热处理技术与应用

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不锈钢的化学热处理，是化学热处理中比较困难的一种处理方法，经过多年的工艺试验，现已开发出高效的活化剂及催渗剂，采用活化加催渗的方法，彻底解决这一难题，如1Cr18Ni9Ti表面硬度可达HV≥900。其工艺简单、低成本、高效、质量稳定。是目前国内同行业先进水平。

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   气体碳氮共渗，是把含碳、氮的气体或液体有机化合物通入炉内，使其在一定温度下析出碳和氮的活性原子并渗入工件表面的工艺。气体碳氮共渗不用氰盐，只要把一般气体渗碳设备稍加改装，便可进行共渗处理。

    （ 一）共渗介质和化学反应

     气体碳氮共渗使用的介质可分为两大类：一是渗碳剂加氨，另一类是含有碳氮元素的有机化合物。

     1．渗碳剂加氨  渗碳剂是供碳源，可用以丙烷富化的吸热式气体；氨气则是供氮源。碳氮共渗时，将上述两种气体按比例同时通入炉罐，它们除各自发生渗碳反应和渗氮反应外，还相互作用：

                                      CH4+NH3→HCN+3H2

                                      CO+NH3→HCN+H2O

     新生的氰化氢（HCN）又在工件表面分解产生活性原子

                                   HCN→H2+2【C】+2【N】

     活性碳氮原子被工件表面吸收并向内部扩散，形成共渗表层。调整和控制炉气的碳势与氮势，就能控制渗层质量。

     2．直接滴注含有碳氮元素的有机液体，如三乙醇胺、尿素的甲醇溶液等。

     三乙醇胺是一种暗黄色粘稠液体，在高温下的理论热分解反应为

                         （C2H4OH）3N→3CO+NH3+3CH4

     实际反应是复杂的，热解后的气体成分随温度变化而变化。

     三乙醇胺的主要缺点是粘度大、流动性差，管道容易堵塞。为此，必须加大滴液管直径并增设冷却水套。有的单位先将其裂化（840~860℃），再通入工作炉；也有些单位用乙醇稀释（三乙醇胺与乙醇1：1）后使用。

     尿素（NH2）2CO的甲醇溶液（最大溶解度为20%）也可以作为共渗介质，直接滴入炉内。

     尿素在高温下分解出CO、H2、和【N】

                   （NH2）2CO→CO+2H2+2【N】

     甲醇在高温下分解产生CO和H2

                            CH3OH→CO+2H2

     配置共渗溶液时，应该综合考虑液体的粘度和流动性、合理的碳氮配比等诸因素，确定溶液的混合比。例如，某单位以三乙醇胺、甲醇及尿素的混合液为共渗剂，其成分为：三乙醇胺500ml+甲醇500 ml+尿素180g，取得了良好效果。

 

（二）气体碳氮共渗的工艺参数

    共渗层的碳氮浓度和深度主要取决于共渗温度、时间和介质成分与供应量等因素：

    1．共渗温度  共渗温度直接影响到介质的活性和碳氮原子的扩散系数，共渗速度随温度的升高而加快。

    共渗温度还影响表层的碳氮浓度，渗层的含碳量随温度升高而增加，含氮量随温度的升高而下降。高温碳氮共渗，以渗碳为主；低温碳氮共渗，以渗氮为主。表层的碳浓度在880℃出现最大值，这是因为CO是弱渗碳剂，温度过高，活性碳原子供应不足造成的。

    表层氮浓度随共渗温度上升而降低的原因有三个：

一是温度愈高，氨分解速度愈快，大量的氨在与工件表面接触之前就分解完毕，减少了工件获得活性氮原子的机率；

二是从状态图可知，氮在奥氏体中的溶解度于650℃随温度升高而降低；碳在奥氏体中的溶解度却随温度升高而增加，碳的存在进一步降低氮在奥氏体中的溶解度；

三是随着温度升高，氮原子向内部扩散加剧，活性氮原子又供不应求，更易使表面含氮量下降。

    共渗温度还影响直接淬火后表面的残余奥氏体量。每一种钢有一个最低残余奥氏体量的对应温度。超过这个温度，表层含碳量太高，残余奥氏体太多；低于这个温度，表层的含氮量过多，残余奥氏体也过量。

    共渗温度的选择应综合考虑渗层质量、共渗速度与变形量等因素。国内大多数工厂的碳氮共渗温度在820~860℃范围内。温度超过900℃，渗层中含氮量太低，类似单纯渗碳，而且容易过热，工件变形较大。温度过低，不仅速度慢，而且表层含氮量过高，容易形成脆性的高氮化合物，渗层变脆。另外还将影响心部组织的强度和韧性。

     对于某些受载不大的薄壁耐磨零件（如缝纫机零件，碾米机米筛）可以选择较低的温度，例如在750~810℃进行短时间碳氮共渗。直接淬火后，表面能得到含氮马氏体与一定量的残余奥氏体，保证了硬度与耐磨性，并具有一定的韧性。且因共渗温度在Ac3以下，心部保留部分铁素体，具有良好的塑性，便于校正变形。

     少数零件可以采用Ac1以下碳氮共渗，经急冷淬火后表面获得一薄层含氮马氏体，心部组织保持不变，仍为铁素体+珠光体，变形最小。

     2．共渗时间  共渗时间主要决定于共渗温度、渗层深度和钢材成分。渗剂的成分和流量、工件的装炉量等因素也有一定的影响。

     共渗层深度与温度、时间的关系基本符合抛物线规律。实验测得：渗层深度在0.50㎜以下时，平均共渗速度为0.20~0.30㎜/h；渗层深度为0.50~0.90㎜/h时，平均共渗速度约为0.20㎜/h，与气体渗碳相似。实际生产中，工件出炉前必需观察试棒，检查渗层深度。

     3．共渗介质的配比与供应量  氨在共渗介质中所占的比例，影响渗层的碳氮浓度与组织状态。在一定范围内加大氨量，能使表层含碳量增加。氮的渗入能降低钢的临界点，增加了碳在奥氏体中的溶解度，加快碳原子的扩散速度，有利于碳的吸收与扩散。但是，表面含氮量的增加是有一定限度的，这个限值与共渗温度有关。过量的氨分解出大量的氮和氢，还会阻碍工件吸收碳。

     氨在共渗介质中的比例，对共渗速度和共渗层深度也有影响。在煤油热解气氛中通入20~40%氨气的效果最好。低于这个比例，气氛的活性太差，共渗速度低；高于这个比例，表面形成碳氮化合物层，阻碍了碳氮原子的吸收与扩散，共渗速度下降。

     综上所述，碳氮共渗时氨气所占比例应根据共渗温度、表层质量要求及渗碳介质的种类而加以合理选择。当采用煤油和氨气进行中温气体碳氮共渗时，氨气所占的比例一般控制在40%左右；当利用稀释气+富化气+氨气进行碳氮共渗时，氨气一般只占炉气总体积的2~10%。假如仅考虑渗碳富化气与氨气两项，则氨气占渗碳富化气与氨气总和的40%以上。

     共渗介质的供应量应能满足下列工艺要求：供应适量的碳氮原子，并使炉内保持正压，保证气氛均匀流动。排气阶段要输入大量共渗介质，以迅速排除炉内的氧化性气氛，恢复炉气的正常成分。扩散阶段应适当减少介质供应量，以控制渗层碳氮浓度，减少淬火后的残余奥氏体数量。一些资料介绍，碳氮共渗时气体介质每小时的正常流量应为炉罐容积的6~10倍，即保证每小时换气6~10次。如果采用煤油+氨共渗，可将煤油每小时的滴入量换算成渗碳气体的体积（炉温850℃时，煤油的产气量为0.7~0.8m3/L）进行计算，换气次数要低些，一般为3~8次。

     4．碳氮共渗后的热处理  碳氮共渗后的热处理和渗碳后的热处理极为相似，都要接着淬火和低温回火使之强化。共渗处理的温度与正常淬火的温度很相似，一般零件可以直接淬火。为了减少表层的残余奥氏体数量，有些零件采用预冷淬火，预冷温度应该避免心部出现大块铁素体。某些零件共渗处理后还要进行机械加工，则共渗后缓冷，机加工后重新加热淬火。缓冷和再次淬火加热时必须防止工件表面脱碳和脱氮。

     共渗层中含碳氮的奥氏体比渗碳后的奥氏体稳定，允许选用比较缓和的淬火介质。一般零件采用油淬，也可以采用分级淬火，在180~200℃的热油或碱浴（63%KOH+37%NaOH）中停留10~15min，然后空冷至室温。

    回火温度为180~260℃，根据工件材料与技术要求适当选择。共渗层的回火稳定性比渗碳的高，回火温度可高些。有时为了减少某些零件共渗层的残余奥氏体含量，可以在回火前安排一次冷处理，也可以在淬火前先经高温回火。

 

（三）碳氮共渗气氛的可控性   

 要控制碳氮共渗的质量，必须控制炉内气体的碳势和氮势。由于共渗时渗碳气氛与渗氮气氛相互作用，必须研究它们彼此之间的影响。

    1．渗碳气对氮势控制的影响  炉气氮势可以通过定期分析钢箔试样的含氮量而测得，也可通过测定炉气中H2和残留NH3的含量进行连续控制。由于碳氮共渗炉气中残留的氨量极微（200~600ppm），生产中常用含氢量控制氮势。

    渗碳气氛的碳势对于共渗炉气的氮势是有影响的。当温度与供氨量一定时，工件含氮量随气氛的碳势增加而减少。降低炉气的碳势，将使氮势升高。不过，在氨气添加量小于5％的吸热式气氛中，炉气碳势对氮势的影响很不明显。

    2．氨对碳势控制的影响  和渗碳一样，CO2含量仍然是控制共渗气氛碳势的参数。但是，必须考虑氨气对气氛碳势的影响很不明显。

    碳氮共渗的温度比较高，输入氨气的绝大部分未经利用就分解，并结合成分子状态的氮和氢，真正渗入钢中的氮量极少。氨分解后体积增加一倍：

                                         2NH3→N2+3H2

    因此，氨的输入对渗碳气氛主要起稀释作用，使得CO、N2和H2的含量发生下列变化：

                                   CO％=【CO】c/（1+2A/100）

                             N2％=（【N2】c+A/2）/（1+2A/100）

                             H2％=（【H2】c+A/2）/（1+2A/100）

    式中【CO】c、【N2】c、【H2】c分别表示渗碳气氛中该气体所占的百分数，A表示添加氨所占渗碳气的百分比。

    炉气中的CO含量随氨添加量的增加而减少；H2含量随氨添加量的增加而升高，碳势相应降低。也就是说，渗碳气氛中添加氨后，使得CO2-碳势的对应曲线移向左下方。如要保持炉气的碳势不变，必须降低CO2的控制值。

    控制炉气碳势，必须控制氨添加量和CO2含量。当氨添加量一定时，用红外线CO2分析仪就能测定并控制炉气碳势。

    应该指出，渗碳气与氨气产生微量氰化氢（HCN），对共渗炉气的碳势和氮势也有一定影响。

 

碳氮共渗是碳氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺。最早，碳氮共渗是在含氰根的盐浴中进行的，故此又称氰化。渗碳与渗氮相结合的的工艺，具有如下特点：

        1．氮的渗入降低了钢的临界点。氮是扩大γ相区的合金元素，降低了渗层的相变温度A1与A3，碳氮共渗可以在比较低的温度进行，温度不易过热，便于直接淬火，淬火变形小，热处理设备的寿命长。

        2．氮的渗入增加了共渗层过冷奥氏体的稳定性，降低了临界淬火速度。采用比渗碳淬火缓和的冷却方式就足以形成马氏体，减少了变形开裂的倾向，淬透性差的钢制成的零件也能得到足够的淬火硬度。

        3．碳氮同时渗入，加大了它的扩散系数。840~860℃共渗时，碳在奥氏体中的扩散速度几乎等于或大于930℃渗碳时的扩散速度。

        共渗层比渗碳具有较高的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度；比渗氮零件具有较高的抗压强度和较低的表面脆性。

        按使用介质不同，碳氮共渗分为固体、液体、气体三种。固体碳氮共渗与固体渗碳相似，经常采用30~40％黄血盐，10％碳酸铵和50~60％木炭为渗剂。这种方法的生产效率低，劳动条件差，目前很少使用。液体碳氮共渗以氰盐为原料，历史悠久，质量容易控制，但氰盐有剧毒，且价格昂贵，使用受到限制。气体碳氮共渗的发展最快。

        按共渗温度，碳氮共渗一般分为低温（500~560℃）、中温（780~850℃）和高温~880~950℃）三种。前者以渗氮为主，现在已定义为氮碳共渗，后两者以渗碳为主。习惯上所说的碳氮共渗，主要指中温气体氮碳共渗。

        碳氮共渗零件的机械性能同渗层表面的碳氮浓度、渗层深度与浓度梯度有关。

        共渗层的碳氮浓度必须严格控制，含量过低，不能获得高的强度、硬度与理想的残余应力，影响耐磨性与疲劳强度。反之，则不仅表层出现大量不均匀的块状碳氮化合物，脆性增加；而且会使淬火后残余奥氏体量剧增，影响表面硬度和疲劳强度。

        一般推荐最佳的碳、氮浓度分别为0.70~0.95％C和0.25~0.40％N。对于少数在高接触应力下工作的合金钢零件，当要求表面具有较多均匀分布的碳氮化合物颗粒时，表面含碳量可达1.20~1.50％，甚至2~3％，含氮量仍在0.50％以下。

        共渗层的深度应该与工件服役条件和钢材成分相适应。心部的含碳量较高或工件的承载能力较低时，如纺织机钢令圈、40Cr钢制汽车齿轮，渗层应薄些，常在0.50mm以上。一些原来渗碳的零件改为碳氮共渗，深度要求可适当减薄。

        共渗层中的浓度梯度宜尽量平缓，以保证层深与心部良好结合，防止渗层剥落。

我们这里的碳氮共渗一般都采用880℃的温度，通入丙烷和氨气，至于去碳、氮的浓度我不清楚是如何控制的，只知道控制的是流量

合金元素与钢中的碳相互作用，形成碳化物存在于钢中

按合金元素在钢中与碳相互作用的情况，它们可以分为两大类：

(1)、不形成碳化物的元素(称为非碳化物形成元素)，包括镍、硅、铝、钴、铜等。由于这些元素与碳的结合力比铁小，因此在钢中它们不能与碳化合，它们对钢中碳化物的结构也无明显的影响。

(2)、形成碳化物的元素(称为碳化物形成元素)，根据其与碳结合力的强弱，可把碳化物形成元素分成三类。

1）弱碳化物形成元素：

    锰对碳的结合力仅略强于铁。锰加入钢中，一般不形成特殊碳化物(结构与Fe3C不同的碳化物称为特殊碳化物)，而是溶入渗碳体中。

2）中强碳化物形成元素；铬、钼、钨

3）强碳化物形成元素：钒、铌、钛

有极高的稳定性，例如TiC在淬火加热时要到l 000C以上才开始缓慢的溶解，这些碳化物有极高的硬度，例如在高速钢中加人钒，形成V4C，使之有更高的耐磨性。

合金元素溶解于铁素体(或奥氏体)中，以固溶体形式存在于钢中。

合金元素与钢中的氮、氧、硫等化合，以氮化物、氧化物、硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物的形式存在于钢中。

合金元素游离态，即不溶于铁，也不溶于化合物：铅，铜

C：

碳是钢的主要元素。

1、当含量在一定范围内时，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性；

2、扩大奥氏体区的元素；

3、碳与其它合金元素的共同作用，改善钢的相关性能。

Si：

1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度；

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；

3、提高钢的氧化性、腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性；

4、磁钢中的主要合金元素（含量在0.40%范围内时，改善热裂倾向，含量高时，易形成柱状晶，增加热裂倾向）。

Mn ：

1、在低含量范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性；

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；

3、稍稍改善钢的低温韧性；

4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素。

Cr：

1、在低合金范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性；

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
3、提高钢的耐热性
4、在高合金范围内，使钢具有对强氧化性酸类等腐蚀介质的耐腐蚀能力
Mo ：1、 强化铁素体，提高钢的强度和硬度

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 ；

3、提高钢的耐热性和高温强度；

Ni：

1、提高钢的强度，而不降低其塑性，改善钢的低温韧性 ；

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；

3、扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素 ；

4、本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力；

Al ：

1、炼钢中起良好的脱氧作用；

2、细化钢的晶粒，提高钢的强度 ；

3、提高钢的抗氧化性能，提高不锈钢对强氧化性酸类的耐蚀能力。

RE ：

1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用；

2、细化钢的晶粒，改善铸态组织。

S:

 1、 硫在钢中以FeS-Fe共晶体存在于钢的晶粒周界，降低钢的力学性能，优制钢含硫量一般应限制在0.04%以下；

2、在机械制造中，有时为了改善某些钢的切削加工性能，人为将含硫量提高，以形成硫化物，起中断基体连续性的作用；

3、硫含量的提高，增加铸件热裂倾向。

H:

炼钢过程中钢液从炉气中吸收氢。

钢液中氢的溶解度随温度升高而提高，在缓慢凝固条件下，氢以针孔形态析出。快速凝固时，析出氢在铁的晶格内造成高应力状态，导致脆性。

N:

炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮
1、 钢液中溶解的氮在凝固过程中因溶解度降低而析出，并与钢中的Si、Al、Zr等元素化合，生成SiN、AlN 、ZrN等氮化物。少量氮化物能细化钢的晶粒。氮休物多时，会使钢的塑性和韧性降低；

2、氮属于扩大奥氏体区元素，在钢中可部分代替镍的作用，是铬锰氮不锈钢中的合金元素，，在超低碳不锈钢中，可代替碳的作用，提高钢的强度；

O:

1、钢液中溶解的FeO 在凝固前温度降低过程中与钢液中的碳起反应，生成一氧化碳气泡，在铸件中造成气孔；

2、钢液凝固过程中，FeO因溶解度下降而析出在钢的晶粒周界处，降低钢的性能。

 

 

 

1、          如果说渗氮的目标是希望表面获得少无白亮层又有足够深度的扩散层，同时要求保持心部调质状态的高强韧性；那么，氮碳共渗（含短时氮化）则希望表面获得一定厚度、性能优良的白亮层，至于氮碳共渗时产生的扩散层有多厚，以及对心部机械性能的要求上，除特殊要求（比如某些模具、高耐磨零件等）以外，一般不作明文规定。这是这两种工艺方法在技术目标层面上最基本的区别。

2、          氮碳共渗工艺覆盖的钢种很宽，几乎所有的钢牌号到铸铁都可以用得上。氮碳共渗之所以应用如此广泛，是因为那一层厚度不大的白亮层，具有高硬度、高耐磨和有一定抗蚀能力，同时在钢表面形成压应力可以提高一些疲劳性能；其二，在价廉的碳素钢和低合金钢上，可以很容易获得较好的白亮层。良好的性价比，使这种工艺技术在轻负荷零件、精密的机械零件以及某些大路货的耐大气腐蚀上得到设计师和厂商们的普遍赞誉和认可。

然而，必须指出，它不可能替代重负荷零件所需要的渗氮，就像目前的渗氮不能完全替代渗碳一样。

3、          白亮层的控制主要有两个方面，一是厚度，二是相结构。厚度要求取决于零件的服役条件，也受钢牌号和相结构的限制，最常见的要求是5～25μm范围内选择。白亮层的相结构与脆性直接关联，获得性能比较良好的白亮层，应当以单相ε或单相γ，组织为上等，而不是现在大都是那种ε＋γ，双相组织。由于形成γ，化合物的含氮量范围很窄，韧性较好的纯γ，的厚度只能很浅薄（有其特定用途），获得一定厚度的单相ε组织就成了热处理工作者氮碳共渗当前追寻的一个课题。由于技术方法对限制，目前相关标准中检测白亮层脆性等级的尺度较大，难以判别脆性程度上的细微差别，也就是说，同样都是1级水平，由于相结构上的差别在使用性能上将有所区分，然而，并没有引起工程界的特别注意。

4、在氮碳共渗时，选用的温度偏上限，生成白亮层的倾向大，所以工艺方法的起始温度高于渗氮温度，一般在550～700℃范围内选择。既定温度下，要求炉气的氮势必须大于该温度下的生成ε相的临界值，在一定范围内换气次数越多，炉气氮势越高，生成白亮层的速度越快；因此，工艺实施过程中总是希望把氨分解率控制在该温度下能够达到的下限值。 换而言之，添加‘氨分解气’在通常的氮碳共渗工艺上是用不上的，相反，有时候还需要添加含氮碳的有机液，如甲酰胺、甲醇＋尿素溶液等， 给白亮层添加碳的同时又提高一些气氛的氮势。
  5、在没有合金元素或合金元素少的钢种表面，氮碳共渗时，获得10～25μm的白亮层并不困难，而随着钢中合金元素的增多，在同样的工艺条件下，白亮层的厚度减小，高合金钢（含铸铁）上要生成10μm以上的白亮层则很不容易。

6、奥氏体氮碳共渗可以获得表面由化合物、次表面由含氮奥氏体淬火层的两层结构的白亮层组织。相关资料显示，含氮奥氏体淬火层氮耐磨性和抗蚀性能更为优越，这一特性开始引起工程界的关注。在铁－氮平衡图上，铁素体氮碳共渗与奥氏体氮碳共渗的‘临界点’是590℃。而随着钢中的合金元素含量不同，这个‘临界点’是变化的，实际上每一个钢牌号都有自己的‘临界点’。由于相关数据的缺乏，运用这一技术时要注意这个问题。
    7、白亮层相结构上还受氮碳共渗后冷却速度的影响，在共渗温度下生成的ε相，缓慢冷却时将发生γ，相析出，快冷则可阻止γ，相的析出。在奥氏体氮碳共渗后冷却，情况还要复杂些，快冷还将使次表面的含氮奥氏体层淬火，慢冷则发生奥氏体层分解。所以，氮碳共渗后采用随炉冷却的工艺方法是不可取的，那种要求零件获得像渗氮随炉冷却后一样的灰白色表面，不仅提高了成本，也降低了白亮层的质量。至于出炉后应当空冷或油冷、水冷，不仅要看零件尺寸大小，还要看钢的牌号（尚查不到系统的相关数据），宜通过金相分析和显微硬度检测来确定，经过服役的考验作为最后的评判。

 8、快冷后的白亮层（含奥氏体淬火层），重新加热时效或回火，或者进行冰冷处理，也将使白亮层的组织发生变化，如何合理利用这后续热处理导致性能的变化，同样是我们热处理工作者用实践方法转化科研成果的一项任务。

   9、 关于氮碳共渗技术方面的报道和文献已经相当丰富，但在白亮层的相结构的认识和控制上，还没有引起足够的重视，也存在着一些盲点，值得深入去挖掘。只要没有更好的能够替代氮碳共渗的新技术出现，对这一工艺技术领域的研究和应用问题就得继续进行下去。上述工艺控制，以及由氮碳共渗派生出来的所谓氧氮化、多元共渗等工艺，既可以在一般通用气体渗氮炉上完成，也可以在我的‘空间’所述的渗氮炉上按照你设想的工艺方法去实施（包含低碳钢两相区的薄层碳氮共渗工艺），是探索相关新工艺的良好助手，也可以立即转入一定批量生产。 

        复合微渗防腐淬火法是在常规淬火温度偏低的状态下，淬火加热过程中通入一定量的复合渗剂，在淬火加热的同时表面形成一薄层、中碳、低氮的共渗化合物；因加热（淬火）温度较低，应力相对较小，热处理变形较小，而表面形成的C、N化合物具有耐磨、防腐的效果，这种方法处理后的工件一般不需要再进行表面处理，是一种环保、节能、低碳、低成本、高质量、零件表面耐磨与防腐、微变形、的先进工艺方法；国外早在七十年代就被一些先进国家广泛用于生产。

1、纵向裂纹
1.1裂纹特征及形成条件：常发生于淬透的零件、原材料中碳化物带状及组织偏析严重处或非夹杂物纵向延伸，由表面向内裂开，裂纹深而长。
1.2解决及预防措施：
1.2.1消除原材料中碳化物带状及偏析组织，严禁杂质超标；
1.2.2合理制定热处理工艺参数；
1.2.3尽量排除人为操作因素。
2、异形裂纹
2.1淬火裂纹特征及形成条件：常发生于未淬透零件或渗碳件，裂纹多位于零件尖角处及厚薄悬殊处。
2.2解决及预防措施：
2.2.1关鍵是合理制定热处理工艺参数；
2.2.2提高操作者的操作技能，尽量排除人为操作因素；
2.2.3设计时尽量用圆弧过渡，避免尖角。
3、网状裂纹（又称龟裂）
3.1淬火裂纹特征及形成条件：表面经磨削易产生这种裂纹。高硬度零件、化学热处理件、高频淬火件也常产生这种裂纹，裂纹在零件表面，深约0.005~0.02mm。
3.2解决及预防措施：
3.2.1热处理后的回火要充分；
3.2.2磨削时进刀量要小，尽量减小磨削时产生热量。
4、剥离性裂纹
4.1裂纹特征及形成条件：常出现于表面淬火件或化学热处理件。剥离层为过渡区。
4.2解决及预防措施：
4.2.1淬火后即时回火；
4.2.2合理选择淬火加热参数及冷却介质。
5、显微裂纹
此类裂纹产生的原因比较复杂。
5.1裂纹特征及形成条件：常在高碳钢针状马氏体、奥氏体晶界及晶内存的组织缺陷处出现。
5.2解决及预防措施：
5.2.1确保材质的化学成份及组织结构处于正常状态；
5.2.2热处理工艺参数要严格控制；
5.2.2操作者要不断提高技能，弥补一些不可预见的因素，避免裂纹的发生。

   联合收割机圆形锯刀片的热处理变形及性能问题长期影响生产，由此该产品一直靠进口日本件滿足国内配套需要；近来我们通过系统研究，解决了长期困绕批量生产的技术难题。

1、  联合收割机圆形锯刀片在生产中长存在的主要问题：

1.1硬度偏低且不均匀；

1.2热处理变形严重而无法使用；

1.3脆性大而极易断裂；

1.4耐磨性差而导致寿命达不到使用要求；

2、联合收割机圆形锯刀片的使用状态分析

本文以水稻收割机刀片为例作一介绍，因为收割水稻的刀片与其它类型不同，特点是：割茬要求较低；稻秆浸泡水中韧性很高，若刃口锋利度不够就无法使用；贴近地面的稻秆沾有泥土；水稻杆及叶中含植物硅酸体较高，促进了刀刃磨损加快。对此，我们对片的性能作了严格的要求。

3、重点控制的要素

3.1材料的选择：

3.1.1国内同类刀片常用材料：T8、65Mn，此材料不适合做较高要求的刀片。

3.1.2国外刀片材质分析均与国内用料有一定的差别（材质略）。

3.2硬度选择：58－62HRC。

3.3金相组织：半马氏体。

3.4具有较高的耐磨性。

3.5具有能滿足使用要求的塑韧性。

3.6圆面的不平度≤0.25mm.

3.7具有一定的抗磨蚀能力。

3.8严禁刃口脱碳。

3.9材质不得有带状、偏析等严重的组织缺陷。

4、热处理工艺及制订原则

4.1热处理工艺规程（略）

4.2热处理工艺制订原则

　　4.2.1根据企业实际情况，考虑从事热处理工作的人员素质、管理水平、生产条件等，依据相关的技术标准和资料以及质量保证和检验能力，设计编制出完善、合理的热处理工艺；生产出优质高效地合格的产品，而且能降低生产成本，提高企业的经济效益。

4.2.2  充分运用现有条件、力求工艺流程简单，操作方便，用最低的消耗成本，获得最佳的工艺效果。如采用节能设备，合理选用淬火介质，通用工装夹具，自动化生产等。充分挖掘设备潜力，满足不同零件热处理要求。

4.2.3工艺要保证生产安全，降低工人劳动强度，控制有毒有害作业，应有可靠的劳动保护措施。严格控制车间有毒气体排放，加强通风，保护环境，夏天要防暑降温。

4.2.4工艺是针对零件现行热处理存在的变形、硬度不均、耐磨性差、效率低等所制定的新型工艺方法。

4.2.5 通过控制热处理工艺参数，改变工艺方法，达到控制减小热处理变形、提高硬度均匀性及耐磨性的目的。

 

 

锯片（如：绵机、联合收割机等）在热处理过程中的变形是影响锯片质量的一大问题。锯片热处理工作者为此做了大量的工作，但仍存在以下不足：（1）、变形仍不同程度地存在；（2）、硬度偏低而影响耐磨性；（3）、热处理工艺复杂而导致成本偏高；（4）、硬度不均匀而导致低硬度齿在使用中磨损严重。为此，我们分析了国外锯片热处理的发展倾势，结合国内的特点；经过一系列的探索后采用BRN处理工艺技术，这种工艺技术即可以减少热处理工序，又提高锯片质量，降低制造成本。

1、制造工艺流程：成型→BRN处理→防腐及包装

2、BRN处理工艺技术简介

2.1工步：前处理→BRN处理→防腐及包装；

2.2设备：井式气体渗碳炉；

2.3　BRN通用工艺方法见下图；

    

3、效果

3.1常规热处理与BRN处理的外观效果图；

3.2变形量：平面度≤0.20mm

3.3表面硬度：Hv_0.1≥710

3.4心部硬度：HRC30－39

3.5渗层：0.15－0.45mm（可控）

1 引言

齿轮（特别是大型齿轮）渗碳淬火的变形直接关系到齿轮质量指标。对于渗碳淬火的齿轮，特别是大型齿轮，其变形量很大，且难以控制。较大的变形不仅会使磨齿加工的磨量增加，成本提高，而且影响齿轮制造精度，降低承载能力，最终寿命也会大大下降。齿轮（特别是大型齿轮）渗碳淬火热处理变形主要是由于工件在机加工时产生的残余应力，热处理过程中产生的热应力和组织应力以及工件自重变形等共同作用而产生的。影响齿轮渗碳淬火变形的因素很多，包括齿轮的几何形状、原材料及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装料方式和热处理工艺及设备等诸方面。掌握变形规律，减少齿轮渗碳淬火变形，能够提高齿轮的承载能力和使用寿命，对缩短制造周期，降低生产成本也都具有重要意义。

2 齿轮（特别是大型齿轮）渗碳淬火变形规律

对齿轮（特别是大型齿轮）质量和寿命影响最大的变形来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等。一般说来，变形趋势如下：

 2.1 齿轮（特别是大型齿轮）变形规律：齿轮（特别是大型齿轮）渗碳淬火后齿顶圆外径呈明显胀大趋势，且上下不均匀呈锥形；径长比（齿轮外径/齿宽）越大，外径胀大量越大。碳浓度失控偏高时，齿轮外径呈收缩趋势。

2.2 齿轮（特别是大型齿轮）轴变形规律：齿顶圆外径呈明显收缩趋势，但一根齿轴的齿宽方向上，中间呈缩小，两端略有胀大。

2.3 齿圈变形规律：大型齿圈经渗碳淬火后，其外径均胀大，齿宽大小不同时，齿宽方向呈锥形或腰鼓形。

 3 渗碳淬火变形原因

3.1 渗碳件变形的实质

渗碳的低碳钢，原始相结构是由铁素体和少量珠光体组成，铁素体量约占整个体积的80%。当加热至A_C1以上温度时，珠光体转变为奥氏体，900℃铁素体全部转变为奥氏体。920—940℃渗碳时，零件表面奥氏体区碳浓度增加至0.8—1.2%，这部分碳浓度高的奥氏体冷至Ar1以下才开始向珠光体、索氏体转变，而心部区的低碳奥氏体在900℃即开始分解为铁素体，冷至550℃左右全部转变完成。心部奥氏体向铁素体转变是比容增大的过程，表层奥氏体冷却时是热收缩量增加的变化过程。在整个冷却过程中，心部铁素体生成时总是受着表层高碳奥氏体区的压应力。此外，齿轮（特别是大型齿轮）由于模数大、渗层深，渗碳时间较长，由于自重影响，也会增加变形。

3.2 齿轮（特别是大型齿轮）渗碳淬火变形的原因

工件淬火时，淬火应力越大，相变越不均匀，比容差越大，则淬火变形越严重。淬火变形还与钢的屈服强度有关，塑性变形抗力越大，其变形程度就越小。

3.3齿圈变形原因

3.3.1齿圈厚薄的影响，淬火冷却时各部位冷却速度的差别而导致组织转变的不同；

3.3.2因装夹等不当及零件自重导致变形；

4、解决变形的主要途径

4.1将渗碳改为碳氮共渗；

4.2优化热处理工艺方法，降低出炉淬火温度（特别是齿圈更应严格控制）；

4.3消除碳氮共渗前的内应力；

4.4控制渗层及渗碳浓度；

4.5选择合理的淬火冷却速度。

从齿轮、齿圈和齿轮轴渗碳淬火冷却各部位冷却速度、组织及硬度状态比较分析，可以发现上中下各部位冷却速度的差别，以及表面、过渡区、心部冷却速度差别，和其组织转变的不同时是造成齿轮变形的主要原因。减小齿轮（特别是大型齿轮）渗碳淬火变形也要通过提高各环节的均匀性来实现。

若改为碳氮共渗并将工艺进一步优化，得到的结果是：在提高质量水平的同时又降低制造成本的最佳效果。

 

钢铁零件表面改性强化处理，以改变零件表面的化学成份，从而得到零件服役条件所需要的组织结构与性能。单纯渗铝能得到所需的某种特性，但热处理工艺比较复杂，成本较高；为了更好地应用铝元素在钢中特有的功能并在此基础上完善单纯渗铝的不足，我们经过多年的研究，成功开发出“低温气相多元复合共渗铝技术”，突破了传统的固体渗铝、喷涂渗铝等工艺所存在的缺陷，为热处理行业增加了一项崭新的化学热处理工艺技术方法。

1、    设备：井式气体渗碳炉；可倾式渗碳炉；箱式多用炉；真空气体氮碳共渗炉等设备均可实现“低温气相多元复合共渗铝技术”的热处理。

2、  工艺温度范围：540－680℃。

3、  共渗时间：随渗层需要确定。

4、  共渗用介质：载体气＋复合渗剂。

5、  简述：

钢在低温时采用渗金属复合处理将得到好的效果，其主要原因是：渗入元素的组元中，活性原子渗入零件表面，这些原子间产生相互促进而增加渗入原子向金属内部扩散，提高渗入速度；多元复合渗技术是利用多项活性原子渗入零件表面，降低了扩渗激活能并大幅度降低扩渗温度，缩短扩渗时间。

渗入原子以间隙及金属间化合物的形式与基体组织有机结合形成相应的稳定而致密的组织结构，达到表面强化的目的。

本课题研究多元复合处理是一项崭新的“低温气相多元复合共渗铝技术”，为低温渗金属开辟了一种路径，在提高零件性能的基础上，即节能又环保。

6、主要特点：硬度高；耐磨性好；耐腐蚀性能好；抗高温（≤650℃）氧化性好；自润滑（在300℃左右仍有很好的自润滑效果）效果好；经强化处理后零件微变形或不变形；工艺操作简单；零件质量稳定性好；在表面改性渗金属强化处理的工艺类型中成本最低。

7、广泛用于：各类机械结构零件、汽车零件、摩托车零件、纺织机械、棉机锯片、军工、船舶、石油机械、五金件、粉末冶金件、不锈钢制件、齿轮类、轴类、模具、量具、夹具、刀具及部件的复合渗金属处理。

 

在常规状态下金属原子在γ-Fe中的扩散激活能较高，扩散系数小，渗金属即使在高温进行，渗速仍很慢。在低温状态下要实快速渗入更加困难，试验发现，钢在低温时采用渗金属复合处理将得到奇迹般的效果，其主要原因是：渗入元素的组元中，某种元素渗入工件表面，对相应元素产生一定的催渗效果，促进渗入元素向金属内部扩散，增加渗入的速度，同时达

到表面强化的目的。

1、催渗技术是目前热处理工作者不断探索的一项新技术，在理论上研究者们一般都把注意力放在以下几个方面：

1.1气相中的化学反应：渗剂在催化剂作用下分解，产生活性核心体；

1.2活性核心体在气相中的传质扩散；

1.3活性核心体在催化剂破膜效果作用下快速穿过气固相间的中间气膜层，吸附在工件表面上，在催化剂的作用下两相的接触面产生相界面化学反应被渗入；

1.4催化产生的活性核心元素向工件内部扩散。

1.5最新研究的重点是：元素渗入钢件表面后，某种元素或元素间的相互作用而起到催渗效果。

2、低温表面改性渗金属复合处理的温度范围，工艺范围见下图。

3、经过渗金属复合处理后的效果

3.1高硬度、高耐磨性及良好的疲劳性能

  除表面具有良好的硬度外，结构件(如：45、 40Cr、20CrMoA、30CrNi2MoVA等)的耐磨性比渗碳淬

火高15倍以上，比氮化高3倍以上。

3.2抗腐蚀性好

  钢制零件经低温表面改性渗金属复合处理后在大气中和盐雾中的抗蚀性比镀硬铬高20倍，在盐水

中浸泡30天以上不腐蚀，在自来水中浸泡1年以上不腐蚀。

3.3微变形或无变形

零件经低温表面改性渗金属复合处理以后尺寸和形状变化很小或无变形，可以解决大量常规技术难以解决的热处理变形难题。

3.4工艺应用范围广

3.4.1按零件类别分：适用于结构件的有(如：机械零件、汽车零件、摩托车零件、纺织机械、军工、船舶等)、石油机械、五金件、粉末冶金件、不锈钢制零件、齿轮、轴类、工具、模具、量具、夹具及部件的渗金属复合处理。

3.4.2一次性可完成的工艺范围：表面改性硬化处理、表面防腐处理、表面氧化(发黑)处理等。

3.5低温表面改性渗金属复合处理所需设备

该技术对设备的要求，必须得保证炉膛能密封，炉膛内清洁，炉温均匀。如：井式氮化炉、箱式多

用炉，真空炉、可倾式渗碳炉等炉型均可实现。

3.6无公害化处理

低温表面改性渗金属复合处理技术是在全气态环境中进行，渗剂无毒，所产生的气体经排放口可燃烧，

完全无环境污染，确实是一种绿色工艺方法。

3.7大幅度降低能源

低温表面改性渗金属复合处理技术已集表面改性强化和表面处理(包括防腐)于一体，因此它本身就是一

种节能；与常规渗金属比较，具有温度低、时间短、渗速快、技术易撑握、质量稳定性好；与常规热处理加

表面渗金属处理方法比较，节能在60%以上，可降低生产成本70%。

赵先生  13688119568

 

 

 

 

 

碳氮共渗齿圈的热处理变形直接影响到齿圈的精度、强度、寿命，即使在碳氮共渗热处理后加上精加工序，变形仍然要降低齿圈的精度等级。影响碳氮共渗热处理变形的因素较多，只有控制各方面的因素才能将变形控制到较小程度。控制齿圈变形在加工的全过程系统解决。

　1、齿圈材料冶金因素对变形的影响

　　材料：18CrMnTiA、20CrMnTiA；实践证明，材料的化合物偏析及带状组织影响齿圈花键孔的不均匀变形及碳氮共渗不均匀。

　2、预备热处理对齿圈变形的影响

　　正火硬度过高、混晶、大量索氏体或魏氏组织都会使内孔变形增大，所以要用控温正火或等温退火来处理锻件。

　3、碳氮共渗工艺对变形的影响

　　温度的均匀性．碳层的均匀性，冷却介质温度的均匀件都影响齿圈变形，同时碳氮共渗温度越高，碳氮共渗层越厚．油温低、齿圈变形大。所以要改进设备，优化工艺，提高齿圈热处理质量。

　4、淬火对变形的影响

　　淬火冷却行为是影响齿圈变形最重要的因素，热油淬火比冷油淬火变形小，一般控制在100℃±10℃．油的冷却能力对变形也是至关重要的。搅拌方式和烈度均影响变形，在淬火压床进行淬火的齿圈，按各种齿圈的变形情况．调整压床参数减小变形，调整内、外压模及胀心块的压力及各段喷油量的大小及工作台面来控制变形。　5、装夹方式及夹具

　　目的使工件加热冷却均匀，工件各部分碳氮共渗层均匀，以减少热应力不均，组织应力不均，来减小变形，可改变装夹方式，零件与油面垂直，轴类零件立装，使用补偿垫圈，支承垫圈，叠加垫圈等，花键孔零件可用碳氮共渗心轴等。

　6、机械加工方面配合

　　第一，掌握热处理变形规律、移动公差带位置，提高产品合格率；第二，根据变形规律、施用反变形、收缩端预胀孔，提高淬火后变形合格率，第三，对非对称或厚度不均匀零件采用预留加工量的方法．热处理后再加工。

一、火花鉴别

火花鉴别是将钢与高速旋转的砂轮接触，根据磨削产生的火花形状、“花粉”和颜色，近似地确定钢的化学成分的方法。火花鉴别原理是：当钢被砂轮磨削成高温微细颗粒被高速抛射出来时，在空气中剧烈氧化，金属微粒产生高热和发光，形成明亮的流线，并使金属微粒熔化达熔融状态，使所含的碳及金属元素被氧化形成流线和气体的爆裂而成火花。根据流线和火花特征，可大致鉴别钢的化学成分。

钢材在砂轮上磨削时所射出的火花由根部火花、中部火花和尾部火花构成火花束。磨削时由灼热粉末形成的线条状火花称为流线。流线在飞行途中爆炸而发出稍粗而明亮的点称为节点。火花在爆裂时所射出的线条称为芒线。芒线所组成的火花称为节花。爆花分一次花、二次花、三次花，四次花，形式如下图；芒线附近呈现明亮的微小细点称为花粉， 火花组成：

（1）火花束:火花束是指被测材料在砂轮上磨削时产生的全部火花，常由根部、中部、尾部组成。

（2）流线:从砂轮上直接射出的好像直线的火流称为流线。每条流线都由节点、爆花和尾花组成

（3）节点:节点就是流线上火花爆裂的原点，呈明亮点。

（4）爆花:爆花就是节点处爆裂的火花。钢的化学成分不同，尾花的形状也不同。通常，尾花可分为狐尾尾花、枪尖尾花、菊花状尾花、羽状尾花等。

碳是钢铁材料火花的基本元素，也是火花鉴别法测定的主要成分。由于含碳量的不同，其火花形状不同。

1、碳素钢火花的特征

（1）、通常低碳钢火花束较长，流线少，芒线稍粗，多为一次花，发光一般，带暗红色，花粉微少。

（2）       、中碳钢火花束稍短，流线较细长而多，爆花分叉较多，开始出现二次、三次花，花粉较多，发光较强，颜色橙。

（3）、高碳钢火花束较短而粗，流线多而细，碎花、花粉多，又分叉多且多为三次花，发光较亮。

（4）、铸铁的火花束很粗，流线较多，一般为二次花，花粉多，爆花多，尾部渐粗下垂成弧形，颜色多为橙红。手感较软。

2　合金钢的火花特征

（1）、镍、硅、钼、钨等元素抑制火花爆裂。

（2）、锰、钒、铬等元素却可助长火花爆裂。

（2）合金元素对火花特征的影响，见下表。

影响爆裂状态	元素	流　　线					爆　　花
		根部 色泽	色　泽	长　短	粗细	流线量	爆花量	芒　线	花　粉
助长	Mn	黄	白亮（低C） 余：黄亮	长（低Mn） 短（高Mn）	粗	多（低Mn） 少（高Mn）	多	白、细、长。	多（高C）
	Cr（低）	－	白亮（低C） 明亮（高C）	长（低C） 短（高C）	－	多（低C） 少（高C）	大	－	有（高C）
	V	－	黄亮	－	－	－	多	细	－
抑制	W	暗红	橙红	中	细	少	少	暗红狐尾	没有
	Mo	橙色	橙红	长	细	－	少	细、橙红色	没有
	Si	－	橙黄（高Si）	短	粗	－	少	短、白色	没有
	Ni	－	黄	短	细	－	少	细、黄色	没有
	Cr (高)	－	黄	短	－	少	少	－	－

合金钢的鉴别难掌握，一般铬钢的火花束白亮，流线稍粗而长，爆裂多为一次花、花型较大，呈大星形，分叉多而细，附有碎花粉，爆裂的火花心较明亮。镍铬不锈钢的火花束细，发光较暗，爆裂为一次花，五、六根分叉，呈星形，尖端微有爆裂。高速钢火花束细长，流线数量少，无火花爆裂，色泽呈暗红色，根部和中部为断续流线，尾花呈弧状。举例如下：

(1)、15钢：火花束较长，流线少，芒线稍粗，多为一次花，发光一般，带暗红色，花粉微少。

(2)、40钢：火花束稍短，流线较细长而多，爆花分叉较多，开始出现二次、三次花，花粉较多，发光较强，颜色橙。

(3)、T10钢：火花束较短而粗，流线多而细，碎花、花粉多，又分叉多且多为三次花，发光较亮。

(4)、合金结构钢20CrMnTi钢为黄色加黑色;

(5) 40CrMo钢为绿色加紫色；

(6) GCr15钢：火花束白亮，流线稍粗而长，爆裂多为一次花、花型较大，呈大星形，分叉多而细，附有碎花粉，爆裂的火花心较明亮。

(7) W18Cr4V钢；火花束细长，流线数量少，无火花爆裂，色泽呈暗红色，根部和中部为断续流线，尾花呈弧状。

(8) 不锈钢1Cr18Ni9Ti钢为蓝绿色；

(9) 热作模具钢5CrMnMO钢为紫色加白色。

(10) 铸铁：火花束很粗，流线较多，一般为二次花，花粉多，爆花多，尾部渐粗下垂成弧形，颜色多为橙红。火花试验时，手感较软。

二、断口鉴别

材料或零部件因受某些物理、化学或机械作用的影响而导致破断，此时所形成的自然表面称为断口。生产现场根据断口的自然形态判定材料的韧脆性，从而推断材料含碳量的高低。

若断口呈纤维状，无金属光泽，颜色发暗，无结晶颗粒，且断口边缘有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性，属碳量偏低。

若断口齐平，呈银灰色，且具有明显的金属光泽和结晶颗粒，则表明属脆性材料。

而过共析钢或合金钢经淬火后，断口呈亮灰色，具有绸缎光泽，类似于细瓷器断口特征。

常用钢铁材料的断口特点如下：

1 低碳钢不易敲断，断口边缘有明显的塑性变形特征，有微量颗粒；

2 中碳钢的断口边缘的塑性变形特征没有低碳钢明显，断口颗粒较细、较多；

3 高碳钢的断口边缘无明显塑性变形特征，断口颗粒很细密；

4 铸铁极易敲断，断口无塑性变形，晶粒粗大，呈暗灰色。

三、音、声鉴别法

生产现场有时也根据钢铁敲击时声音的不同，对其进行初步鉴别。例如：1、当原材料钢中混入铸铁材料时，由于铸铁的减振性较好，敲击时声音较低沉，而钢材敲击时则可发出较清脆的声音。

2、淬火件（包括钢铁件及铝件）：

（1）、硬度高者叠落（或敲击）时声音清脆锐耳；

（2）、硬度较低者叠落（或敲击）时声音较低沉。

若要准确地鉴别材料，在以上几种现场鉴别方法的基础上，还应采用化学分析、金相检验、硬度试验等实验室分析手段对材料进行进一步的鉴别。

 

 

　热处理变形会使工件前期加工获得的精度受到严重损失，这些损失有时甚至通过复杂、先进的修形技术（磨齿、校直等）也难以恢复。这将直接影响工件的精度、强度、运转时的噪音、振动、传输功率损失、和使用寿命等。这样即使我们拥有世界上最先进的机床、磨床，也很难加工出高精度、高附加值的产品来。

为了减少和控制热处理变形提高市场竞争力，一些先进国家专门设有专题基金。减少和控制热处理变形，由此可见解决热处理变形的重要性。

1 热处理变形产生的原因

　　减少和控制工件的热处理变形是材料和热处理工作者最为关注的难题，迄今为止人们还难于提出一个定量化、完整的可以预示工件热处理畸变的数学模型。

　　学者们普遍认为，工件热处理变形的影响因素涉及到工件的设计、原材料以及加工整个过程中的诸多环节。众多专业人士认为，在加工中全面综合考虑固然重要，但影响热处理变形最主要的矛盾还是热处理工艺温度及冷却速度的合理控制。

表1列举了3种不同温度的典型热处理工艺对变形的影响，冷却剂为机械油。

表1

工艺类别	工艺温度（℃）	应用领域	精度损失 （级）	适用渗层 （mm）	渗速
渗碳	920±10	一般零件	2 ～ 3	≥ 0.30	0.18mm/h
碳氮共渗	870±10	机床等	1 ～ 2	≤ 0.80	0.15mm/h
氮化及软氮化	570±10	航空、天及国防	≤ 1	≤ 0.30	0.01mm/h

从表中可看出，随着热处理工艺温度的降低，工件热处理后由变形引起的精度损失由2～ 3 级降低到了1级以下，其意义远远超过后期的磨齿、校直等修形技术。

工件在900℃下的强度很低；虽然热处理设备愈来愈先进，但工件在加热、冷却时各部位的温度变化也很难完全一致；工件在加热、冷却时各部位温度变化的不同时性，会引起工件热（膨胀）应力和组织（转变时体积产生变化）应力的变化。当热应力、组织应力或两者之合，大于该瞬间温度下工件某部位的塑性抗力时，就会在这一部位发生不可逆的变形——热处理变形。

1.1如果工艺温度降低，工件的高温强度损失减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗高温蠕变（工件因自重或受压而产生变形，大件、薄壁件更显著）的综合能力就会增强，变形就会减少。

1.2如果工艺温度降低，工件加热、冷却时各部位温度不一致性也会减少，导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少。

1.3 热处理加热时间缩短，工件的高温蠕变时间减少，变形也会减少。

3 降低热处理温度的方法

降低工艺温度、提高渗碳或碳氮共渗速度，几十年来一直是国内外热处理界人士孜孜以求的理想目标，但由于基础技术条件的限制和传统热处理理论的束缚，多年来大家一直很难突破。

　　目前一种新的渗碳技术已经被国内多家企业采用。这种技术可以在工艺温度降低的条件下实现快速渗碳或碳氮共渗，并最低可以使渗碳温度降低到810℃左右，它同时还有节能、环保，高效率、高效益等优点。这是一种在传统热处理理论基础上，引入了最新现代化工控制原理的热处理新技术。

2.影响热处理变形主要因素是热处理工艺温度

2.1工艺温降低后工件的高温强度损失相对减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗淬火变形、抗高温蠕变的综合能力增强，变形就会减少。

2.2工艺温度降低后，工件加热、冷却的温度区间减少，由此而引起的各部位温度不一致性也会降低，由此而导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少。

2.3 工艺温降低、且热处理工艺时间缩短，则工件的高温蠕变时间减少，变形也会减少。

2.4为了保证工件的最终精度，一种较为理想的方法是找到工件的热处理变形规律，在加工时预留出一定的变形量,使工件在渗碳淬火后的尺寸迁移到所要求的范围内。这就要求工件变形具有良好的一致性，即同炉次工件之间、不同炉次的工件之间的变形规律和变形范围接近一致。

2.5虽然热处理变形很难控制，但通过降低工艺温度、控制工件的前期热处理条件和对工件的淬火条件进行严格控制后。

3.冷却速度及方法决定零件变形量的关鍵

3.1选择冷速合理的淬火介质能有效地减小变形量。

3.2选择高温（400℃以上）快速冷却，在350℃以下慢冷的方法，效果最佳；如：一些盐浴、碱浴及有机淬火剂等。

3.3压力淬火法。

3.4预冷淬火法。

3.5分级淬火法。

1、引言

金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，有时并兼之以化学作用和机械作用，使金属合金内部的组织和结构发生改变，从而获得改善材料性能的工艺。热处理工艺是使各种金属材料获得优良性能的重要手段。很多实际应用中合理选用材料和各种成形工艺并不能满足金属工件所需要的力学性能、物理性能和化学性能，这时热处理工艺是必不可少的。

　　但是热处理工艺除了具有积极的作用之外，在处理过程中也不可避免地会产生变形，而这又是机械加工中必须避免的，两者之间是共存而又需要避免的关系，只能采用相应的方法尽量把变形量控制在尽量小的范围内。

　　2、温度是变形的关键因素

工业上实际应用的热处理工艺形式非常多，但是它们的基本过程都是热作用过程，都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。整个工艺过程都可以用加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度以及热处理周期等几个参数来描述。在热处理工艺中，要用到各种加热炉，金属热处理便在这些加热炉中进行（如基本热处理中的退火、淬火、回火、化学热处理的渗碳、渗氮、渗铝、渗铬或去氢等等）。因此，加热炉内的温度测量就成为热处理的重要工艺参数。每一种热处理工艺规范中，温度是很重要的内容。如果温度测量不准确，热处理工艺规范就得不到正确的执行，以至造成产品质量下降甚至报废。温度的测量与控制是热处理工艺的关键，也是影响变形的关键因素。

　　2.1工艺温度降低后工件的高温强度损失相对减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗淬火变形、抗高温蠕变的综合能力增强，变形就会减少；

2.2工艺温度降低后工件加热、冷却的温度区间减少，由此而引起的各部位温度不一致性也会降低，由此而导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少；

2.3工艺温降低、且热处理工艺时间缩短，则工件的高温蠕变时间减少，变形也会减少。减小热处理变形需要合理的热处理工艺。

例如经热处理后的20CrNi2MoA钢齿圈齿表面、齿心部硬度及有效硬化层深度均达到要求。图1为模数m=12mm的齿圈经不同温度球化退火后的硬度梯度曲线。由图1可以看出，在650℃球化退火后的硬度梯度和740℃球化+680℃等温处理的硬度梯度结果相近，未经球化退火的齿轮的硬度较前两个低。

 

这是因为球化退火可使淬火后渗层表面残留奥氏体量减少，从而提高了齿表面硬度，因此20CrNi2MoA钢齿圈渗碳后应采用球化退火工艺，同时为减小热处理变形，在650℃球化退火效果更好。

3、变形的其它影响因素及减小措施

3.1预备热处理

　　正火硬度过高、混晶、大量索氏体或魏氏组织都会使内孔变形增大，所以要用控温正火或等温退火来处理锻件。金属的正火、退火以及在进行淬火之前的调质，都会对金属最终的变形量产生一定的影响，直接影响到的是金属组织结构上的变化。实践证明，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小。

3.2运用合理的冷却方法

　　金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个变形原因。热油淬火比冷油淬火变形小，一般控制在100±20℃。油的冷却能力对变形也是至关重要的。淬火的搅拌方式和速度均影响变形。金属热处理冷却速度越快，冷却越不均匀，产生的应力越大，工件的变形也越大。可以在保证工件硬度要求的前提下，尽量采用预冷；采用分级冷却淬火能显著减少金属淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法；对一些特别复杂或精度要求较高的工件，利用等温淬火能显著减少变形。

3.3零件结构要合理

　　金属热处理后在冷却过程中，总是薄的部分冷得快，厚的部分冷得慢。在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少工件厚薄悬殊，零件截面力求均匀，以减少过渡区因应力集中产生畸变和开裂倾向；工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变；工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，在工件的厚薄交界处、台阶处要有圆角过渡；尽量减少工件上的孔、槽筋结构不对称；厚度不均匀零件采用预留加工量的方法。

　3.4采用合理的装夹方式及夹具

　　目的使工件加热冷却均匀，以减少热应力不均，组织应力不均，来减小变形，可改变装夹方式，零件与油面垂直，轴类零件立装，使用补偿垫圈，支承垫圈，叠加垫圈等，花键孔零件可用渗碳心轴等。

　　3.5机械加工

　　当热处理是工件加工过程的最后工序时，热处理畸变的允许值应满足图样上规定的工件尺寸，而畸变量要根据上道工序加工尺寸确定。为此，应按照工件的畸变规律，热处理前进行尺寸的预修正，使热处理畸变正好处于合格范围内。当热处理是中间工序时，热处理前的加工余量应视为机加工余量和热处理畸变量之和。通常机械加工余量易于确定，而热处理由于影响因素多比较复杂，因此为机械加工留出足够的加工余量，其余均可作为热处理允许畸变量。热处理后再加工，根据工件的变形规律，施用反变形、收缩端预胀孔，提高淬火后变形合格率。

3.6采用合适的介质

　　在保证同样硬度要求的前提下，尽量采用油性及有机淬火剂等；实验和实践证明，再其他条件无差异的前提下，油性介质的冷却速度较慢，而水性介质的冷却速度则相对快一些。而且，和油性介质相比，水温变化对水性介质冷却特性的影响较大，在同样的热处理条件下，油性介质相对水性介质淬火后的变形量要相对小。

　4结束语

　　热处理能改善工件的机械性能，提高工件的强度和硬度，但引起的变形影响是不可避免的。我们要重视我国现阶段的热处理技术和装备的改进，不断学习国外先进的技术，提高热处理工件质量及合格率，为我国的热处理行业作出贡献。

 

 

 

 

 

1、 微变形表面改性强化处理是针对易变形零件开发的一种表面强化复合处理技术。

2、 广泛用于：汽车、摩托车、拖拉机、船舶、纺织机械、军工等机械零件的表面强化处理。

3、 适应材质：

3.1低碳及低碳合金钢类，如：15、20、25、15Cr、20Cr、20CrMo、12Cr2Ni4、20CrMnMo、18CrMnTi、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。

3.2中碳及中碳合金钢类，如：30、35、40、45、35Cr、 40Cr、40CrV、40CrMn、40MnV、30CrMo、42CrMo、40CrMnMo等。

4、主要特点 

4.1设备：井式气体渗碳炉；箱式多用炉；真空渗碳炉等。

4.2渗剂

4.2.1氨气；

4.2.2  BTQ渗剂

4.3较低的复合处理温度：750－860℃；（具体加热温度根据零件的材质、结构、技术要求而定）时间视渗层深度确定。

4.4实现微变形或无变形强化处理。

4.5增加表面硬度、耐磨性，显著提高表面抗腐蚀能力。

5实例：某变速器齿套,齿圈实物见图形照片。

5. 1齿套技术要求

5. 1.1材料：45

5. 1.2共渗层：0.3－0.8mm

5. 1.3硬度HRA78－83

5. 1.4圆度≤0.03mm　　　　　　　　　　　　　　　　　

5.1.5齿套热处理工艺曲线（炉型：105Kw井式气体渗碳炉，有效容积：Φ600×1200）

5.1.6检测结果

5.1.6.1渗层：0.45mm

5.1.6.2表面硬度：HRA79－82；

5.1.6.3圆度:≤0.02mm

5.1.6.4未做表面处理状态，存放时间：5年未锈蚀（如齿套实物图）。

5.2齿圈技术要求

5. 2.1材料：20CrMnTiA

5. 2.2共渗层：0.3－0.6mm

5. 2.3硬度HRA78－83.3

5. 2.4不圆度≤0.03mm　　

5.2.5工艺曲线从略

5.2.6检测结果

5.2.6.1渗层：0.41mm

5.2.6.2表面硬度：HRA81－83；

5.2.6.3圆度:≤0.01mm

5.2.6.4未做表面处理的状态，存放时间：5年未锈蚀（如齿圈实物图）。

 

 

 

 

(1）20Mn2：用于制造截面较小（直径不大于50mm）的零件，可代替20Cr钢。

常用于制造渗碳小齿轮、小轴；要求不高的活塞销、十籽销头、柴油机套筒、汽门顶杆等；也可用作调质钢，如制造冷镦螺栓。

（2）30Mn2：用作小截面重要紧固件（经调质处理）。

通常可用于制造汽车、拖拉机及一般机械的车架纵梁、变速箱齿轮、轴、冷镦螺栓及较大截面的调质件；在矿山机械制造中，可用于制造要求心部强度较高的渗碳件，如起重机的后轴和轴颈等。

（3）35Mn2：在制造小截面（直径小于20mm）零件时，可代替40Cr钢。

用作连杆、心轴、曲轴、半轴、操纵杆、风机配件、直径小于15mm的冷镦各种重要螺栓等承受较高应力的机械零件。

（4）40Mn2：在制造小截面（直径小于40mm）零件时，与40Cr钢相近。

用于制造午载荷条件下工作的零件，如轴、半轴、曲轴、活塞杆、蜗杆、操纵杆、杠杆、连杆。有载荷的螺栓、螺钉、加固环、弹簧等，以及其他需要调质的零件。

（5）45Mn2：用于制造在较高应力与磨损条件下工作的零件，在直径小于60mm时，性能与40Cr钢相当。

用作汽车、拖拉机和通用机械的万向接头轴、车轴、轴、连杆盖、摩擦盘、蜗杆、齿轮、齿轮油、电车和蒸气机车轴、车箱轴、重载荷机架，以及冷拉状态中的螺栓和螺帽等。

    （6）50Mn2：用于制造在高应力及承受强烈磨损条件下工作的大型零件，如万向接头轴、齿轮、曲轴、连杆、各类小轴等；重型机械上在滚动轴承中工作的主轴、轴及大型齿轮；汽车上的传动花键轴及承受冲击载荷的心轴等，也可用于制造板簧和平卷簧。

    （7）20MnV：用于制造锅炉、高压容器、大型高压管道等；也可用作冲压用钢，如自行车链条、活塞销、齿轮等；还可用于制造直径不大于20mm的矿用链坏。

（8）30Mn2MoW：用于制造载荷较大的零件，如连杆螺栓、曲轴、拉杆、齿轮等；可代替30CrNi3制造截面直径小于80mm的重要调质件；当采用表面淬火工艺时，可以制造截面更大的零件。

（9）27SiMn：用于制造高韧性和耐磨性的热冲压零件；也可用于制造不经热处理的零件，或在正火后使用，如拖拉机的履带销等；还可用作铸件。

    （10）35SiMn：用于制造中等速度、 中等载荷或高载荷而冲击不大的零件，如传动齿轮、心轴、连杆、蜗杆、电车轴、发动机轴、飞轮等；还可用于制造汽轮机的叶轮、400℃以下和重要紧固件等。

    （11）42SiMn：与35SiMn钢相同，但主要用作表面淬火钢。

    （12）20SiMn2MoV、25SiMn2MoV：用于制造截面较大、载荷较高、应力状态复杂或低温下长期运转的机件，石油机械钻井提升系统的轻型吊坏、吊卡、射孔器等，以下其他截面较大的连接件。

    （13）37SiMn2MoV：用于制造大截面承受重载荷的重要零件，如重型机械的轴、齿轮、转子、连杆、螺栓等零件；石油化工中用作高压容器、大螺栓等；还可用作工作温度在-15℃～450℃的大螺栓紧固件。

    （14）4OB：用于制造比40钢截面大、性能要求高的零件，如齿轮、转向拉杆、轴、凸轮，以及拖拉机曲轴柄等零件；制造要求不高的小尺寸零件时，可代替40Cr钢。

    （15）45B、50B：用于制造截面较大、强度要求较高的零件，如拖拉机的曲轴、连杆及其他零件；可代替50钢、50Mn钢或50Mn2钢制造要求淬透性较高的零件；制造小尺寸零件时，其性能与40Cr钢相当。

    （16）40MnB：用于制造汽车、拖拉机及其他中、小机械设备的中、小截面的调质零件，如转向轴、半轴、蜗杆、花键轴和机床主轴、齿轮等，可代替40Cr钢。用作尺寸较小的零件时，性能与40CrNi钢相近。

    （17）45MnB：用于代替40Cr钢或45Cr钢制造中、小截面的调质零件，如机床的齿轮、钻床的主轴、拖拉机的拐轴、凸轮、曲轴、花键轴、齿轮、惰轴和轴套等。

（18）20Mn2B：用于代替20Cr钢制造心部强度要求高、表面耐磨、尺寸较大、形状较简单、承受一般载荷的渗碳零件，如机床的各种齿轮、套轴、离合器、汽车的气阀挺杆、楔形锁销、转向滚动轮轴、调整螺栓等。用作小截面零件时，性能与20CrMnTi、12Cr2Ni4钢相近。

    （19）20MnMoB：用于代替20CrMnTi、12CrNi3钢制造心部强度要求较高的中等载荷的渗碳齿轮及其他零件，如汽车、拖拉机的齿轮和载荷大的机床齿轮，也用于制造活塞销等零件。

    （20）15MnVB、20MnVB：用于制造模数较大，载荷较高的中、小尺寸的渗碳零件，如重型机床的齿轮和轴、汽车的后桥齿轮和变速箱齿，

    （21）40MnVB：用于代替40Cr、45Cr、42CrMo钢制造汽车、拖拉机、机床及矿山机械的重要调质零件，如轴、齿轮等。用作小截面的零件，可代替40CrNi钢。

    （22）20MnTiB、25MnTiBRE：用于制造承受中等载荷、截面较小的齿轮及其他渗碳零件，如拖拉机、推土机、汽车的变速箱齿轮、轴等。

    （23）20SiMnVB：用于制造截面较大、载荷较高，并要求较高强度和耐磨性的渗碳零件，或高速工作且承受冲击的渗碳零件，如拖拉机的滑动齿轮、齿圈、齿轮轴，机床的主轴、蜗杆、爪形离合器等。

    （24）15Cr、15CrA：用于制造工作速度较高而截面不大的、心部韧性高的渗碳零件，如套管、曲柄销、活塞销、活塞环、联轴节，以及工作速度较高、受力不大的小齿轮、小凸齿轮、轴和轴承圈、铆钉、螺钉等零件。

    (25)20Cr：用于制造心部强度要求较高和表面承受磨损、尺寸较大的，或形状较复杂而载荷不大的渗碳零件，如齿轮、齿轮轴、凸轮、活塞销、蜗杆、顶杆等；也可用于制造工作速度较高并承受中等冲击载荷的调质零件。

（26）30Cr、35Cr：用于制造在磨损和摩擦条件下，或在很大冲击载荷下工作的重要零件，如轴、小轴、平衡杠杆、摇杆、连杆、螺栓、螺帽、齿轮和各种滚子等；也可用作表面淬火钢。

    （27）40Cr：用于制造较重要的调质零件，如在交变载荷下工作的零件；中等转速和中等截面的零件；经调质并高频表面淬火后可用作载荷和耐磨性较高而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、曲轴、连杆、连杆盖、连杆螺钉、螺帽等。

    （28）45Cr：与40Cr钢相近。用于制造较重要的调质零件；经调质并高频表面淬火后可用作载荷和耐磨性较高的零件，如齿轮、套筒、轴、销子等。

    （29）50Cr：用于制造承受重载荷及摩擦的零件，如热轧用轧辊、减速机轴、齿轮、传动轴、止推环、支承辊的心轴、拖拉机离合器齿轮、柴油机连杆、螺栓、挺杆、重型矿山机械的高强度与耐磨齿轮、油膜轴承套等；也可用于制造弹簧。

    （30）38CrSi：用于制造直径为30mm～40mm、强度和耐磨性要求较高的零件，如汽车、拖拉机和其他机器的小轴、螺栓、拔叉轴、履带销、起重勾、进气阀、内燃机的油泵齿轮等；也可用作冷作的冲击工具，如铆钉机压头等。

    （31）12CrMo：用于制造锅炉及汽轮机蒸气参数达510℃的主汽管，管壁温度达540℃的过热器管和相应的锻件；也适用于制造弹性元件。

    （32）15CrMo：同上，可用于制造蒸气参数达530℃的高压锅炉的过热器管、蒸气导管及相应锻件。

    （33）20CrMo：用于制造汽轮机、锅炉的隔板等；机械的高级渗碳零件，如齿轮、轴等；化工设备的非腐蚀性介质中及温度低于250℃的、含有氮氢混合物的介质中工作的高压导管及紧固件。

    （34）30CrMo、30CrMoA：用于制造中型机械截面较大的零件，如轴、主轴、受高载荷的操纵轮、螺栓、双头螺栓、齿轮等；化工设备的焊接件、板材和管材构成的焊接结构、在氮氢混合物的介质中温度不超过250℃工作的高压导管；汽轮机、锅炉中在温度低于450℃工作的紧固件、温度低于500℃受压的法兰和螺母，以及在300MPa、温度低于400℃工作的导管。

（35）35CrMo：用于制造高载荷下工作的重要结构件。特别是受冲击、震动、弯曲、扭曲载荷的机件，如车轴、发动机传动机件、大电机轴，汽轮发电机主轴、叶轮、紧固零件、曲轴、连杆，石油工业的穿孔器；锅炉中温度低于480℃工作的紧固件；化工设备的非腐蚀介质中温度在450～500℃工作的厚壁无缝高压导管；大截面的齿轮、轴、汽轮发电机的转子、直径小于500mm的支承轴，以及重载荷的传动轴，可代替40CrNi钢。

    （36）42CrMo：用于制造比35CrMo要求强度更高或截面更大的零件，如轴、齿轮、连杆、变速器齿轮、机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮；也可用于制造弹簧、弹簧夹等类似零件，1 200m～2 000m石油井钻杆接头与打捞工具等。可代替含镍较高的调质钢。

    （37）12CrMoV、12Cr1MoV：用于制造蒸气参数达540℃的主气管、转向导叶环、、汽轮机隔板、隔板外环，及管壁温度不大于570℃的各种过热器管、导管和相应的零件。12Cr1MoV钢的抗氧化性和热强性比12CrMoV钢好。

    （38）35CrMoV：用于制造重型和中型机械承受高应力的重要零件，如长期在500℃～520℃下工作汽轮机转子叶轮；高级涡轮鼓风机和压缩机的转子、盖盘、轴盘；功率不大的发电机轴；强力发动机的零件。

    （39）25Cr2MoV：用于制造汽轮机整体转子、套筒、阀、主汽阀、调节阀，蒸气参数可达535℃；受热在550℃以下的螺母、受热在530℃以下的螺栓，以及其他长期工作在510℃左右的连接件；也可用作渗氮钢。

    （40）25Cr2Mo1VA：用于制造汽轮机蒸气参数达565℃的前气缸、螺栓、阀杆等。

（41）20Cr3MoWVA：用于制造温度低于520℃和70MPa下工作的高压加氢设备的管子和其他零件。

    （42）38CrMoA1：高级渗氮钢。用于制造高耐磨性、高疲劳强度和较高强度、处理后尺寸精确的氮化零件，或各种受冲击载荷不大而耐磨性高的渗碳零件，如仿模、气缸套、座套、底盖、活塞螺栓、齿轮、滚子、检验规、样板、高压阀门、阀杆、橡胶和塑料用挤压机、搪床的搪杆和蜗杆、精密磨床的主轴等。

（43）20CrV：用于制造表面要求有高的硬度和耐磨性、心部有较高强度而截面又不大的渗碳零件，如齿轮、、活塞销、小轴、分配轴、蜗轮传动齿轮、顶杆、汽门推杆，及其他重要零件；汽轮机工作温度为350℃～500℃耐热螺母及垫圈，以及非腐蚀性介质中工作的高压管道。

    （44）40CrV：用于制造重要零件。如曲轴、不渗碳的齿轮、推杆、受强应力的双头螺栓、螺钉、机车连杆、螺旋桨、轴承支架、横梁；氮化的小轴、各种齿轮和销子；截面不大的高压锅炉给水泵轴；420℃、30 MPa高温高压下工作的螺栓、连杆。

    （45）50CrV：用于制造截面较大的承受动载荷和高应力的重要零件；截面较大受强应力的螺旋弹簧和扭杆弹簧，以及在温度低于300℃下工作的阀门弹簧和活塞弹簧。

    (46)15CrMn：用于制造齿轮、蜗轮、塑料模具、汽轮机密封轴套。可与15CrMo钢互换使用。

    （47）20CrMn：用于制造截面不大、承受中等压力而又无大冲击载荷的零件，如齿轮、轴、蜗杆、主轴、机械无级变速装置的摩擦轮、调整器套筒等。

    （48）40CrMn：用于制造高速、高弯曲载荷条件下工作的轴和连杆；高速、高载荷而无强力冲击载荷条件下工作的齿轮轴、水泵转子、离合器、小轴、心轴；高压容器盖板螺栓。

    （49）20CrMnSi：用于制造强度高的焊接结构件和工作应力较高的零件，冷冲压成形的零件。

    （50）25CrMnSi：用于制造拉杆、重要的焊接和冲压零件、高强度的焊接结构件（钢板或钢管结构件）。

（51）30CrMnSi、30CrMnSiA：用于制造在震动载荷下工作的焊接结构和铆接结构，如高压鼓风机叶片、阀板；高速高载荷的砂轮轴、齿轮、链轮、螺栓、螺帽、轴套等，以及温度不高而要求耐磨的零件。

    （52）20CrMnMo：用于制造要求表面硬度高、耐磨性好的重要渗碳零件，如齿轮、凸轮、曲轴、连杆、钻头等。

    （53）40CrMnMo：用于制造截面较大并要求高强度、高韧性的零件；

    （54）20CrMnTi：用于制造截面在30mm以下，承受高速、中等载荷或重载荷，以及有冲击和摩擦的重在渗碳零件，如齿轮、齿轮轴、齿圈、、蜗杆等。

    （55）30CrMnTi：用于制造截面较大的重载荷渗碳件，以及其他受力较大的齿轮、齿轮轴、蜗杆等；心部强度要求高的渗碳齿轮。

    （56）20CrNi：用于制造较高载荷下工作的大型重要渗碳零件，如齿轮、键、对轴、花键轴，及用作具有高冲击韧性的调质零件。

    （57）40CrNi：用于制造截面较大、在热状态下锻造的冲压的重要零件，如轴、曲轴、齿轮、连杆、螺钉、圆盘等。

    （58）45CrNi、50CrNi：用于制造截面较大的轴类或其他较重要的调质零件，如内燃机曲轴、汽车和拖拉的主轴、变速箱曲轴、气门、螺栓、螺杆等。

    （59）12CrNi2：用于制造要求心部韧性较高而强度不太高的受力较复杂的中、小渗碳零件或氰化零件，如传动齿轮、轴套、活塞销、推杆、齿套、凸轮、共键轴等。

    （60）12CrNi3：用于制造承受重载荷并要求高强度、高硬度和高韧性的各种渗碳零件和氰化零件；

    （61）20CrNi3：用于制造重载荷条件下工作的大型渗碳零件，如齿轮、轴、蜗杆、凸轮、活塞销、螺栓、双头螺栓、销钉等。

    （62）30CrNi3：用于制造重要的较大截面的零件和受扭转载荷及冲击载荷较高而且要求淬透性的大型重要零件，如曲轴、连杆、齿轮、轴、蜗杆等；热态锻造和冲压零件；

    （63）37CrNi3：用于制造承受高载荷或冲击载荷的大截面零件，以及低温条件下工作并承受冲击载荷的零件；也可用作热态锻造和冲压的零件；

    （64）12Cr2Ni4：用于制造截面较大、载荷高、韧性好、交变应力下工作的重要渗碳零件；

    （65）20Cr2Ni4：用于制造比12Cr2Ni4钢性能要求更高的大截面渗碳零件及调质零件；

    （66）20CrNiMo：用于制造中、小型汽车、拖拉机的发动机和传动系统的齿轮；代替12CrNi3钢制造要求心部性能较高的渗碳零件和氰化零件；

    （67）40CrNiMoA：用于制造要求韧性好、强度高、截面大的重要调质零件；

    （68）45CrNiMoVA：用于制造要求强度高或尺寸大且承受高载荷的零件；

    （69）18Cr2Ni4WA：用于制造要求高强度、良好韧性及缺口敏感性低的大截面渗碳零件。

 

　　钢件渗金属层均具有非常高的硬度和耐磨性，具有很好的应用前锦。但是，由于金属原子半径较大，只能与γ-Fe形成置换型固溶体。这是渗金属速度较慢的原因。而渗入金属元素一般是强碳化物形成元素，这就给低碳合金钢渗金属带来一定的难度。能否用预渗法在钢件表层造成间隙原子，形成氮、碳的浓度梯度，达到促进金属渗入的目的，通过实践证明表面预渗氮、碳的方法，对表面渗金属有良好的效果。

1工艺方法　　

1.1试验材料：25Cr2Ni4WA

1.2预渗工艺方法见下图,设备RQT－35－9井式渗碳炉。

　1.3　渗钒在60Kw的高温浴炉中进行。

盐浴成份：硼砂作基盐＋供钒剂（10%）＋活化剂（9%）＋还原剂（10%）；配制时先启动基盐，然后将供钒剂、还原剂、活化剂按比例混合拌均后加入盐炉中。再将预渗后清洁的零件放入炉中加热并作渗钒处理。其工艺：加热温度970-990℃；保温时间4h；32号机械冷却；硝盐炉回火，加热温度180－200℃；保温时间2h；出炉空气中冷却，煮洗。 2、结果检测　从试验结果可以看出，预先氮碳共渗处理的零件，渗钒层深度及硬度有显著提高，效果非常明显。 渗层及硬度见下表：钢　　号 是否预渗 预渗层深度（um） 渗钒层深度 (um) 表面硬度 (Hv0.2) 20Cr2Ni4WA 否 － 10.2 320 是 16.5 19.5 2450

3　分析与讨论　　25Cr2Ni4WA钢氮碳共渗后再渗钒，渗层深度可从未经预处理（未N－C共渗）的10.2μm提高到19.5μm。这是因为钢的含碳量增加渗钒速度加快。即：在高温下，碳、氮原子向心部方向扩散的瞬间，将会把与其邻近的铁原子挤向至高能不稳定状态，这无疑有利于钒原子和高能态的铁原子交换位置，使钒原子向心部方向进行置换扩散。也就是说与奥氏体形成间隙固溶体，扩散系数较大的碳或氮的扩散能加快钒在过渡区的扩散速度。过渡区碳、氮的扩散，加速了钒向心部的扩散，同时也增加渗层（化合物层）中的钒向过渡区的溶解速度，推动饱和层向内部推进，这也必然增加新相化合物的生成速度。

4　结束语

4.1预先氮碳共渗可显著加快渗钒速度。

 4.2氮、碳的定向扩散通量，对钒的扩散有明显的影响。

 4.3 试验证明，低碳合金钢经预先氮碳共渗后再进行渗钒，提高表面硬度及耐磨性是一种有效的工艺方法。

工业自动化程度的提高，用模具成型的产品愈来愈多。目前在我国的许多企 业中，模具的使用寿命还比较低，仅相当于国外的1/5或1/3。据统计，由于模具寿命低而造成浪费，以及对产品质量影响所带来的损失，每年达数十亿人民币。实践证明，在模具设计和制造过程中，若能选用恰当的钢材，确定合理的热处理工艺，妥善安排工艺路线， 对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使 用寿命都将起到重大的作用。今后对模具的要求更严格，为了使之寿命更长，对强韧化处理 、表面处理的期待将愈来愈高。

    模具使用寿命与许多因素有关，各种因素在模具失效中所占比例是：

    热处理占52%；

    原材料占20%；

    使用占10%；

    机械、电加工占8%；

    锻造占7%；

    设计占3%。

    实际使用表明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起失效居首位。

1、  模具强韧化

    鉴于模具苛刻的工作环境，为提高模具使用寿命，我们要求模具具有优良的整体 强韧化性能。此外，还要求模具具有优异的型腔表面耐磨性能，在这种情况下出现了对模具整体 强韧化的基础上再对其表面进行强化的各种处理。

在一般工艺条件下，往往强度与韧性之间存在着制约关系，材料强度增加，通常 总伴随着材料韧性的降低 。要求高强度的同时，又要求材料有较高的韧性，常常是很困难 的。但是采取强韧化处理的措施，却能使钢的强度和韧性都能得到提高。多次冲击抗力的理 论认为在同一强度水平下，随着冲击韧性增加，多次冲击抗力提高，也就是破断次数N增加 ；强度水平越高，冲韧性对多次冲击抗力所起的作用就越大。因此，在含碳量较高的模具钢 中，采用强韧化处理，在保证模具主强度的条件下，适当提高冲击韧性，使强度和韧性得到 最佳配合，必然有利于进一步提高多次冲击抗力。

    强韧化处理多种多样 ，但归结起来却基本上都是通过下列途径来取得强韧化效果的：充分利用板条马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢的奥氏体晶粒和过剩碳化 物，获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织；形变热处理。

1.1热作模具钢高温淬火和高温回火：热作模具钢5CrMnMo采用850℃淬火，淬火时马氏体 形态以片状为主，如把淬火温度提高到900℃，使奥氏体充分均匀化，消除富碳微区，淬火 后可得板条状马氏体，从而提高了钢的回火稳定性，冲击韧性和断裂韧性，可延长模具寿 命。

1.2高温快速短时加热：于高碳钢模具在快速加热条件下，奥氏体化不均匀，组织中保留未 溶碳化物，奥氏体晶粒细小，并使奥氏体中固溶碳和合金元素量减少，提高了Ms点，有利于 板条马氏体的形成，短时加热溶于奥体中的碳量可减少到0.6%以下，阻上了富碳区的形成， 减少了片状马氏体量，提高了韧性，可使模具得到较高强韧性。

1.3高碳高合金钢的低温淬火：采用低温淬火时，奥氏体中碳和合金元素溶解度减少，Ms点 提高，可获得较多的板条状马氏体，且奥氏体晶粒细小，在保证高硬度前提下具有较好韧性和强度，提高多 冲抗力，从而有效提高了模具寿命。

1.4形变热处理是把钢的强化与相变强化结合起来的一种强韧化工艺。形变热处理的强韧化 本质在于获得细小的奥氏体晶粒、细化马氏体增加了马氏体中位错密度，并形成胞状亚结构 ，同时促进碳化物的弥散硬化作用。

2、  模具表面强化处理工艺的方法

  模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼法 、TD法、CVD法、PVD法、BRN法、激光表面强化法等离子喷涂法等等。

2.1、气体氮化时，氨在氮化温度分解后产生活性氮原子为金属表面 吸收渗入钢中，并且不断自表面向内扩散，形成氮化层，经氮化处理后，表面硬度可达HV950-1200，并能提高模具的疲劳强度及提高了抗咬合 能力。

 2. 2、离子氮化法是将待处理的模具放在真空容器中，充以一 定 的压力的含氮气体然后以被处理模具作阴极，以真空容器的罩壁作为 阳极，在阴阳极之间加上400-600伏的直流电压，阴阳极间便产生辉光放电，容器里的气体 被电离，在空间产生大量的电子与离子。在电场的作用下，正离子冲向阴极，以很高速度轰 击模具表面，将模具加热。高能正离子冲入模具表面，获得电子，变成氮原子被模具表面吸 收，并向内扩散形成氮化层，离子氮化可提高模具耐磨性和疲劳强度。

2.3电火花表面强化是直接利用电能的高能量密度对表面进行强化处理的工艺。它是通过火 花放电的作用， 把作为电极的导电材料溶渗进金属工作的表层，从而形成合金化的表面强化层，使工作表面的物理、化学 性能和机械性能得到改善 。例如采用WC、Tic等硬质合金电极材料强化高速钢或合金工具钢强化表面，能形成 硬度在HV1100以上的耐磨、耐蚀和具有红硬性的强化层，使模具的使用寿命明显地得到提高， 电火花表面强化的优点是设备简单、操作方便、耐磨性提高显著，缺点是强化表面粗糙，强 化层厚度较薄，效率较低。

  2.4参硼能显著提高模具表面硬度(HV1300-2000)和耐磨性，渗硼层还具有良好的红硬性、耐 磨性、可广泛用于模具表面强化，尤其适合在磨粒磨损条件下的模具，但渗硼层往往存在着 较大的脆性，困扰着它的应用。

2.5　TD法是在盐浴炉中放入一个耐热钢制的坩埚，将硼砂放入坩埚加热 至900-1200℃，然后放入相应的碳化物形成粉末，如钛、铌、铬，钒再将钢或硬质合金工 件放入坩埚中加热一定的时间，合金元素渗入工件表面并与钢中的碳起反应形成碳化 物层，TD法所得的碳化物层具有很高的硬度和耐磨性。

2.6　CVD法(化学气相沉积法)是将模具放在氢气(或其它气体)保护气氛中加热至900-1200度后， 以此气体为载气，把低温气化挥发金属的化合物气体，如四氯化钛(TiCl4)和甲钵(或其它 碳氢化合物)蒸气带入炉中，如使TiCI4中的钛和碳氢化合物中的碳(以及钢表面的碳分)在 模具表面进行化学反应，从而生成一层所需金属化合物涂层(如碳化钛)。

2.6　PVD法(物理气相沉积法)采用真空蒸镀、溅射沉积、离子镀等方法，在较低温度下进行。其原理是：利用气相中的物理、化学过程，在工件表面形成功能性的金属、非金属化合物涂层，以改变表面的物理和化学性能。利用PVD法可在工 作表面沉积碳化钛、氮化钛、氧化铝等多种化合物。

2.7　BRN法是将模具加热到500－600℃之间的任一温度，在载体气中通入BRN渗剂，渗剂分解后产生需要的活性原子为金属表面 吸收渗入钢中，并且不断自表面向内扩散，形成复合化层，这种方法处理后，硬化层表面的自润滑层提高了模具的耐磨性，强化层的硬度较高（如Cr12MoV硬度≥HV1100），并能使模具具有较高的热硬性、疲劳强度和良好的抗咬合能力。

2.8激光表面强化法 经过黑化处理的模具表面，经激光加热后，由工件自身冷却淬硬，其冷速远比 常规淬火介质中的冷速大。激光表面处理具有淬硬层深度可控，自回火，硬度可提高10-2 0%，淬火组织细小，耐磨性高、节能效果显著，可改善工作条件等优点。不足的是形响表面粗糙度。

 

第一类：化学发黑色法。

此法以分酸性发黑色和碱性发黑色两种。酸性发黑色得到膜层色泽均匀，薄而牢固，富有弹性，结合力好，但膜层多孔，耐磨性较差，需经过固化处理才能提高耐磨性。碱性发黑时间比较长，但黑膜的耐磨性很好，无需固化处理。

第二类：电解氧化法。

膜层厚而黑，膜层耐晒性较差，易自动暴裂。

第三类：化学热处理法。

在专用的设备中进行，膜层牢固，结合力好；色泽美观；耐磨性好；表层致密。

第四类：BRN处理法。

在专用的设备中，以专用的离子改性法进行处理。具有膜层结合力好；表面色泽美观；耐磨性好；表层致密；膜层厚薄可控；不变色和不脱落等优点。

铸造火焰淬火模具钢简介 研究结果表明，铸造火焰模具钢的综合力学性能优于锻造模具钢，淬透性好。经表面火焰淬火后的硬度测试，铸造火焰模具钢的淬硬深度和硬度优于锻造火焰模具钢。表1 锻造和铸造火焰淬火模具钢力学性能对比材 质种 类 屈服强度mpa 断裂强度mpa 延伸率% 硬度hrc锻 造 ㄤ 876 12% 22铸 造 420 811 18% 19★铸造火焰淬火模具钢是一种以铸代锻的高碳低合金钢，适用于冲压1.2毫米以下钢板材，广泛应用于汽车板金覆盖件、日用轻工五金板金冲压模具等，使用寿命达几万次。★用泡沫板材制作成近型模具型，可大量减少机加工量，降低模具加工成本。★热处理后硬度 hrc=17~23★加工后经表面淬火硬度 hrc可达55~65。★铸造火焰淬火模具钢贵重合金元素少，生产成本低。 　由于在高温、高速、高负荷条件下工作，模具通常采用耐高温、耐磨、合金成分较高的合金钢、耐热钢、硬质合金等难加工材料制成。为了提高寿命还须进行特定的热处理工艺或表面强化工艺，所以加工难度很大。超硬刀具切削、电、化学加工等特殊的加工方法可以解决一些问题，但成本明显增加。目前，我国广泛使用的冷作模具钢有crwmn和cr12型钢等。前者的缺点是易形成网状碳化物，而后者共晶碳化物带状偏析严重，结果都使钢的强韧性降低，导致模具易崩刃、断裂而早期失效。为了改善强韧性，生产上采用了多种强韧化工艺，如低温淬火工艺等。另一方面，人们通过合金化方法，在努力寻求性能更为优越的冷作模具钢。火焰淬火模具钢7crsimnmov（代号ch-1）即是工业发达国家近年开发和使用的新型模具钢，其主要特点如下　　（1）强韧性好　火焰淬火具有和整体淬火相近的硬度和各种性能。淬硬层下有高韧性基体作衬垫，工作时刃口不易产生开裂、崩刃现象。采用表面强化工艺后硬化层保留了一定的压应力（304mpa），可提高疲劳强度，使模具获得较高的使用寿命。　　（2）淬火变形小　当模具全部加工成型后，在刃口用氧-乙炔火焰加热至淬火温度，然后空冷即达到淬火目的，不须其它加工，所以变形很小。　　（3）修复方便　可焊性好，制造有偏差时可用相应的焊条进行补焊，经打磨修整即可达到理想的效果。　　（4）节省费用，降低成本　由于只需氧-乙炔气源，不受场地、装备的限制，操作方便。省去整体淬火多次加热回火的繁琐工序，提高了生产率。初步统计结果，7crsimnmov钢采用火焰淬火工艺制造的模具与cr12钢模具相比省电约80%，劳动生产率提高约20%，热处理总费用降低70%左右，模具寿命提高1.5倍以上。　　汽车、摩托车用大型模具切边刃口通常采用cr12或cr12mov钢材料。由于模具尺寸较大，又多为三维异型曲面，所以不论采用整体结构或镶拼结构，加工都十分困难。整体结构浪费材料，工艺的可行性要受到热处理炉口尺寸的限制。镶拼结构热处理以后变形大，消除变形困难，且容易降低模具的精度。80年代火焰淬火钢的出现首先是在汽车行业得到应用和推广，继而在模具制造中也得到越来越多的应用。　　近几年，我公司与协作厂家在联合开发替代进口的摩托车油箱模具及其他一些冲裁模具中，成功地采用了7crsimnmov钢和火焰淬火工艺。7crsimnmov钢的主要化学成分见表1。 表1　7crsimnmov钢的化学成分　质量分数　w（％） 钢号 c cr mo v si mn 7crsimn-mov 0．65～0．75 0．9～1．2 0．2～1．5 0．15～0．30 0．85～1．15 0．65～1．05 　　首先将7crsimnmov圆钢按要求锻造成型，或按零件要求锻造成各种三维形状（实型造型）。退火后粗加工、磨平，在加工中心加工出刃口形状，钳工修配、安装调试后火焰淬火，图1为油箱内壳切边刃口图。淬火预热温度一般控制在180～200℃，预热1～1．5h。对单一的大型、整体、封闭型腔模具可用喷枪直接预热。淬火加热火焰为中性焰，火焰长度10～15mm，氧气压力控制在49～69mpa，乙炔压力控制在4.9～6.9mpa。加热时火焰距离加热面1～3mm，距离刃口边沿4～6mm，加热带控制在2～3mm，距离刃口边沿4～6mm，加热的速度控制在160～200mm／min。模具的最终硬度基本可控制在52～62hrc，淬火的深度达1.5mm，由于火焰淬火以后材料尺寸变化量远小于整体淬火，长度在300mm以内的镶块结构模具，结合缝之间的间隙＜0.12mm，这对于冲裁模具而言其寿命和精度是完全满足要求的。 　　以上是采用7crsimnmov钢制造摩托车油箱模具及摩托车头盔模具中的一些经验技术数据，实践证明，在其它一些冲裁模具的制作中也可参考，模具的质量和寿命明显提高，极大地方便和满足了生产的需要。所以，用7crsimnmov钢火焰淬火工艺代替crwmn和cr12钢制作大型三维曲线模具，是一种值得推广的方法。

热处理是机械工业的一项重要基础技术，通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机械零件和工模具都是要经过热处理的，而且，只要选材合适，热处理得当，就能使机械零件和工模具的使用寿命成倍、甚至十几倍的提高，实现“搞好热处理，零件一顶几”的目标，收到事半功倍的效果。  

    传统的热处理，就主要控制的参数而言，多为常压下的温度时间两个参数的热处理；就工艺方式而言，多为单一的热处理。这样热处理的效果也只能是单一化。为此，要大力发展多参数热处理和复合热处理工艺。

    1.　多参数热处理

    (1) 真空热处理：这是一种附加压力的多参数热处理。它具有无氧化、无脱碳、工件表面光亮、变形小、无污染、节能、自动化程度高、适用范围广等优点，是近年来发展最快的热处理新技术之一，特别是在进行材料表面改性方面获得了很大的进展，许多新近开发的先进热处理技术，如真空高压气淬、真空化学热处理等，也需在真空下方能实施。采用真空热处理技术可使结构材料、工模具的质量和使用寿命得到大幅度的提高，尤其适合于一些精密零件的热处理。在工业发达国家，真空热处理的比例已达到20%左右，而我国目前约有真空热处理炉1200台，占热处理炉总数的1%左右，与国外的差距很大。预计今后随着热处理行业的技术进步和对热处理工件质量要求的越来越高，真空热处理将会有较大的发展。

    (2) 化学热处理：这是一种附加成分的多参数热处理。普通化学热处理，如渗碳、碳氮共渗、碳氮硼共渗等，分别属于附加单成分、双成分和三成分的多参数热处理。近年来，又发展了许多利用新技术的新型化学热处理，如真空化学热处理，流态床化学热处理、离子渗金属、离子注入、激光表面合金化等，均可提高工件的耐磨损及耐腐蚀等使用性能。稀土在化学热处理中的应用(即与稀土共渗)，能显著提高渗速，缩短处理周期，并可提高渗层的耐磨性和耐腐蚀性，这是我国的一大特色。此外，固溶化学热处理也是一个值得注意的动向，内蒙农机研究所黄建洪等人开发了含氮马氏体化处理(N*M处理)工艺，这是第一个以获得固溶N的含氮马氏体为目的的渗氮工艺，已成功地应用于剪毛机刀片生产。 

　　(3) 形变热处理：这是一种附加应力的多参数热处理。采用压力加工和热处理相结合的工艺，把形变强化和相变强化结合起来，使材料达到成型与复合强化的双重目的。形变热处理能提高材料的综合力学性能，并可以简化工序，利用余热，节约能源及材料消耗，经济效益显著。形变热处理的应用广泛，从结构钢、轴承钢到高速钢都适用。目前工业上应用最多的是锻造余热淬火和控制轧制。美国采用控制轧制来生产高硬度装甲钢板，可提高抗弹性能。我国兵器工业系统开展了火炮、炮弹零件热模锻余热淬火、炮管旋转精锻形变热处理、枪弹钢芯斜轧余热淬火等试验研究，取得了很好的效果。