第12章 金属的化学热处理

第五章金属的化学热处理教学目的：了解化学热处理的目的、过程、原理、方法等教学内容：化学热处理的基本原理，钢的渗碳、渗氮。前言化学热处理：把金属制件放在特定的活性化学介质中加热，使金属表面吸收某些化学元素的原子，通过加热使原子自表面向内部扩散的过程。目的：改变金属表面的化学成分和性能，使同一种材料的心部和表面获得不同的组织和性能。特点：渗层不受工件形状的限制，使用性能不受原始成分的局限，可获得特殊的力学性能与物理化学性能。常用方法及应用范围：如表5-1渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硫、渗金属等。第一节化学热处理的基本原理一、化学热处理的基本过程相界面反应产生活性被渗原子、被渗原子在金属中的扩散、扩散中的相变等。相界面反应：例如渗碳时，CH4=2H2+[C]，产生活性碳原子。扩散：因表面至心部碳浓度梯度不同，而发生活性原子渗入金属表面后向钢件内部的迁移过程。相变：因在某一温度下超过固溶体的溶解度饱和极限所至。如A中碳浓度升高时，二次渗碳体析出。二、化学热处理渗剂及其反应机制渗剂：一般由含有欲渗元素的且具有一定活性（分解出被渗元素原子的能力）、在相界面反应中易分解出被渗元素的物质组成。有时需加入催渗剂。作用：保证在一定的温度范围内快速地、充分地、持久地提供渗入元素的活性原子。化学热处理渗剂应满足下列要求：1.要有足够的活性、持久性；2.要有良好的工艺性：制备、贮运、控制等。3.要有良好的安全性：无毒、不易爆炸、不腐蚀工件及设备、无公害等。渗剂的化学反应机理：分解出被渗元素的活性原子的化学反应有：1.分解反应：气体渗碳渗氮类，如用NH3渗氮NH3=3H2+2[N]2.置换反应：渗金属时的反应MeClx+FeMe+FeCl33.还原反应：渗金属时的反应MeClx+H2Me+HCl影响渗剂活性的因素：本性、温度、浓度。随着甲烷增加，渗碳能力提高；随着温度提高，渗碳能力增加。甲烷的活性强，只能少量通入。三、化学热处理的吸附过程及其影响因素化学吸附：被渗原子和金属原子发生电子交互作用，在吸附过程中的结合力类似化学键。例如：CO在钢表面的相界面反应是一种化学吸附。特点：有电子的转移和化学键的生成，有明显的选择性，只能是单分子层，吸附的发生需要活化能，吸附速度随着温度的提高而增大。物理吸附：固体表面对气体分子的凝聚作用，吸附速度快，随着温度升高，吸附在固体表面上的分子离开固体表面的越多。化学热处理的吸附过程随温度的提高而增大吸附能力与工件表面活性（吸附和吸收被渗活性原子的能力）有关。工件表面光洁度愈差、工件表面越新鲜，活性越大。四、化学热处理的扩散过程金属表面被渗入元素后，表面和内部存在浓度差，将发生原子的迁移扩散现象。1、纯扩散与反应扩散（1）纯扩散：定义：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。发生在化学热处理的初期，或渗剂活性不足以使渗入元素在工件表面达到钢中饱和浓度的场合。如一般碳钢的渗碳，930C，为碳在奥氏体中的扩散，而不发生相变。渗入元素的原子在金属中形成的固溶体有两种：C、N、B与铁形成间隙固溶体；Cr、Al、Si等渗入奥氏体中形成置换固溶体。应用扩散第二定律，可求解化学热处理进行一定时间时，离表面一定距离处的浓度，以及渗层深度与扩散时间、温度的关系等。（2）带来相变的扩散和反应扩散冷至室温时渗层组织结构：由表面至心部为？当渗剂的活性高时，可发生溶解度较低的固溶体转变成溶解度较高的固溶体的相变扩散。与渗剂平衡的浓度高于该温度固溶体的饱和极限时，由溶解度较低的固溶体转变成浓度更高的化合物——反应扩散。合金钢渗碳或在铁中同时进行渗入碳、氮二元素的扩散，当碳浓度超过该温度下碳在铁中的溶解度时，将析出碳化物。反应扩散时新相的长大速度取决于渗入元素在新相中的扩散、在相邻相中的扩散。分析知：每一相中都有浓度梯度，将发生扩散。为维持平衡，溶质原子通过相界面而扩散。相界面的移动方向和速度取决于溶质原子的扩散强度。2.扩散层的组织结构根据基体金属与渗入元素的合金状态图及扩散条件确定。在扩散温度时的渗层组织结构缓冷至室温时的渗层组织结构五、加速化学热处理过程的途径加速化学热处理基本过程的方法：1、物理催渗法：利用改变温度、气压，或利用电场、磁场，或利用变形等来加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，加速渗入元素的扩散。物理催渗法可提高扩散系数。方法：高温化学热处理、高压或负压化学热处理、高频化学热处理、采用弹性震荡加速化学热处理、热处理前的适当塑性变形。（1）高温化学热处理定义：提高化学热处理的加热温度，来促进化学热处理的过程。提高加热温度，将大大提高扩散系数D，所以将促进吸附和扩散，显著加速化学热处理的过程。提高温度受化学热处理的目的、过程性质、钢种、设备的限制；（2）高压或负压化学热处理只适于采用气体介质的化学热处理。提高炉内压力，会提高介质密度，因而将提高工件表面吸附能力，加速化学热处理的过程；且炉内废气才有可能从排气管排出。特点：压力高，设备需严格密封，所以使用受到限制。负压下的化学热处理为一定真空度的化学热处理。高频化学热处理：用高频加热的可显著加速渗碳或渗氮的过程。采用弹性震荡加速化学热处理：降低溶质原子的扩散激活能，提高扩散速度。热处理前的适当塑性变形：增加工件内晶体缺陷，可加速化学热处理的过程2、化学催渗法：在渗剂中加入化学试剂或物质，促进渗剂的分解过程，去除工件表面氧化膜，利用加入的物质与工件表面的化学作用，活化工件表面，提高渗入元素的渗入能力。化学催渗法可提高工件表面渗入元素的浓度。方法：卤化物催渗法：与渗剂同时加入卤化物，使渗入元素能有效地被工件表面吸附和吸收，促进了渗入过程。提高渗剂活性的催渗法：使工件表面浓度及渗层深度大为提高。结论：物理催渗法可提高扩散系数；化学催渗法可提高工件表面渗入元素的浓度。化学催渗法常和物理催渗法常结合使用。第二节钢的渗碳一、渗碳的目的、分类及应用定义：钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。目的：使工件表面获得高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。方法：固体渗碳法、液体渗碳法、气体渗碳法固体渗碳法：把工件、固体碳粒和催化剂装入密封箱内；渗碳温度900~930C，碳在单相奥氏体区扩散；温度越高，扩散速度越快。但温度过高，奥氏体晶粒要长大，渗碳箱寿命将缩短。渗碳温度、渗碳时间、渗层深度参考手册，试验修正。特点：古老，变形小，渗层均匀，广泛。液体渗碳法：在能析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳方法。加热速度快、加热均匀。渗碳盐浴由加热介质、活性碳原子提供物质、催渗剂三部分组成。多数有毒。渗碳温度为920~940C；渗碳速度快。渗层深度和时间的关系如表5-2气体渗碳法工件在气体介质中进行碳的渗入的方法。介质：煤油、丙酮、制备好的一定成分的气体。方法：滴注法渗碳、吸热式气氛渗碳、氮基气氛渗碳等。特点：发展迅速，自动化程度高，节能。渗碳的应用：承受磨损、交变接触应力或弯曲应力、冲击载荷的机械零件。如轴、齿轮、凸轮轴等。一般用于含碳0.1~0.3%的低碳钢、低碳合金钢。二、滴注式可控气氛渗碳工艺原理1、滴注式可控气氛渗碳原理原理：用两种有机液体同时滴入井式炉内，二者产生的碳势不同，改变两种液体的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求范围内。滴注式渗剂的选择原则：1）渗剂应有较大的产气量；2）碳氧比应大于1；3）尽量选择碳当量（产生一克分子碳所需该物质的重量）较小的物质作渗碳剂；4）气氛中CO和H2的成分稳定性要好。三、渗碳后的热处理1、直接淬火渗碳后预冷到一定温度，立即淬火，适用于气体或液体渗碳。淬火前的预冷可减少温差、应力、变形；预冷温度：稍高于心部成分的Ar3点，表面奥氏体含碳量高，淬火后残余奥氏体量多，硬度较低。优点：减少加热、冷却次数，减少变形及氧化脱碳。缺点：只有本质细晶粒钢才能采用直接淬火。2、一次加热淬火渗碳后缓冷，再次加热淬火。对心部强度要求较高的合金渗碳钢淬火加热温度应高于Ac3点，使心部晶粒细化，没有游离的铁素体，心部可获得高强度、硬度、塑性和韧性的较好配合。表面先共析碳化物溶入奥氏体，使淬火后的硬度稍低。对心部强度要求不高而表面要求有较高的硬度和耐磨性时，可选用稍高于Ac1的温度淬火。此时渗碳层先共析碳化物未溶解，奥氏体晶粒细化，硬度较高，耐磨性较好；心部仍有先共析铁素体，强度和硬度较低。为了兼顾表面渗碳层和心部的强度，可选用稍低于Ac3的温度淬火。适用于固体渗碳，本质粗晶粒钢的液体、气体渗碳工件等。3、两次淬火(渗碳缓冷后进行)第一次淬火加热温度在Ac3点以上，可细化心部组织，消除表面网状碳化物。第二次淬火加热温度在Ac1点以上，可细化渗碳层中马氏体晶粒，得隐晶马氏体、残余奥氏体、均匀分布的细粒状碳化物组织。特点：生产周期长，成本高，增加氧化、脱碳、变形缺陷。应用：仅应用于性能要求较高的零件。渗碳件在淬火后都要经过低温回火处理。五、渗碳后钢的组织与性能1、渗碳层的组织碳浓度：自表面的介质碳势所对应的浓度向心部逐渐降低组织：针状马氏体加残余奥氏体残余奥氏体：硬度：0.6%C时最高。20CrMnTi：920C渗碳后直接淬火，在离表面0.2mm处奥氏体中含碳量最高、残余奥氏体量最多、硬度最低。原因：强烈的析出合金渗碳体渗碳层淬火后的组织从表面到心部依次为：马氏体+残余奥氏体+碳化物→马氏体+残余奥氏体→马氏体→心部组织（完全淬透时为低碳马氏体）2、渗碳件的性能（1）渗碳层的组织结构与渗碳层的碳浓度分布、基体组织、渗层中第二相数量等有关渗碳层的碳浓度是先决条件，表面含碳量控制在0.9%左右，渗层碳浓度梯度平缓。渗层中的残余奥氏体比马氏体强度硬度低、塑性韧性高，既有利又有弊。表面碳化物为粒状时，可提高耐磨性和接触疲劳强度。（2）心部组织对渗碳件性能的影响合适的心部组织应为低碳马氏体、屈氏体、索氏体，不允许有大块状或多量的铁素体。（3）渗碳层与心部的匹配渗碳层的深度越深，承载接触应力越大。因为由接触应力引起的最大切应力发生于距离表面的一定深度处，渗层过浅将被剥落。渗碳件心部的硬度影响表面残余应力的分布，从而影响弯曲疲劳强度。心部硬度增加，表面残余压应力减小，渗件冲击韧性降低；心部硬度过低，承载时易出现心部屈服和渗层剥落。渗碳层的深度对渗碳件性能的影响：工件截面尺寸一定时，随着渗层的增大，表面残余应力、弯曲疲劳强度皆有极大值。六、渗碳缺陷及控制1.黑色组织：含铬、锰、硅的合金钢渗碳淬火后产生的“内氧化”现象。预防办法：密封好。补救：磨削、表面喷丸处理。2.反常组织：出现在沸腾钢中，淬火后易出现软点。补救：提高淬火温度、延长保温时间，使A均匀。3.粗大网状碳化物组织：高温淬火或正火补救。4.渗碳层深度不均匀：原因是带状组织、炉气不匀5.表层贫碳或脱碳：在碳势较高的渗碳介质中补渗。6.表面腐蚀和氧化等15钢渗碳后退火：表层为过共析组织（网状渗碳体+珠光体），由表向内，含碳量逐渐减少，铁素体增多。100X第三节金属的氮化定义：向金属表面渗入氮元素的工艺过程。性能：1.获得比渗碳更高的表面硬度（HRC72）、耐磨性、红硬性、抗咬合性和弯曲疲劳强度。2.氮化钢件表面能形成致密而化学稳定性较高的化合物Fe3N，故氮化可提高钢件的抗腐蚀性。3.氮化温度较低(500~570C)，且通常随炉冷却，致使变形小，应用广泛。特点：成本较高，渗氮工艺过程较长；渗层较薄（0.5mm），不能承受太大的接触应力；应用：钢、钛、钼等难溶金属及其合金。一、钢的渗氮原理1、铁—氮状态图：研究N化层组织、相结构、N浓度沿渗层分布的重要依据。相：N在-Fe中的间隙固溶体:含N的F。590C最大溶解度0.1%相：N在-Fe中的间隙固溶体。590C为共析温度，含氮量为2.35%相：可变成分的间隙相化合物。N=5.7~6.1%，680C以上溶于相中。相：含氮量很宽的化合物Fe2~3N,4.55~11%N共析转变温度650C：,——含氮的奥氏体共析转变温度590C：