第五章金属的化学热处理12

第五章：金属的化学热处理第一节：化学热处理基本原理第二节：钢的渗碳第三节：钢的渗氮第四节：钢的碳氮共渗与氮碳共渗第五节：钢的渗硼及渗金属第六节：辉光放电离子化学热处理例1：机械中常见的齿轮，要求表面硬而耐磨，有良好的接触疲劳性能，同时心部具有一定的韧性。若选择低碳钢制造，必须进行表面渗碳，通过渗碳淬火处理后，表层达到所需要性能，心部有一定韧性等。例2：一些要求变形小、表面硬度高零件，采用其它方法不能实现，若采用气体氮化，提高表面硬度，减少零件变形等。定义：将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表面，从而改变工件表面层的化学成分、组织和性能，这种热处理工艺称为化学热处理。分类：1、渗入非金属元素；2、渗入金属元素；3、金属与非金属元素共渗；第一节：化学热处理基本原理一、化学热处理的基本过程二、渗剂的反应与热力学三、渗剂中扩散四、相界面反应五、工件内的扩散过程六、加速化学热处理过程的途径一、化学热处理的基本过程渗剂元素渗入工件大致可分为四个过程：●活性原子的产生过程（渗剂中的反应）；●活性原子的外扩散过程；●相界面的反应：渗入元素中活性原子吸附于工件表面，被吸附的活性原子与工件表面原子发生吸附与解吸附反应；●金属工件内的扩散：渗入元素原子从工件表面向内部扩散。二、渗剂的反应与热力学1、渗剂反应：（1）分解反应：普通气体渗碳及气体渗氮都属于这一类，如：CnH2nnH2+n[C]（2）置换反应：如渗金属时有如下反应3SiCl4+4Fe4FeCl3+3[Si]（3）还原反应：如：TiCl4+2H24HCl+4[Ti]在化学热处理时，渗剂往往是由几种原料配制而成，在加热后渗剂之间，渗剂与工件表面之间将发生复杂的物理化学反应。2、渗剂反应的热力学通过化学反应的热力学计算（1）预测某一温度下所进行的化学反应；（2）为获得某种渗入元素活性原子所需要的最低温度。由于渗剂反应基本是在恒温恒压下进行的，因此可以用自由能增量作为化学反应方向判据。根据△GT=0可以粗略的确定反应的起始温度。△GT﹤0，则反应可能进行；△GT﹥0则反应不能进行。如:气相沉积时有如下反应TiCl4＋CH4TiC＋4HClTiCl4＋N2＋H2TiN＋4HCl根据△GT=0可以粗略的确定反应的起始温度：TTiC=1100K(827℃)TTiN=1050K(777℃)实际上有：△GT＜-41.84KJk---A------R---exp()0.4321lglg()12[]aaEEkARTEkATaAbBcCdD平衡常数；频率因子活化能；气体常数[]cdCDabABPPkPP3渗剂的活性（浓度）可根据渗剂间或渗剂与基体金属间的化学反应来判断三、渗剂中扩散（外扩散）流体介质（气体或液体）流经固体表面时，由于固体表面的阻滞作用使流体流速减缓，在表面附近的一定距离内，将出现一个流动方向与表面基本保持平行的层流层，称为“界面层”。出现了外扩散。流体在界面层中的流速也不均，贴近固体表面处流速接近零，随距表面距离的增加流速逐渐增大。△界面层厚度；κ常数；η粘滞系数；υ流速=()=()biibibFickdmdaDAddxaaADDAaaADdmaad由第一定律可知：令则定量分析：设渗剂中活性组员浓度为ab，工件表面活性浓度为ai，若在τ时刻内通过面积为A的边界层物质为m，那么：由式可见：减少Δ或提高ab可加速外扩散过程Δabai金属表面存在大量缺陷：如割阶、空位、增殖原子四、相界面反应（活性原子被工件吸附过程）活性原子在金属表面的吸附能降低表面能活性原子被工件表面吸附是自发过程一般固体表面对气相的吸附可分成两类：物理吸附化学吸附●物理吸附：固体表面对气相的凝聚作用，吸附速度快，达到平衡也快。随着温度升高，吸附在固体表面上分子离开固体表面越多。●化学吸附：在吸附过程中结合力类似化学键力，具有明显的选择性。吸附速度随温度升高而增大。■吸附能力和工件表面的状况有很大的关系，一般有：（1）工件表面光洁度越差吸附和吸收被渗原子能力越大，活性越大；（2）工件表面清洁，提高表面活性。五、化学热处理的扩散过程工件吸附渗入元素活性原子后，随着浓度增加，在表层和内部存在浓度梯度，渗入元素原子由浓度高处向低处迁移，这种原子迁移现象称为扩散。在化学热处理过程中，所发生的扩散现象有纯扩散、相变扩散或反应扩散。1、纯扩散定义：渗入元素原子在基体金属中形成连续固溶体，在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解的扩散过程。22000002Cx=0x=00C=Cx=C=Cx=(,)C[1()]CC2ssCCDxCCCCxxerfDCxkD2exp()QxART（层深与时间关系，抛物线）（层深与温度关系，指数）●描述纯扩散宏观规律可用Fick第二定律：2、反应扩散定义：原子渗入基体金属后，在扩散温度下，随着渗入元素原子在表面浓度的增加，伴随着形成新相扩散称为反应扩散。●反应扩散只在有限固溶的合金系中才能发生。新相的形成过程一般有三种情况：（1）发生相变：即由溶解度较低的固溶体转变成溶解度较高的固溶体。（2）在扩散温度下，基体金属表面与介质直接发生化学反应，在表面形成极薄的化合物层，新相形成需要通过化合物层，其长大速度取决于渗入元素在化合物中扩散及在邻相中扩散。（3）合金钢渗碳或铁中同时渗入碳、氮元素扩散过程。■发生相变：即由溶解度较低的固溶体转变成溶解度较高的固溶体。以纯铁渗铬为例。在1050℃进行渗铬08001000120013001400离表面距离温度（℃）cbaγacba'''α＋γα＋γ5101520Cr%Fe-Cr二元状态图及渗层Cr浓度分布曲线温度离表面距离表面X1X20AB%XtγβαγβαccccⅡⅠ4321Co反应扩散时相界面的移动六、加速化学热处理过程的途径●物理催渗法：利用改变温度、压力，或者利用电场、磁场及辐射，或者利用机械的弹塑性变形及弹性振动等物理方法来加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力。常见的物理催渗方法有：（1）高温化学热处理；（2）高压或负压化学热处理；（3）强磁场化学热处理●化学催渗法：在渗剂中加入一种或几种化学物质，促进渗剂的分解，去除工件表面氧化膜等阻止渗入元素原子吸附和吸收的物质，活化工件表面。常用的方法有：（1）卤化物催渗法a）作为渗入元素携带者；b）活化工件表面；（2）稀土元素催渗法a）净化表面；b）有可能渗入表面；c）加速界面反应；第二节：钢的渗碳一、渗碳的目的、分类和应用二、滴注式可控气氛渗碳与吸热式气氛渗碳工艺三、渗碳后的热处理四、渗碳后质量检验五、渗碳后组织和性能的关系六、渗碳缺陷及控制一、渗碳的目的、分类和应用●定义：为了增加工件表层的含碳量及一定的碳浓度梯度，将工件放置在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。●目的：使机器零件获得高的表面硬度及耐磨性、高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，心部仍保持足够的强度和韧性。●分类根据渗碳剂在渗碳过程中聚集状态可将渗碳方法分为四类：（1）固体渗碳法；（2）液体渗碳法；（3）气体渗碳法；（4）特殊渗碳法。●固体渗碳法■温度：900~950℃■方法：装箱法。将渗碳剂及工件装入密封的箱内。■特点：◎操作简单，设备简易，适合于单件及小批量生产◎但渗剂导热性不良，加热时间长，人工操作劳动强度大◎表面碳浓度及渗层不易控制●液体渗碳法◆概念：在能析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳方法◆特点：优点：操作简单，加热速度快，渗碳时间短，便于渗后直接淬火，适合小批量生产。缺点：盐浴有毒◆盐浴组成：加热介质：NaCI、BaCI、KCI组成混合盐提供活性原子物质：NaCN;KCN;(NH2)2CO催化剂：碳酸盐◆温度：920~940℃●气体渗碳法◆概念：工件在气体介质中进行渗碳工艺称之。◆分类：◎滴注式气体渗碳法用有机物液体直接滴入渗碳炉内的渗碳方法。煤油、丙酮、苯、甲苯、异丙醇、乙酸乙酯等◎吸热式气体渗碳◎氮基气氛渗碳●真空渗碳特点：◆可在较高温度（980~1100℃）下进行，真空对工件表面有净化作用，有利于碳原子吸附，真空渗碳可加速渗碳过程。◆表面不脱碳，不产生晶界氧化，有利于提高零件疲劳强度。◆可直接将渗剂（甲烷、丙烷或天然气）通入炉内，无需添置气体制备设备。◆对于不通孔、深孔、狭缝的零件，或者不锈钢、含硅钢等用普通气体渗碳法难以渗碳的零件，真空渗碳可获得良好的渗碳层。◆耗气量仅为普通气体渗碳的几分之一或十几分之一。◆对环境基本无污染。◆缺点：易产生炭黑0时间/min温度℃气体渗碳空真渗碳细化晶粒气冷油淬火油淬火加热渗碳降温均温120480160220A150约500真空渗碳与普通气体渗碳工艺参数比较●渗碳用钢（1）含碳量一般在0.15～0.25％之间，为了提高心部强度，可以提高到0.3％；（2）对于要求不高的渗碳件多采用碳素钢；（3）对于工件截面尺寸大、形状复杂、表面耐磨性、疲劳强度、心部机械性能要求较高的零件多采用合金钢；（4）钢中主要合金元素有：Cr、Ni、Mn、W、Mo、Ti、V、B等；其中Cr、Ni、Mn、B提高淬透性，W、Mo、Ti、V阻止晶粒长大。（5）常见渗碳钢有：20、20CrMnTi、20Cr、20CrMnMo、20Cr2Ni4、30CrMnTi等；（6）对于非渗碳部位，采用镀铜或预留加工余量、渗碳后切削掉及刷防渗涂料等方法。二、可控气氛渗碳1、可控气氛渗碳概念◆传统渗碳采用煤油、焦苯。易引起碳黑、焦油。造成层深不够、碳浓度不均匀◆碳势概念：纯铁在一定的加热温度下在炉中加热时达到既不脱碳也不增碳，与炉气保持平衡时表面含碳量。炉气碳势越高，饱和碳的能力越强。◆实际碳势曲线：直接测定方法：厚度小于0.2mm钢箔片，加热到一定温度停留0.5~1h，使箔片被碳穿透之后，并与气氛平衡之后迅速冷却，进行化学成分分析。获得炉内碳势。稀释气体：甲醇、乙醇富化气煤油、丙酮、苯、甲苯、异丙醇、乙酸乙酯等2、滴注式可控气氛渗碳◆滴注式可控气氛渗碳采用同时滴入两种有机液体●滴注式渗剂的选择原则：◆应具有较大的产气量（产气量越高越好）◆碳氧比应大于1（碳氧比愈大，渗碳能力愈强）◆碳当量：指产生1摩尔碳所需物质的重量（碳当量愈大，渗碳能力愈弱）◆气氛中CO和H2成分稳定性◆考虑原料价格和来源3、吸热式气氛渗碳（1）气氛：◆吸收式气氛加富化气的混合气进行渗碳，通过调整富化气的流量调节炉气碳势。◆常用富化气：甲烷、丙烷（2）设备：一般适用于大批生产的连续作业炉（a）连续式渗碳在贯通式炉内进行（b）渗碳时要注意的事项4、氮基气氛渗碳◆原理：以纯氮做为载气，添加碳氢化合物进行气体渗碳工艺方法。◆介绍两种渗碳气氛（1）氮－甲醇渗碳（2）N2＋CH4+CO2（或空气）5、可控气氛渗碳工艺优化根据渗碳目的是在工件表面获得一定的表面碳浓度、一定的碳浓度梯度及一定的层深，因此选择渗碳工艺规范的原则是如何以最快速度，最经济的效果获得合格要求渗碳层。●可控气氛渗碳工艺参数包括◆渗剂类型及单位时间消耗量◆渗碳温度◆渗碳时间（1）渗碳过程中碳浓度梯度变化决定因素：（a）炉气碳势（b）钢表面的界面反应速度（c）渗碳温度（d）渗碳时间（e）钢中合金元素22000[]exp()[]22h=/DC----xpCCxxerfchxhhDterfchDtCCDtDtCp式中：渗层处的碳浓度；D---C在相中扩散系数---传输系数（cm/s）；C炉气碳势钢原始含碳量212d---k---/[1exp()()]pssCDdktttCCerfDDC、渗碳温度（T）:900--950、渗碳时间（t）式中：渗碳深度；速度因子t--渗碳时间；--碳传递系数3、碳势为该温度下相中饱和碳浓度（2）渗碳工艺及优化（2）渗碳工艺优化：可用计算机模拟，设计最优渗碳工艺。●加速渗碳过程方法：一是加速界面反应，提高供碳速度，包括提高炉