化学热处理技术及应用实例

齐宝森，山东大学（已经退休），教授，主要从事机械工程材料、材料科学基础、表面工程课程以及新型材料选修课程的教学工作，科研方面主要从事金属材料的表面工程及化学热处理。

第1章 化学热处理概论
1.1有关化学热处理的基本概念1
1.1.1化学热处理的定义、分类及特点1
1.1.2化学热处理的用途及实施先进化学热处理的意义3
1.1.3化学热处理发展的总目标与趋势5
1.2化学热处理的基本过程与质量、效果5
1.2.1化学热处理的基本过程5
1.2.2化学热处理后的质量及效果7
1.3提高化学热处理过程速率和质量的途径8
1.3.1采用新工艺,不断优化化学热处理技术8
1.3.2稀土元素在化学热处理中的作用9
1.3.3化学催渗在化学热处理中的作用9
1.3.4物理催渗在化学热处理中的作用9
1.3.5可控气氛化学热处理14
1.3.6高能束表面强化与高能束化学热处理的应用17
1.3.7表面喷丸强化对化学热处理的影响18
1.3.8多元共渗表面强化化学热处理18
1.3.9积极探索复合化学热处理(包括复合渗)技术19
1.3.10金属材料表面自纳米化对化学热处理过程的影响19
1.3.11化学热处理过程的计算机模拟与智能化20
1.3.12积极研制与开发加速化学热处理过程的新型材料21
1.4化学热处理渗层的组织特征21
1.4.1纯金属渗入单一元素时的渗层组织21
1.4.2金属合金化学热处理的渗层组织23
1.4.3影响渗层组织的因素25

第2章 渗碳表面强化及其应用
2.1概述26
2.1.1渗碳特性及对渗碳层的技术要求26
2.1.2渗碳层的测定29
2.1.3渗碳用钢及其预备热处理30
2.1.4渗碳介质与碳势控制31
2.1.5渗碳后的热处理与渗碳层的组织、性能35
2.2气体渗碳工艺与设备39
2.2.1井式炉气体渗碳39
2.2.2密封箱式炉气体渗碳47
2.2.3连续炉气体渗碳53
2.2.4气体渗碳应用实例及分析53
［实例2.1］20CrMnTiH钢制汽车变速器齿轮的渗碳表面强化53
［实例2.2］20CrMnTiH钢制汽车齿轮连续炉稀土快速渗碳表面强化的研究55
［实例2.3］20CrMo曲柄件的多用炉浅层渗碳表面强化研究57
2.3真空渗碳工艺与设备61
2.3.1真空热处理基础61
2.3.2真空渗碳及其特点61
2.3.3真空渗碳工艺及操作61
2.3.4真空渗碳的应用及实例分析63
［实例2.4］MIX主减速从动齿轮的低压真空渗碳热处理工艺的研究63
2.4离子渗碳工艺与设备66
2.4.1离子渗碳原理66
2.4.2离子渗碳工艺与操作66
2.4.3离子渗碳的优势69
2.4.4离子渗碳应用实例分析70
［实例2.5］20Cr2Ni4A钢大型轴承滚柱的等离子渗碳工艺研究70
2.5其他渗碳工艺72
2.5.1深层渗碳及应用实例72
［实例2.6］18Cr2Ni4W钢制大型重载齿轮轴的深层渗碳表面强化工艺的研究76
2.5.2液体渗碳及应用实例78
［实例2.7］自行车前后轴碗的液体渗碳表面强化82
2.5.3固体渗碳及应用实例83
［实例2.8］棘轮的固体渗碳表面强化88
2.5.4膏剂渗碳及应用实例90
［实例2.9］17CrNiMo6钢齿轮轴的膏剂渗碳工艺研究90
2.5.5感应加热渗碳及应用实例93
2.5.6流态床渗碳及应用实例94
2.5.7高浓度渗碳及应用实例94
［实例2.10］Q235钢稀土高浓度渗碳工艺提高耐火砖模具的使用寿命95
2.5.8局部渗碳及应用实例98
［实例2.11］工程机械变速箱齿轮的渗碳化学热处理表面强化98
2.6渗碳热处理缺陷及其质量控制99
2.6.1渗碳热处理常见缺陷及其控制99
2.6.2渗碳过程的质量控制103
2.6.3渗碳操作的质量控制105
2.6.4渗碳检验的质量控制106
［实例2.12］加强碳势控制以提高零件渗碳质量108
［实例2.13］23CrNi3Mo钢制采矿钻车快换钎杆的凿岩试验与失效分析111

第3章 碳氮共渗表面强化及其应用
3.1概述116
3.1.1碳氮共渗的特点116
3.1.2碳氮共渗的分类117
3.1.3碳氮共渗用材及其热处理117
3.1.4碳氮共渗渗层深度与碳氮浓度的选择119
3.1.5碳氮共渗层的组织与性能119
3.2气体碳氮共渗表面强化123
3.2.1气体碳氮共渗介质123
3.2.2气体碳氮共渗对设备的要求125
3.2.3气体碳氮共渗工艺的特点125
3.2.4气体碳氮共渗应用实例分析127
［实例3.1］Q235钢惰板的碳氮共渗热处理工艺分析127
［实例3.2］20Cr钢汽车变速器二轴表面碳氮共渗工艺的改进130
［实例3.3］拖拉机变速箱二轴20CrMnTi钢制齿轮的热处理工艺改进132
3.3真空、离子碳氮共渗及其他碳氮共渗表面强化134
3.3.1真空碳氮共渗及其应用134
［实例3.4］45和P20塑料模具钢的真空碳氮共渗热处理工艺试验研究136
3.3.2离子碳氮共渗及其应用137
［实例3.5］20Cr2Ni4A采煤机双联齿轮的真空离子碳氮共渗表面强化137
3.3.3高浓度碳氮共渗及其应用140
［实例3.6］20Cr2Ni4A钢坦克齿轮高浓度碳氮共渗工艺的优化141
3.3.4液体碳氮共渗简介1453.3.5稀土碳氮共渗及其应用146
［实例3.7］20钢制纺织钢领无毒液体ＣＮＲE共渗的试验研究147
3.3.6固体碳氮共渗与膏剂碳氮共渗表面强化150
［实例3.8］T10A钢冷压整形模的固体碳氮共渗工艺研究150
3.3.7流态床高温碳氮共渗工艺152
3.3.8液相等离子电解碳氮共渗工艺及其应用152
［实例3.9］高速钢铣刀的液相等离子电解碳氮共渗工艺研究154
3.4碳氮共渗化学热处理缺陷及其质量控制155
3.4.1碳氮共渗化学热处理常见组织缺陷及其控制155
3.4.2气体碳氮共渗过程的质量控制159
3.4.3气体碳氮共渗操作的质量控制162
3.4.4碳氮共渗检验的质量控制162
3.4.5碳氮共渗质量控制实例分析163
［实例3.10］20CrMnTi汽车变速齿轮碳氮共渗黑色组织的分析及预防163
［实例3.11］20CrMnTi内燃机车柴油机齿轮的碳氮共渗化学热处理表面强化165
［实例3.12］20CrMnTi汽车后桥被动齿轮碳氮共渗热处理变形的预防措施167
［实例3.13］20CrMnTi重载汽车内齿圈碳氮共渗和淬火变形的控制169

第4章 渗氮表面强化及其应用
4.1概述172
4.1.1渗氮及其特点172
4.1.2渗氮原理与渗氮层的组织形态173
4.1.3渗氮用钢174
4.1.4渗氮钢的预备热处理及力学性能176
4.2气体渗氮表面强化178
4.2.1气体渗氮设备178
4.2.2气体渗氮工艺过程与参数178
4.2.3气体渗氮工艺规范与操作过程183
4.2.4气体渗氮层的组织与性能194
4.2.5渗氮件的质量检测196
4.2.6气体渗氮常见缺陷与质量控制197
4.2.7气体渗氮氮势控制及应用200
［实例4.1］模具及凸轮的渗氮表面强化200
［实例4.2］气门导管的渗氮表面强化201
［实例4.3］3Cr2W8V压铸模的气体三段渗氮化学热处理强化202
［实例4.4］LC280A车床薄片齿轮的渗氮化学热处理强化203
［实例4.5］T6112镗床主轴的气体渗氮表面强化204
4.3离子渗氮表面强化205
4.3.1离子渗氮设备205
4.3.2离子渗氮的基本原理206
4.3.3离子渗氮工艺参数与操作过程208
4.3.4离子渗氮层的组织与性能212
4.3.5离子渗氮常见缺陷与质量控制214
4.3.6离子渗氮的应用215
［实例4.6］纺机精梳机罗拉的离子渗氮工艺研究216
［实例4.7］压缩机阀片的离子渗氮化学热处理工艺研究219
［实例4.8］M1432磨床主轴的离子渗氮表面强化220
［实例4.9］齿轮轴的离子渗氮化学热处理强化220
4.4真空脉冲渗氮及其他渗氮工艺221
4.4.1真空脉冲渗氮的特点221
4.4.2真空脉冲渗氮设备222
4.4.3真空脉冲渗氮工艺参数223
4.4.4真空脉冲渗氮的应用实例分析224
［实例4.10］铝型材热挤压模的真空脉冲渗氮表面强化224
4.4.5其他渗氮工艺简介225

第5章 氮碳共渗表面强化及其应用
5.1氮碳共渗的原理及特点237
5.1.1概述237
5.1.2氮碳共渗用状态图237
5.1.3氮碳共渗的原理239
5.1.4氮碳共渗的特点243
5.2氮碳共渗的工艺方法244
5.2.1气体氮碳共渗工艺244
5.2.2液体(盐浴)氮碳共渗工艺249
5.2.3离子氮碳共渗工艺256
5.2.4真空脉冲氮碳共渗工艺257
5.3氮碳共渗后的性能与组织258
5.3.1氮碳共渗后的组织258
5.3.2氮碳共渗后的性能260
5.4氮碳共渗的质量检验与控制261
5.4.1氮碳共渗件的质量检验261
5.4.2氮碳共渗件常见缺陷及质量控制261
5.5氮碳共渗应用实例263
［实例5.1］W9Mo3Cr4V钢制十字槽冲头的真空脉冲氮碳共渗表面强化263
［实例5.2］40Cr摩托车主驱动齿轮的低真空变压氮碳共渗表面强化265
［实例5.3］粉碎机筛片的氮碳共渗化学热处理强化267
［实例5.4］内燃机气门的液体氮碳共渗表面强化268
［实例5.5］40Cr高速柴油机凸轮轴双联齿轮的盐浴氮碳共渗表面强化271
［实例5.6］凸轮轴的气体氮碳共渗化学热处理强化273
［实例5.7］W6Mo5Cr4V2钢制活塞销冷挤凸模的氮碳共渗表面强化274
［实例5.8］H13钢制压铸模的稀土离子氮碳共渗表面强化276

第6章 渗硼、渗金属高温化学热处理及其处理
6.1渗硼及其应用279
6.1.1渗硼方法及其特点279
6.1.2渗硼工艺及其控制283
6.1.3渗硼层的组织和性能283
6.1.4渗硼的质量检测与控制286
6.1.5渗硼用材及钢中合金元素对渗硼层的影响288
6.1.6渗硼前处理及渗硼后处理288
6.1.7渗硼的应用及实例分析288
［实例6.1］筛类产品的固体渗硼化学热处理工艺及其应用289
［实例6.2］3Cr2W8V钢制气门锻模的渗硼工艺试验研究290
［实例6.3］六方螺母凹模冷挤压模具的盐浴渗硼工艺及应用292
［实例6.4］5Cr2NiMoVSi钢大型热锻模的复合强化工艺及应用294
6.2渗金属表面强化及应用298
6.2.1渗金属的概念及其分类方法298
6.2.2常见渗金属渗剂的成分298
6.2.3渗形成碳化物的金属元素工艺299
6.2.4钢件渗金属后的热处理300
6.2.5常见渗金属层的组织和性能300
6.2.6渗金属层的质量检验、常见缺陷及防止措施302
6.2.7碳化物渗层的工业应用及实例分析302
［实例6.5］延长模具寿命的有效途径——硼砂熔盐碳化物渗层技术304
［实例6.6］盐浴渗铬工艺在模具上的应用研究306
6.3渗铝及其应用308
6.3.1渗铝工艺308
6.3.2渗铝层的组织与性能312
6.3.3渗铝工艺的应用314
6.3.4渗铝的质量要求与检测314
6.3.5渗铝常见的缺陷及其防止措施316
6.3.6渗铝工艺实例分析316
［实例6.7］新型废热锅炉换热管的渗铝工艺研究316
［实例6.8］镶嵌活塞铁铝黏结层组织特征与渗铝工艺研究319
［实例6.9］机械能助渗铝的试验研究321
6.4渗铬及其应用325
6.4.1渗铬工艺与方法325
6.4.2渗铬层的组织与性能327
6.4.3渗铬的工业应用与实例分析328
［实例6.10］65Mn钢农机旋耕刀的表面渗铬工艺及其耐磨性研究328
［实例6.11］AISIH13钢表面自纳米化+渗铬复合处理及其性能的试验研究332
6.5以渗硼、渗金属为主的多元共渗与复合渗336
6.5.1多元共渗与复合渗的概念336
6.5.2以渗硼为主的多元共渗与复合渗336
6.5.3以渗铝为主的多元共渗与复合渗338
6.5.4以渗铬为主的多元共渗与复合渗340
6.5.5多元共渗与复合渗应用实例分析341
［实例6.12］45钢制砖机模板硼氮共渗表面强化工艺的研究与应用341
［实例6.13］CrWMn钢制滚丝模的碳氮共渗+渗硼复合化学热处理强化343
［实例6.14］45钢外加直流电场粉末法铝硅共渗的工艺及性能研究346
［实例6.15］4Cr5MoSiV1钢制压铸模的复合强化工艺研究348

第7章 渗硫、渗锌、低温多元共渗及其应用
7.1渗硫及其应用352
7.1.1渗硫工艺352
7.1.2渗硫层的组织与性能355
7.1.3钢铁渗硫件的质量检测356
7.1.4渗硫工艺的应用与实例分析356
［实例7.1］GCr15钢制NUP311NRV/C3满装滚子轴承的低温离子渗硫化学热处理356
7.2渗锌及其应用358
7.2.1渗锌的工艺方法358
7.2.2钢铁渗锌层的组织与性能361
7.2.3渗锌件的质量检测364
7.2.4渗锌的应用及实例分析364
［实例7.2］42CrMo钢多节拉杆的热处理及热浸镀锌工艺改进365
［实例7.3］纳米复合粉末渗锌技术在铁路道岔转换设备上的应用367
［实例7.4］波形梁钢护栏热浸镀锌和热浸镀铝应用分析369
7.3低温多元共渗及其应用372
7.3.1低温多元共渗——节能降耗、显著减少畸变372
7.3.2含氮的多元共渗372
7.3.3含硫的多元共渗375
7.3.4低温多元共渗的应用与实例分析380
［实例7.5］25CrNiMo钢制防喷器材料的氧氮碳低温气体三元共渗试验研究380
［实例7.6］3Cr2W8V汽车半轴锻造模具的热处理工艺分析与改进383
［实例7.7］3Cr2W8V钢制缝纫机主轴弯头热锻模的气体硫氮二元共渗385
［实例7.8］3Cr2W8V钢制铝合金热挤压模的离子硫氮碳三元共渗385
［实例7.9］压铸模用4Cr5MoSiV1钢热处理强化工艺研究387
7.4低温化学热处理渗层组织、性能及工艺方法的选择390
7.4.1钢件低温化学热处理的渗层组织和性能390
7.4.2低温化学热处理工艺方法的选择393