工艺第5章 钢的化学热处理

第五章金属的化学热处理概述1、概念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。简单说是向钢的表面渗入某种元素的热处理工艺。注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。2、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。3、分类以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。命名方法见表。4、作用：强化表面：表面硬度，耐磨性，疲劳极限，多次冲击韧性的提高。如渗碳、渗氮等。保护工件表面：提高工件的物理化学性能，耐高温，耐腐蚀。如渗氮等。5、特点：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。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。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。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。5.1基本原理一、化学热处理的基本过程通过界面反应渗剂分解，产生被渗元素的活性原子；活性原子被表面吸附；活性原子由工件表面向内部扩散。例如：渗碳时：CH4＝2H2+[C]渗氮时：2NH3=3H2＋2[N]1、渗剂分解渗剂一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗剂，催化渗剂分解反应。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。例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠2232COONaCONa23COBaOBaCOCOCCO22][22CCOCO界面反应化学热处理时渗剂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22、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。1）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。2）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。扩散指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纯扩散指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。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。如渗碳。反应扩散指通过扩散使固溶体溶质组元的浓度超过固溶度极限而形成新相的过程。3、化学热处理的扩散过程渗层指在钢的表面渗入某种元素后，从表面向内保持该元素较高浓度的距离。（2）影响渗层深度的因素：20MnSi930℃渗碳10h后硬度32034036038040042044000.10.20.30.40.50.60.7离表面的距离mm显微硬度HV1）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2）渗层深度与温度的关系RTQeK22渗层深度与温度呈指数关系，因而温度对深度的影响，远比时间的影响强。3）表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。（3）扩散层的组织结构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。1、物理催渗法概念：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：A)高温化学热处理；B)高压或负压化学热处理；C)高频化学热处理；D)采用弹性振荡加速。二、加速化学热处理过程的途径2、化学催渗法概念：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。分类：A)卤化物催渗法；B）提高渗剂活性的催渗方法。5.2钢的渗碳一、渗碳的概述概念：向钢件表面渗入碳原子（元素）的工艺。目的：提高零件的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部保持良好的塑性与韧性。20MnSi930℃渗碳10h后硬度32034036038040042044000.10.20.30.40.50.60.7离表面的距离mm显微硬度HV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。渗碳的材料含碳量为0.1－0.25％的低碳钢或合金钢。如20、20CrMnTi、18CrMnTi等。二、评定渗碳质量的主要技术指标：1、渗碳层的碳浓度：0.85－1.05％。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，则很容易剥落影响使用寿命。渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求，渗层的碳浓度梯度应平衡下降。2）渗层深度：为了提高工件的疲劳强度，渗碳层的总浓度和工件断面之间有一个经验的比例关系：R)2.0~1.0(轴类m)3.0~2.0(齿轮t)3.0~2.0(薄片零件R－半径(mm)；m－模数(mm)；t－厚度(mm)。一般情况，小截面工件渗层深度不大于工件截面的20％；大截面工件渗层深度不大于2~3mm。三、渗碳方法1、固体渗碳（1）概念：将工件放入填充固体渗碳剂的密封箱中，在一定温度下加热保温进行渗碳的工艺。（2）固体渗碳剂组成主要由两类物质组成:提供活性碳原子的供碳剂（木炭、焦炭）催渗剂，如碳酸钡，碳酸钠（3）渗碳工艺渗碳温度：900～930℃；（含Ti、V、W、Mo的钢，950～980℃）。保温时间:每小时渗0.1mm;生产中常用试棒来检验渗碳效果，渗碳时间应通过试验进行修正。（4）特点优点：不需专门设备，工艺简单，适宜单件或小批量生产。缺点：加热时间长，生产率低，劳动条件差，渗碳层深度以及质量不易控制。零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱固体渗碳示意图2、液体渗碳（1）概念：工件在一定温度下的含碳活性盐浴中加热保温进行渗碳的工艺。（2）特点：优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后直接淬火；缺点：多数盐浴有毒。（3）渗碳液体组成由三部分物质组成:加热介质NaCl、BaCl2混合盐渗碳介质NaCN,KCN，“603”渗碳剂等（100目木炭粉，5％NaCl，10％KCl，15％Na2CO3，20％（NH2)2CO）催化剂碳酸盐Na2CO3、BaCO3基本化学反应：Na2CO3＋C→Na2O＋2CO2CO↔CO2＋[C]3[NH2]2CO+Na2CO3→Na2CNO+4NH3+2CO22NaCNO→2NaCN+Na2CO3+CO+2[N]渗碳温度一般为920～940℃，渗碳速度较快。3、气体渗碳（1）概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热和保温进行渗碳的工艺。（2）特点：操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件好。气体渗碳示意图（3）渗剂渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体（煤油，丙酮等），气体分解，析出活性碳原子，渗入工件表面。（4）分类可分为滴注法渗碳，吸热式气氛渗碳等。1）滴注式可控气氛渗碳：同时向炉内滴入两种有机液体，热裂分解为活性原子并渗入工件表面。一种液体（甲醇）产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体（如醋酸乙脂、煤油或丙酮）产生的气体碳势较高，作为富化气。通过改变两种液体的滴入比例，就可以控制碳势。2）吸热式气氛渗碳吸热式气氛指用天然气、城市煤气等，以一定比例与空气混合不完全燃烧，放出的热量不能维持正常反应，需要外部供给热量。大量生产中广泛应用吸热式气氛做稀释气体，同时通入富化气（如丙烷、丁烷等）。通过调节两种气体的相对量来控制渗碳炉内碳势，达到渗碳的质量要求。四、渗碳后的热处理工件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为获得理想的性能，需要进行热处理。1、直接淬火渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合于气体或液体渗碳，固体渗碳不适合。2、一次淬火法工件渗碳后随炉冷却到室温，然后再重新加热到淬火温度，经保温后淬火。3、两次淬火法将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。注意：淬火后需要进行低温回火。五、渗碳后的组织与性能1、渗碳后缓冷到室温下的组织表面过共析区：P＋Fe3CII；接近共析区：P；亚共析区（过渡区）：F＋P；心部：原始组织。共析区过共析区2、渗碳后淬火加低温回火后的组织：表面：回火马氏体加颗粒状碳化物；心部组织依据钢种来确定。若为低碳钢，淬透性差，为铁素体加珠光体；若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。亚共析区心部3、性能表面：具有较高的硬度、耐磨性以及疲劳强度；心部：具有良好的塑性与韧性。六、渗碳件的质量检查1、渗碳层的深度的检查（测定）常用随炉渗碳试样来判别。（1）断口分析法：将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断口呈白色瓷状，未渗碳部位为灰色纤维状，两层交界处的含碳量约为0.4％。为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光，4％硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直接用读数放大镜测出渗层深度。（2）金相分析法：退火态下测量。碳钢件：从表面测到过渡区的1/2处。合金钢：从表面到出现原始组织为止。（3）硬度法：国外有的国家规定：渗碳渗层深度为从表面向里到硬度HV550或HRC50处。2、硬度检查：根据技术要求和工艺规定的部位检查硬度。一般要求检查淬火及低温回火后的表面硬度和心部硬度。3、金相组织检查渗碳件淬火及回火后的金相组织检查，包括表层碳化物的数量，分布特征，马氏体粗细，残余奥氏体的含量，心部游离铁素体的数量大小分布状态。