第十二章-钢的化学热处理

1第12章钢的化学热处理热处理原理与工艺第12章钢的化学热处理2第12章钢的化学热处理导读学习本章要基本掌握化学热处理的基本原理，渗碳、渗氮的原理和工艺，包括固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳的基本原理和工艺。了解，碳氮共渗，渗金属等工艺方法，辉光放电离子热处理及真空渗碳等工艺方法。3第12章钢的化学热处理概述化学热处理：将金属制件放在特定的活性介质中，加热保温使一种或几种元素渗入它的表层，改变其表面的化学成分和组织，以达到改变表面性能，满足技术要求的热处理工艺总称。简单说是改变金属表面层的化学成分和性能的一种热处理工艺。目的：获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。（低碳钢和高速钢）化学热处理的分类：以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。命名方法见表。4第12章钢的化学热处理5第12章钢的化学热处理6第12章钢的化学热处理化学热处理作用：1、强化表面：表面硬度，耐磨性，疲劳极限，多次冲击韧性的提高。2、保护工件表面：提高工件的物理化学性能，耐高温，耐腐蚀。化学热处理的特点：1、最有效地改善钢件表面的化学成分，组织和性能，而且这种改善是由表面向心部逐渐过渡，渗层与基体的结合是牢固的。2、不受工件外形的限制，表面都可以获得分布均匀的渗层和淬硬层。3、经化学热处理后的工件大部分具有变形小，精度高，尺寸稳定性好等特点。4、大部分化学热处理，在提高表面机械性能的同时还可以提高表面的耐腐蚀性，抗氧化，减磨，抗咬合，耐热等。7第12章钢的化学热处理化学热处理发展：1、工艺方面：化学催渗，物理催渗，各种复合渗。2、装备及控制方面：对温度气氛严格控制与调节，处理过程的自动化，程序化，以及微机的使用。3、渗层组织的研究测试方面：测试手段的更新，电化学检测应力分析方法的应用等，对于研究和阐明化学热处理的基本原理，渗层的成分组织结构，强化机理，起到了很好的作用。4、减少环境污染方面：推行无毒新型渗剂，无公害化学热处理工艺等。8第12章钢的化学热处理5.1基本原理一、化学热处理的基本过程化学热处理是依靠渗入元素的原子向工件内部扩散进行的，通过化学渗剂的分解，产生活性原子，向工件内部扩散形成一定的渗层组织。过程复杂，主要由渗剂中的反应，扩散，界面反应，被渗元素的扩散，及扩散过程中的相变等过程组成。其中界面反应和被渗元素的扩散是主要过程。渗碳时：CH4＝2H2+[C]渗氮时：2NH3=3H2＋2[N]扩散是界面反应产生的原子渗入金属表面后想制件内部迁移过程，有时只有扩散。9第12章钢的化学热处理二、化学热处理渗剂及过程中化学反应渗剂一般由含有欲渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗剂，催化分解反应。渗剂必须具有一定活性。渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质。如渗碳时除炭粒外加碳酸钡或碳酸钠2232COONaCONa23COBaOBaCOCOCCO22][22CCOCO3222CONaCOONa32BaCOCOBaO界面反应冷却时10第12章钢的化学热处理化学热处理时分解出被渗元素活性原子的反应有1）分解反应：如普通气体渗碳、渗氮时；2）置换反应：渗金属时；3）还原反应：如渗金属时；中FeCHCH][234中FeNHNH][23233MeFeClFeMeClx3MeHClHMeClx211第12章钢的化学热处理渗碳时气氛碳势越高，渗碳能力越强，活性越高。甲烷的渗碳能力很强，比CO强得多，渗碳时只能通入少量的甲烷，否则工件上沉积碳黑。12第12章钢的化学热处理三、吸附过程及影响因素固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理吸附和化学吸附两类。物理吸附：没有电子转移和化学键生成的吸附现象。这种吸附能迅速达到平衡，并在较低温度下发生。温度升高时吸附量下降，温度下降时吸附量又增加。它们是完全可逆的。这种吸附不会使分子解离。化学吸附：当气体（吸附质）与金属表面（吸附剂）接触时二者以高速发生反应形成化学键，即发生电子交换，组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。化学吸附在低温时速度较小，随温度升高明显增大，这种吸附可以使分子解离。13第12章钢的化学热处理金属表面溶入被渗元素后，该元素浓度增加，形成浓度差，发生迁移现象。1、纯扩散与反应扩散钢的表面在吸收活性原子后，渗入元素的浓度大大提高，在表面和内部之间形成浓度差。在一定温度下原子向着浓度低的方向扩散，结果得到一定厚度的扩散层，扩散层中表面浓度最高，沿表面向里，浓度逐渐下降。渗入元素原子在母相金属中形成固溶体,在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。这样的扩散即纯扩散，常发生在化学热处理的初期，或渗剂的活性不足以形成饱和浓度的场合。如渗C。四、化学热处理的扩散过程14第12章钢的化学热处理渗入元素在钢中的扩散是采取与铁形成间隙式固溶体或置换固溶体方式进行。至于是形成置换式固溶体还是间隙式固溶体与化学热处理时渗入金属表面的原子的半径有关，C、N原子半径小，与铁形成间隙式固溶体。大多数金属与铁形成置换式固溶体。扩散速度比在间隙式固溶体中小得多。15第12章钢的化学热处理化学热处理中扩散时不稳定扩散。——浓度变化速率——在X方向上浓度梯度D——扩散系数当界面反应速度快，过程由扩散控制时，边界条件：X＝0，C=C0；τ＝0，C=0方程的解为：22XCDCCXC)]2(1[),(0DxerfCxC16第12章钢的化学热处理由上式得出：1）渗层深度与扩散时间的关系说明渗层深度δ与时间t呈抛物线关系，即延长化学热处理时间，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低，随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。12K17第12章钢的化学热处理2）渗层深度与温度的关系渗层深度与温度呈指数关系，因而温度对深度的一些，远比时间的影响强。3）表面浓度C0愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。RTQeK2218第12章钢的化学热处理当过程由界面反应和扩散共同控制的混合控制型时当渗入原子的浓度超过极限溶解度，将会有第二相形成，新相可能是固溶体，也可能是化合物，这种通过扩散引起新相生成的现象叫反应扩散，如渗N。如图为铁的渗铬过程，是反应扩散（形成新固溶体）DhDxerfcDhhxDxerfcCCCC2exp220019第12章钢的化学热处理带来相变的扩散和反应扩散当渗剂的活性高，与之平衡的渗入元素的浓度大于该温度下的饱和极限时，可能出现相变(由溶解度较低的固溶体转变成溶解度较高的固溶体)，或者出现新相，如渗碳时形成渗碳体；20第12章钢的化学热处理21第12章钢的化学热处理22第12章钢的化学热处理影响渗入元素在钢中扩散的因素温度、含碳量、合金元素、晶体结构缺陷。A)温度是影响扩散的主要因素：由扩散第一定律：J－扩散物质的数量D－扩散系数－扩散层的深度梯度由扩散第一定律可知，扩散物质的数量与扩散系数和扩散层的浓度梯度成正比，而扩散系数D又与温度和扩散激活能有关。dxdcDJdxdc23第12章钢的化学热处理D0－扩散常数ED－扩散激活T－绝对温度R－气体常数D0、ED与温度无关，只取决于扩散物质的本性。它是衡量扩散能力的重要物理量。如果D0、ED一定，则扩散系数随温度升高呈指数增加，温度升高，可以显著增加扩散速度。RTEDeDD024第12章钢的化学热处理Me对扩散的影响：对渗C来说，Me对碳扩散的定性规律是：强碳化物形成元素（Cr、W、Mo）使扩散激活能增加，抑制碳的扩散。非碳化物形成元素（Co、Ni）降低扩散激活能促进碳的扩散。对含有碳化物形成元素的合金钢渗碳时，Me影响一方面碳化物形成元素提高了扩散激活能，阻碍碳的扩散。另一方面碳化物元素形成碳化物，使钢表面碳浓度提高，增加了碳浓度梯度。实践证明，含Mn、Cr、Mo的合金钢往往促进钢的渗碳。25第12章钢的化学热处理2、扩散层的组织结构化学热处理时，扩散层的组织结构可以根据基体金属与渗入元素的合金状态图及扩散条件来确定。渗B为例子，从表面到心部的渗层结构为；γ→β→α，中间无双相区，原因是F=C-P+1P=2时，将使F=0，因此不能出现双相区。缓冷时，各相均有溶解度变化，相应出现双相区。26第12章钢的化学热处理27第12章钢的化学热处理过程一般持续时间较长，耗费大量能源，因此如何加速是多年来的研究方向。1、分段控制应用广泛。例如：气体渗碳和渗氮常分两段或三段进行控制。第一阶段，提高浓度梯度为主。第二阶段以加速扩散为主。在连续气体渗碳炉中，采用分区控制炉气和炉温的方法来协调整个渗碳过程，以保证渗碳质量和达到加速渗碳的目的。五、加速化学热处理过程的途径28第12章钢的化学热处理2、物理催渗是利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（等离子场、真空、高频、电磁场等），加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等。基本方法有以下几种：A)高温化学热处理：提高加热温度来促进化学热处理过程。但温度提高不是随意的。B)高压或负压化学热处理：适用于气体介质，高压是指气压大于一般大气压，负压是指具有一定真空度的化学热处理。29第12章钢的化学热处理C)高频化学热处理：高频加热的化学热处理。无论渗碳还是渗氮，高频加热均能显著加速其过程。D)采用弹性振荡加速：热处理时施加弹性振荡（声频，超声频）来加速化学热处理过程。3、化学催渗是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解，去除表面钝化膜，改善工件表面活化状态，以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。从而提高渗入能力30第12章钢的化学热处理A)卤化物催渗法：与渗剂同时加入氟、氯等化合物。可以活化工件表面。如渗金属时常用金属的卤化物作为渗剂。或气体渗氮时加入氯化铵或四氯化碳，渗氮时分解出氯化氢或氯气，破坏工件表面的氧化膜。B）提高渗剂活性的催渗方法：固体渗碳时炭粒中渗入4％BaCO3和15％Na2CO3，则显著提高渗剂的活性。31第12章钢的化学热处理5.2钢的渗碳一、渗碳的目的、分类及应用渗碳：为了增加钢件表层的含碳量和保持一定碳浓度梯度，钢件在渗碳活性介质中加热保温，使碳原子渗入表面的热处理工艺。渗碳的目的：使零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。渗碳的分类：按渗碳介质状态不同：分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳，以气体渗碳应用最广泛。32第12章钢的化学热处理渗碳钢选择：0.1－0.25％C，以保证工件心部具有足够的强度韧性。如含碳量低，心部强度不够。含碳量高，韧性达不到要求。重要的渗碳零件为提高淬透性改善渗层质量，可采用合金渗碳钢20CrMnTi、18CrMnTi33第12章钢的化学热处理评定渗碳质量的主要技术指标：1）渗层的碳浓度：0.85－1.05％C。碳浓度低，则耐磨性不够，疲劳强度较低；碳浓度过高渗层变脆，出现网状或块状碳化物；渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求；2）渗层深度：为了提高工件的疲劳强度，渗碳层的总厚度和工件断面之间有一个经验的比例关系：轴类：R－半径(mm)齿轮：m－模数(mm)薄片零件：t－厚度(mm)小截面件深度不大于工件截面的20％大工件2~3mm。m)20.0~15.0(t)3.0~2.0(R)2.0~1.0(34第12章钢的化学热处理3）碳浓度梯度平缓的浓度梯度。较宽的过渡层使渗层与心部具有良好的结合在工作过程中不因受重负荷而崩裂。4）温度选择渗碳温度高低．直接影响碳在奥氏体中的溶解度、扩散速度以及活性碳原子的供应情况。35第12章钢的化学热处理36第12章钢的化学热处理5）渗碳时间37第12章钢的化学热处理（A)固体渗碳将工件放入填