钢的化学热处理

钢的化学热处理化学热处理的基本原理钢的渗碳钢的氮化钢的碳氮共渗其它化学热处理化学热处理是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，从而获得所需力学性能或化学性能的工艺总称。工业上有哪些应用？表面核心部性能要求不同的零件。解决那些问题？强化表面，保护零件表面。化学热处理的优点？有效改善钢表面的成分、组织和性能；不受工件形状限制。化学热处理方法---广泛使用的是渗入法：依据所渗入的元素，化学热处理分为渗碳、渗氮、渗铝、渗硼等如果同时渗入两种以上的元素，则谓共渗，如碳氮共渗、铬铝硅共渗等。最常用：渗碳、渗氮、碳氮共渗及氮碳共渗。钢中渗入的元素，可能溶于铁中形成固溶体（如渗碳），也可能与铁形成某种化合物（如渗硼），它们与基体金属间有相互作用。化学热处理的基本过程分解→吸收→扩散分解：渗剂的分解；吸收：零件表面对活性原子的吸收；扩散：活性原子从零件表面向内部扩散。如：2CO→CO2+[C]CH4→2H2+[C]2NH3→3H2+2[N]渗剂的分解:化学介质在高温下析出待渗的活性原子。影响分解反应速度的因素：反应的本身、温度、浓度、催化剂等加快分解反应：升高温度、加大反应物浓度、加入催渗剂吸收:析出的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。吸收必须进行得足够快，否则会因发生其它反应而失去活性。吸收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。Fe·[C]吸附→Fe·C溶3Fe·[C]吸附→Fe3C溶解化合扩散: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。化学热处理的速度取决于扩散速度。各元素在钢中扩散的方式：与铁形成间隙固溶体：C、N、B，易迁移置换固溶体：大多数金属，慢-高温扩散种类：纯扩散：溶解在金属中形成固溶体，只有浓度的变化而无晶体结构变化（初期）反应扩散：当渗入元素的浓度超过溶解度极限时，便会有第二相形成，这种通过扩散引起新相生成的过程叫～。活性原子扩散的规律：Fick第一定律：J=-DFick第二定律：扩散层厚度δ与T的关系：扩散层厚度δ与τ的关系：温度对扩散层厚度的影响大于时间。影响渗入元素原子在钢中扩散的因素：温度(起主要作用)、钢的含碳量、合金元素、晶体结构及缺陷。化学热处理的速度：控制因素—扩散（取决于其中速度最慢的那个过程）催化作用方法：若反应物浓度过低→增大反应物浓度，反应速度↗若工件表面碳饱和→提高温度，扩散速度增大，反应速度↗催化剂主要是改变了反应机理，使其沿着活化能最小的途径进行。举例：NH3的分解第一步：氨被催化剂吸附：NH气+2K→2K•(NH3)吸第二步：脱氢：2K•(NH3)吸→K•(NH)吸+K•2[H]吸第三步：固体催化剂表面析出活性原子：K•(NH)吸+K•2[H]吸→K•(N)吸+K•3[H]吸加速化学热处理的途径1）分段控制法：eg：气体渗碳的两段法：提高浓度梯度+加快扩散。气体氮化的三步法：提高浓度+加速扩散+退氮（减少脆性）2）复合渗处理：eg：碳、氮共渗，碳、氮、硼三元共渗…改变了渗入元素在钢中的吸收、溶解、扩散机制，加速扩散3）高温扩散：提高温度加速扩散4）应用新材料：eg：快速氮化钢，含有钛，可提高铁-氮系的共析温度5）化学催渗：渗剂中加入一定的化学药剂或触媒剂以加速分解或吸收过程6）物理催渗：eg:高频电场下的扩散。化学热处理进行的条件:1.渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力2.零件本身具有吸收渗入原子的能力,即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。分解、吸收、扩散三者的协调进行是确保化学热处理成功进行的关键。第二节钢的渗碳分类：根据渗碳剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。气体渗碳法的生产率高，渗碳过程容易控制，渗碳层质量好，且易实现机械化与自动化，故应用最广。定义：渗碳是将工件放在具有足够碳势的活性介质中加热到奥氏体状态并保温，使表层含碳量增高、进而导致零件的表面层和心部具有不同的碳浓度、不同组织和性能的化学热处理。基本思路：据Fe-C相图，α-Fe中碳的最大溶解度为0.021%，而γ-Fe中碳的最大溶解度为2.11%，因此，希望通过高温下渗碳、低温淬火，获得材料最高强度和最大表面硬度。渗碳用钢：低碳钢和低碳合金钢（碳含量为0.1-0.25%）低淬透性、低强度：15、20、25中等淬透性、中等强度：20Cr、20Mn2、20MnV高强度、淬透性：20CrMnTi、20CrMnMo超高强度：20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA.渗碳主要工艺参数：渗碳温度：奥氏体化温度范围内，920-930℃，小零件温度低些；渗碳时间：渗碳前处理：非渗碳表面-预保护（涂料、镀铜、留加工余量）；渗碳表面：清洁，不能有裂纹。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，使其转变为马氏体，才能获得较高硬度和耐磨性。即渗碳件的表面强化是通过马氏体转变得到强化的，因此，渗碳件渗碳后必须淬火—淬火+低温回火。直接淬火+低温回火一次淬火+低温回火二次淬火+低温回火减少残余奥氏体的热处理等温处理难点：淬火温度的选择，须同时满足表面和心部要求直接淬火一次淬火二次淬火AA3Acm淬火温度要兼顾表面高硬度和心部韧性的合理搭配.直接淬火：预冷目的：减少变形和开裂的倾向、降低奥氏体里的含碳量，进而降低淬火后的残余奥氏体量，提高表层硬度。20CrMnTi直接淬火工艺示意图优点：操作简单、成本低，生产率高。但：①在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大，影响淬火后工件的性能，故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况下；②预冷过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出，对工件淬火后的性能不利。用途：适用于本质细晶粒钢和耐磨性要求不太高和承载低的零件。如：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮一次淬火：渗碳缓冷后重新加热淬火。工件重新加热时奥氏体晶粒得以细化，提高钢的性能。适用于比较重要的零件，如高速柴油机齿轮等。二次淬火：渗碳缓冷后，先加热到Ac3以上油淬，使心部组织细化，消除表层网状渗碳体；然后再加热到Ac1以上油淬，最后在160～180℃进行回火。工件表面和心部组织被细化，力学性能较好。但工艺复杂，成本高；工件经反复加热冷却后易产生变形和开裂；渗碳层易发生部分脱碳、氧化。只适用于少数对性能要求特别高（即要求表面高耐磨性和心部高韧性的零件）的工件。预冷+淬火+冷处理（使马氏体转变充分）+低温回火（消除内应力）中合金钢(12Cr2ni4A,18Cr2Ni4WA)，为使渗碳层中的残余奥氏体分解，渗碳后淬火前进行一次高温回火减少残余奥氏体数量的热处理：P244图9-9，0.12C-1.5Cr-3.5Ni渗碳淬火后和冷处理后渗层的硬度分布。等温处理：目的：产生更大的表层残余压应力，进一步提高零件强度渗层组织：渗碳时的组织：奥氏体缓冷后的组织：过共析共析亚共析心部P+Fe3CⅡPP+FF+P少淬火后的组织：高碳M+Fe3C低碳M+F少量硬度：高低理想渗层组织：隐针M+弥散细小Fe3C+残余A少量渗碳层的组织（缓冷）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)渗碳后组织不均匀，而渗碳的目的是为了使表面获得高硬度和高耐磨性，因此，需进行渗后热处理，即淬火+回火，甚至冷处理。渗层深度：渗碳零件的主要技术指标之一；渗层深度定义：由渗层的表面至刚达到心部的垂直距离；表面至硬度为HV550或HRC50的最远一点的距离（有效渗层深度）（P244图9-10）；渗碳质量检查：化学分析法：化学分析或光谱分析法硬度测量法：表面至硬度为HV550或HRC50的最远一点的距离金相法：显微镜下过共析区、共析区和亚共析区厚度之和.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液态床渗碳气体渗碳示意图气体渗碳：井式炉滴注式气体渗碳工艺过程气体渗碳工艺过程：可分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)、降温冷却三个阶段。常用的液体介质：煤油、苯、甲苯、甲醇、乙醇和丙酮。使用时，采用滴入法将液体介质滴入高温的炉罐中，利用热分解获得活性碳原子。CH3OH→CO+2H2C2H5OH→[C]+CO+3H2CH3COCH3→2[C]+CO+3H2常用的气体介质：天然气、煤气、液化石油气。使用时，直接通入炉罐里。CH4→2H2+[C]2CO→CO2+[C]CO+H2→H2O+[C]良好的渗碳介质应具备下列条件：价格低廉，安全卫生，易于获取；具有较好的活性，既保证能获得较高的渗碳速度，同时不致使渗碳层碳浓度过高，而造成大量的过剩碳化物；产生的“碳黑”“焦炭”少。渗碳剂分解产物中如果含有较多的不饱和碳氢化合物易形成过多的碳黑附着在零件表面，使渗碳不均匀；附着在炉壁上，使炉罐导热性差，从而使渗碳速度降低，同时也增加清理时的麻烦。含硫量低。18CrMnTi钢汽车后桥主动伞齿轮渗碳工艺举例：固体渗碳：将钢件放在填充粒状渗碳剂的固体渗碳箱中加热至渗碳温度后保温，以进行渗碳的工艺渗碳剂：木炭催渗剂：少量碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）。优点：设备简单，工艺方便易行缺点：生产周期长，生产率低，劳动条件差，产品质量不宜保证。渗碳液体的组成加热介质：混合盐NaCl、BaCl2（850～950℃）渗碳介质：尿素和木炭粉催化剂：碳酸钠、碳酸钡，约占5～30%3(NH2)2CO+Na2CO3=2NaCNO+4NH3+2CO24NaNO3=2NaCN+Na2CO3+CO+2[N]2NaCNO+O2=NaCO3+CO+2[N]2CO=CO2+[C]优点：加热速度快，生产效率高，加热均匀；缺点：易腐蚀零件，劳动条件差。液体渗碳：在熔融的液体介质中进行渗碳渗碳热处理的常见缺陷：表面硬度偏低：表面脱碳（渗碳后没直接回火、渗后冷却和淬火前的再加热引起脱碳）、出现非马氏体组织（过高的表面碳含量、淬火冷速不够快或内氧化导致非马氏体组织的形成）、表面马氏体的回火抗力低（渗碳后表面存在过多的碳化物）。渗层深度不够或不均匀：渗碳时间过短引起渗层深度不够、炉气循环不良或温度不均匀引起渗层深度不均匀。金相组织不合格：渗层出现网状渗碳体或大块状碳化物、晶粒粗大、渗层残余奥氏体过多。渗层出现内氧化（P245图9-11b）；零件变形超差；心部硬度过高。渗碳后钢的机械性能：硬度和耐磨性：渗碳后淬火可显著提高钢件表面的硬度和耐磨性冲击韧性和断裂韧性：渗碳后冲击韧性和断裂韧性均降低，且渗层越深，两种性能降低得越明显（P246图9-12）。疲劳强度：渗碳可显著提高钢的疲劳强度。原因：①渗层的高强度有助于提高疲劳强度；②淬火时，表面的高碳马氏体发生转变的时间比心部晚，且比容比低碳马氏体的大，进一步增加了表面的残余压应力。增大的参与压应力可抵消外加载荷在表面引起的压应力，进而提高疲劳强度（图9-13、9-14）。渗碳大大改善了钢的机械性能，特别是使疲劳强度和耐磨性有显著提高。第四节钢的氮化定义:向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，通常也称为氮化一、氮化的应用及特点优点：（1）高的表面硬度及耐磨性含Al、Cr、Mo的氮化钢，HV1000～1100，相当于HRC65～72；到600℃仍可维持相当高的硬度（2）高的疲劳强度和抗腐蚀能力。由于渗氮后钢件表层比容增大，产生压应力，使疲劳强度↑；致密的耐蚀氮化物，使工件在水、过热的蒸气和碱性溶液中都很稳定。（3）氮化温度较低（常在500～600℃），且氮化后渗层直接获得高硬度，不必再淬火，避免了淬火引起的变形（适于精密零件的最终热处理）。（4）变形小且规律性强氮化温度低，零件心部无相变，且氮化后不需要任何热处理，故变形小；引起氮化零件变形的原因主要是氮化层体积膨胀，变形的规律性强。（5）较高的抗“咬卡”性能“咬卡”指由于短时间缺乏润滑并过热，相对运动