化学热处理.ppt

化学热处理与表面淬火 河北工业大学 教授 材料科学系 主任 武建军 博士 　热处理工艺 材料的组织和性能受成分、加工工艺的影响，改善钢的性能主要有合金化、热处理、塑性变形等途径。 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，改变材料的组织结构，从而获得所需性能的加工工艺。比较重要的部件一般都需要进行热处理，比如汽车、拖拉机工业中70~ 80%的零件、工具模具等都需要进行热处理。 1 钢的化学热处理原理 定义：化学热处理是将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。 根据渗入的元素来命名 渗碳、氮化、碳氮共渗等可提高工件表面的硬度、耐磨性以及疲劳强度；渗氮、渗硅、渗铝等用于提高工件的抗腐蚀性、抗氧化性， 应用最广的化学热处理是渗碳、氮化和碳氮共渗。 化学热处理的基本过程－分解 化学介质在高温下(分解或蒸发)释放出待渗的活性原子，例如 2CO? CO2 +〔C〕 影响因素： 反应温度 介质浓度 催化剂种类等 化学热处理的基本过程－吸收 活性原子首先被零件表面吸附，进而溶解或发生反应。 根据作用力性质，分为化学吸附和物理吸附。 影响因素： 温度 表面活性 表面面积等 化学热处理的基本过程－扩散 扩散是由于原子等微粒热运动引起的物质传输现象。 活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一定深度的扩散层（固溶体，或化合物） 扩散的阻力和条件 扩散与原子热运动相关，阻力就是周围原子对运动原子的限制（扩散激活能）， 不是所有原子都可以移动的！阻力大小不易改变 因此必须在满足以下条件才能实现 （1）扩散原子能固溶； （2）具有驱动力：如浓度梯度，温度梯度。 （3）温度足够高； （4）时间足够长； 扩散定律 菲克（A. Fick）于1855年通过实验获得了关于稳定态扩散的第一定律，其数学表达式为 即在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散流量J与浓度梯度成正比， 式中D为扩散系数，J为扩散通量，负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。 影响扩散系数的因素 温度 晶体结构 固溶体类型 浓度 晶体缺陷 扩散方程的一个解 纯铁渗碳时，在碳势不变的气氛中，C浓度分布的试验结果与计算结果符合很好 高斯误差函数 抛物线规律 应用中，常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限，然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。 对于一定界面C， 为定值； 即 渗层厚度x符合 式中K为比例系数，这个关系式常称为抛物线时间规律。这一关系被广泛地应用于如钢铁渗碳、晶体管或集成电路生产等工艺。 在一指定浓度C时，增加一倍扩散深度则需延长四倍的扩散时间。 2 钢的渗碳 目的：提高表面含碳量，从而提高表面硬度、强度、耐磨性 举例：轴承，拖拉机变速齿轮 方法：气体，离子，真空，固体等 渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢：20钢、20Cr 18CrMnTi、 、20CrMnTi钢等，考虑力学性能、工艺性（尺寸与淬透性、晶粒长大）要求和成本等进行选择 常用温度： 900～950℃？ 渗碳件主要技术要求 碳势：~1%，根据性能要求而定 碳浓度梯度：平缓，有利于渗层与基体的结合，减少剥落。对于一些零件甚至规定过共析层＋共析层的深度不超过60～70％ 深层深度：主要取决于工件受力和设计寿命等因素，对于一些薄、小零件，渗层深度一般不超过截面尺寸的20％ 渗碳件的预备热处理 提高切削加工性（主要） 为渗碳淬火作组织准备（次要） 多采用正火处理 气体渗碳－滴注式 介质：苯、醇、煤油等液体 工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900～950℃(常用930℃)，向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下与工件接触时便在工件表面进行下列反应，生成活性碳原子 ，被表面吸收并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。 介质选择原则 碳氧比大于1，必要条件 目前，常采用两种或以上介质搭配，控制碳势及成本 安全性 经济性： 产气量大 碳当量大 便宜，易得 滴注式气体渗碳 操作要点 表面清洁； 同一炉零件材料、技术要求相同； 炉内正压，废气点燃； 零件之间气氛流通； 经常校对碳势； 严禁在750℃以下向炉内滴入有机液体，防爆 滴注式气体渗碳工艺 一般分为升温排气、渗碳（包括强渗和扩散） ，降温冷却几个阶段 排气阶段：滴量大，快速换气，防止零件氧化。750 ℃开始甲醇，900 ℃煤油。到温后延续30－60分钟 渗碳阶段：正压150～200Pa，用富碳渗剂滴量控制碳势。两段法渗层碳浓度梯度小，结合好，渗速较快 降温阶段：降温至出炉温度 气体渗碳的优点：生产率高，劳动条