热处理工艺-表面处理

第五章钢的化学热处理改变表面成分－改变表面组织的热处理一.化学热处理的原理固态工件渗金属或非金属1.基本过程气氛――活性原子吸附――分解――扩散2.速度控制因素――原子吸收＋扩散催化作用――促进吸附促进分解提高速度方法：分段控制复合渗高温化学催渗物理催渗二.渗碳表面成分变化－组织变化－性能变化渗碳：渗碳方法气体固体液体Ipsen贯通式箱式多用炉1.气体渗碳1.1.渗碳介质液体介质碳氧比(C/O1)T↑分解[C]渗碳剂(C/O＝1)T↑分解[CO]稀释剂碳当量产生1mol碳所需该物资的量煤油、甲苯、丙酮、乙醇；甲醇表10－1不同液体的碳当量乙醇：46丙酮：29气体介质天然气含甲烷90～95％城市煤气成分表10－4液化石油气含丙烷和丁烷1.2.影响因素分解――吸收――扩散渗碳温度：860～960℃渗碳时间：估算公式P253钢的成分：低碳钢NiCr合金钢碳势：炉内气氛与钢表面含碳量平衡时的相对含碳量测量方法露点法－CO2红外线法－氧势测定氧探头P301ZrO2为电解质――固体电池2.固体渗碳装箱渗碳网状碳化物？3.液体渗碳盐浴：加热盐NaCl＋BaCl2渗碳介质氰化钠或氰化钾催化剂Na2CO3表10－6无毒盐4.渗后热处理4.1.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、渗碳钢工件表面残余奥氏体较多、表面硬度低适用范围：操作简单、成本低、气体或液体渗碳4.2.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、渗碳层残余奥氏体量降低、表面硬度略有提高适用范围：细晶粒钢制工件、操作简单、工件氧化、脱碳及淬火变形较小4.3.一次加热淬火、低温回火渗碳温度820～850℃或780～810℃组织及性能特点：对心部强度要求高，采用820～850℃淬火，心部组织：低碳M对表面硬度要求高，采用780～810℃淬火，细化晶粒适用范围：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、渗碳后需机械加工的工件4.4.渗碳、高温回火、一次加热淬火、低温回火温度840～860℃组织及性能特点：高温回火使马氏体和残余奥氏体分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出淬火后残余奥氏体减少适用范围：Cr－Ni合金钢渗碳4.5.二次淬火、低温回火组织及性能特点：第一次淬火（正火）可以消除渗层网状碳化物及细化心部组织第二次淬火改善渗层组织（心部性能要求高，提高T）适用范围：力学性能要求高的渗碳工件、粗晶粒钢两次加热氧化变形脱碳复杂4.6.二次淬火、冷处理、低温回火组织及性能特点：高于Ac1或Ac3（心部）的温度淬火高合金钢表层残余奥氏体较多，经冷处理――促使奥氏体转变提高硬度和耐磨性适用范围：渗碳后不需要机械加工的高合金钢工件4.7.渗碳后感应加热淬火、低温回火组织及性能特点：细化渗层及靠近渗层处组织、淬火变形小适用范围：齿轮及轴类工件5.渗碳设备多用炉井式渗碳炉工艺曲线强渗＋扩散三.氮化工件放在含N的介质中，使N原子渗入钢的表面，形成富氮的硬化层――化学热处理1.氮化的应用及特点极高硬度HV950～1200HRC65～72渗层浅高的耐磨性和抗咬合性静摩擦渗层脆性大高红硬性化合物层高疲劳强度低缺口敏感性表面压应力抗腐蚀、变形小周期长目前广泛应用:气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子（2NH3→3H2+2[N]),氮原子被钢吸收并溶入表面,在保温过程中向内扩散,形成渗氮层。T:500℃～600℃T:20h～50h，38CrMoAl钢氮化工艺曲线图钢件氮化后：硬度(1000HV～1100HV),600℃～650℃下保持不下降,所以具有很高的耐磨性和热硬性。氮化后，工件的最外层为一白色ε或γ′相的氮化物薄层，很脆；中间是暗黑色含氮共析体（α＋γ′）层；心部为原始回火索氏体组织。钢氮化后,渗层体积增大,造成表面压应力,使疲劳强度大大提高。氮化温度低,零件变形小。氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的ε相层,所以耐蚀性好,在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。2.氮化的基本原理Fe－N相图α相N在α－Fe中的固溶体0.1%590℃缓冷α→γ’γ’相可变成分的Fe－N间隙相Fcc结构～6％Nε相可变成分化合物Hcp结构8.25～11％NFe2N～Fe3Nξ相以化合物Fe2N为基的固溶体基本过程：分解――吸收――扩散分解NH3＝H2＋N(α-Fe)氮势Np＝P（NH3）/P（H2）介质氮化能力大小或介质活性大小氮势不反映表面N含量生产中氮势测定NH3分解率＝（H2体积＋N2体积）/炉气总体积＝（容器全部体积－水体积）/容器全部体积调节氮势调节NH3的流量流量↑→NH3分解率↓吸收吸附――N溶入α-Fe基体吸收（α-Fe）＋合金氮化物影响钢吸收因素温度550～580℃N在γ－Fe中扩散很慢分解率550～600℃NH3最佳分解率15～35％扩散N在多相中扩散反应扩散控制扩散速度――N在γ’中的扩散速度（最慢）氮化层组织：T550～590℃ε不易腐蚀呈白亮色特点：当白亮层由ξ＋ε＋（ε＋γ’）组成渗层很脆氮化层脆性等级1～2级合格当白亮层仅由ε＋（ε＋γ’）组成渗层不脆控制ξ相方法：控制表面N％渗N后退氮渗后快冷变形大α相中析出γ’或ε析出γ’γ’呈针状γ’沿α相一定晶面析出γ’相区很薄金相中一般分辨不出碳及合金元素对氮化影响碳明显降低N在α－Fe中的扩散速度渗层深度低N溶入α－Fe和Fe3C合金元素与N形成合金氮化物阻碍N在钢中的扩散（W、Ni、Mo作用最大）氮化钢：38CrMoAl3.氮化工艺预先热处理：保证心部性能调质为氮化做组织准备非氮化表面保护镀Sn涂层（水玻璃+石墨粉）氮化工艺参数氮化层深度＋氮化层表面硬度温度：T↑，氮化物集聚长大，HV↓一般540～570℃（≤高回T）时间：薄层硬化渗氮，低温长时厚层硬化渗氮，高温长时（HV↓）NH3分解率：决定工件表面N％初期分解率低表面能迅速达到高N浓度中期分解率提高表面吸氮量提高使N迅速向内扩散后期分解率↑↑表面吸N量↓↓避免表面脆性NH3分解率三段氮化工艺：等温氮化温度低变形小周期长二段氮化周期短脆性低HV梯度平缓＋退氮（T↑560～570℃HV↓）三段氮化等温氮化的改进抗蚀氮化生产致密的ε相固定HN3分解率N最大4.氮化质检外观：银白色淡黄色（氧化）表面HV：一般渗层≤0.5mm，范围HV650～1200一般HV650～900脆性：评级氮化层深度：断口法金相法硬度法HV500淬火法（M（N）呈白色）金相组织:炉冷渗氮层白亮层＋扩散层正常状态：回火S（F不呈大块状）＋氮化物无网状氮化物大块状氮化物针状氮化物5.其它氮化方法离子氮化离子氮化炉：真空炉体中，通入含氮气体，工件作为阴极，炉壁为阳极，加上高压，使之辉光发电，将氮渗入形成氮化层的设备利用辉光放电这一物理现象对金属材料表面强化的氮化法降位電極陰壓電極陰..件工理處極陽..壁爐電漿輝光界面CONFeNFeN吸附Fe2NFe3NFe4NFeNNNNNNNNH+H2e-e-e-N+N2e-e-e-2+N2e-NNN+或e-e-Fe+(a)(b)(d)(c)离子氮化原理图离子氮化设备图6.氮化钢38CrMoAl机床丝杆的热处理氨分解率的控制调节氮势氮化能力的大小工艺：多段氮化氮化时间与氮化层深度72h0.3mm白亮层：ζ＋ε＋（ε＋γ'）组成脆ε＋（ε＋γ‘）组成不脆检验方法HV氮化温度与氮化层组织性能（热强性、静摩擦）控制ζ相析出：控制表面N％（渗后退N）渗后快冷四.碳氮共渗（氮碳共渗）1.特点（与渗碳比较）渗层表面高硬度、高耐磨性、高疲劳强度、耐腐蚀性可在较低温度共渗，不易过热，可直接淬火、变形小N的存在使渗层淬透性提高，可缓慢冷却CN共渗速度比单独渗碳或渗氮快表层浓度梯度大氮化物含C碳化物含N共渗层中C和N含量随共渗温度而变CN共渗方法固体液体（氰化）气体分类（按温度）高温880～950℃很少用中温780～870℃结构钢耐磨工件低温500～560℃工模具钢表面强化软氮化2.中温气体碳氮共渗介质：碳氢化合物有机溶液（煤油、丙酮）＋NH3气体介质分解气（天然气、煤气）＋HN3含CN¯的有机化合物三乙醇胺尿素CON工艺参数：温度渗层厚度一般780～870℃时间渗层组织和性能T↑C％↑N％↓表面Hv↓性能与渗碳相似T↓C％↓N％↑表面Hv↑耐磨性好渗剂供应量NH3与渗碳剂的百分比氮势：调节NH3流量控制HN3分解率碳势：氧探头控制炉内CO排气：通入煤油和NH3，迅速建立工件表面高C、N浓度炉内达到氮势和碳势保温：较多的煤油量保证炉内碳势一定的NH3维持一定氮势加速C渗入T↑主要为渗碳和得到较厚的渗层以渗碳为主扩散：大量NH3建立炉内高氮势为渗氮降低煤油滴量，↓T，使工件表面的含N量↑（不可讲以渗氮为主，因为T↑）冷却：淬火空冷炉冷优势：克服单纯渗碳硬度不足的缺点克服单纯渗氮渗层厚度不够缺点用途：获得较厚渗层且高耐磨的硬化层渗后热处理淬火＋低温回火特点：淬火后A（残）多N渗入使A稳定化提高渗层的淬透性提高可直接淬火不出现过热组织渗层抗回火稳定性高（C、N化合物弥散度高），回火T可提高渗层组织和性能组织：缓冷过共析＋共析＋亚共析（在过共析层中含较多的碳氢化合物）淬火NH3流量小：M（CN）+A残＋少量氮碳化合物NH3流量大：ε＋M（CN）+A残＋少量氮碳化合物氮碳化合物数量↑Hv↑耐磨↑氮碳化合物过多连成片或区渗层脆疲劳强度↓性能：表面硬度高且有峰值耐磨性高抗弯曲疲劳强度高（表面残余压应力）接触疲劳强度高、强韧性高（共渗温度低M针细小）3.低温氮碳共渗（软氮化）特点：温度低、变形小530～570℃（Fe－C－N共析点565℃）以渗氮为主时间短1～6h渗层薄不适应承受重载工件不受钢种限制碳钢、低合金钢、工模具钢、不锈钢、铸铁均可渗层脆性低ε相由Fe3N组成，不含Fe2N白亮层不脆类型：液体软氮化（剧毒）氰酸盐或氰化盐以尿素为主的盐例尿素＋碳酸盐＋氯化钾反应生成NaCNNaCNO气体软氮化渗剂尿素三乙醇胺工艺：530～570℃小于T回时间取决于渗层组织缓冷ε（C）、γˊ、Fe3（NC）γˊ＋α（N）S回快冷ε（C）、γˊ、Fe3（NC）M（CN）＋A残S回油冷A→M（CN）炉冷A→γˊ＋α（NC）化合物层（～0.1mm）＋扩散层(0.1～0.4mm)＋中心组织合金钢化合物层中含合金氮碳化合物性能与氮化（硬氮化）相近HV低应用小负荷刃具工模具五.其它化学热处理1.渗硼特点：高硬度碳钢HV1200～2000合金钢HV3000高耐磨性红硬性抗氧化性（800℃微氧化）高耐腐蚀性（H2SO4、HCl等不抗HNO3）用途：高温工件磨损件抗腐蚀工件工艺：固体、液体、气体液体渗硼硼砂（80～85％）＋氟化钠＋铝粉B固体渗硼活性渗硼剂950℃3～6h渗层厚1～2mm组织：FeBFe2B过度层心部组织FeBFe2B以粗针状深入心部组织渗层与基体紧密结合过度层B在α－Fe溶解极薄金相组织中区别不出FeB脆不希望生成表面仅有Fe2B渗后热处理：淬火＋低温回火2.渗硫特点：降低工件摩擦系数提高工件抗咬合性和耐磨性用途：切削刀具易磨损件工艺：固体、液体、气体、电解高温（850～950℃）、中温（500～600℃）、低温（180～220℃）例低温电解渗硫渗前热处理淬火低回渗碳渗氮碳氮共渗渗剂KSCN（75％）＋NaSCN（25％）熔点125℃时间15～20minFeS渗层厚0.05～0.1mm组织FeS＋基体仅在工件表面上附一层FeSFeS微孔状非常疏松吸附润滑油降低摩擦系数3.多元共渗CNB三元共渗液体或气体700～880℃4～6h化合物中含B（不出现B针）SN共渗气体或液体FeS＋渗氮层NCS三元共渗气体（硫脲＋尿素）540～560℃1～3hFeS＋软氮化层气体SN共渗＋蒸汽复合处理540～560℃高温蒸汽表面Fe3O4Fe3O4阻止工件表面对S、N的吸附，使渗层中不生成网状氮化物和ε相,渗层脆性降低表层为γˊ相组织FeS＋氮化层（γˊ＋（γˊ＋α）＋心部组织）用途刀具耐磨件4.渗金属特点：置换扩散高温（≥950℃）时间长方法：涂渗固体热浸电