第4章 钢的化学热处理.docx

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第4章钢的化学热处理

第4章钢的化学热处理

化学热处理是将工件在特定的介质中加热、保温，使介质中的某些元素渗入工件表层，以改变其表层化学成分和组织，获得与心部不同性能的热处理工艺。

工业技术的发展，对机械零件提出了各式各样的要求。

例如，发动机上的齿轮和轴，不仅要求齿面和轴颈的表面硬而耐磨，还必须能够传递很大的转矩和承受相当大的冲击负荷；在高温燃气下工作的涡轮叶片，不仅要求表面能抵抗高温氧化和热腐蚀，还必须有足够的高温强度等。

这类零件对表面和心部性能要求不同，采用同一种材料并经过同一种热处理是难以达到要求的。

而通过改变表面化学成分和随后的热处理，就可以在同一种材料的工件上使表面和心部获得不同的性能，以满足上述的要求。

化学热处理与一般热处理的区别在于：

前者有表面化学成分的改变，而后者没有表面化学成分的变化。

化学热处理后渗层与金属基体之间无明显的分界面，由表面向内部其成分、组织与性能是连续过渡的。

4.1化学热处理的分类与基本过程

一、化学热处理的分类

由表4-1可见，依据所渗入元素的不同，可将化学热处理分为渗碳、渗氮、渗硼、渗铝等。

如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如碳氮共渗、铬铝硅共渗等。

渗入钢中的元素，可以溶人铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物。

表4-1按渗入元素分类的化学热处理

渗入非金属元素

渗入金属元素

渗入金属、非金属元素

单元

多元

单元

多元

C

N

S

B

C＋N

N＋S

N＋O

N＋C＋S

N＋C＋O

N＋C＋B

Al

Cr

Si

Ti

V

Zn

Cr＋Al

Cr＋Si

Si＋Al

Cr＋Si＋Al

Ti＋C

Ti＋N

Cr＋C

Ti＋B

根据渗入元素对钢表面性能的作用，又可分为提高渗层硬度及耐磨性的化学热处理（如渗碳、渗氮、渗硼、渗钒、渗铬），改善零件间抗咬合性及提高抗擦伤性的化学热处理（如渗硫、渗氮），使零件表面具有抗氧化、耐高温性能的化学热处理（如渗硅、渗铬、渗铝）等。

表4-2列出了常用化学热处理的特征。

二、化学热处理的基本过程

化学热处理过程分为分解、吸收和扩散三个基本过程。

分解是指零件周围介质中的渗剂分子发生分解，形成渗入元素的活性原子。

例如CH42H2＋[C]，2NH33H2＋2[N]，其中[C]和[N]分别为活性碳原子和活性氮原子。

所谓活性原子是指初生的、原子态（即未结合成分子）的原子，只有这种原子才能溶人金属中。

表4-2常用化学热处理的特征

化学热处理

方法

表层状态

处理温度

/℃

层深范围

/mm

表层硬度

HRc

适用金属

气体渗碳

碳的扩散层

820～980

0.075~1.5

50~63

低碳钢、低碳合金钢

气体渗氮

氮的扩散层

480～590

0.125~0.75

50~70

合金钢、氮化钢、不锈钢

气体碳氮共渗

扩散层，氮化物

760～870

0.075~0.75

50~65

低碳钢、低碳合金钢、不锈钢

软氮化

碳与氮的扩散层

565～675

0.0025~0.025

40~60

低碳钢

渗硼

硼的扩散层，硼化物

400～1150

0.0125~0.050

40~70

合金钢、工具钢

固体渗铝

铝的扩散层

870～980

0.025~1.0

<20

低碳钢

吸收是指活性原子被金属表面吸收的过程，其基本条件是渗入元素可与基体金属形成一定溶解度的固溶体，否则吸收过程不能进行。

例如，碳不能溶入铜中，如果在钢件表面镀一层铜，便可阻断钢对碳的吸收过程，防止钢件表面渗碳。

扩散是指渗入原子在金属基体中由表面向内部的扩散，这是化学热处理得以不断进行并获得一定深度渗层的保证。

从扩散的一般规律可知，要使扩散进行得快，必须要有大的驱动力（浓度梯度）和足够高的温度。

渗入元素的原子被金属表面吸收、富集，造成表面与心部间的浓度梯度，在一定温度下，渗入原子就能在浓度梯度的驱动下向内部扩散。

在化学热处理中，分解、吸收和扩散这三个基本过程是相互联系和相互制约的。

分解提供的活性原子太少，吸收后表面浓度不高，浓度梯度小，扩散速度低；分解的活性原子过多，吸收不了而形成分子态附着在金属表面，阻碍进一步吸收和扩散。

金属表面吸收活性原子过多，原子来不及扩散，则造成浓度梯度陡峭，影响渗层性能。

因此，保证三个基本过程的协调进行是成功实施化学热处理的关键。

应当指出，分解、吸收和扩散对化学热处理总速度的影响不是等同的。

通常介质中的化学反应有较高的速度，因此它往往不影响化学热处理总速度。

在许多化学热处理过程中，吸收或扩散却往往是总速度的控制步骤。

本章仅对工业中应用最广泛的渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等进行讨论。

三、渗层的组织结构与形成过程

化学热处理渗层的组织结构首先取决于组成渗层的合金系的相图。

如果渗入元素与基体元素间形成连续固溶体，这种渗入元素的扩散为纯扩散，在扩散温度下渗层为单相固溶体。

如果渗入元素在基体金属中的溶解度有限，则在扩散温度下随着表面溶质浓度的增加会形成新相（一般形成某种化合物），这种扩散称为反应扩散或相变扩散。

例如

A-B二元合金相图如图4-1所示，在温度t，B渗入A中并向内部扩散。

时间为1时，渗层中B元素浓度分布如曲线1所示，此时工件表面B元素的浓度尚未达到固溶体的极限值，渗层中仅有固溶体。

延长时间至2，不仅渗层深度增加，且表面浓度亦不断上升，一直增加到固溶体的极限值a，如曲线2所示。

B原子继续为表面所吸收时，则A和B原子将在表面形成化合物层，这一化合物层与交界处的浓度为b，外层浓度随B的渗入不断升高，最大为c，渗层由外向内依次为，如曲线35所示。

继续扩散，渗层由表面向内由三个单相区相互毗邻组成，而浓度在相界面上有阶梯式的突变，无两相区。

以上是在扩散温度下的情形。

在扩散温度下形成的各相在随后的冷却过程中有可能发生分解或其他相变重结晶，因此化学热处理的最终组织结构不但取决于相图，还与冷却条件等工艺因素有关。

4.2钢的渗碳

渗碳是将低碳钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表层形成富碳层的热处理工艺，是目前机械制造工业中应用最广的化学热处理。

所谓碳势，是指渗碳气氛与钢件表面达到动态平衡时钢表面的含碳量。

碳势高低反映了炉气渗碳能力的强弱。

渗碳的主要目的是在保持工件心部良好韧性的同时，提高其表面的硬度、耐磨性和疲劳强度。

与表面淬火相比，渗碳主要用于那些对表面耐磨性要求较高，并承受较大冲击载荷的零件。

根据所用介质物理状态的不同，可将渗碳分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三类。

气体渗碳具有碳势可控、生产率高、劳动条件好和便于渗后直接淬火等优点，应用最广。

一、渗碳的基本原理

现以气体渗碳为例，讨论渗碳原理。

气体渗碳是将工件放入密封的渗碳炉内，在高温（一般为900～950C）气体介质中的渗碳。

根据所用渗碳气体的产生方法与种类，气体渗碳可分为吸热式气氛渗碳、滴注式气氛渗碳与氮基气氛渗碳等。

吸热式气氛渗碳是将原料气（例如丙烷）和一定量的空气混合，在外部加热及催化剂作用下，经不完全燃烧而生成的气氛中进行渗碳。

这种气氛的碳势很低。

因此，吸热式气氛渗碳是向炉中通入吸热式气氛作为载气，另外再加入某种碳氢化合物气体（如甲烷、丙烷、天然气等）作为富化气，以提高和调节气氛的碳势进行渗碳。

滴注式气氛渗碳是将含碳有机液体（如煤油、苯、丙酮、甲醇等）直接滴入渗碳炉，使其在高温下裂解成渗碳气氛，对工件进行渗碳。

氮基气氛渗碳则是以纯氮气为载气，添加碳氢化合物，使其分解，进行渗碳。

（一）炉气反应与碳势控制

不论是哪种渗碳气体，气氛中的主要组成物都是CO、H2、N2、CO2、CH4、H2O、O2等。

气氛中的N2为中性气体，对渗碳不起作用，CO和CH4起渗碳作用，其余的起脱碳作用。

整个气氛的渗碳能力取决于这些组分的综合作用，而不只是哪一个单组分的作用。

在渗碳炉中可能同时发生的反应很多，但与渗碳有关的最主要的反应只有下列几个：

2CO[C]＋CO2（4-1）

CH4[C]＋2H2（4-2）

CO＋H2[C]＋H2O（4-3）

CO[C]＋1/2O2（4-4）

当气氛中的CO和CH4增加时，反应将向右进行，分解出来的活性碳原子增多，使气氛碳势增高；反之，当CO2、H2O或O2增加时，则分解出的活性碳原子减少，使气氛碳势下降。

但上述反应不是孤立的。

例如，在反应式（4-1）和式（4-3）中都有CO，而这两个反应同处于一个空间。

因此，当整个体系达到某一平衡状态时，CO含量必须同时满足反应式（4-1）和式（4-3）。

为此，可将相关反应式联立。

将式（4-1）减去式（4-3），式（4-2）减去式（4-1），式（4-2）减去式（4-3），式（4-3）加上式（4-4），分别得到

CO＋H2OCO2＋H2（4-5）

CH4＋CO22CO＋2H2（4-6）

CH4＋H2OCO＋3H2（4-7）

2CO十H22[C]＋H2O＋1/2O2（4-8）

式（4-5）~（4-8）都是在高温下炉内气氛之间存在的相互联系和制约的一些反应。

渗碳气氛中CO和H2的含量很高。

如果供应的原料气的组分很稳定，则在正常工作情况下，CO和H2的含量只是在较小范围内变化。

因此可以认为CO与H2含量基本不变。

这样，从式（4-5）~（4-8）便可看到，CO2与H2O、CH4与CO2、CH4与H2O以及O2与H2O含量之间是互相制约的，即在一定条件下，一定量的CO2就对应着一定量的H2O、CH4和O2。

例如，式（4-5）反映了CO2与H2O间的制约关系，其反应平衡常数为

（4-9）

温度变化时平衡发生变化，Kp与温度T（K）的关系为

（4-10）

根据以上分析可知，在供应的原料气组分稳定、体系达到平衡的情况下，只要控制气氛中微量组分CO2、H2O、CH4或O2中的任何一个含量，便可控制上述反应达到某一个平衡点，从而实现控制气氛碳势的目的。

通常，生产中使用露点仪来测量H2O含量（因气氛的露点与其含水量有着对应关系，含水量越高，露点就越高），用CO2红外仪及CH4红外仪测量CO2及CH4含量，氧探头法测量O2含量。

根据测量结果，调整富化气的输入量，控制H2O、CO2、CH4及O2含量，以控制气氛碳势。

图4-2为用丙烷制取的吸热式气氛的碳势与气氛中CO2含量及露点的关系曲线。

以上讨论的是气体组分间及气体与工件间达到平衡的状况，而没有考虑达到平衡所需要的时间。

在实际生产中，由于渗碳层深度一般都不是很大，渗碳时间不是很长，因而往往达不到平衡的条件。

这时，必须根据气氛种类、表面碳含量的要求、温度和时间等因素确定一个在不平衡情况下的气氛的碳势，才能真正保证所需的渗层碳含量。

2．碳原子的吸收

要使分解反应产生的活性碳原子被钢件表面吸收，必须保证工件表面清洁，为此工件入前必须将表面清理干净。

活性碳原子被吸收后，须将剩下的CO2、H2、H2O及时驱散，这就要求炉气有良好的循环。

控制好分解和吸收两个阶段的速度，使两者适当配合，以保证碳原子的吸收。

活性碳原子太少，影响吸收；如供给碳原子的速度（分解速度）大于吸收速度，工件表面便会积炭，形成炭黑，反而会影响碳原子的进一步吸收。

3．碳原子的扩散

碳原子由工件表面向心部的扩散是渗碳得以进行并获得一定渗层深度所必需的。

根据Fick第一定律，单位时间通过垂直于扩散方向的单位横截面的扩散物质流量为：

（4-11）

式中，D为扩散系数；C为体积浓度。

可见，单位时间内碳的扩散流量取决于扩散系数和浓度梯度。

碳在-Fe中以间隙扩散方式进行扩散，其扩散系数为

（4-12）

或

（4-13）

式中R为摩尔气体常数。

可见，温度和碳浓度都影响碳的扩散系数。

由扩散方程可知，在表面和内部的碳浓度为一定值的情况下，如果渗碳温度一定，则渗碳层深度d与渗碳时间服从抛物线规律d＝1/2。

图4-3为0.15C-1.8Ni-0.2Mo钢在不同温度下渗碳时间对渗碳层深度的影响。

是一个比例系数，也称为渗层深度因子。

在低碳钢和一些低碳合金钢中，与渗碳温度之间的关系可用式（4-14）及图4-4表示：

（4-14）

可以看出，当渗碳时间相同时，渗碳温度提高100C，渗层深度约增加一倍；如果渗碳温度提高55C，则得到相同渗层深度的时间可缩短一半。

扩散还将影响渗层碳浓度梯度。

原则上，希望碳浓度从表面到心部连续而平缓地降低，如图4-5中曲线1所示。

实际生产中为了提高渗碳速度，往往采用二阶段渗碳的工艺，即第一阶段用高碳势快速渗碳，第二阶段将碳势调到预定值进行扩散。

如果这种工艺控制不当，则有可能得到图4-5中曲线2所示的浓度曲线，其特点是最表层的碳含量低于次表层。

这种浓度曲线，不仅会使表面硬度降低，而且会产生不合理的残余应力分布，因为钢的马氏体点Ms随碳含量升高而降低，所以在渗碳后淬火时，表层比次表层先发生马氏体转变，且次表层的马氏体比体积更大，因此在表层造成不希望的残余拉应力。

显然，这种浓度曲线是不希望出现的。

图中曲线3所示的碳浓度曲线是在渗碳温度低于Ac3时形成的，这种在渗层与心部之间的浓度突降，必然引起组织的突变，从而引起额外的残余应力，削弱渗层与心部的结合。

因此，这种浓度曲线也是不合理的。

4．合金元素对渗碳过程的影响

合金钢渗碳时，钢中的合金元素影响表面碳浓度及碳在奥氏体中的扩散系数，从而影响渗层深度。

碳化物形成元素如钛、铬、钼、钨及质量分数大于1％的钒、铌等，都提高渗层表面碳浓度；非碳化物形成元素如硅、镍、铝等都降低渗层表面碳浓度。

但是当合金元素含量不大时，这种影响可以忽略。

此外，一般钢中都同时含有这两类元素，它们的作用在一定程度上互相抵消。

碳化物形成元素铬、钼、钨等降低碳的扩散系数，而非碳化物形成元素钴、镍等则提高碳的扩散系数；锰几乎没有影响，而硅却降低碳的扩散系数。

但随着温度的变化和合金元素含量的不同，其影响是比较复杂的。

如图4-6所示，锰、铬、钼能略微增加渗碳层深度，而钨、镍、硅等则使之减小。

合金元素是通过影响碳在奥氏体中的扩散系数和表面碳浓度来影响渗碳层深度的。

例如，镍虽增大碳在奥氏体中的扩散系数，但同时又使表面碳浓度降低，而且后一种影响大于前者，所以最终使渗碳层深度下降。

工业上常用的钢种一般不只含一种合金元素，因此要考虑各元素的综合影响，遗憾的是目前还不能精确计算这种影响。

二、气体渗碳工艺

（一）渗碳的技术要求与工艺过程

对钢件渗碳层的技术要求主要是渗层表面含碳量、渗层深度、由表层含碳量和渗层深度决定的碳浓度梯度、渗碳淬火回火后的表面硬度，对重要渗碳零件还经常规定对表层及心部最后的金相组织要求（包括碳化物分布的级别、残留奥氏体等级、表层和心部组织粗细等）。

渗碳钢中wc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。

在渗碳前，零件往往需经过脱脂、清洗或喷砂，以除去表面油污、锈迹或其他脏物。

对需局部渗碳的零件，要在不渗碳处涂防渗膏或镀铜加以防护。

零件在料盘内必须均匀放置，以保证渗碳的均匀性。

在渗碳过程中，必须控制气氛碳势、温度和时间，以保证技术条件所规定的表面碳含量、渗层深度和较平缓的碳浓度梯度。

渗碳后，根据炉型及技术要求，进行直接淬火或重新加热淬火，以获得预期的组织和性能。

（二）渗碳工艺参数的选择与控制

1.气氛碳势渗碳件的最佳表面碳含量通常是为了保证淬火后获得最高表面硬度。

最高表面硬度与钢的成分密切相关。

图4-7所示是不同成分钢渗碳淬火后最高表面硬度与表面含碳量的关系。

由图可见，随着钢中镍、铬含量的提高，最高硬度对应的表面碳含量下降，其原因与合金元素可降低Ms和Mf点，使残留奥氏体量增多有关。

此外，最佳表面碳含量应保证渗层具有较高的耐磨性和抗接触疲劳性能等。

一般认为，渗碳层中有适量的碳化物存在才能有高的耐磨性。

国内外的研究表明，对于一般低合金渗碳钢，表面wc为0.8％~1.0％时性能最佳。

对于铬、镍含量较高的钢，相应的碳含量比上述值略有降低。

最佳表层碳含量确定后，即可根据图4-2来控制气氛碳势，以达到渗碳技术要求。

2.渗碳温度温度高低对渗碳质量影响极大。

首先，温度影响分解反应的平衡，从而影响碳势。

例如，由图4-2可见，如果气氛中CO2含量不变，则温度每降低10％，将使气氛碳势增大约0.04~0.08％。

其次，温度也影响碳的扩散速度和渗层深度。

如前所述，在相同的气氛碳势和渗碳时间下，温度每提高100C可使渗层深度增加1倍。

第三，温度还影响钢中的组织，温度过高会使钢的晶粒粗大。

目前，生产中的渗碳温度一般为920~930C。

对于薄层渗碳，温度可降低到880~900C，这主要是为了便于控制渗层深度；而对于深层渗碳（大于5mm），温度往往提高到980~1000C，这主要是为了缩短渗碳时间。

3.渗碳时间渗碳时间主要取决于渗层的深度要求。

渗层深度确定之后，可根据气氛碳势、渗碳温度、渗碳钢成分等确定所需渗碳时间。

渗碳时间，与渗层深度d的关系可根据式（4-14）及d＝1/2关系来确定。

除渗层深度外，渗碳时间对碳的浓度梯度也有一定影响。

4.分段渗碳工艺参数为了缩短渗碳的总时间，节省能源，降低消耗，通常在生产中将渗碳过程分为不同阶段，而在不同阶段中对各参数进行综合调节。

最典型的做法是将整个渗碳过程分为四个阶段：

第一阶段升温排气阶段。

是工件达到渗碳温度前的一段时间，用较低碳势。

第二阶段强渗阶段。

在正常温度或更高温度下，用高于所需表面碳含量的碳势，时间较长。

第三阶段扩散阶段。

工件降到（或维持在）正常渗碳温度，碳势降到所需表面碳含量，时间较短。

第四阶段降温预冷阶段。

使温度降到淬火温度，便于直接淬火。

这种分阶段的渗碳可使整个渗碳时间比不分阶段的渗碳缩短20％~60％，还可使碳浓度在近表面处变化平缓，从而得到理想的渗层。

图4-8为使用煤油滴注式气氛进行分阶段渗碳的工艺曲线实例。

用计算机对渗碳过程进行动态监测与控制，是有效地实现渗碳工艺多参数综合控制的保证，是今后渗碳热处理生产发展的方向，目前已在我国部分企业得到了应用。

三、固体渗碳

固体渗碳是在固体渗碳剂中渗碳的方法。

固体渗碳剂通常由木炭（90％左右）和催渗剂（BaCO3、CaCO3或Na2CO3等，10％左右）组成，呈粒状。

将零件埋入渗碳剂中，密封渗碳箱并加热到渗碳温度后，箱中存在的氧与木炭发生下述反应：

2C＋O22CO（4-15）

但是，渗碳箱中存在的氧是有限的，因而依靠它通过上述反应来获得CO也是有限的。

为此要加入催渗剂，在高温下发生下述分解反应（以BaCO3为例）：

BaCO3CO2＋BaO（4-16）

所生成的CO2与木炭作用

CO2＋C2CO（4-17）

可生成大量CO2并在钢件表面分解，提供活性碳原子

2CO[C]＋CO2

可见，催渗剂分解出的CO2起了将木炭中的碳原子源源不断地输送到钢件表面的作用。

固体渗碳实际上仍然是通过气体介质进行的。

这一气氛的碳势虽然也可通过改变渗碳剂的成分（催渗剂的量或新、旧渗碳剂的比例）来适当调节，但调节精度很差。

固体渗碳时工件表面碳含量主要受奥氏体饱和溶解度限制，它可通过改变渗碳温度来控制。

由于固体渗碳剂传热慢，所以固体渗碳时间中需增加透烧时间。

渗碳保温时间可根据渗碳层深度确定，例如，在渗层深度为0.8~1.5mm的范围内，平均渗碳速度可按0.10~0.15mm/h估算。

固体渗碳是一种古老的渗碳方法，但其优点是设备简单，适应性强，渗碳剂来源容易，费用较低，因此现在仍有一定应用。

固体渗碳的缺点是：

不适于渗层要求较浅的零件，表面碳含量也很难精确控制，渗后直接淬火困难，渗碳时间长，劳动条件差。

因此，固体渗碳的应用已越来越少。

四、液体渗碳

在液体介质中进行的渗碳称为液体渗碳。

液体介质可分为两类：

一类是加有氰化物的盐浴，因氰化物有剧毒，故这类盐浴已不采用；另一类是不加氰化物的盐浴。

这种盐浴的组成大体上可分为三部分：

①是加热介质，如NaCl和KCl；②是催渗剂，如Na2CO3；③是供碳介质，如尿素和木炭粉等。

这种盐浴在渗碳时发生下述反应：

3（NH2）2CO＋Na2CO32NaCNO＋4NH，＋2C02（4-18）

4NaCNO2NaCN＋Na2CO3＋CO＋2[N]（4-19）

2NaCNO＋O2Na2CO3＋CO＋2[N]（4-20）

2CO[C]＋CO2

由上述反应可以看出：

虽然是液体渗碳，但渗碳反应仍然是在钢件表面的气相反应；虽然原材料无毒，但反应的结果仍使盐浴中含有有毒的NaCN（约0.5％）；盐浴还有一定的渗氮功能。

液体渗碳的优点是设备简单，加热均匀，渗碳速度快，便于渗后直接淬火，适合于小零件的单件或小批量生产；其缺点是易腐蚀零件，碳势调整幅度小且不易精确控制，劳动条件差等。

五、渗碳件的热处理与组织

钢件渗碳后，从表面到心部形成了一个碳浓度梯度层。

如图4-9所示，渗碳后缓冷，将得到珠光体类型的组织，由表面向内依次为过共析区（珠光体＋网状渗碳体）、共析区（珠光体）、亚共析区（珠光体＋铁素体，且铁素体的量由外向内不断增加），直至原始组织，就好像把Fe-Fe3C相图中不同碳含量的钢的组织连续地排列在一起。

显然，这种组织既满足不了渗碳件表面高硬度、高耐磨性的要求，也满足不了心部强韧性的要求。

为了满足这些要求，渗碳后必须进行淬火和回火，对某些钢种还要进行冷处理。

（一）淬火

淬火是为了获得马氏体组织，以得到高硬度和高耐磨性。

淬火方法有三种：

预冷直接淬火、一次加热淬火和二次加热淬火，如图4-10所示。

由于渗碳件实际上是由表面高碳层与心部低碳层组成的复合材料，因此，渗碳零件淬火温度的选择要兼顾高碳表面渗层和低碳心部两方面的要求。

原则上，过共析层的淬火温度应低于Accm，而亚共析层的淬火温度应高于Ac3。

如果Accm>Ac3，则有可能选择一个淬火温度来同时满足

这两方面的要求。

如果Accm≤Ac3，则难以同时兼顾，在这种情况下要根据对零件的主要技术要求、钢件心部能否淬透、渗碳后零件的表层含碳量和所采用的淬火方法等综合考虑加以决定。

图4-10渗碳后的热处理工艺

预冷直接淬火时，淬火温度通常在820~850C之间，该温度略高于一般钢心部的Ar3，而略低于表层的Accm，基本可以满足两方面的要求。

由于采用的是本质细晶粒钢，因而渗碳后仍保持细晶粒组织，而且直接淬火可节约人力、能源和减小零件变形，所以工厂一般都尽可能采用预冷直接淬火工艺。

渗碳件在淬透情况下表层金相组织为淬火马氏体＋残留奥氏体＋二次渗碳体（普通碳钢自渗碳温度直接淬火时也可以不出现），心部为低碳马氏体。

回火后表层为回火马氏体＋残留奥氏体＋部分二次渗碳体，心部为回火低碳马氏体。

一次加热淬火法是将工件渗碳后缓冷，然后再重新加热进行淬火。

对于心部要求较高强度和较好韧性的渗碳件，加热温度应稍高于心部的Ac3温度，这样可以细化晶粒，心部不出现游离铁素体，表层不出现网状渗碳体。

淬火后表层为马氏体＋残留奥氏体，心部在淬透情况下为低碳马氏体。

低温回火后表层为回火马氏体＋残留奥氏体，心部为低碳回火马氏体。

对于要求表层有较高耐磨性的工件，淬火温度应在Ac1与Ac3之间，淬火后表层为淬火马氏体＋残留奥氏体＋二次渗碳体，心部为低碳马氏体＋游离铁素体。

回火后表层为回火马氏体＋残留奥氏体＋二次渗碳体，心部为低碳回火马氏体＋游离铁素体。

二次加热淬火方法是针对高温（980~1050C）渗碳件的，因为高温渗碳后奥氏体晶粒很粗大。

其中第一次加热淬火的目的是细化心部晶粒和消除表层网状渗碳体，淬火温