哈工大热处理原理与工艺大作业-稀土化学热处理讲解.ppt

哈尔滨工业大学 2、对改善渗层组织性能的作用 稀土在化学热处理中的微合金化作用，可明显改善渗层性能。其作用具体表现如： 1、稀土渗C，化合物数量和位错密度增加，晶粒细化以及微量稀土的固溶强化作用提高金属硬度。 2、稀土渗B，共渗时所形成的单相渗层磨损时附加内应力小，较好地抑制了渗层中裂纹的产生和扩展，加之稀土在奥氏体晶界的偏聚抑制了B 沿奥氏体晶界的析出，使渗层不易产生开裂和剥落，从而提高耐磨性。 1、在化学热处理中加入稀土（稀土热处理）可提高渗碳速度、增加渗入深度、并减小工艺温度。 2、稀土化学热处理能更好的改善表面层的微观组织、提高渗层综合力学性能。 3、稀土的加入量与化学热处理获得的组织和性能有很大的联系，过多过少都会改变其性能。 2.1 什么是稀土化学热处理 稀土化学热处理，是将工件置于含有稀土物质的介质中加热，使稀土和相应的元素共同渗入工件表层，改变表面化学成分和组织，从而改变其性能的热处理工艺。 稀土化学热处理与普通化学热处理主要区别是稀土化学热处理的渗入元素包括稀土元素。稀土化学热处理可以理解为一种特殊的化学热处理。 2.2 化学热处理基本过程 (1) 介质中的化学反应：在处理温度下，气、液或固态渗剂(介质)中发生化学反应，生成欲渗元素的活性原子； (2) 界面层中的外扩散：紧靠金属表面处的介质中，交换反应物与反应生成物所进行的扩散； (3) 表面吸附和界面反应：“介质中某些反应生成物”(诸如欲渗元素原子或离子以及含欲渗元素原子的某些物质等，以下同，并用FS 表示)在金属表面上进行吸附和由此产生的各种界面反应； (4) 内扩散：界面反应后的欲渗原子由金属表面向纵深迁移； (5) 体相反应：欲渗原子与金属中存在的原子之间的反应。 2.3 稀土化学热处理的分类 稀土 氮 碳+氮 等离子+氮 多元 硼 硼+铝 钨/钼 碳 2.4 稀土在化学热处理的作用及其机制 l、 催渗作用 稀土能使渗剂活化，促进渗剂的分解。 当稀土元素吸附在钢件表面时，可夺取钢表面氧化膜中的氧，破坏氧化膜，起清洁活化表面的作用，使待渗入原子（如C、N、B等）更容易被钢表面吸附。 稀土强化界面反应。 2.5 稀土化学热处理的优势 1、显著增加渗层厚度，元素渗入速度 2、具有更加优良的组织和性能 3、可实现低温化学热处理（如低温稀土渗碳、低温稀土多元共渗等），改变金属的热处理工艺。 分别以20#齿轮用钢稀土渗碳 低温高碳势稀土渗碳 20CrNi4A化学热处理为例说明 20#钢（化学成分：C 0. 17%~ 0. 24%, Si 0. 17% ~ 0. 37%, Mn 0. 35% ~0. 65%, P 不高于0. 04% , S 不高于0. 04%。），正火调质处理( 910 ℃，保温60 min, 空冷) 后, 用电火花切割成?10 mm ×10 mm 的试样。 HT-8001 型可控井式气体渗碳炉进行滴注式气体渗碳 渗碳剂为煤油, 添加稀土的甲醇作为排气剂兼催渗剂, 稀土催渗剂加入量分别为1%, 2%,3%, 4%( 均为体积分数) 。渗碳温度为920℃ , 碳势为1.1%, 渗碳总时间为5 h, 渗碳后, 试样随炉冷却至室温。 一、实验过程 二、组织性能分析 加入不同量稀土渗碳并缓冷后的组织 1、利用XJP-3A 型金相显微镜测试渗碳层厚度并进行组织分析 稀土加入量不同时渗层中过共析层组织 产生以上结果的原因： 稀土元素的渗入引起铁点阵的膨胀畸变,这有利于碳原子跃迁, 并优先在这些畸变区偏聚, 从而提高了表层的碳浓度, 又由于高的碳浓度梯度出现, 促进碳原子扩散, 从而提高了渗速。 稀土原子渗入钢基体中引起的点阵畸变会使钢基体缺陷密度增加, 提高碳原子的渗入系数和扩散系数, 也即提高了渗速。 渗碳过程中工件都需要进行热处理, 预热处理时钢表面会出现一定程度的氧化, 一般称为预氧化。而稀土元素电负性较低, 活性较高, 在一定条件下可以有效还原电负性相对较高的元素, 使得预氧化的铁被还原, 因此加入稀土催渗剂可以加速预氧化层的还原, 活化、净化工件表面, 加速渗碳过程。 2、利用MHV2000 显微维氏硬度计测试渗碳件显微硬度分布 （间隔0. 2 mm 测1个点, 载荷为1. 96 N , 加载时间为10 s） 3、利用MMS-20型摩擦磨损试验机上测试渗层表面的耐磨性 对磨副材料为GCr15 钢, 试验力选择200 N, 时间30 min, 转速200 r/ min, 摩擦磨损试验前后用分析天平对试件进行称量, 计算磨损失重 图7 高碳势 高 中 低 低温高碳势稀土渗碳 高碳势 碳化物沿晶界析出或生成大块碳化物 大量的残余奥氏体 碳势越高，渗入速度越快，渗层越厚 稀土高碳势渗碳后过共析区的碳主