《热处理原理与工艺 作者 赵乃勤 第11章 化学热处》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理原理与工艺 作者 赵乃勤 第11章 化学热处（115页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第11章 化学热处理,11.1 化学热处理分类及基本过程 11.2 表面渗碳2,3 11.3 表面渗氮2,5,6 11.4 表面碳氮共渗 11.5 渗硼2,57 11.6 表面渗金属79,在线教务辅导网：http:/,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,http:/,11.1 化学热处理分类及基本过程,图11-1 化学热处理的分,11.2 表面渗碳2,3,我们知道，高碳钢通过淬火和低温回火可以得到高的硬度和高的耐磨性，但脆性大、冲击韧性低；低碳钢通过淬火和低温回火可以得到很好的强度、塑性和韧性，但硬度不高、耐磨性能低。如果一个工件表层有
2、高的含碳量，而心部的含碳量又较低，则通过淬火加低温回火，就可以获得具有高硬度和高耐磨性的表面，而心部又具有强而韧的性能，使它可以适应承受复杂应力所提出的要求。,11.2.1 渗碳的目的、分类及应用,(1)固体渗碳法 (2)液体渗碳法 (3)气体渗碳法,(1)固体渗碳法,固体渗碳法是把渗碳工件装入有固体渗剂的密封箱内(一般采用黄泥或耐火粘土密封)，在渗碳温度加热渗碳。,(2)液体渗碳法,液体渗碳是在能析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳方法。,(3)气体渗碳法,气体渗碳是工件在气体介质中进行渗碳的方法。,11.2.2 渗碳剂及渗碳化学反应,渗碳剂是提供活性碳原子的化学介质。常用的气体渗碳剂有两大类：
3、一类是碳氢化合物有机液体，如煤油、苯和丙酮等，在渗碳炉内的高温下发生热分解，析出活性碳原子；另一类是气态的，如吸热式保护气、城市煤气等。,11.2.3 典型的气体渗碳方法简介,1.滴注式可控气氛渗碳2 2.吸热式渗碳气氛渗碳,1.滴注式可控气氛渗碳2,图11-2 甲醇与各种渗碳剂的混 合比对炉气CO含量的影响 1甲醇+醋酸甲酯 2甲醇+醋酸乙酯或 甲醇+醋酸甲酯+丙酮 3甲醇+异丙醇+水 (异丙醇水=103) 4甲 醇+丙酮 5甲醇+异丙醇,2.吸热式渗碳气氛渗碳,吸热式气氛是将可燃性原料气，如丙烷、丁烷、天然气等碳氢化合物与较少的空气混合后，通入装有触媒剂的炉膛中，在触媒剂的作用下，并借助外
4、加热，使混合气在9501050的条件下进行反应，用这种方法制备的气氛称为吸热式气氛。以丙烷气为例，空气与丙烷气之比为7.21。吸热式气氛成分稳定，主要成分为CO、H2和N2，具有强的还原性和渗碳能力，是强渗碳气氛。,11.2.4 渗碳工艺过程,1.渗碳前的热处理 2.渗碳前的准备 3.渗碳过程的工艺操作 4.渗碳后的热处理2 5.渗碳件的质量检查,1.渗碳前的热处理,表11-1 常见渗碳钢件的预备热处理工艺,1.渗碳前的热处理,表11-1 常见渗碳钢件的预备热处理工艺,2.渗碳前的准备,设备技术状态的检查 渗碳件表面状态的准备,(1) 设备技术状态的检查,包括渗碳炉罐的密封性，电风扇转动是否正
5、常，渗碳剂供应系统如管道、滴嘴是否畅通，供应箱里的渗碳剂数量能否满足渗碳过程之用，冷却系统能否正常工作，检测仪表是否正常(包括炉气、炉温、炉压仪表)，炉子是否定期进行清扫等，这些工作都应一一进行详细检查。,(2) 渗碳件表面状态的准备,主要包括以下几个方面： 1) 关于非渗碳面问题。 2) 渗碳件的表面检查。,3.渗碳过程的工艺操作,图11-3 20CrMnTi钢滴注式可控气氛渗碳工艺曲线,4.渗碳后的热处理2,(1)渗碳后热处理的目的 (2)渗碳后的热处理工艺,(1)渗碳后热处理的目的,渗碳只能改变零件表面的化学成分，使表层具有高碳钢(对碳钢而言)或高碳合金钢(对合金钢而言)在正火或退火后所
6、得的组织和性能，因而其硬度、耐磨及抗疲劳等性能都很低。,(2)渗碳后的热处理工艺,1)直接淬火法。 2)一次淬火法。 3)二次淬火法。,图11-4 渗碳后直接淬火工艺曲线,图11-5 Fe-C相图一部分， 渗层和心部淬火温度,图11-6 渗碳后一次淬火 的工艺曲线,图11-7 渗碳后两次淬火工艺曲线,图11-8 碳素钢渗碳后渗层的 碳含量分布及渗层组织示意图 a)碳含量分布曲线 b)淬火组织 示意图 c)渗层中残留奥氏体量 d)渗层硬度,5.渗碳件的质量检查,渗碳件的质量检查一般包括：渗碳钢原材料检查；渗层质量检查，包括渗层深度、渗层碳含量，碳化物、残留奥氏体及马氏体级别的评定；渗碳件心部游离
7、铁素体级别的评定；渗层和心部硬度的检查；渗碳件变形量的检查和表面氧化、脱碳以及软点检查。,11.2.5 渗碳后钢的组织与性能2,1.渗碳层的组织 2.渗碳件组织对性能的影响 3.钢中合金元素对渗碳组织和性能的影响,1.渗碳层的组织,图11-9 低碳钢渗碳缓冷后从表层到心部的组 500,1.渗碳层的组织,图11-10 10钢经渗碳、淬火、回火后表层、过渡区及心部的组织形貌(500,1.渗碳层的组织,图11-11 18CrMnTi钢和20钢920渗碳6h直接淬火后的渗层成分、组织及硬度 a)渗层奥氏体中碳含量的分布 b)渗层中残留奥氏体量 c)渗层硬度分布,2.渗碳件组织对性能的影响,(1)渗层碳
8、化物 (2)残留奥氏体 (3)心部组织对渗碳件性能的影响 (4) 渗碳层与心部的匹配对渗碳件性能的影响,(1)渗层碳化物,渗层中的碳化物可以显著提高零件的耐磨性和抗咬合能力。,(2)残留奥氏体,钢中的碳及大多数合金元素均显著降低其马氏体转变温度，因而渗碳层，尤其是合金钢零件的渗碳层，淬火后往往有较多的残留奥氏体。,(3)心部组织对渗碳件性能的影响,渗碳零件的心部组织对渗碳件性能有着重大影响。,(4) 渗碳层与心部的匹配对渗碳件性能的影响,图11-12 渗碳层深度对齿轮齿根弯曲疲劳强度的影响,3.钢中合金元素对渗碳组织和性能的影响,钢中的合金元素一般分为两种类型，一类是不能形成碳化物的元素，如S
9、i、Ni、A1、Cu等；一类是能形成碳化物的元素,其强弱顺序大致如下：Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。,11.2.6 渗碳缺陷及控制,1.黑色组织 2.反常组织 3. 粗大网状碳化物组织 4.渗碳层深度不均匀 5.表层贫碳或脱碳 6.表面腐蚀和氧化,1.黑色组织,在含Cr、Mn及Si等合金元素的渗碳钢渗碳淬火后，在渗碳层表面组织中出现沿晶界呈断续网状的黑色组织。出现这种黑色组织的原因，可能是由于渗碳介质中的氧向晶界扩散，形成Cr、Mn和Si等元素的氧化物，即“内氧化”；也可能是由于合金元素的优先氧化使晶界上及晶界附近的合金元素贫化，淬透性降低，致使淬火后出现非马氏体组织。,2.反常
10、组织,这种组织的特征是在先共析渗碳体周围出现铁素体层，常在含氧量较高(如沸腾钢)的钢在固体渗碳时看到。具有反常组织的钢经淬火后易出现软点。补救办法是适当提高淬火温度或适当延长淬火加热的保温时间，使奥氏体均匀化，并采用较快的淬火冷却速度。,3. 粗大网状碳化物组织,这种情况如图11-13所示。其形成原因可能是由于渗碳剂活性太大、渗碳阶段温度过高、扩散阶段温度过低及渗碳时间过长引起的。预防补救的办法是分析其原因，采取相应措施。对已出现粗大网状碳化物的零件，可以进行温度高于Accm的高温淬火或正火。,4.渗碳层深度不均匀,渗碳层深度不均匀的形成原因很多，可能是由于原材料中带状组织严重，也可能是由于渗
11、碳件表面局部结焦或沉积炭黑、炉气循环不均匀、零件表面有氧化膜或不干净、炉温不均匀、零件在炉内放置不当等原因所造成。应分析其具体原因，采取相应的预防措施。,5.表层贫碳或脱碳,图11-13 渗碳后齿轮表面和齿尖 处的粗大网状碳化,5.表层贫碳或脱碳,图11-14 渗碳后表面形成一层全脱碳,6.表面腐蚀和氧化,渗碳剂不纯，含杂质多，如硫或硫酸盐的含量高，液体渗碳后零件表面粘有残盐，均会引起腐蚀。渗碳后零件出炉温度过高，等温盐浴或淬火加热盐浴脱氧不良，都可引起表面氧化，应仔细控制渗碳剂的盐浴成分，并对零件表面及时清洗。,11.3.1 渗氮的特点,渗氮(氮化)是将氮渗入钢件表面，从而提高其硬度、耐磨性
12、和疲劳强度的一种化学热处理方法。渗氮的发展虽比渗碳晚，但却得到了广泛应用，这是因为它具有以下优点：渗氮可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，钢渗氮后的表面硬度可以高达9501200HV (相当于6572HRC)，而且到600仍可维持相当高的硬度(即热硬性)；渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳强度；由于渗氮温度较低(500570之间)，故变形很小；渗氮也可以提高工件的耐蚀性能。但是，渗氮的缺点是工艺过程较长，渗层也较薄，不能承受太大的接触应力。目前除了钢以外，其它如钛、钼等难熔金属及其合金也广泛地采用渗氮工艺。,11.3.2 钢的渗氮原理,1.Fe-N相图 2.渗氮介质的分解反应,1.Fe-N相图
13、,（1）相 (2) 相 (3) 相 (4) 相 (5)相,(1) 相,图11-15 Fe-N相图,(2) 相,氮在-Fe中的间隙固溶体为面心立方结构，存在于共析温度590以上。,(3) 相,以氮化物Fe4N为基的固溶体存在于(6805)以下，氮的质量分数为5.76.1。,(4) 相,含氮范围很宽的化合物。,(5)相,是以Fe2N化合物为基的固溶体，氮的质量分数在11.00%11.35%之间变化，是目前已经知道的含氮量最高的铁氮化合物。,2.渗氮介质的分解反应,渗氮与渗碳一样，也分为三个过程分解、吸收和扩散，即渗氮介质的分解、活性氮原子被工件表面所吸收和氮原子向钢件内部的扩散。在自然界，特别是空
14、气中存在大量的氮气，这种分子态的氮很稳定，不易分解。在渗氮温度范围内几乎不会分解成活性氮原子，故不能被钢件所吸收。,11.3.3 钢的气体渗氮工艺过程,1.渗氮前的热处理 2.渗氮前的准备 3.渗氮过程的工艺操作 4. 渗氮件的质量检查,1.渗氮前的热处理,(1) 结构钢渗氮前的调质处理 (2) 模具、量具及刃具渗氮前的预备热处理 (3)铸铁件渗氮前的热处理,(1) 结构钢渗氮前的调质处理,表11-2 常用钢渗氮前的调质规范,(1) 结构钢渗氮前的调质处理,表11-2 常用钢渗氮前的调质规范,(2) 模具、量具及刃具渗氮前的预备热处理,表11-3 常用模具、量具及刃具钢渗氮前的热处理规范,(2
15、) 模具、量具及刃具渗氮前的预备热处理,表11-3 常用模具、量具及刃具钢渗氮前的热处理规范,(2) 模具、量具及刃具渗氮前的预备热处理,表11-3 常用模具、量具及刃具钢渗氮前的热处理规范,(2) 模具、量具及刃具渗氮前的预备热处理,表11-3 常用模具、量具及刃具钢渗氮前的热处理规范,(2) 模具、量具及刃具渗氮前的预备热处理,表11-3 常用模具、量具及刃具钢渗氮前的热处理规范,(3)铸铁件渗氮前的热处理,渗氮铸铁件宜选用合金铸铁制造，常用的有铜铬钼合金铸铁，以保证渗氮层的高硬度、耐磨性和抗咬合性能。,2.渗氮前的准备,零件的非渗氮面应采用镀层(镀铜、镀锡等)或涂层加以保护。镀层或涂层必
16、须达到要求的厚度才能获得好的保护效果。保护涂层可选用水玻璃或水玻璃+石墨混合物(石墨的质量分数约为20%)。渗氮零件表面应清洗干净，用喷砂方法清除锈斑，用汽油和四氯化碳清除油污。清理干净的零件应尽快装炉渗氮，以防零件表面重新生锈或污染。,3.渗氮过程的工艺操作,图11-16 渗氮层脆性评级图,4. 渗氮件的质量检查,渗氮零件的质量检查包括渗氮层深度、表面硬度、脆性、显微组织、变形及表面状态等。 渗氮层的脆性检测一般采用维氏硬度计，在渗氮层的抛光表面压出压痕，通过观察压痕的完整性对渗氮层脆性进行评定。脆性等级共分、四级， 图11-16所示为渗氮层的脆性等级标准。,11.3.4 渗氮工艺方法,1.强化渗氮2 2.耐腐蚀渗氮,1.强化渗氮2,(1)等温渗氮 (2)两段渗氮 (3)三段渗氮,(1)等温渗氮,图11-17 38CrMoAlA钢
