HP耐热钢结焦、渗碳的原因分析
收稿日期:2001208204;修订日期:2001209228
基金项目:辽宁省优秀青年人才基金和中国石化总公司科技开发项
目资助.
作者简介:李处森,男,1970年生,硕士,助理研究员,材料学专业
HP 耐热钢结焦、渗碳的原因分析
李处森 杨院生 吴欣强
(中国科学院金属研究所,金属腐蚀与防护国家重点实验室沈阳110016)
摘要:对退役HP 耐热钢裂解炉管结焦、渗碳状况进行了分析,
藉加速结焦实验研究了耐热钢的初期结焦行为,推断出催化结焦促进结焦和渗碳的机制.关键词:HP 耐热钢 催化结焦 渗碳
中图分类号:O621.25+4.2,O643.38 文献标识码:A 文章编号:100524537(2002)0520286204
1前言
HP 耐热钢作为石油裂解装置中广泛应用的炉
管材料,服役过程中常常出现表面大量结焦和内部严重渗碳现象.结焦减少管体有效通径和降低导热能力,造成极大的能源浪费,而渗碳导致炉管材料性能弱化[1].通常通入水蒸汽清焦以消除炉管内壁焦炭的影响,然而周期性的清焦又会引起热疲劳现象,并且炉管渗碳现象更加严重[2].因此,弄清HP 耐热钢结焦、渗碳机理及其与材料成分的关系,对开发和研制新型抗结焦裂解炉管材料具有重要意义.本文通过对HP 耐热钢初期结焦行为的研究和退役管件的结焦、渗碳状况的分析,从而对其结焦、渗碳的原因作了探讨.
2实验方法
采用使用1年后退役的HP 裂解炉管试样和由未服役HP 裂解炉管切制成的HP 耐热钢试样.HP 耐热钢试样的成分为(质量分数,%):Ni 33.8,Cr 24.3,C 0.43,Nb 0.69,Si 1.71,Mn 1.11,Fe 余量.
可将退役HP 裂解炉管内壁积累的焦炭一整块剥离下来,运用扫描电镜二次电子像和X 射线能谱对经抛光、腐蚀处理后的退役HP 裂解炉管横断面,及与炉管结合的焦炭内表面(与炉管内壁接触的表面)、外表面(与裂解气氛接触的表面)进行形貌和成分的分析.
通过加速结焦实验来研究HP 耐热钢的初期结焦行为.实验装置[3]基本结构与主体反应器见图1.选用丙烷作为裂解原料气,氮气作为稀释气(代替工
业裂解常用的水蒸汽).将常压空气中,在900℃下经1h 氧化处理的HP 耐热钢试样和未经氧化处理的HP 耐热钢试样一起送入模拟裂解装置主体反应器中.以500ml/min 的流速通氮气20min 除氧后,保持氮气流速不变,升温至800℃,随后控制氮气流速为1400ml/min ,并使温度保持恒定5min 后,以25ml/min 的流速通丙烷气20min ,随后关闭丙烷气,样品在流速为500ml/min 的氮气保护下冷却至室温后取出。运用扫描电镜二次电子像观察试样表面结焦形貌.
3结果与分析
311退役HP 耐热钢断面形貌及成分分析
图2为退役HP 裂解炉管断面形貌和X 射线能谱线扫描分析结果,观察到从炉管内壁向外可大致分为氧化结焦、贫Cr 和内部渗碳
3个层次.由于高温下Cr 的选择性氧化,因此在以氢气-水蒸气为载气的裂解条件下或用水蒸气清焦后,炉管内壁表面生成以Cr 2O 3为主要成分+组分中大部分SiO 2的氧化层,由于结焦和渗碳作用,该氧化层遭到严重破坏,形成图2的氧化结焦层.能谱线扫描显示在氧化结焦层中有一贫Cr 富FeNi 段,
Fig.1Schematic diagram of quick coking device
第22卷第5期
2002年10月 中国腐蚀与防护学报Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection
V ol 122N o 15Oct 12002
Fig.2M orphology and E DAX on the cross-section of used HP heat -resistant steel
这很可能是由于深层氧化的结果.氧化层下面Cr、Si 成分含量很少,而主要以Fe、Ni成分为主(见能谱线扫描分析结果),形成贫Cr层,贫Cr层中的Fe元素易于形成Fe3C碳化物,严重渗碳使晶体组织被完全破坏,形成金属碳化物的结构,而且碳能进一步向材料内部扩散.炉管内部渗碳层也渗碳严重,起始的晶间共晶碳化物的层片状形貌已经完全消失,基本上分布着粗大的块状碳化物.虽然由断面形貌不能观察出内部渗碳层成分分布变化,但由于Ni不能生成稳定的碳化物,Cr比Fe更易于生成稳定致密的Cr x C y碳化物,因此Cr向外扩散速度比Fe、Ni快,造成内部渗碳层中Cr、Fe、Ni元素分布并不均匀,形成富Cr贫Fe、Ni→贫Cr富Fe、Ni→再富Cr贫Fe、Ni的波浪式分布.内部渗碳层最外层(即靠近贫Cr层处) Cr x C y碳化物的含量应相对较高.
312HP耐热钢结焦机理及其与渗碳的关系
可将附着在退役HP裂解炉管内壁表面的焦炭整体剥离下来,对焦炭的内表面(同管壁接触面)和外表面(同裂解气氛接触面)分别用扫描电镜进行形貌和X射线能谱面扫描分析(图3).观察到外表面由球状颗粒紧密堆积而成,而内表面相对疏松,并有丝状焦炭产生.根据前人的研究结果[4,5],丝状或棒状焦炭的产生很可能是催化结焦的结果,因为炉管材料中的Fe、Ni等元素作为催化粒子能引起催化结焦.材料表面的催化粒子对裂解过程中产生的碳氢化合物中间体引起化学吸附,由于催化粒子各面表面能的差异,根据能量最低原理,被吸附的碳氢化合物中间体向催化粒子侧面扩散,同时脱氢、碳化结焦,并将催化粒子顶出材料表面,暴露的催化粒子继续重复上述过程,促成丝状或棒状焦炭的生长.催化结焦中焦炭的生长方式与碳氢化合物中间体的结构、催化粒子的形状、大小及表面分布密度等因素有关[6].X射线能谱面扫描结果显示,焦炭内表面中存在Fe、Ni元素,而外表面中没有,这进一步证明:HP 耐热钢在结焦初期存在催化结焦行为,而在结焦后期只有脱氢碳化的气相沉积结焦行为.
碳氢化合物气化热裂解过程大致如下[7]:首先碳氢化合物化学键断开,形成各种碳氢化合物中间体,碳氢化合物中间体在经一系列断键裂解,形成烯类产品.生产中通过控制各个裂解参数,使大部分碳氢化合物裂解反应停留在烯类产品这一步.但由于碳氢化合物分子链差异、裂解中间体间的碰撞聚合等不能完全控制的因素,不可避免地存在少量脱氢碳化的气相沉积结焦情况(非催化结焦).若材料表面粒子对裂解中间体产生化学吸附,则引起催化结焦.为了进一步探明炉管初期结焦行为,我们对未吸附碳的炉管在空气中加热到900℃保温1h,对材料表面进行预氧化处理,然后将预氧化和未预氧化处理的两个未服役HP耐热钢材料同时进行加速结焦实验.观察到预氧化处理的HP耐热钢材料表面以丝状焦炭为主,未预氧化处理的HP耐热钢材料表面以棒状焦炭为主(均为扫描电镜放大2万倍下观察,见图4).这是因为未预氧化处理的HP耐热钢材料表面存在大量的Fe、Ni催化粒子,可引起大量的催化结焦,并且由于催化粒子相对较大,便形成很密
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5期李处森等:HP耐热钢结焦、渗碳的原因分析
集的棒状焦炭分布[6];对于经预氧化处理的HP 耐热钢材料表面而言,由于氧化膜的阻碍作用,使得与碳氢化合物中间体相接触的Fe 、Ni 催化粒子相对较少,不能形成棒状焦炭,只能形成相对棒状焦炭来说较为细小的丝状焦炭,丝状焦炭从氧化膜缝隙中长出.结合图3的分析结果,可以认为在HP 耐热钢初期结焦时以Fe 、Ni 引起的催化结焦行为为主,并造成材料表面大量积碳;随着气相沉积产生的碳的不断积累,丝状焦炭顶端Fe 或Ni 催化粒子终究会被覆盖,则催化结焦行为结束,只有脱氢碳化气相沉积引起的非催化结焦,但此时材料表面已成很厚结焦,严重降低裂解效率,需清焦处理.
在氢气-水蒸气的裂解载气存在或水蒸气清焦
处理后,材料表面均能形成既不引起催化结焦又抗渗炭的以Cr 2O 3为主加少量SiO 2的保护膜.然而,从
图4a 观察到仍有丝状焦炭从氧化物保护膜中生长,尽管不如无保护膜时生成棒状焦炭那么严重
(图4b ),但也足以证明氧化物保护膜不能有效阻止碳氢化合物中间体的扩散[8,9].结合分析Fe 、Cr 、Ni 元素共存的焦炭内表面能谱面扫描结果(图3b )及退役HP 裂解炉管断面氧化结焦层的损坏形貌,可以认为
催化结焦促进结焦和渗碳的机理如下:由于氧化物保护膜不能有效阻止裂解中产生的碳氢化合物中间体同保护膜下Fe 或Ni 催化粒子的接触,因此不能阻止Fe 或Ni 粒子引起催化结焦;催化结焦产生丝状焦炭从保护膜中长出,氧化物保护膜必然会遭到严重破坏,这样氧化膜下层暴露出来的Fe 或Ni 粒子可引起更为严重的结焦、积碳,同时生成Fe 3C 碳化物,C 原子进一步扩散,造成严重渗碳.
Fig.3M orphology and E DAX of coke on the surface of used HP heat -resistant steel
(a )outer surface (b )inner surface
Fig.4M orphology of the coke formed on the surfaces of HP heat -resistant steel during the initial coking stage
(a )pre -oxidized (b )not pre -oxidized
882中国腐蚀与防护学报第22卷
催化结焦易于积碳结焦,同时也易于清焦[10],
但快速清焦产生的C O 也会使材料进一步渗碳;另外,组织结构已完全破坏的氧化结焦层和贫Cr 层也必须清除,但其中的金属碳化物的存在使清焦很困难,常常造成材料的热疲劳和加剧渗碳.完全清焦后再进行生产时,内部渗碳层的最外层很可能转变成氧化结焦层,并逐步形成类似图2的层次分布.
由此可推知,若能在HP 耐热钢材料表面制备一层完整致密、能有效阻止碳氢化合物中间体扩散、并且不与碳发生还原或碳化反应的保护膜,将能大大提高材料的抗结焦、抗渗碳能力.
4结论
(1)HP 耐热钢材料初期结焦行为以催化结焦为
主,碳氢化合物中间体在材料中Fe 或Ni 元素催化作用下形成丝状焦炭;后期结焦行为以脱氢碳化气相沉积方式为主.
(2)HP 耐热钢材料表面经氧化处理后,表面形成由Cr 2O 3为主加少量SiO 2组成的氧化膜对结焦初期的催化结焦有一定抑制作用,但不能有效阻止膜下Fe 或Ni 元素对结焦的催化作用,仍形成丝状催化焦炭.
(3)HP 耐热钢材料表面形成的丝状焦炭能破坏保护膜,造成严重的催化结焦和向耐热钢内部渗碳.
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ANALYSIS OF COKING AN D CABURIZING OF
HP HEAT -RESISTANT STEE L
LI Chusen ,Y ANG Y uansheng ,W U X inqiang
(State K ey Laboratory for Corrosion and Protection ,Institute o f Metal Research ,The Chinese Academy o f Sciences ,Shenyang 110016)
Abstract :This paper deals with the coking and caburizing of the used cracking tube made by HP heat -resistant steel.
The experiments show that the structure on the cross -section of the used cracking tube is consisted of the oxide and cok 2ing layer ,the chromium depletion layer ,and the inner carburized layer due to serious carburizing.It is found that there is filamentary coke near the surface of the tube but the spherical coke exists far from the surface of the tube.The initial cok 2ing behaviour of HP heat -resistant steel is investigated by quick coking experiment.During the initial coking stage ,the filamentary is formed under the catalytic action of nickel or iron elements in the steel ,although there is a Cr 2O 3film on the surface of the steel.The hydrocarbon cracking intermediates can permeate the Cr 2O 3film and combine with the nickel or iron elements in the steel ,which arouses the catalytic coking ,and causes the destruction of the Cr 2O 3film and serious coking and carburizing.With increasing of the cracking time ,the spherical coke begins to develop instead of the catalytic filamentary coke.
K ey w ords :HP heat -resistant steel ,catalytic coke ,caburization
9
825期李处森等:HP 耐热钢结焦、渗碳的原因分析
渗氮与氮化处理
渗氮 渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。 原理应用 渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。 钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。从70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。
气体渗氮 一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。它适用于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。 气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480～520℃之间,氨气分解率为15～30%,保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。 还有以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在 550～700℃之间,保温 0.5～3小时，氨分解率为35～70%，工件表层可获得化学稳定性高的化合物层，防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。 正常的气体渗氮工件，表面呈银灰色。有时，由于氧化也可能呈蓝色或黄色，但一般不影响使用。 离子渗氮
渗碳工艺介绍
渗碳 定义 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。 简介 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，再经过淬火和低温回火，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﹑气体渗碳和碳氮共渗。 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。
金属材料渗碳淬火工艺综述
金属材料渗碳淬火工艺综述 摘要：渗碳与淬火在金属材料热处理中占有很重要的地位，渗碳是目前机械制造工业中应用最广泛的一种化学热处理方法，能提高材料的耐磨性和疲劳强度；淬火是热处理工艺中最重要，也用途最广泛的工序，能显著提高金属材料的强度和硬度。 关键词：渗碳，淬火，耐磨性，强度，硬度 1、渗碳工艺 1.1、渗碳原理 将低碳钢件放入渗碳介质中，在850～950℃加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面并获得高渗碳层的工艺方法叫做渗碳。齿轮、凸轮、轴类等许多重要机械零件还有模具经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韧性，因此处理后的材料既能承受磨损和较高的表面接触应力及冲击负荷的作用。 渗碳属于化学热处理，过程由分解、吸附和扩散三个基本过程组成，发生的化学反应如下： 2CO→［C］＋CO2 Fe＋［C］→FeC CH4→［C］＋2H2 1.2、渗碳分类 根据渗碳剂的不同，渗碳方法有固体渗碳、气体渗碳和离子渗碳。常用的是前两种，尤其是气体渗碳应用最为广泛。 固体渗碳是将低碳件放入装满固体渗碳剂的渗碳箱中，密封后送入炉中加热至渗碳温度保温，以便活性碳原子渗入工件表层。固体渗碳剂由一定颗粒度的木炭加碳酸盐混合而成。渗碳温度一般为900～930℃，渗碳保温时间视层深要求确定，一般需要十几个小时。固体渗碳加热时间长，生产效率低，劳动条件差，渗碳深度及质量不易控制。 气体渗碳是把零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉中进行碳的渗入过程的渗碳方法。这种渗碳方法通常是将煤油或丙酮等液态碳氢化合物直接滴入高温渗碳炉中，使其热裂分解为活性碳原子并渗入零件表面。气体渗碳温度一般为920～950℃。气体渗碳工艺过程通常可划分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)、降温冷却三个阶段，如图1所示：
渗氮及氮化处理
渗氮及氮化处理
渗氮 渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。 原理应用 渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。 钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。从70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。
气体渗氮 一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。它适用于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。 气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480～520℃之间,氨气分解率为15～30%,保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。 还有以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在 550～700℃之间,保温 0.5～3小时，氨分解率为35～70%，工件表层可获得化学稳定性高的化合物层，防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。 正常的气体渗氮工件，表面呈银灰色。有时，由于氧化也可能呈蓝色或黄色，但一般不影响使用。 离子渗氮
渗氮工艺
渗氮工艺的应用研究 渗氮又称氮化，指使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺，其目的是提高零件表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。氮化通常利用专门设备或井式渗氮炉来进行。气体渗氮在１９２３年左右，由德国人Ｆｒｙ首度研究发展并加以工业化，目前渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大。由于经渗氮处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐高温性、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性，与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而工件畸变小，已成为重要的化学热处理工艺之一，广泛应用于机械、冶金和矿山等行业的齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等零件和产品的表面处理。 一、氮化常用材料 传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中，与初生态的氮原子接触时，就能生成安定的氮化物，尤其是钼元素，不仅是生成氮化物元素，还能降低在渗氮时所产生的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有０．８５～１．５％铝的渗氮结果最佳，如果有足够的铬含量，亦可得到很好的效果，没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。 二、渗氮过程控制 １．渗氮前的零件表面清洗 通常使用气体去油法去油后立刻渗氮 ２．排除渗氮炉中的空气 将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至１５０℃以前须作排除炉内空气工作。排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体
20钢渗碳
________大学学生实验报告： 20 钢 渗 碳 姓名：_______ 学号：_____________ 年级、专业：_________
20钢渗碳实验报告 一、实验内容：20钢的渗碳实验 二、实验目的： 1、熟悉钢的渗碳工艺及操作过程； 2、进一步熟悉金相试样的制备及观察过程(特别是试样的相嵌过程)； 3、观察渗碳前后钢的组织与性能（特别的硬度）的变化； 三、实验原理： 钢的渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。这是机器制造中应用最 广泛的一种化学热处理工艺。渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬 度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。 四、实验仪器及样品： 井试渗碳炉、相嵌机、金相显微镜、洛式硬度机、水、切割机、砂轮机、金相试纸、抛光机、硝酸及酒精、棉花等。试样用20钢。 五、实验步骤： 1、打开渗碳炉，并按表一设置好渗碳程序，渗碳将按下列程序进行； 2、取样：选取合适的试样，并用砂轮机将表面的氧化膜去除； 3、待炉温升到750o C后，向炉内滴入甲醇，这时，甲醇分解出来的气体 将炉内的空气排除；待炉中气温升到800o C时，再滴入煤油，并控制 两者的加入量调节炉内的碳势； 4、温度升到910O C时，将试样装入炉内，渗碳程序（见表一）开始，并 留二人守炉； 5、渗碳完成、待炉温降至850O C时，从炉中取出试样进行淬火； 5、将淬火后试样在砂轮机上将它切成若干长约1cm 的小试样，两人一份；6 、将每人手中的试样进行相嵌，然后再研磨、抛光、腐蚀，最后放到金相显微镜上观察， 并对它进行硬度测定（将其硬度值填入表 二中），记下它的金相照片（如图示）。
渗氮、渗碳工艺
1?前面已经提到了约99%的自攻螺钉采用碳钢，即渗碳钢制造；其中自钻自攻螺钉也可以采用热处理钢制造（实际上生产企业大多采用渗碳钢，目前国内外大多采用C1018，C1022等材料来制造自攻螺钉各类产品 1、普通自攻螺钉的机械性能 （1）ISO2702、GB/T3098.5、DIN267T12 ①表面硬度：≥450HV0.3。 ②芯部硬度：≤ST3.9：270～390HV5，＞ST3.9：270～390HV10。 ③渗碳层深度：。 M2.5 0.04～0.12mm M3: 0.05～0.18mm M4～M5: 0.10～0.25mm M6～M8: 0.15～0.28mm 2、纤维板钉的机械性能 （1）表面硬度：450～750HV0.3。 （2）芯部硬度：2.5mm～4mm: 320～450HV5；4.5mm～6mm: 320～450HV10。 （3）渗碳层深度：2.5mm～3mm：0.05～0.18mm；3.5mm～6mm：0.10～0.23mm。 （4）破坏扭矩：2.5mm：≥1.0Nm 3mm：≥1.5Nm 3.5mm：≥2.0Nm 4mm：≥3.0Nm 4.5mm：≥4.3Nm 5mm：≥6.2Nm 6mm：≥10.8Nm （5）弯折角试验：≥15°。 3、墙板自攻螺钉机械性能 （1）表面硬度：≥560HV0.3。 （2）渗碳层深度： 0.05～0.10mm。 （3）拧入性:拧入转速:2000～3000r/min；轴向总推力：150±3 N；板厚：0.6mm；拧入时间≤1s。 （4）破坏扭矩 3.5（6#）：≥2.8Nm, 4.2(8#)：≥4.2Nm 3.9（7#）：≥3.4Nm, 4.8(10#)：≥6Nm 一?渗碳工艺(气体渗碳——煤油)：? 渗碳钢的碳含量一般在0.12%~0.25%之间，其所含主要合金元素一般是铬、锰、镍、钼、钨、钛等。? ○ 1?把炉温升到800℃左右，断开电源打开炉盖，放入装好工件的工装，关闭炉盖升温到930℃左右。在升温过程中，打开风扇及煤油阀门，以每分钟160滴的速度滴入炉内，进行排气，同时打开试样孔和排气管并点燃排气火焰。排气时间一般为60~80分钟（保证温度到渗碳温度还要排气30分钟左右）；? ○ 在渗碳过程中要随时注意火焰形状，正常的火焰是：火焰呈金黄色，无力不熄灭（断续熄灭，说明水气高了），火苗无黑焰和火星，火苗长100~150mm；若火苗出现火星，说明炉内炭黑过度；火苗过长、尖端外缘呈亮白色，说明渗碳剂供量过多；火苗短、外缘呈浅蓝色并有透明，说明渗碳剂供量不足或炉子漏气。 渗碳工艺曲线说明如下：? 赶气：其目的是赶走炉内空气，使炉内空气恢复到工艺规定的碳势气氛。?保温：其目的是使炉内工件温度均匀。保温时间一般是40min到1h。? 渗碳温度和渗碳时间：渗碳温度一般为
消失模铸钢件渗碳的原因与防止措施
消失模铸钢件渗碳的原因与防止措施* 孙 敏1 王玉华2 (1.包头职业技术学院材料工程系;2.内蒙古北方重工集团铸造公司,内蒙古包头014030) 摘 要:用消失模生产含碳量小于0.45%铸钢件会使其表面含碳量增高,渗碳层深度在0.2~2mm 之间,渗碳量为0.01%~0.1%不等。渗碳使铸件加工性能变差,在一定程度上影响铸件的表面质量及力学性能。使用低密度模样、选择合理的铸型及浇注工艺参数、在模样中加入添加剂、选用合适模样材料、用精密复合铸造工艺是防止和削弱消失模铸钢件渗碳的有效措施。 关键词:消失模;铸钢件;渗碳 消失模铸钢件渗碳过程是一个复杂的物理化学过程。一般铸钢件的浇注温度都高于1550 ,泡沫塑料模在高温钢液作用下发生热分解,并且热分解是随着温度升高而加剧,其分解产物又与钢液作用造成铸钢件渗碳。 1 形成原因 1.1 铸件的表面增碳[1-3] 消失模在浇注过程中,在钢液前沿与固态模样之间的间隙内,大量氢气的产生,说明有大量固相碳的生成,气体产物可在真空作用下透过涂料层而排出铸型,剩下的固相碳吸附于涂层壁,这是造成铸件表面增碳的主要原因之一。其次,蒸汽相苯乙烯、苯等在真空作用下的排出过程中冷凝于涂层及周围型砂中,吸附于涂层界面的液态产物,在钢液凝固、冷却过程中继续受热分解,这是造成铸件表面增碳的另一主要原因。在合金钢中,合金元素对渗碳也有影响。如M n、G r等碳化物形成元素会增加碳在铁中的溶解度,但由于形成M n-C型复合碳化物,又使碳扩散活性减小,渗碳层反而减薄。而N i、Si等非碳化物形成元素则不影响碳在铁中的扩散活性,也不影响钢的表面渗碳。 1.2 铸件的体积增碳[2、3] 浇注过程中,钢液前沿和模样之间的动态间隙内存在很大的温度梯度(从室温到1550 左右),间隙内热量从金属液前沿转移到模样分解,主要靠热辐射完成。靠近钢液前沿处温度最高,接近钢液温度,在该处生成量大的碳,此时容易形成铸钢体积增碳。 在实际铸件生产中,体积增碳与表面增碳相比是次要的。生产和大量的试验测试表明:铸钢件表面增碳具有严重的不均匀性。即同一铸件的不同部位的增碳量大小和增碳层深度有以下不同:一是由内浇道处沿充填流线增碳呈递增分布趋势;二是充型末端及钢液汇流处,增碳明显高于其他部位;三是铸件不同壁厚其增碳量不同,厚壁处增碳大于薄壁处。 1.3 铸件的局部增碳[3] 当钢液引入铸型的方法不当时,泡沫塑料模样的液态产物被卷入金属液内部,而后又进一步分解为固相碳和气体。气体若未能逸出金属液而留在金属内部即导致气孔产生;而固相碳则直接为钢液所吸收,从而造成了铸件局部含碳量提髙,形成铸件局部增碳缺陷。 1.4 铸件的表面脱碳[4] 消失模铸造采用干砂造型,铸件冷却速度较慢,凝固后的铸件表面含碳量会继续发生变化,冷却过程中不仅有表面增碳,还有表面脱碳,表面增碳在较高温度下即终止,而脱碳主要是在铸件冷却过程中基体铁的氧化和碳的氧化。在通常情况下,铸件表面都是增碳的,真空下浇注时,在停止抽气后铸型与外界连通,这时铸件是在大气对流下冷却的,已经增碳的表面就会因氧化而产生部分脱碳。当脱碳层厚度小于增碳层厚度时,在铸件表面上为:脱碳层 增碳层 正常区,脱碳层愈厚则增碳层愈薄。若涂料层透气性好,涂料层薄,浇注后较早揭去盖在砂箱表面的塑料薄膜而连续抽真空、或者早打箱,则铸件表面会形成较厚的氧化皮,脱碳层可能随氧化皮一道脱落,这时铸件表面也不会产生脱碳层。 3 2010年6月第11卷第2期 包头职业技术学院学报 J OU RNAL OF BAOTOU VO C AT I ONAL&TEC HN ICAL CO LLEGE J une.2010 V o.l11.N o.2 *收稿日期:2010-04-15 作者简介:孙敏(1954-),男,辽宁人,副教授,主要从事铸造专业教学研究工作。
渗碳渗氮工艺
渗碳+渗氮表面处理工艺 渗碳与渗氮一般是指钢的表面化学热处理 渗碳必须用低碳钢或低碳合金钢。可分为固体.液体.气体渗碳三种。应用较广泛的气体渗碳，加热温度900-950摄氏度。渗碳深度主要取决于保温时间，一般按每小时0.2-0.25毫米估算。表面含碳量可达百分之0.85-1.05。渗碳后必须热处理，常用淬火后低温回火。得到表面高硬度心部高韧性的耐磨抗冲击零件。 渗氮应用最广泛的气体渗氮，加热温度500-600摄氏度。氮原子与钢的表面中的铝.铬.钼形成氮化物，一般深度为0.1-0.6毫米，氮化层不用淬火即可得到很高的硬度，这种性能可维持到600-650摄氏度。工件变形小，可防止水.蒸气.碱性溶液的腐蚀。但生产周期长，成本高，氮化层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。主要用来处理重要和复杂的精密零件。 涂层、镀膜、是物理的方法。“渗”是化学变化，本质不同。 钢的渗碳---就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C),使活性碳 原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。 渗碳钢的化学成分特点 (1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到 0.25--0.30％,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。但含碳量不能太低,否则就不能保证一定的强度。 (2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类 (1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达 56--62HRC。但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。 (2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。 (3)中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等。 固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2％,层深为0.5--2.0mm。 渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材料。渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现。渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。低温回火温度为150--200C 。 渗碳零件注意事项 (1)渗碳前的预处理正火--目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织,使表面粗糙度变细,消除材料流线不合理状态。正火工艺;用860--980C空冷、179--217HBS。 (2)渗碳后需进行机械加工的工件,硬度不应高于30HRC。 (3)对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件,薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工。 (4)不得用镀锌的方法防渗碳。 防止渗碳方法
渗碳钢
四、渗碳钢 渗碳钢是用于制造渗碳零件的钢种。常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途如表6~8所示。 1、用途渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。 2、性能要求①表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧； ②具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。 3、成分特点①低碳：含碳量一般为0.1~0.25%，以保证心部有足够的塑性和韧性，碳高则心部韧性下降。②合金元素：主加元素为Cr、Mn、Ni、B等，它们的主要作用是提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性；辅加元素为W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。 4、热处理和组织特点渗碳件一般的工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削。渗碳温度为900~950℃，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火，但对渗碳时易过热的钢种如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火和低温回火。淬火温度一般为Ac1+30~50℃。使用状态下的组织为：表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬度达HRC58~62），心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透）或铁素体加托氏体（未淬透）。 5、常用钢种 根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类。 ①低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。 ②中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。 ③高淬透性渗碳钢：典型钢种如18Cr2Ni4W A等，其油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。
淬火渗碳渗氮
请问"淬火"是什么意思？ 我看见工业加工上,有对材料进行"淬火",这指的是什么意思?麻烦各位给讲讲,在这里表示感谢了. 最佳答案 1、材料能否淬火与含碳量有关，含碳量高的可以直接淬火，含碳量低的需要进行渗碳处理以提高需淬火层的含碳量才可以进行淬火处理。注意：淬火只可以进行一次！！因为淬火后材料组织结构会发生变化，形成稳定的结构。再遇到高温会使材料的内应力导致材料碎裂。 2、渗氮主要用于粉末冶金或是轴承钢等特殊材料的表面处理，以增加材料的表面硬度，但硬度比不上淬火的硬度。然而由于氮的元素稳定性，所以对于材料的表面要求高而硬度要求一般的情况下通常采用渗氮处理。 3、镀铬用于一般的材料表面处理，用途为防锈和增加美观。 4、3 5、45材料由于含碳量已经足够了不需要进行渗碳处理，可以直接进行淬火处理。35材料的淬火温度最高可以到50HRC左右，45材料可以到55HRC以上。相同材料淬火的硬度主要决定于淬火后回火的时间和回火温度。回火时间越短，回火温度越低，淬火后的硬度越高。但淬火的硬度越高材料越脆，韧性越低。所以硬度的选择是足够就好。如果需要高硬度可以采用65、70材料这些含碳量高的材料或是采用含Cr的材料，如40Cr、20CrMnTi等这个问题比较复杂，搂住可以将你们单位的常用材料说一下，然后让大家讨论一下 我们单位是这样的：常用的材料就是45钢、HT200，这两种材料都可镀铬、渗碳、渗氮，渗碳、渗氮后的零件颜色是不一样的，钢件的是黑色，铸铁件的黑中发红色，同时45钢也可以调质、淬火、正火，45钢淬火、渗碳可以达到HRC50-60,渗氮操作者的工艺了，有的和调质的硬度一样，有的也能达到HRC45以上 10楼说的不错。补充一些： 1、淬火多数针对整体材料 2、整体淬火后仍然可能中心最里面材料组织结构不好，比如硬脆等，因此采用低碳钢表面渗碳渗氮。 3、渗碳渗氮除了增加材料的表面硬度外，耐磨性提高很多。 4、镀铬有亮铬和硬铬2种，除了防锈和增加美观外，可以用来修补材料的磨损等。 补充一点，镀铬有两种的，一种是装饰铬，一种是硬铬，这种12楼的已经说了，其实镀硬铬是比较好的一种增加表面硬度的方法，但是它的优缺点很多，所以好多情况下都没采用。 优点一，表面光洁度好，优点二，不会生锈，一点锈斑都不会有；三，镀的过程中原零件变形小。四，如果零件尺寸不到位，可以通过加几丝铬来达到尺寸（如12楼所说的修补，当然了，这是优点，也是个缺点，所以要镀铬的零件都要放余量了）。优点五，表面比较美观。等等 缺点一，价格高，不光镀的费用高，而且镀后还要再加工。缺点二，不适合表面比较复杂的零件，缺点三，厚度太薄，一般只有0。05-0。15mm左右，缺点四，对零件表面的光洁度要求比较高。等等 淬火属于热处理工艺，提高零件硬度，一般中碳，高碳钢都采取淬火处理，低碳钢如20Cr，一般是先进行渗碳，然后在进行淬火处理，至于渗氮的作用是提高硬度和耐磨强度，镀铬分为装饰铬和硬铬，前者是为了美观，抗腐蚀，后者可以提高硬度 1、材料能否淬火与含碳量有关，含碳量高的可以直接淬火，含碳量低的需要进行渗碳处理以提高需淬火层的含碳量才可以进行淬火处理。 2、渗氮主要用于粉末冶金或是轴承钢等特殊材料的表面处理，以增加材料的表面硬度，但硬度比不上淬火的硬度。然而由于氮的元素稳定性，所以对于材料的表面要求高而硬度要求
“钢的热处理原理及工艺”作业题
“钢的热处理原理及工艺”作业题 第一章固态相变概论 1、扩散型相变和无扩散型相变各有哪些特点？ 2、说明晶界和晶体缺陷对固态相变成核的影响。 3、为何新相形成时往往呈薄片状或针状？ 4、说明相界面结构在金属固态相变中的作用，并讨论它们对新相形状的影响。 5、固－固相变的等温转变动力学图是“C”形的原因是什么？ 第二章奥氏体形成 1、为何共析钢当奥氏体刚刚完成时还会有部分渗碳体残存？亚共析钢加热转变时是否也存在碳化物溶解阶段？ 2、连续加热和等温加热时，奥氏体形成过程有何异同？加热速度对奥氏体形成过程有何影响？ 3、试说明碳钢和合金钢奥氏体形成的异同。 4、试设计用金相－硬度法测定40钢和T12钢临界点的方案。 5、将40、60、60Mn钢加热到860℃并保温相同时间，试问哪一种钢的奥氏体晶粒大一些？ 6、有一结构钢，经正常加热奥氏体化后发现有混晶现象，试分析可能原因。 第三章珠光体转变 1、珠光体形成的热力学特点有哪些？相变主要阻力是什么？试分析片间距S与过冷度△T的关系。 2、珠光体片层厚薄对机械性能有什么影响？珠光体团直径大小对机械性能影响如何？ 3、某一GCr15钢制零件经等温球化退火后，发现其组织中除有球状珠光体外，还有部分细片状珠光体，试分析其原因。 4、将40、40Cr、40CrNiMo钢同时加热到860℃奥氏体化后，以同样冷却速度使之发生珠光体转变，它们的片层间距和硬度有无差异？ 5、试述先共析网状铁素体和网状渗碳体的形成条件及形成过程。 6、为达到下列目的，应分别采取何热处理方法？ （1）为改善低、中、高碳钢的切削加工性； （2）经冷轧的低碳钢板要求提高塑性便于继续变形； （3）锻造过热的60钢毛坯为细化其晶粒； （4）要消除T12钢中的网状渗碳体； 第四章、马氏体转变
20CrNiMo钢零件渗碳表层淬火开裂原因分析
20CrNiMo钢零件渗碳表层淬火开裂原因分析 20CrNiMo钢零件经气体渗碳淬火后，在其渗碳区域表面发现裂纹。借助化学成分分析、硬度测试和金相检验对其开裂的原因进行了分析。结果表明：淬火裂纹仅存在于渗碳层中，渗碳表层碳含量过高，渗碳表层存在的大量块状、网状碳化物是零件表层产生淬火裂纹的主要原因。 某公司的产品零件材料为20CrNiMo钢，经井式炉气体渗碳处理+局部车碳+淬回火后，在零件渗碳区域表面出现淬火裂纹。其渗碳淬火工艺为：920℃×1.2%C×14h强渗→920℃×0.8%C×1.5h扩散→880℃罐冷→局部车碳→830℃淬火→160℃回火。在渗碳淬火后，有少数的产品零件在其渗碳区域内出现多道轴线裂纹，如图1中划线所示均为裂纹，裂纹仅出现在渗碳区域内。为查找裂纹产生的原因，本文对渗碳区域内裂纹形态、渗碳组织等各个方面进行分析研究，为改进工艺和提高产品质量提供帮助。 图1 裂纹的宏观形貌 图2 渗碳层硬度分布曲线 1、理化检验 1.1、渗层硬度测试 根据GB/T 9450-2005《钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核》中规定的硬度测定方法，采用FM-ARS-9000全自动显微硬度测量系统，在试验力为9.8N的载荷下对零件渗碳表层进行测试，获得的表层硬度分布曲线如图2所示。根据硬度法测淬硬层深度的方法测得淬硬层深度为2.3mm，符合技术要求。但从图2中的曲线来看，硬度值大于60HRC的深度超过1.7mm，过渡区域过窄，硬度下降梯度过陡。 1.2、化学成分分析 在零件的心部切取化学成分分析试样，利用红外碳硫仪和直读光谱仪进行基体材料的化学成分分析，根据GB/T 3077-1999《合金结构钢》的要求，零件基体材料的化学成分合格。另外，通过剥层方法对渗碳表层中的碳含量进行测试，试验结果显示其表层碳含量严重偏高，其中最表层0.2mm 内碳的质量分数为1.5%，表层0.21～0.4mm 内碳的平均质量分数为1.2%，属于严重的高碳层。 1.3、金相检验 1.3.1、裂纹 垂直于表面裂纹切取金相试样，经抛光后置于光学显微镜下观察，可见裂纹均垂直于表面，曲折向内扩展，裂纹两侧具有耦合性，裂纹深度约2.1mm，见图3、图4。 图3 腐蚀前的裂纹起始端形貌 图4 腐蚀前的裂纹末端形貌 1.3.2、渗层 将试样经体积分数为4%的硝酸乙醇溶液中侵蚀后进行观察，如图5所示，测量其过共析层深度为 0.60～0.70mm，共析层深度为0.9～1.0mm，过渡区域过窄，总渗碳层深度为2.2～2.3mm。表面过共析渗
渗碳与渗氮的区别
钢的渗碳和渗氮 钢的渗碳---就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C),使活性碳原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。 渗碳钢的化学成分特点 (1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25--0.30％,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。但含碳量不能太低,否则就不能保证一定的强度。 (2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。 常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。 (1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。 (2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。
(3)中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等。 固体渗碳;液体渗碳;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2％,层深为0.5--2.0mm。 渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与 中心含量相差悬殊码复合材料。渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现。渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。低温回火温度为150--200C 渗碳零件注意事项: (1)渗碳前的预处理正火--目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织,使表面粗糙度变细,消除材料流线不合理状态。正火工艺;用860--980C空冷、179--217HBS (2)渗碳后需进行机械加工的工件,硬度不应高于30HRC。 (3)对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件,薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工。 (4)不得用镀锌的方法防渗碳。 防止渗碳方法
钢的渗碳和渗氮
钢的渗碳---就是将低碳钢在具有丰富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C),使活性碳原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。 渗碳钢的化学成分特点 : (1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到 0.25--0.30％,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。但含碳量不能太低,否则就不能保证一定的强度。 (2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。 常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。 (1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达 56--62HRC。但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。 (2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。 (3)中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等。 固体渗碳;液体渗碳;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2％,层深为0.5--2.0mm。 渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材料。渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现。渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。低温回火温度为150--200C 。 渗碳零件注意事项: (1)渗碳前的预处理正火--目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织,使表面粗糙度变细,消除材料流线不合理状态。正火工艺;用860--980C空冷。 (2)渗碳后需进行机械加工的工件,硬度不应高于30HRC。 (3)对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件,薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工。 (4)不得用镀锌的方法防渗碳。 防止渗碳方法： (1)加大余量法---在不需要渗碳的部位预先留出一定的加工余量,其留量比渗碳层深度大一倍以上。渗碳后先车去渗碳层再转淬火。 (2)镀铜法---在不需渗碳的部位电镀一层0.02--0.04mm的铜,铜层要致密,不得暴露原金属。 (3)涂料法---在不需渗碳的部位涂上防渗涂料。 (4)工装法----自制专用工装,把不需渗碳的部位封闭密封。 钢的渗氮---(强化渗氮;抗蚀渗氮)使氮原子渗入钢的表面,形成富氮硬化层的一种化学热处理工艺。与渗碳相比，渗氮处理后零件具有:高的硬度和耐磨性,高的疲劳强度,较高的抗咬合性,较高的抗蚀性,渗氮过程在钢的相变温度以下(450-600C)进行,因而变形小,体积稍有胀大。缺点是周期长(一般气体渗氮土艺的渗氮时间长达数十到100h)、成本高、渗层薄(一般为0.5mm左右)而脆,不能承受太大问接触应力和冲击载荷。 渗氮用钢---从理论上讲,所有的钢铁材料都能渗氮。但我们只将那些适用可渗氮处理并能获
渗氮渗碳工艺
1 前面已经提到了约99%的自攻螺钉采用碳钢，即渗碳钢制造；其中自钻自攻螺钉也可以采用热处理钢制造（实际上生产企业大多采用渗碳钢，目前国内外大多采用C1018，C1022等材料来制造自攻螺钉各类产品 1、普通自攻螺钉的机械性能 （1）ISO2702、GB/T3098.5、DIN267T12 ①表面硬度：≥450HV0.3。 ②芯部硬度：≤ST3.9：270～390HV5，＞ST3.9：270～390HV10。 ③渗碳层深度：。 M2.5 0.04～0.12mm M3: 0.05～0.18mm M4～M5: 0.10～0.25mm M6～M8: 0.15～0.28mm 2、纤维板钉的机械性能 （1）表面硬度：450～750HV0.3。 （2）芯部硬度：2.5mm～4mm: 320～450HV5；4.5mm～6mm: 320～450HV10。 （3）渗碳层深度：2.5mm～3mm：0.05～0.18mm；3.5mm～6mm：0.10～0.23mm。 （4）破坏扭矩：2.5mm：≥1.0Nm 3mm：≥1.5Nm 3.5mm：≥2.0Nm 4mm：≥3.0Nm 4.5mm：≥4.3Nm 5mm：≥6.2Nm 6mm：≥10.8Nm （5）弯折角试验：≥15°。 3、墙板自攻螺钉机械性能 （1）表面硬度：≥560HV0.3。 （2）渗碳层深度： 0.05～0.10mm。 （3）拧入性:拧入转速:2000～3000r/min；轴向总推力：150±3 N；板厚：0.6mm；拧入时间≤1s。 （4）破坏扭矩 3.5（6#）：≥2.8Nm, 4.2(8#)：≥4.2Nm 3.9（7#）：≥3.4Nm, 4.8(10#)：≥6Nm 一渗碳工艺(气体渗碳——煤油)： 渗碳钢的碳含量一般在0.12%~0.25%之间，其所含主要合金元素一般是铬、锰、镍、钼、钨、钛等。 ○ 1 把炉温升到800℃左右，断开电源打开炉盖，放入装好工件的工装，关闭炉盖升温到930℃左右。在升温过程中，打开风扇及煤油阀门，以每分钟160滴的速度滴入炉内，进行排气，同时打开试样孔和排气管并点燃排气火焰。排气时间一般为60~80分钟（保证温度到渗碳温度还要排气30分钟左右）； ○ 在渗碳过程中要随时注意火焰形状，正常的火焰是：火焰呈金黄色，无力不熄灭（断续熄灭，说明水气高了），火苗无黑焰和火星，火苗长100~150mm；若火苗出现火星，说明炉内炭黑过度；火苗过长、尖端外缘呈亮白色，说明渗碳剂供量过多；火苗短、外缘呈浅蓝色并
钢的渗碳5-2
5.2 钢的渗碳 一、渗碳的目的、分类及应用 1:定义： 钢在渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。 2:目的： 渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。 3：分类： 根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同，渗碳方法可以分为a）固体渗碳法、b)液体渗碳法及c)气体渗碳法三种。 a）固体渗碳法：固体渗碳法是把渗碳工件装入有固体渗剂的密封箱内(一般采用黄泥或耐火粘土密封)，在渗碳温度加热渗碳 固体渗碳剂主要由一定大小的固体炭粒 和起催渗作用的碳酸盐组成。常用渗剂成分及 其化学反应原理已如前所述.常用固体渗碳温 度为900—930℃。因为据铁碳状态图，只有在 奥氏体区域，铁中碳的浓度才可能在很大范围 内变动，碳的扩散才能在单相的奥氏中进行。 900—930℃这个温度恰好较渗碳钢的Ac3点稍 高，保证了上述条件的实现。扩散速度与温度 的关系为温度愈高，扩散速度愈快。按理可以 采取比上述更高的温度进行渗碳。但温度过 高，奥氏体晶粒要发生长大，因而将降低渗碳
件的机械性能。同时，温度过高，将降低加热 炉及渗碳箱的寿命，也将增加工件的挠曲变 (观看离子渗碳炉的动画演示） 形。 固体渗碳时，由于固体渗碳剂的导热系数很小，传热很慢，更由于渗碳箱尺寸往往又不相同，即使是尺寸相同，可是工件大小及装箱情况(渗碳剂的密实度，工件间的距离等)也不全相同，因而渗碳加热时间对渗层深度的影响往往不能完全确定。在生产中常用试棒来检查其渗碳效果。一般规定渗碳试棒直径应大于lOmm，长度应大于直径。固体渗碳时，渗碳温度、渗碳时间和渗层深度间的经验数据可在有关热处理手册中查到。但这些数据只能作为制订渗碳工艺时参考，实际生产时应通过试验进行修正。 b)液体渗碳法：液体渗碳是在能析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳方法。 液体渗碳其优点是加热速度快，加热均匀，便于渗碳后直接淬火。缺点是多数盐浴有毒。渗碳盐浴一般由三部分组成。第一部分是加热介质，通常用NaCl和BaCl2或NaCl和KCl 混合盐。第二部分是活性碳原子提供物质，常用的是剧毒的NaCN或KCN，我国有的地区采用“603'’渗碳剂，其配方是粒度为100目的木炭粉，5％NaCl，10％KCl，15％Na2CO3和20％(NH2)2CO，达到原料无毒，但反应产物仍有毒。第三部分是催渗剂，常用的是占盐浴总量5—30％的碳酸盐(Na2CO3或BaCO3)。 c)气体渗碳法：气体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法. 渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体，如煤油、等直接滴入炉内汽化所得。