5-20钢固体渗碳工艺研究

 目录1绪论.............................................................11.1金属热处理....................................................11.1.1金属热处理的定义............................................11.1.2金属热处理工艺..............................................11.1.3金属热处理的分类............................................11.2化学热处理....................................................21.2.1化学热处理的概念............................................21.2.2化学热处理的目的.............................................21.2.3化学热处理的类别............................................31.2.4化学热处理的基本过程........................................31.3渗碳工艺......................................................41.3.1渗碳的历史..................................................41.3.2渗碳的原理...................................................41.3.3渗碳的种类和特点.............................................51.3.4三种渗碳方式的比较...........................................61.3.5固体渗碳.....................................................71.4影响渗碳工件质量的因素........................................111.5渗碳处理的意义................................................111.6课题研究的内容................................................11220钢固体渗碳的过程.............................................112.1实验前的准备..................................................112.1.1实验材料的选用..............................................112.1.2渗碳方法的选择..............................................122.1.3实验设备的选用..............................................122.1.4渗碳工艺参数的确定..........................................152.1.5实验试样的制备..............................................162.2渗碳实验方案..................................................203渗碳实验结果分析...............................................213.1渗碳以后硬度的分析............................................213.1.120钢经不同热处理以后硬度的测定............................213.1.2硬度的分析.................................................213.2渗碳以后金相分析.............................................223.2.1金相观察....................................................223.2.2金相分析....................................................24结论..............................................................26参考文献..........................................................27致谢..............................................................28-1-20钢固体渗碳工艺研究1绪论1.1金属热处理1.1.1 金属热处理的定义 金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。 1.1.2 金属热处理工艺 金属热处理是机械制造中的重要过程之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的，所以，它是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容[3]。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能1.1.3 金属热处理的分类 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。1)整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。2)表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有-2-高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。3)化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其他合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。1.2化学热处理1.2.1 化学热处理的概念 化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺[4]。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表面层的性能尤为重要。经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合，它比电镀等表面复护技术所获得的心、表部的结合要强得多。1.2.2化学热处理的目的 1）提高零件的耐磨性采用钢件渗碳淬火法可获得高碳马氏体硬化层[2]；合金钢件用渗氮方法可获得合金氮化物的弥散硬化表层。用这两种方法获得的钢件表面硬度分别可达HRC58～62及HV800～1200。另一途径是在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜以改善摩擦条件，同样可提高耐磨性。例如，蒸汽处理表面产生四氧化三铁薄膜有抗粘结的作用;表面硫化获得硫化亚铁薄膜,可兼有减磨与抗粘结的作用。近年来发展起来的多元共渗工艺,如氧氮渗，硫氮共渗，碳氮硫氧硼五元共渗等,能同时形成高硬度的扩散层与抗粘或减磨薄膜，有效地提高零件的耐磨性，特别是抗粘结磨损性。-3-2）提高零件的疲劳强度渗碳、渗氮、软氮化和碳氮共渗等方法，都可使钢零件在表面强化的同时，在零件表面形成残余压应力，有效地提高零件的疲劳强度。3）提高零件的抗蚀性与抗高温氧化性例如，渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能；钢件渗铝、渗铬、渗硅后，与氧或腐蚀介质作用形成致密、稳定的Al2O3、Cr2O3、SiO2保护膜，提高抗蚀性及高温抗氧化性。通常，钢件硬化的同时会带来脆化。用表面硬化方法提高表面硬度时，仍能保持心部处于较好的韧性状态，因此它比零件整体淬火硬化方法能更好地解决钢件硬化与其韧性的矛盾[3]。化学热处理使钢件表层的化学成分与组织同时改变，因此它比高、中频电感应、火焰淬火等表面淬火硬化方法效果更好。如果渗入元素选择适当，可获得适应零件多种性能要求的表面层。1.2.3 化学热处理的类别 化学热处理的方法繁多，多以渗入元素或形成的化合物来命名，例如渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、硫、氧、硼五元共渗，及碳（氮）化钛覆盖等。化学热处理应根据零件的性能要求以及工艺的易行性与经济指标，合理地选用工艺类型。例如，渗碳与渗氮可提高零件的耐磨性；但渗碳是在高温(900～1000℃)下进行,在不太长的时间内（6～10小时）可获得可观的渗层,故一般要求硬化层较深(0.9～2.5mm)的耐磨零件多采用渗碳处理，既可满足性能要求，又较经济。当零件尺寸变形要求很严时,采用低温(500～600℃)进行的渗氮处理,可保证零件尺寸精度；但渗氮层增厚缓慢，渗氮时间常需十几甚至几十个小时，是一种不经济的方法[8]。1.2.4 化学热处理的基本过程 化学热处理包括三个基本过程，即①化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程；②活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程；③被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。-4-1.3渗碳工艺1.3.1 渗碳的历史 在各种表面硬化法中，渗碳的历史较久，是机械制造中广泛应用的一种化学热处理工艺。渗碳法中，固体渗碳历史最长，自十八世纪中期就有应用[9]，1910年美国的煤气炉公司（Am.Gas.FurnaceCo）在卧式回转炉中实现了渗碳[10]。但是由于当时的渗碳气氛、渗碳机理、耐热钢和耐火材料等方面尚有许多未解决的问题，所以正式制造工业规模的渗碳炉并投使用是在1925年前后，其后做了许多改进，取得顺利发展，同时入渗碳操作走上进一步普及和进步的道路。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。1.3.2渗碳的原理 渗碳与其他化学热处理一样,也包含分解、吸收、扩散3个基本过程。1）分解：含碳化合物的分解，形成活形碳原子(用[C]表示)：2CO—→CO2+[C](一氧化碳)(二氧化碳)CH4—→2H2+[C](甲烷)(氢)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