第五章 钢的化学热处理

第五章钢的化学热处理5.1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第十章钢的化学热处理10.1概述化学热处理的优点？能有效改善钢表面的成分、组织和性能不受工件形状限制第十章钢的化学热处理化学热处理基本过程三个过程：渗剂的分解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1、分解渗剂分解，析出活性渗入原子。如：2COCO2+[C]CH4[C]+2H22NH32[N]+3H2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、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。化学热处理基本过程溶吸附CCFeFe][溶解CCFe3Fe][吸附化合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。3、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第二定律化学热处理基本过程22xCDtCdxdcDJ－)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（2）扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）T1CmCminAT/℃Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距离化学热处理基本过程AnBmAnBm′α表面αAAnBm′αAAnBm′αAAnBmT1温度下扩散层组织变化过程5.2钢的渗碳基本思路：在Fe—C相图中，α-Fe中碳的最大溶解度0.02%，而γ-Fe中碳的最大溶解度达到2.11%，相差100倍，希望在高温下渗碳，低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。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、18Cr2Ni4WA5.2钢的渗碳5.2钢的渗碳（1）渗碳温度确定在奥氏体化温度范围内，920—930℃（促进扩散），小零件温度低些。（2）渗碳时间渗层深度δ=(802.6*t1/2)/10(3720/T)（3）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，不能有裂纹等二、渗碳主要工艺参数三、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5.2钢的渗碳淬火+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四、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5.2钢的渗碳理想渗层组织：隐针M+弥散细小Fe3C+少量均匀Ar1%CP+Fe3C0.2%CF+P少表面中心零件PP+F渗层厚度：一般0.5～2mm质量检查：渗层深度硬度金相组织五、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5.2钢的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5.3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5.3钢的氮化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5.3钢的氮化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,使心部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）氮化温度和时间确定氮化温度一般在480—570℃左右。5.3钢的氮化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。氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度渗碳与渗氮的工艺特点不需要20～50500～600渗氮需要3～9920～930渗碳处理后是否需要热处理处理时间(h)处理温度(℃)名称问题：试从工艺及强化机理及强化效果角度比较渗碳和渗氮工艺。10.3钢的氮化离子氮化炉离子氮化含氮气体在直流电场作用下，产生辉光放电作用，使氮离子化渗入金属表面10.3钢的氮化软氮化（低温氮碳共渗）在钢件表面渗入氮原子的同时还有少量碳原子渗入离子氮化炉渗硼超高硬度1400HV渗铝主要用于抗高温氧化和防腐复习思考题：1、20钢工件，渗碳热处理后空冷，随后进行正常的淬火、回火处理，试分析工件在渗碳空冷后及淬火回火后，由表面到心部的组织。2、试比较钢经渗碳和氮化后渗层的强化机理。3、氮化前需进行什么热处理，为什么？