液體產生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體，另一種液體產生的氣體碳勢較高，作為富化氣。改變兩種液體的滴入比例，可控制零件的表面含碳量。

27吸熱式可控氣氛工藝過程：在發生器中，把天然氣、液化石油氣等氣體與一定比例的空氣混合，再通過加熱到高溫（1000℃以上）加入催化劑，使混合氣體的未燃部分（當空氣量較少時，混合氣體先部分燃燒）熱裂解（吸熱反應）而制得。

放熱式可控氣氛工藝過程：在發生器中,把天然氣、液化石油氣等氣體燃料或酒精、柴油等液體燃料與較多的空氣混合，使它接近于完全燃燒(放熱反應)，再對燃燒產物進行初步凈化(除水)或高度凈化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的氣體。28一概述早期：出現時間早、完全憑經驗處理、僅能控制爐溫和時間轉折：碳活度公式在不平衡氣氛中的擴展應用氧勢：采用氧探頭測定（Pt對CH4分解的強催化作用）CO：隨滲碳溫度和時間改變，采用紅外分析儀分析應用依據：滲碳試驗

§2.3直生式滲碳技術29二直生式氣氛

1.燃料種類：氣體或液體常見的有天然氣、丙烷、丙酮、異丙醇2.氣體組成：主要組分為CO,H2和CH4直生式氣氛的組成與燃料種類、燃料與空氣的比例以及爐內溫度等有關。氣氛中含有較高的CH4，氣氛組成（尤其是CH4含量）受溫度影響較大。自然氣/空氣類型的直生式氣氛由于過高的CH4含量，在850℃以下已無法獲得實際應用。

30三、優勢a.碳傳遞系數（β）高：相同碳勢條件下，直生氣氛可使工件表面獲得較高的碳濃度，加大工件表層的濃度梯度，增加滲速和滲層厚度。b.碳可用量高含有高濃度的CH4，保證滲碳的均勻性，尤其有利于零件外形復雜、裝載密度較大、氣氛循環狀況較差的條件31c、控制方式簡單迅速高效：

采用調節空氣流量來控制碳勢，比調節燃料流量具有更好的碳勢控制效果，一方面是氣氛成分變化對空氣流量比較敏感；另一方面是調節燃料流量時，產生炭黑的危險較大。

d、調節時間較短

不需要添置發生器，不存在發生器啟動和調節時間的影響。天然氣是氣體，在裂化過程中很多氣源還需經過氣化這個階段。在這個氣化階段時，就可以因為局部差異，而產生碳黑。天然氣主要成份甲烷，分子鏈最簡單，更容易裂化，其它氣源（除煤氣）分鏈長，不易裂化。天然氣直生式滲碳僅少需氧的參與，其裂解中變生的活性碳（CH4→Cad+H2）就能直接滲碳，有些氣源本身就有氧，或者分子鏈太長要裂解必需較多氧的參與。

32四、注意問題1.內氧化問題（合金元素Cr、Mn、Si在滲碳亞表層的局部氧化）滲碳氣氛中的CO分解為[C]和O，兩種原子在鋼內擴散，發生滲碳反應和局部氧化反應。局部氧化反應隨CO濃度變化而發生變化控制氣氛中的CO濃度2.氣氛制備液體原料入爐前需先經過爐頂蒸發器控制空氣流量來控制碳勢3.對加熱設備的要求加熱能力（甲烷和丙烷與空氣反應為吸熱）氣體循環能力

33直生式滲碳氣氛中CH4存在的影響有哪些？

34一工藝簡介爐膛在低真空至正壓大范圍變壓加熱，以中性氣體迅速置換爐膛中的空氣、水分等氧化物質，而后充以工藝規定的滲劑，使工件在設定的氣氛中加熱。二工藝原理無含氧氣體，不可進行碳勢控制

1.質量傳輸：碳質量流的密度mc：單位表面積和單位時間內進入材料的碳量

2.碳擴散：溫度決定§2.4低壓滲碳技術（LPC）

35三工藝特點

a、實現少無氧化加熱，能耗低加熱過程的低真空變壓，可借助中性氣體迅速排除爐膛中的空氣，而后再以少量的有機液體或液化氣消除爐膛中殘余氧和水蒸氣，實現工件的少無氧化加熱。輔料消耗比常規的可控氣氛爐(或保護氣氛爐)減少50%以上。

b、滲劑傳遞迅速，覆蓋面廣，滲層均勻

借助低真空變壓及滲劑可定向活動特性，在迅速排除工件四周的老化氣氛的同時，新鮮滲劑可立即迅速擴散到爐膛各處，工件上的小孔、盲孔孔壁及壓緊面均可得到滿足的滲層，從而實現工件密裝生產。§2.4低壓滲碳技術（LPC）

36c、高效迅速，工藝周期短

可將單一元素的爐氣迅速改變為兩類元素的多元素共滲氣氛，并在質量上和數目上予以精控(質量上控制就是控制爐氣各成分的百分比，數目上控制就是控制爐氣的總壓力)。幾種元素同時滲透的互相促進作用，滲速加快，工藝周期明顯縮短。

因爐壓適當提高可縮短滲氮和滲碳時間，低真空變壓設備可隨時迅速把爐壓調至滲速最高的范圍，從而縮短工藝周期。

d、可將滲碳與氣淬結合改善零件變形行為，減少間歇處理時間，降低氣體和能量的消耗，同時防止炭黑的產生。

37四具體工藝——真空低壓乙炔滲碳

產生背景：以丙烷為滲劑時，當溫度高于600℃，丙烷易分解為C,H2和CH4，可致零件表面產生炭黑，在爐子內腔和泵管產生焦油工藝特點：高溫滲碳能力強,低壓下不產生焦油和炭黑溫度T=900-1000℃壓力P≤2×103Pa38一關于滲碳鋼

1.低碳：含碳量一般為0.1-0.25%，以保證心部有足夠的塑性和韌性，碳高則心部韌性下降。2.合金元素：主加元素為Cr、Mn、Ni、B等，它們的主要作用是提高鋼的淬透性，從而提高心部的強度和韌性輔加元素為W、Mo、V、Ti等強碳化物形成元素，這些元素通過形成穩定的碳化物阻止A晶粒長大進而細化A晶粒，同時還能提高滲碳層的耐磨性。

§2.5高溫滲碳技術

39二高溫滲碳的產生背景成本高滲碳淬火工藝的局限性能耗高時間長目前的滲碳工藝組成：滲碳過程+直接淬火滲碳淬火的經濟性取決于加熱工件的能耗。其中主要的影響因素為滲碳時間。形成滲碳層所需時間取決于碳在工件內的擴散速度。

擴散取決于溫度和濃度梯度40提高滲碳溫度可以縮短處理時間。

1.對滲碳鋼進行奧氏體化退火處理，可以測出其最佳的滲碳溫度和滲碳時間，即能保證細晶粒穩定組織的滲碳溫度和時間。

2.添加適當的化學成分，提高鋼的A3溫度。41三高溫滲碳的技術要點

1.奧氏體化溫度和保溫時間影響晶粒的長大。

提高奧氏體化溫度和延長保溫時間，促進粗晶粒的形成；低溫奧氏體化過程中，保溫時間增加，晶粒開始長大；

F、G、H、I鋼的奧氏體化溫度由于合金元素的存在，可以提高到1000℃而不發生晶粒長大。

2.滲碳劑碳勢的高低會影響表面滲碳層的硬度。高碳勢滲碳劑導致殘余奧氏體含量增加，表層出現過量滲碳，硬度沿趨近表面的方向逐漸下降。低碳勢滲碳劑中滲碳后，硬度未出現沿趨近表面的方向下降的現象。高碳勢滲碳劑的滲碳效果也取決于合成成分。42§2可控氣氛熱處理技術——滲碳一滲碳知識初步

1.定義：鋼件在滲碳介質中加熱和保溫，使碳原子深入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝

2.目的：使機器零件獲得高的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和抗疲勞強度

3.分類：根據所用滲劑在滲碳過程中聚集狀態的不同，可分為固體滲碳法液體滲碳法(700℃)氣體滲碳法

4.過程：分解——吸收——擴散

[C]43二可控氣氛熱處理技術碳活度（碳勢）方程的建立1.產生基礎：氧濃差電池+紅外分析儀

2.生產現狀:氣體滲碳氣氛的多樣化滴注式氣氛

吸熱式氣氛

放熱式氣氛

直生式氣氛44滴注式可控氣氛工藝過程：一般采用兩種有機液體同時滴入爐內，一種液體產生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體，另一種液體產生的氣體碳勢較高，作為富化氣。改變兩種液體的滴入比例，可控制零件的表面含碳量。45吸熱式可控氣氛工藝過程：在發生器中，把天然氣、液化石油氣等氣體與一定比例的空氣混合，再通過加熱到高溫（1000℃以上）加入催化劑，使混合氣體的未燃部分（當空氣量較少時，混合氣體先部分燃燒）熱裂解（吸熱反應）而制得。

46放熱式可控氣氛工藝過程：在發生器中,把天然氣、液化石油氣等氣體燃料或酒精、柴油等液體燃料與較多的空氣混合，使它接近于完全燃燒(放熱反應)，再對燃燒產物進行初步凈化(除水)或高度凈化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的氣體。47

1.產生背景：碳活度公式在不平衡氣氛中的擴展應用

2.燃料種類：氣體或液體（天然氣、丙烷、丙酮、異丙醇）3.氣氛組成：主要為CO,H2和CH4氣氛組成不穩定，受爐溫及氣體種類影響三直生式滲碳技術484.優勢

a、碳傳遞系數（β）高：

相同碳勢氣氛下，可使工件表面獲得較高的碳濃度，并使表層獲得較高的碳濃度梯度，從而使滲碳速度增加，滲層深度提高。

b、碳可用量高：

保證滲碳均勻性，尤其是對零件形狀比較復雜和工件裝載密度較大、氣氛的循環狀況較差的情況下49c、控制方式簡單迅速高效：

采用調節空氣流量來控制碳勢，比調節燃料流量具有更好的碳勢控制效果，一方面是氣氛成分變化對空氣流量比較敏感；另一方面是調節燃料流量時，產生炭黑的危險較大。

d、調節時間較短

不需要添置發生器，不存在發生器啟動和調節時間的影響。天然氣是氣體，在裂化過程中很多氣源還需經過氣化這個階段。在這個氣化階段時，就可以因為局部差異，而產生碳黑。天然氣主要成份甲烷，分子鏈最簡單，更容易裂化，其它氣源（除煤氣）分鏈長，不易裂化。天然氣直生式滲碳僅少需氧的參與，其裂解中變生的活性碳（CH4→Cad+H2）就能直接滲碳，有些氣源本身就有氧，或者分子鏈太長要裂解必需較多氧的參與。

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1.工藝過程：

爐膛在低