第五章 热扩渗.ppt

第五章 热 扩 渗 第一节 定义、条件和过程 定义：所谓热扩渗就是金属材料及热处理里讲的化学热处理，就是将金属工件防入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热、保温使介质中的活性原子被吸收、扩散渗入工件一定深度的表层，改变表层的化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺，叫热扩渗。 目的：就是为了提高材料表层的机械性能，具体来说，就是提高耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性。 热扩渗时要使某种元素渗入工件表面，必须具备两个条件： (1) 钢本身必须具有吸收渗入元素活性原子的能力，即该原子能溶入铁晶格中形成固溶体，在铁中有一定的溶解度，或与铁具有较强亲合力形成化合物。 (2) 渗入元素的原子必须是具有化学活性的活性原子，即它是从某种化学介质中分解出来的，或经离子转化形成的，这样的活性原子处于高能状态，它能克服钢件表面铁原子的结合力而渗入工件表面。 基本过程（形成机理）： (1) 将工件加热到一定温度，使之有利于溶入活性原子或形成化合物。 (2) 利用化合物分解或者离子转化得到渗入元素活性原子。 (3) 活性原子吸附在钢件表面，溶入钢件表层，并在保温过程中，由表层向内扩散，形成一定层深的扩散层。 扩散层的组织特征： 扩散层的相组成和化学成分由合金系的相图确定。注意一点：二元合金的渗层一般不会出现两相共存区（由相律决定的）。 第二节 热扩渗的分类 按照加热温度 高温910℃ 中温720-910℃ 低温720℃ 按照介质工作状态 气体热扩渗 液体热扩渗 固体热扩渗 第三节 气体热扩渗 一、气体渗碳 目的：是通过向工件表层渗入碳原子，从而使表层具 有高的含碳量，并经热处理后使表层具有高硬度、耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性。 设备：主要有井式渗碳炉和连续渗碳炉，小批量的生产使用井式渗碳炉，大批量的生产就使用连续炉。 CH4 [C]+2H2 2CO [C]+CO2 CO+H2 [C]+H2O 工艺参数： (1) 温度和时间 温度选择原则，即要使渗碳过程以较快的速度进行，从钢本身来说，渗碳温度下应该能容纳较多的碳原子，从活性碳原子来说，扩散速率应较快，渗碳温度就应该在较高温度下进行，900-950 ℃ 。时间由渗层深度决定，井式炉大约是0.2mm/h,一般0.8-1.2mm,4-6h. (2) 渗碳气氛（含碳量的控制) 气氛是通过控制碳势来控制的。因为不同渗碳剂产生活性碳原子的能力是不同的。碳势就是在给定温度下，钢件表面含碳量与炉中气氛达到动平衡时，钢件表面的实际含碳量。 渗碳用钢 低碳钢和低碳合金钢。含碳量过高会降低心部组织的塑性和韧性。 15，20，15Cr,20Cr, 20CrMnTi,20CrNiMo 渗碳后的热处理和组织性能 渗碳后，钢件表层含碳量可达到0.9-1.25%。 渗碳零件的一般工艺路线是： 下料-锻造-正火-机加（粗）-渗碳-淬火+低温回火-机加（精） 为了提高渗碳件的性能，渗碳后还要进行淬火并低温回火。 组织 表层：细小的片状回火马氏体及少量渗碳体，HRC58-62 心部：15，20，铁素体和珠光体HRC10-15，20CrMnTi低碳回火马氏体、铁素体、屈氏体HRC35-45。 应用：汽车、拖拉机发动机、变速齿轮。 二、气体氮化 定义：向钢的表面渗入氮原子，形成坚硬化合物层的过程称为氮化。 目的：是为了获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、红硬性和抗蚀性，与渗碳不同的是氮化是靠在表层形成氮化物来实现强化的。 氮化原理： 使用的渗剂是氨气。气体氮化时，将氨气通入加热到氮化温度的密闭氮化炉中，氨气（NH3）在450℃以上温度时与铁接触后分解：2NH3 3H2+2[N]。氮化温度一般选择在500-570℃进行，在此温度下铁素体对氮有一定的溶解能力，α-Fe吸收活性氮原子，先形成氮在α-Fe中的固溶体，当氮含量超过α-Fe的溶解度时，便形成氮化物Fe4N和Fe2N。所以氮化后组织由里及表依次为：Fe2N-Fe4N-α-Fe(N)-心部组织。 氮化层厚度一般在0.15-0.7mm范围内选择，氮化时间为10-100h. 特点： (1) 氮化件具有极高的硬度和耐磨性。由于在氮化后在表层形成极硬的氮化物，HV850以上，相当于HRC65-72,比渗碳淬火硬度高的多。因此氮化后无须进行淬火。 (2) 具有较高的红硬性，氮化物的高硬度可以保持到相当高的温度（600-650），而渗碳件则不同（硬度在300以上明显下降）。 (3) 抗腐蚀性好，氮化物结构致密，化学稳定性好，能耐自来水、大气和蒸汽、碱液的腐蚀，但是不耐硝酸腐蚀。 氮化处理、温