10材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第十章 钢的化学热处理

第十章钢的化学热处理10.1概述何为化学热处理？工业上有哪些应用？它解决哪些问题？强化表面,保护零件表面将零件放在特定的介质中加热、保温、以改变其表层化学成分和组织，从而获得所需力学或化学性能的工艺总称。表面和心部性能要求不同的零件第十章钢的化学热处理10.1概述化学热处理的优点？能有效改善钢表面的成分、组织和性能不受工件形状限制很多化学热处理的零件具有变形小，精度高，尺寸稳定性好的特点第十章钢的化学热处理一、化学热处理基本过程三个过程：渗剂的分解零件表面对活性原子的吸收活性原子从零件表面向内部扩散五个阶段：气氛的形成吸附分解吸收扩散一、化学热处理基本过程1、气氛的形成采用一定的渗剂，在一定的工艺条件下，渗剂经化学反应，形成一定的气氛。如气体渗碳时，向炉内滴入煤油，甲醇或丙酮，在渗碳温度下裂解，形成CO,CO2,H2,CH4,H2O等组成的炉气。一、化学热处理基本过程2、吸附吸附----物质在相界面上自动聚集过程。固体吸附----固体物质自发地把周围介质中分子、原子或离子吸附到固体表面现象。物理吸附----分子间作用力，不具备选择性；吸附化学吸附----吸附剂与吸附质间相互作用的化学结合，具有选择性。吸附量Γ=X/mX吸附气体溶质量m吸附剂质量吸附时，铁对于气氛分解产生活性原子具有催化作用。2COCO2+[C]如：铁的存在促进了CO的分解，被吸附的CO的C-O键被明显削弱。Fe·CO吸附＋CO气体Fe·[C]+CO2吸附能力与钢的表面活性有关，表面缺陷多（位错、晶界露头），粗糙，干净无污染则表面活性高，吸附力强，可促进化学热处理。3、分解反应此过程渗剂进一步分解，析出活性渗入原子。如：2COCO2+[C]CH4[C]+2H22NH32[N]+3H2渗剂反应通式：aA+bBc[C]+dDV1V2化学平衡常数：K=PcC*PdD/PaA*PbB=Z·exp(-E/RT)E----激活能，Z----频率因子一、化学热处理基本过程要加快分解反应：应升高温度，加大反应物浓度，加入催渗剂。4、吸收活性原子克服表面能垒进入金属表面，形成固溶体或化合物。一、化学热处理基本过程溶吸附CCFeFe][溶解CCFe3Fe][吸附化合5、扩散活性原子被吸收后，造成表面－内部的浓度差，引起渗入原子向内扩散。整个化学热处理速度取决于扩散速度(1)活性原子扩散宏观规律服从Fick第一定律Fick第二定律一、化学热处理基本过程22xCDtCdxdcDJ－)2()(),(0DtxerfCCCtxCss)exp(0RTQDD扩散层厚度δ与温度关系：扩散层厚度δ与时间关系：TaAe/tKA，a—实验系数温度的影响远大于时间5、扩散(2)扩散机制交换型扩散相邻点阵位置原子依靠热振动互换位置的扩散方式。一、化学热处理基本过程间隙型扩散间隙原子在点阵中跃迁的扩散。环形旋转型扩散处于某一晶面的同一平面上几个原子能够绕瞬时轴旋转的扩散。一、化学热处理基本过程空位型扩散○○○○○○○○○○○○○○○○○○原子跳跃到相邻空位，又形成新的空位的原子扩散。空位空位一、化学热处理基本过程（3）扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）T1CmCminAT/℃Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距离一、化学热处理基本过程AnBmAnBm′α表面αAAnBm′αAAnBm′αAAnBmT1温度下扩散层组织变化过程T1温度下扩散层组织AnBm′αAAnBm冷却到室温后扩散层组织AnBm′αAAnBm快冷慢冷AnBm′AnBm′+αAAnBmα第十章钢的化学热处理一、化学热处理基本过程二、化学热处理后性能硬度耐磨损性能抗摩减摩性能抗疲劳性能耐腐蚀性能第十章钢的化学热处理一、化学热处理基本过程二、化学热处理后性能三、化学热处理分类固体法：粉末法、涂渗法（膏剂、熔剂）、喷涂+扩散退火液体法：熔盐法（熔盐浸渍、熔盐电解）、热浸镀、电镀+扩散退火气体法：气体扩散法、真空蒸发法离子法：离子渗化学热处理进行时组织状态奥氏体状态：渗碳、碳氮共渗、渗硼及硼基共渗、渗铬及铬基共渗、渗铝及铝基共渗、渗硅、渗钒、渗铌、渗钛等。铁素体状态：渗氮、氧氮共渗、碳氮氧共渗、渗硫及硫基共渗、渗锌等。10.2钢的渗碳基本思路：在Fe—C相图中，α-Fe中碳的最大溶解度0.02%，而γ-Fe中碳的最大溶解度达到2.11%，相差100倍，希望在高温下渗碳，低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。一、渗碳用钢低碳钢和低碳合金钢（碳含量0.1%～0.25%)低淬透性、低强度15、20、25中等强度，淬透性20Cr、20Mn2、20MnV高强度，淬透性20CrMnTi、20CrMnMo等。超高强度20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA10.2钢的渗碳二、钢渗碳原理（以气体渗碳为例）（1）三个阶段：分解、吸收、扩散2COCO2+[C]+172.4KJCH42H2+[C]–75.7KJCH3COCH33H2+CO+2[C]-KJ放热反应：随温度升高、反应减慢，渗碳能力较弱；吸热反应：随温度升高、反应加速，渗碳能力较强。10.2钢的渗碳（2）渗碳剂的选择渗碳剂的基本要求：有良好的渗碳能力、不产生碳黑、工艺性好，环保性，价廉、分子结构简单。通常：C/O原子数比≤1，分解产生CO、H2，几乎不能渗碳，稀释剂C/O原子数比＞1，分解产生CO、H2外，还产生一定CH4，能产生[C]，属于强渗碳剂，C/O比愈大，渗碳能力愈强。所以醇类、醚类、酮类等均是优良渗碳剂，加入一部分饱和烷烃富化气（稀释用）构成渗碳气体。炉气主要成分CO,CO2,H2,CH4,H2O其中渗碳气体：COCH4脱碳气体：CO2H2O通过控制CO和CO2的比例（可控气氛渗碳），可控制炉气的渗碳能力——碳势（3）碳势及其控制碳势：渗碳气氛与奥氏体之间达到动态平衡时，钢表面碳含量。碳势越高，渗碳能力越强，碳势决定了渗碳件表面可达到的含碳量0.4%C0.6%CCO2%1.0%C1.2%C1.33%C0.8%CCO%碳势与CO和CO2之间对应关系如下图（900℃）CO+H2OCO2+H2由水煤气反应，可计算CO2或H2O的含量。正常的渗碳气体中，CO%和H2%基本上是定值，如用丙烷或丁烷制备渗碳气体，其中大致含24％CO和33％H2。H2O%=2.06·CO2%由此可知，主要控制炉气中CO2,H2O,CH4和O2中的任何一种气体的相对含量，就能达到控制炉气成分，调整碳势的目的。10.2钢的渗碳引入：活度因数ac=碳势/奥氏体饱和时碳浓度问题：如何控制渗碳时钢表面碳含量（碳势）？通过控制渗碳气氛中各种气体含量或压力例：已知Fe+2COFe[C]+CO2900℃，奥氏体饱和碳含量1.33%，碳势1.0%，假设总压为1个大气压，CO+CO2总分压为0.2大气压，请说明CO和CO2各自的分压或含量。解：设CO+CO2系统中，CO压力为X、CO2压力为1-X，ac=1/1.33=0.752，K=ac*pco2/p2co(查表K=0.03176)，可见，只要控制CO、CO2的含量或压力，就能控制碳势。22)1(752.0)1(03176.0xxxxac得X=0.9917,1-X=0.0083则CO％=0.9917*0.2*100%=19.83%CO2％=0.0083*0.2*100%=0.17%问题：通常渗碳气体均为混合气体，这时的碳势又如何控制？采用露点法控制，通常渗碳气体都含有CO,CO2,H2O,H2,有：CO+H2OCO2+H2例：已知，950℃，K=0.69，且露点与炉气含水量关系如图，渗碳炉排出气体的露点-10℃，主要成分40%H2，20%CO，请预测工件表面碳含量？解：查右图，露点-10℃时H2O含量为0.28%;10.2钢的渗碳OHCOHCO222PPPPK露点℃H2O含量%0.28-10OHCOHCO222PPPPK查碳势–CO--CO2图,得此时表面碳势为1.0%。%097.0P2CO0.28%%0240%P69.02CO10.2钢的渗碳排气升温增碳期扩散期降温期均温升温渗碳扩散冷却三、渗碳工艺过程典型气体吸热式连续渗碳工艺，分为升温、渗碳、扩散和冷却四个区域。10.2钢的渗碳（1）碳势的选择和控制一般渗碳件表面碳含量在0.6—1.1%之间变化，主要根据工件表面硬度要求来确定。选定碳势后，可按前述方法实现控制。（2）渗碳温度确定一般均需要在奥氏体化温度范围内，920—930℃，小零件温度低些。（3）渗碳时间渗层深度δ=(802.6*t1/2)/10(3720/T)（4）渗碳前处理非渗碳表面——预保护（涂料、镀铜，加大加工余量）渗碳表面——清洁，不能有裂纹等四、渗碳主要工艺参数五、渗碳后的热处理钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但其硬度不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，才能获得较高的硬度和耐磨性能。直接淬火+低温回火一次淬火+低温回火二次淬火+低温回火分级淬火+低温回火10.2钢的渗碳淬火+低温回火。难点：淬火温度的选择，需同时满足表面和心部要求（1）直接淬火法淬火+低温回火。0T℃回火淬火820〜850℃180〜200℃t(h)加热3〜9h930℃渗碳直接淬火工艺预冷预冷作用：减少变形降低A中含碳量淬火+低温回火。（2）一次淬火法渗碳缓冷后重新加热淬火六、渗层组织P+Fe3CⅡF+P少PP+F表面中心零件1%C0.2%C渗碳时组织：A缓冷后组织：过共析共析亚共析心部淬火后组织：高碳M+Fe3C+Ar低碳M+F（少量）硬度：高低10.2钢的渗碳理想渗层组织：隐针M+弥散细小Fe3C+少量均匀Ar1%CP+Fe3C0.2%CF+P少表面中心零件PP+F渗层厚度：一般0.8～2mm质量检查：渗层深度硬度金相组织七、渗碳常见缺陷表面硬度偏低渗层深度不够或不均匀金相组织不合格（网状或大块状碳化物，渗层大量残余奥氏体）变形超差10.2钢的渗碳八、常见渗碳方法气体渗碳液体渗碳固体渗碳高频渗碳真空渗碳电解渗碳流态床渗碳10.2钢的渗碳气体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱定义:将N渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性和疲劳强度的一种化学热处理方法。优点:高硬度，耐磨性高红硬性高抗咬和性高疲劳强度高抗蚀性工件变形小常用工艺：气体渗氮、液体氮化、软氮化（氮碳共渗）离子氮化10.3钢的氮化缺点:生产周期长成本高渗层薄不能承受高的接触应力和冲击载荷10.3钢的氮化一、Fe－N相图及氮化层组织1、Fe－N相图α相：N在α-Fe中间隙固溶体，在590℃最大溶解度γ相：N在γ-Fe中间隙固溶体，在650℃最大溶解度γ’相：可变成分间隙固溶体，在680℃溶于ε相ε相：含4.55—11.0%N的Fe2-3N化合物，以Fe2-3N为基固溶体ξ相：含11.1—11.35%N的Fe2N化合物，以Fe2-N为基固溶体氮化时上述间隙固溶体相都有可能存在氮化层中。2、纯铁氮化层组织N化时组织（590℃）：ε→γ`→α→心部N化后缓冷组织：ε→ε＋γ`→α＋γ`→α→心部t1t4t3t2εγ’α心部εγ’αN%层深εγ’α+γ’心部渗氮时缓冷后ε+γ’例：38CrMoAlA钢在590℃下进行氮化时，其过程是：3、碳钢与合金钢氮化层组织碳钢与纯铁大致相同α为C、N在α－Fe中的固溶体γ为C、N在γ－Fe中的固溶体合金钢中，形成过程基本相同，只是N与Me可形成氮化物弥散分布在氮化层中10.3钢的氮化二、气体氮化原理以氨气氮化为例，分成三个阶段：分解NH3[N]+1.5H2Fe+NH3Fe[N]+1.5H2[N]的吸收N原子的扩散N的扩散系数CN化层形成过程示意①向炉内不断通入氨气②氨分子向金属表面迁移③氨分子被金属表面吸附④氨分子在金属表面不断分解，形成氮原子和氢原子⑤活性原子复合成分子，不断从炉内排出⑥表面吸附的活性氮原子溶解于α－Fe中N化层形成过程示意⑦氮原子由金属表面向内部扩散⑧当氮超过在α－Fe中的溶解度后，表层开始形成氮化物⑨氮化物长大⑩表面依次形成γ′和ε相⑾氮化层不断增厚⑿氮