第二章材料表面热处理技术.ppt

第二章 材料表面热处理技术 2.1 表面化学热处理技术 2.1.1 基本原理 化学热处理是在一定温度下，在不同的活性介质中，向钢的表面渗入适当的元素，同时向钢的内部扩散，以获得预期的组织和性能为目的的热处理过程。渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗铬、渗铝等。 化学热处理包括下述三个基本过程： （1）化学介质的分解 在一定温度下，化学介质可发生化学分解反应，生成活性原子。通常，为了增加化学介质的活性，还加入适量催化剂或渗剂，来加速反应过程，降低反应温度，缩短反应时间。例如，固体渗碳时加入碳酸盐，渗金属时常用氯化铵作为催渗剂。此外，稀土元素的应用也具有很明显的催渗效果。 例如：NH3 [N] + [H] （2） 活性原子的吸收 介质分解生成活性原子，如[C]、[N]等，为钢的表面所吸附，然后溶入基体金属铁的晶格中。碳、氮等原子半径较小的非金属元素容易溶入γ－Fe中形成间隙固溶体，碳也可与钢中强碳化合物元素直接形成碳化物。氮可溶于α－Fe中形成过饱和固溶体，然后再形成氮化物。 活性[N]原子 基 体 （3）原子的扩散 钢表面吸收活性原子后，该种元素的浓度大大提高，形成了显著的浓度梯度。在一定的温度条件下，原子就能沿着浓度梯度下降的方向定向扩散，结果便能得到一定厚度的扩散层。 表征扩散过程速度的一个重要参数是扩散系数D。它的物理意义是，在浓度梯度为1的情况下，在单位时间内，通过单位面积的扩散物质量。扩散系数越大，则扩散速度越快。影响扩散速度的主要因素是温度和时间。 扩散系数和温度的关系，可由下式表示： 式中 D——扩散系数； e——自然对数之底； T——热力学温度； A——方程式参数； R——气体常数； Q——扩散激活能。 温度越高，扩散系数越大。如碳在铁中的扩散系数，当温度自925℃增至1100℃时，会增加7倍以上；而铬在铁中的扩散系数，当从1150℃增至1300℃时会增大50倍以上。 当温度一定时，加热时间越长，扩散层的厚度便越大，扩散层厚度与时间的关系为： 式中 δ——扩散层厚度 τ——时间； K——常数。 活性[N]原子 基 体 活性原子的吸附示意图 活性[N]原子 基 体 活性原子的扩散示意图 2.1.2 普通化学热处理 渗氮：氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。其特点是： 1）氮化件表层硬度很高(1000～1100HV),且在600～650℃温度时保持不下降， 所以具有很高的耐磨性和热硬性，心部具有足够的强韧性。 2）表层形成压应力，使疲劳强度大大提高。 3）氮化温度低，零件变形小。 4）表面形成致密的化学稳定性较高的ε层，耐蚀性好。 2.1.3 等离子体化学热处理 在一般情况下，气体是良好的绝缘体。但在一定的条件下，绝缘的气体可因放电而成为良导体。在图2－20所示的气体放电管内，气体处于真空状态，若逐渐增加电源电压，记下电压表及电流表的读数，即可绘出气体放电的全程伏安特性曲线（图2－2，3）μА 图2－2 气体放电实验 图2－3 气体放电的全程伏安特性曲线 电压在OS段内时，阴阳极只有微弱电流。当电压增高到S点时，气体由绝缘体变成良导体，电流急剧上升。S点的电压称点火电压，用VS表示，阴极与阳极间出现悦目的辉光。这种现象叫做起辉。一旦起辉后，极间电压即降落到M点，此时若增加电源电压或减少限流电阻，则两极间电压保持不变，电流逐渐增大，辉光覆盖面积逐渐扩大，直至覆盖全部阴极。MN段为正常辉光放电区，到达N点后再增加电源电压，则两极间的电压与电流都不断增大。NO段为异常放电区。当极间辉光熄灭，阴极表面产生强烈的弧光放电。0点以后称为弧光放电区。 点燃电压可用下式表达： 式中 V1——炉内气体的电离电位； P——炉内气体的压强； d——阴极间的距离； C——阴极材料常数，阴极材料发射二次电子的能力不同，C值也不同。 在辉光放电时，阴阳极间存在着柔和的辉光。 辉光放电形成大量的正离子，在电场力的作用下以极快的速度冲向作为阴极的工件表面，在工件表面发生复杂的物理和化学过程： 热交换：正离子具有很大的动能，大部分与工件（阴极）碰撞而转变为热能，使工件升温； 溅射：高速正离子从工件表面轰击出Fe、C、O等离子和二次电子，Fe、C、O等原子在阴极附近参加复杂的化学反应，二次电子使放电持续进行； 正离子注入阴极表面，向内扩散或形成化合物； 光辐射形成辉光。通过以上过程，使工件渗入所需元素，表面获得所需渗层。 （1）离子渗氮（离子渗氮或离子软渗氮） 离子氮化的过程是： 工件经清洗后置于炉内阴极盘上（或挂在阴极吊具上），