化学热处理基本原理5-1.docVIP

5.1 化学热处理基本原理 化学热处理过程是一个比较复杂的过程。一般常把它看成由渗剂中的反应。渗剂中的扩散，渗剂与被渗金属表面的界面反应，被渗元素原子的扩散和扩散过程中相变等过程所构成。 如气体渗氮时，通人氨气与钢表面产生相界面反应 2NH3＝3H2十2［N] 产生活性氮原子，渗入钢件表面进行渗氮。 渗金属时也可以类似反应表示。 扩散是相界面反应产生的原子渗入金属表面后向钢件内部的迁移过程。 化学热处理过程有时可以只有扩散过程．例如用热浸法渗金属时，就是把工件浸在熔融的金属中，直接吸附金属原子并向内部扩散。 二：化学热处理渗剂及其在化学热处理过程中的化学反应机制 化学热处理的渗剂一般由含有欲渗元素的物质组成，有时还须按一定比例加入一种催渗剂，以便从渗剂中分解出含有被渗元素的活性物质。但不是所有含有被渗元素的物质均可作为渗剂，而作为渗剂的物质应该具有一定的活性。所谓渗剂的活性就是在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。例如普通气体渗氮就不能用N2作为渗氮剂，因为N2在普通渗氮温度不能分解出活性氮原子。 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，它仅是一种中间介质，本身不产生被渗无素的活性原子．例如因体渗碳时，除了炭粒以外，还尚须加碳酸钡和碳酸钠，这碳酸钡和碳酸钠就是催渗剂，碳酸钡和碳酸钠在渗碳前后没有变化，仅在渗碳过程中把炭粒变成活性物质CO. 化学热处理时分解出被渗元素的活性原子的化学反应有如下几类： 1． 分解反应 普通气体渗碳及气体渗氮都属于这一类。例如用甲烷渗碳CH4＝2H2十[C]2． 置换反应 例如渗金属时，常按下列反应进行MeCIx+Fe—→FeCl3+Me 在钢表面沉积出金属。 3． 还原反应 例如渗金属时有时按下列反应进行MeCIx+H2—→FeCl3+Me 不论何种反应，其分解出被渗元素的能力均可根据质量作用定律确定。根据质量作用定律，每一反应的平衡常数，在常压下，取决于温度。而当温度一定时，平衡常数也一定，则主要取决于参加反应物质的浓度(液态反应)或分压(气态反应)。因此，影响渗剂活性的因素首先是渗剂本身的性质，在渗剂一定条件下，则影响渗剂活性的因素是温度和分解反应前后参与反应物质的浓度或分压。 在第一章中已讲述了渗碳脱碳条件，气氛碳势愈高，渗碳能力愈强，活性愈高。当以CO作为渗碳剂时，随着CO的含量增加，渗碳能力增强。当含CO量一定时，随着温度的提高，渗碳能力降低．可以看出以甲烷作为渗碳剂时，随着甲烷的增加，渗碳能力增加。随着加热温度的提高，渗碳能力也提高。 甲烷含量很低时，其渗碳能力就很强。例如在900℃、甲烷含量为5％时，其碳势相当于渗碳体的碳浓度，而在同样温度一氧化碳含量要达到98％左右时，才能达到相当于渗碳体浓度的碳势。因此， 甲烷的活性很强，在渗碳时只能通人少量甲烷，否则碳势太高，分解出来的碳来不及被钢件表面吸收，则将在工件表面沉积碳黑，阻碍渗碳过程的进行。 三、化学热处理的吸附过程及其影响因素 化学热处理时，相界面反应是和金属表面对渗剂的吸附过程紧密相关的。一般固体表面对气相的吸附分成两类，即物理吸附和化学吸附。物理吸附是固体表面对气体分子的凝聚作用，吸附速度快，达到平衡也快。吸附大多数为多分子层，固体晶格与气体分子间没有电子的转移和化学键的生成。随着温度的升高，吸附在固体表面上的分子离开固体表面(即解吸现象)愈多。化学吸附则不同，它在吸附过程中的结合力类似化学键力，而且有明显选择性。化学吸附只能是单分子层，吸附的发生需要活化能，吸附速度随着温度的提高而增大。一般化学热处理的吸附过程随着温度的提高而增大。 吸附能力还和工件表面活性有关。所谓工件表面活性，也就是吸附和吸收被渗活性原子能力的大小。工件表面光洁度愈差，吸附和吸收被渗原子的表面愈大，活性愈大。工件表面愈新鲜，即工件表面既没有氧化也没有被沽污，则表面原子的自由键力场完全暴露，增加了捕获被渗元素气体分子的能力，因而增大了表面活性。目前化学热处理常采用卤化物作净化物，在化学热处理过程中靠其对工件表面的轻微侵蚀作用，除去工件表面氧化膜等沾污物，降低工作表面光洁度，以提高表面活性，促进化学热处理过程． 四、化学热处理的扩散过程 金属表面溶人被渗元素的原子后，表面该种元素的浓度增加。因而表面与内部存在着浓度差，要发生原子迁移现象，被渗元素的原子由浓度高处向低处迁移，即发生了扩散现象。 1． 纯扩散与反应扩散 在化学热处理中发生的扩散现象一般有下列几种： (1) 纯扩散 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