12 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一、化学热处理基本过程三个过程：渗剂的分解（产生活性原子）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预备阶段：气氛的形成吸附一、化学热处理基本过程预备阶段——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预备阶段——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]+CO2Fe＋CO气体→Fe·CO吸附CO气体分子Fe原子CO2Fe原子[C]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。1、基本过程——分解反应此过程渗剂进一步分解，析出活性渗入原子。如：2CO[C]+CO2CH4[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。2、基本过程——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3、基本过程——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（2）扩散层形成规律a、纯扩散金属中渗入某种元素时，它们之间形成固溶体，随扩散进行，只有固溶体浓度变化，而无晶体结构的改变。γαT℃CFeC0CS950C%至表面距离表面C0τ1τ2τ3CSA（2）扩散层形成规律T1CmCminAT/℃Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距离AnBmAnBm′α表面αAAnBm′αAAnBm′αAAnBmT1温度下扩散层组织变化过程b、反应扩散（渗剂B向金属A扩散为例）当渗入元素浓度超过溶解度极限，会有新相形成。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′+αAAnBmαT1CmCminAT/℃CmaxAnBmAnBm′α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10.2钢的渗碳把零件放在具有增碳活性的介质中加热保温，以增加工件表面含碳量的热处理工艺。问题：在什么状态下渗碳？A还是F？基本思路：在Fe—C相图中，α-Fe中碳的最大溶解度0.0218%，而γ-Fe中碳的最大溶解度达到2.11%，所以在高温下，A状态下渗碳，可以获得高的表面含碳量。渗后低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。问题：什么钢需要渗碳？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、18Cr2Ni4WA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。主反应问题：如何控制渗碳能力？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（2）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。碳势决定了渗碳件表面可达到的含碳量碳势越高，渗碳能力越强，碳势要和工件表面吸碳能力配合，一般采用分段控制。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，可控制碳势问题：如何控制渗碳时钢表面碳含量（碳势）？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℃）K=0.03176渗碳主反应：2CO→[C]+CO2问题：为何通过控制CO和CO2的比例可控制碳势？通常渗碳气体均为混合气体CO,CO2,H2,CH4,H2O，这时的碳势又如何控制？渗碳主反应：2CO→[C]+CO2（1）CH4→[C]+2H2（2）CO+H2→[C]+H2O（3）2CO→2[C]+O2（4）渗碳气体CO、CH4增加时，平衡右移，分解出的[C]增加，使气氛碳势增加；脱碳气体CO2、H2O或O2增加时，分解出的[C]减少，使气氛碳势下降；为了控制气氛碳势，需研究上述反应平衡情况。渗碳主反应：2CO→[C]+CO2（1）CH4→[C]+2H2（2）CO+H2→[C]+H2O（3）CO→[C]+1/2O2（4）上述反应并不孤立，如（1）（3）式中都有CO，则CO含量必须能同时满足（1）（3）的平衡，可将二式联立：（1）－（3）得：CO+H2O→CO2+H2（2）－（1）得：CH4+CO2→2CO+2H2（2）－（3）得：CH4+H2O→2CO+3H2（3）＋（4）得：2CO+H2→2[C]+H2O+1/2O2这些反应之间存在着相互联系和制约，但正常的渗碳气体中，CO和H2的含量基本上是定值，剩余的CO2，H2O,CH4和O2含量之间有一定制约关系。CO2与H2O制约CO2与CH4CH4与H2OH2O与O2由此可知，在原料气组分稳定的情况下，CO为定值，再控制CO2,H2O,CH4和O2中的任何一种气体的相对含量，便可控制上述反应达到某一平衡点，从而实现控制气氛碳势的目的。一般控制CO2或H2O。CH4+CO2→2CO+2H2CH4+H2O→2CO+3H2如CH4的含量增加时，CO2和H2O会迅速减少，反应为：如O2的含量增加时，CO2和H2O会迅速增多，反应为：2H2+O2→2H2O2CO+O2→2CO2（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，不能有裂纹等三、渗碳主要工艺参数四、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：减少淬火变形降低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淬火+低温回火。（3）二次淬火法渗碳缓冷后进行两次淬火处理第一次淬火：AC3+30～50℃保证心部性能第二次淬火：AC1~ACCm之间硬化表面隐针M＋碳化物颗粒＋少量AR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：高低理想渗层组织：隐针M+弥散细小Fe3C+少量均匀Ar渗层厚度：一般0.8～2mm质量检查：渗层深度硬度金相组织七、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（T590℃）：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吸收氮[N]→α①②AlNMoNMo2NCrNCr2N④→ε③→γ′氮化层组织从表面至心部的金相组织为：表面:回火索氏体+ε氮化物（一般要磨削去除、脆性大、不可用）氮化层:回火索氏体+α、γ’氮化物（工作层）心部:回火索氏体注：钢的氮化热处理可以有和马氏体一样的转变，但一般不这么用。4、氮化层强化机理氮化强化与渗碳强化区别渗碳强化:先渗碳后淬火获得相变高碳马氏体强化相氮化强化:合金氮化物的时效强化，氮化后无须热处理N化强化机理1）N和Me元素原子的偏聚形成G.P区，引起强烈畸变。2）过渡型氮化物的析出；3）稳定的合金氮化物具有弥散强化效果。强化效果与合金元素有很大关系，形成的合金氮化物越稳定，其强化效果越好，Al、Cr、Mo能强烈提高氮化层的硬度，氮化王牌钢38CrMoAlA氮化与渗碳如何保证零件心部韧性？渗碳：心部低碳＋渗后热处理氮化：渗前调质处理氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度二、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C三、气体氮化工艺氮化钢主要为中碳调质钢,有38CrMoAlA,40Cr等.氮化前热处理进行调质处理,获得回火索氏体组织。非氮化面的防护镀锡、涂料（水玻璃+石墨）氮化