钢的化学热处理

1钢的化学热处理211.1化学热处理概述机械零件的失效和破坏，大多数都萌发在工件的表面层，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，其表面层的性能就显得尤为重要。㈠化学热处理的概念钢的化学热处理：是将钢件置于特定的活性介质中加热保温，使一种或几种元素渗入钢件表层，从而改变钢件表层化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。3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。经化学热处理后的钢件渗入了合金元素的材料原始成分的钢紧密的晶体型结合远远强于电镀等表面涂覆技术所获得的心、表部之间的结合4㈡化学热处理的目的在表面形成高硬层在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜提高零件的耐磨性提高零件的疲劳强度提高零件的抗蚀性提高零件的抗高温氧化性⑴提高零件的耐磨性目的有四5在表面形成高硬层在表面形成减磨、抗粘结薄膜在表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜钢件渗碳淬火可获得高碳M硬化表层；合金钢件渗氮可获得合金氮化物的弥散硬化表层。蒸汽表面处理产生的Fe3O4薄膜有抗粘结的作用，表面硫化获得的FeS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，如氧氮共渗，硫氮共渗，碳氮硫氧硼五元共渗等。6化学热处理方法表面硬化的优势提高表面硬度时，仍能保持心部处于较好的韧性状态化学热处理同时改变钢件表层的化学成分与组织如果渗入元素选择适当能更好地解决钢件硬化与其韧性的矛盾比表面淬火硬化方法的效果更好可获得适应零件多种性能要求的表面层7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。⑵提高零件的疲劳强度钢件渗铝、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。⑶提高零件的抗蚀性⑷提高零件的抗高温氧化性例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能84）能获得具有特殊性能的表面层3）经济效果好2）具有较好的工艺性1）不受工件几何形状的限制钢的化学热处理具有如下特点9不受工件几何形状的限制即任何几何形状复杂的工件经过化学热处理后，均可获得沿其轮廓分布的均一的表面化学热处理层具有较好的工艺性如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷却介质的敏感性较小等等10经济效果好能获得具有特殊性能的表面层廉价的钢材经化学热处理后可获得表面性能高的工件。经化学热处理的碳钢件的表层性能不亚于同类合金钢的性能。如耐腐蚀性、耐磨性等11㈢化学热处理的分类目前工业上广泛使用的化学热处理方法，就是在钢件表面渗入一种或多种元素，即渗入法。根据所渗入的元素，可以将化学热处理分为渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如碳氮共渗、铬硅铝共渗等。钢中渗入的元素，可能溶入铁中形成固溶体，也可能与铁形成某种化合物，总之渗入的元素与基体金属之间具有相互作用。1213目前生产中最常用的化学热处理是渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼和渗铝等。㈣化学热处理的基本过程渗入法化学热处理的基本过程分解吸收扩散钢件周围的介质分解，以形成渗入元素的活性原子活性原子被钢件吸收，其先决条件是活性原子能够溶解于钢件表层金属中渗入原子在基体金属中的扩散，是化学热处理得以进行和获得一定深度渗层的保证1411.2钢的渗碳渗碳：就是将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，使其表层形成一个富碳层的热处理工艺。渗碳种类最常用常用气体渗碳固体渗碳液体渗碳碳势可控生产效率高劳动条件好便于直接淬火等15渗碳用钢：为低碳钢及低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。渗碳的目的提高零件表层的含碳量提高表层硬度，增强零件的抗磨损能力同时保持心部的良好韧性主要用于那些对表面有较高耐磨性要求、并承受较大冲击载荷的零件16气氛的主要组成物都是CO、CO2、CH4、H2和H2O等5种气体；其中CO和CH4起渗碳作用，其余的起脱碳作用。㈠渗碳原理⑴渗碳介质的分解工业气体渗碳方法的主要类型在炉中产生所需要的渗碳气氛可控气氛＋碳氢化合物气体含碳的有机液体17在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个在所供应的原料气氛组成稳定的情况下，只要控制气氛中微量的CO2、H2O、CH4或O2中的任何一个的含量，就可达到控制渗碳炉中碳势的目的.18通常，生产中多采用露点仪来控制气氛中的H2O含量；因为气氛的露点与气氛中的含水量具有很好的对应关系，即含水量越高、露点就越高；19生产中或者采用红外线仪来控制CO2的含量；20或者采用氧探头来控制气氛中O2含量。无论采用上述哪种方法，都可以达到控制渗碳炉中渗碳气氛碳势的目的。在实际生产中，渗碳时间往往比较短，必须根据气氛种类、表面碳含量要求、渗碳温度和渗碳时间等因素确定出一个在不平衡情况下的合适碳势，才能真正保证渗碳工件所需的表面含碳量；同时还需采用多参数控制法来减少碳势控制的误差。21①工件表面必须清洁；②炉气需要具有良好的循环：活性碳原子被吸收后，剩下的CO2、H2或H2O等脱碳气氛需要被及时排出；③控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰当配合：如果分解速度大于吸收速度，将在工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。⑵碳原子的吸收要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必须满足以下条件：22碳原子由表面向心部的扩散，是渗碳得以进行并获得一定深度渗层的条件。扩散的驱动力是工件表面与心部的碳浓度梯度。碳在铁中形成的是间隙式固溶体，其扩散系数比形成置换式固溶体的合金元素要大很多。碳在γ-Fe中的扩散系数为:(0.040.08%)exp(31350())(0.070.06%)exp(32000())DCRTDCRT或可见，温度和碳浓度都影响碳的扩散系数。⑶碳原子的扩散23间隙原子的扩散服从Fick第二定律，由该定律可以有下面一个关系式：dt＝因此，此式也就成为根据渗碳温度和渗层深度来确定渗碳时间的依据。式中，d——渗碳层的深度Ф——渗层深度因子，与渗碳温度具有一定的关系t——扩散进行的时间24主要是通过对碳的扩散系数和渗层表面碳浓度的影响来实现的。通常地，Mn、Cr、Mo能略微增加渗层的深度，而W、Ni、Si等则减小渗层的深度。⑷钢中合金元素对渗碳过程的影响凡是碳化物形成元素如Ti、Cr、Mo、W及含量大于1％的V、Nb等，都增加渗层表面碳浓度；凡是非碳化物形成元素如Si、Ni、Al等，都降低渗层表面碳浓度。①对表面碳浓度的影响②对渗层深度的影响25㈡渗碳工艺参数渗碳前渗碳中渗碳后除去表面油污、锈斑或其它脏物；对不需要渗碳的局部加以防护；零件在料盘内必须均匀放置。控制气氛的碳势、温度和时间，以保证技术条件规定的表面碳含量、渗层深度和较平缓的碳浓度梯度。根据炉型选取适当的热处理方式进行热处理，以获得预期的性能。26渗碳工艺参数气氛的碳势渗碳的温度渗碳的时间27从统计资料看，一般渗碳件的表面碳含量可在0.6～1.1％之间变化。⑴气氛碳势的选择与控制确定最佳表面含碳量的依据首先是获得最高的表面硬度其次是渗碳层具有最高的耐磨性和抗磨损疲劳性能与钢的成分密切相关渗碳层中具有适量的碳化物存在28渗碳零件表面碳含量低，淬火后低温回火所得到的硬度低，耐磨性差；零件表面含碳量过高，渗碳层出现大量块状或网状的碳化物，使脆性增加，易在承受冲击负荷时剥落;因此，表面层含碳量最好在0.85～1.05％范围内。29渗碳温度是渗碳工艺中最重要的一个因素，它影响着分解反应的平衡、碳的扩散、还影响着钢中的组织转变。由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度必须高于Ac3温度。⑵渗碳温度渗碳温度常用920～940℃，温度愈高，渗速愈快，渗层愈深。但温度过高会引起奥氏体晶粒长大，降低零件的力学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。30如δ＝0.3～0.6mm，可选为880±10℃；δ＝0.6～0.8mm，可选用900±10℃；δ＝0.8～1.2mm或以上，选用920±10℃。通常渗碳的温度的选择视要求的渗层深度确定：有的要求深层渗碳或缩短渗碳周期，可采用1030～1050℃；但必需采用细晶粒钢、高温渗碳钢、或渗碳后再经循环热处理细化晶粒。318287()660Tmmet式中，t——时间(h)T——温度(K)对几种常用渗碳温度的层深计算公式可简化为：870()0.457900()0.533925()0.635mmtmmtmmt℃，℃，℃，一般地，由于扩散缓慢，渗碳时间不需精确控制。渗层深度和渗碳温度确定后，所需的渗碳时间可根据Harris公式进行近似计算。⑶渗碳时间3233⑷工艺参数的综合选择由于各参数间相互影响较大，同时为了缩短渗碳的总时间，通常对各参数进行综合调节：升温阶段高速渗碳阶段扩散阶段预冷阶段采用低碳势在正常温度或更高温度下采用高于所需表面碳含量的碳势，时间较长在正常渗碳温度下采用与所需表面碳含量相等的碳势，时间较短使温度降到淬火温度，便于直接淬火处理。34㈢固体渗碳和液体渗碳简介固体渗碳是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至900～950℃，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。⑴固体渗碳固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与10%左右的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）的混合物。木炭提供渗碳所需要的活性碳原子，碳酸盐起催化作用。35而加入的催渗剂在高温下会发生分解，放出的CO2与木炭发生反应生成大量的CO，CO在钢件表面分解，从而提供活性碳原子。因渗碳箱中的氧气是有限的，因此通过2C+O2→2CO来获得CO的量是有限的。36固体渗碳的优缺点适用于各种零件，尤其是小批量生产可使用各种普通加热炉，设备费用低渗后慢冷，工件硬度低，利于切削加工不适于浅渗碳层零件生产；表面碳含量很难精确控制；渗碳后不能直接淬火；渗碳时间长，劳动条件差。优点缺点37⑵液体渗碳液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳。有氰化物的盐浴无氰化物的盐浴在无氰化物的盐浴中，渗碳的反应如下：加热介质为NaCl和KCl，催渗剂为Na2CO3，供碳介质为尿素和木炭粉38由液体渗碳的以上反应可以看出：①渗碳反应仍然是钢件表面的气相反应；②原材料虽然无毒，但反应的结果仍然使盐浴中含有约0.5％的NaCN；③盐浴还具有一定的渗氮功能。加热速度快生产效率高加热均匀便于直接淬火易腐蚀工件碳势调整幅度小且不易控制劳动条件差等等优点缺点39渗碳层的组织过共析组织(P+Fe3CⅡ)共析组织(P)过渡区亚共析组织(P+F)原始亚共析组织(F+P)上述组织显然不能满足要求。渗碳后必须进行热处理，即进行淬火和回火，对某些钢种还包括冷处理。㈣渗碳后的热处理40工件渗碳后热处理的目的提高渗层表面的强度、硬度和耐磨性消除网状渗碳体和减少残A提高心部的强度和韧性细化晶粒⑴渗碳后的淬火41原则上：过共析层的淬火温度应低于Accm亚共析层的淬火温度应高于Ac3渗碳零件的淬火温度选择如果Accm﹥Ac3，就很容易选择一个淬火温度来同时满足这两者的要求；如果Accm﹤Ac3，则很难两者同时兼顾，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、渗碳后零件的表面碳含量和所采用的淬火方法等，综合考虑而加以确定。要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求。42①直接淬火法直接淬火：是指工件渗碳后，随炉降温或出炉预冷到760－860℃后，直接淬火的热处理工艺。随炉降温或出炉预冷的目的预冷的温度要根据零件的要求和钢的Ar1而定。减少淬火内应力与变形使高碳A析出一部分K，降低A中的碳浓度，从而减少淬火后残A量，获得较高的表面硬度43减少加热和冷却的次数，提高生产效率，降低能耗及生产成本，还可减少零件变形及表面的氧化和脱碳。直接淬火的优点：适用于本质细晶粒钢制作的零件，不适用于本质粗晶粒钢制作的零件。另外，如果渗碳后表面碳浓度很高，则同样不适宜于采用直接淬火，因为预冷时碳化物一般沿奥氏体晶界呈网状析出，使脆性增大。直接淬火适用范围：44②重新加热淬火工件在渗碳后冷却到A完全转