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1、1,第十一章 钢的化学热处理,2,11.1 化学热处理概述,机械零件的失效和破坏，大多数都萌发在工件的表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，其表面层的性能就显得尤为重要。, 化学热处理的概念,钢的化学热处理：是将钢件置于特定的活性介质中加热保温，使一种或几种元素渗入钢件表层，从而改变钢件表层化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。,3,经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。,4, 化学热处理的目的,在表面形成高硬层 在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜 在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜,提高零件的耐磨性 提高零件的疲劳强度
2、提高零件的抗蚀性 提高零件的抗高温氧化性, 提高零件的耐磨性,5,在表面形成 高硬层,在表面形成减磨、抗粘结薄膜,在表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜,6,化学热处理方法表面硬化的优势,7,渗碳、渗氮、软氮化和碳氮共渗等方法，都可使钢零件在表面强化的同时，在零件表面形成残余压应力，有效地提高零件的疲劳强度。, 提高零件的疲劳强度,钢件渗铝、渗铬、渗硅后，与氧或腐蚀介质作用形成致密、稳定的Al2O3、Cr2O3、SiO2保护膜，提高抗蚀性及高温抗氧化性。, 提高零件的抗蚀性, 提高零件的抗高温氧化性,例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能,8, 化学热处理的分类,目前工业上广泛使用的化学热处理方法，就
3、是在钢件表面渗入一种或多种元素，即渗入法。 根据所渗入的元素，可以将化学热处理分为渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。 如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如碳氮共渗、铬硅铝共渗等。 钢中渗入的元素，可能溶入铁中形成固溶体，也可能与铁形成某种化合物，总之渗入的元素与基体金属之间具有相互作用。,9,10,目前生产中最常用的化学热处理是渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼和渗铝等。, 化学热处理的基本过程,渗入法化学热处理的 基本过程,11,11.2 钢的渗碳,渗碳：就是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的热处理工艺。,渗碳种类,最常用,常用,12,渗
4、碳用钢：为低碳钢及低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。,渗碳的目的,13,气氛的主要组成物都是CO、CO2、CH4、H2和H2O等5种气体； 其中CO和CH4起渗碳作用，其余的起脱碳作用。, 渗碳原理, 渗碳介质的分解,工业气体渗碳方法的主要类型,在炉中产生所需要的渗碳气氛,14,在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个,在所供应的原料气氛组成稳定的情况下，只要控制气氛中微量的CO2、H2O、CH4或O2中的任何一个的含量，就可达到控制渗碳炉中碳势的目的.,15,通常，生产中多采用露点仪来控制气氛中的H2O含量； 因为气氛的露点与气氛中的
5、含水量具有很好的对应关系，即含水量越高、露点就越高；,16,生产中或者采用红外线仪来控制CO2的含量；,17,或者采用氧探头来控制气氛中O2含量。 无论采用上述哪种方法，都可以达到控制渗碳炉中渗碳气氛碳势的目的。,在实际生产中，渗碳时间往往比较短，必须根据气氛种类、表面碳含量要求、渗碳温度和渗碳时间等因素确定出一个在不平衡情况下的合适碳势，才能真正保证渗碳工件所需的表面含碳量； 同时还需采用多参数控制法来减少碳势控制的误差。,18,工件表面必须清洁； 炉气需要具有良好的循环：活性碳原子被吸收后，剩下的CO2、H2或H2O等脱碳气氛需要被及时排出； 控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰当配合：
6、如果分解速度大于吸收速度，将在工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。, 碳原子的吸收,要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必须满足以下条件：,19,碳原子由表面向心部的扩散，是渗碳得以进行并获得一定深度渗层的条件。 扩散的驱动力是工件表面与心部的碳浓度梯度。 碳在铁中形成的是间隙式固溶体，其扩散系数比形成置换式固溶体的合金元素要大很多。碳在-Fe中的扩散系数为:,可见，温度和碳浓度都影响碳的扩散系数。, 碳原子的扩散,20,间隙原子的扩散服从Fick第二定律，由该定律可以有下面一个关系式：,因此，此式也就成为根据渗碳温度和渗层深度来确定渗碳时间的依据。,式中，d渗碳层的深度 渗层深度因子，与
7、渗碳温度具有一定的关系 t扩散进行的时间,21,主要是通过对碳的扩散系数和渗层表面碳浓度的影响来实现的。通常地，Mn、Cr、Mo能略微增加渗层的深度，而W、Ni、Si等则减小渗层的深度。, 钢中合金元素对渗碳过程的影响,凡是碳化物形成元素如Ti、Cr、Mo、W及含量大于1的V、Nb等，都增加渗层表面碳浓度； 凡是非碳化物形成元素如Si、Ni、Al等，都降低渗层表面碳浓度。, 对表面碳浓度的影响, 对渗层深度的影响,22, 渗碳工艺参数,渗碳前,渗碳中,渗碳后,23,渗碳工艺参数,24,从统计资料看，一般渗碳件的表面碳含量可在0.61.1之间变化。, 气氛碳势的选择与控制,确定最佳表面含碳量的依
8、据,25,渗碳零件表面碳含量低，淬火后低温回火所得到的硬度低，耐磨性差； 零件表面含碳量过高，渗碳层出现大量块状或网状的碳化物，使脆性增加，易在承受冲击负荷时剥落; 因此，表面层含碳量最好在0.851.05范围内。,26,渗碳温度是渗碳工艺中最重要的一个因素，它影响着分解反应的平衡、碳的扩散、还影响着钢中的组织转变。 由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度必须高于Ac3温度。, 渗碳温度,渗碳温度常用920940，温度愈高，渗速愈快，渗层愈深。 但温度过高会引起奥氏体晶粒长大，降低零件的力学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。,27,如0.30.6mm，可选为88010； 0.60.8mm，
9、可选用90010； 0.81.2mm或以上，选用92010。,通常渗碳的温度的选择视要求的渗层深度确定：,有的要求深层渗碳或缩短渗碳周期，可采用10301050； 但必需采用细晶粒钢、高温渗碳钢、或渗碳后再经循环热处理细化晶粒。,28,式中，t时间(h) T温度(K),对几种常用渗碳温度的层深计算公式可简化为：,一般地，由于扩散缓慢，渗碳时间不需精确控制。,渗层深度和渗碳温度确定后，所需的渗碳时间可根据Harris公式进行近似计算。, 渗碳时间,29,30, 工艺参数的综合选择,由于各参数间相互影响较大，同时为了缩短渗碳的总时间，通常对各参数进行综合调节：,31, 固体渗碳和液体渗碳简介,固体
10、渗碳是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至900950 ，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。, 固体渗碳,固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与10%左右的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）的混合物。木炭提供渗碳所需要的活性碳原子，碳酸盐起催化作用。,32,而加入的催渗剂在高温下会发生分解，放出的CO2与木炭发生反应生成大量的CO，CO在钢件表面分解，从而提供活性碳原子。,因渗碳箱中的氧气是有限的，因此通过2C+O22CO来获得CO的量是有限的。,33,固体渗碳的优缺点,适用于各种零件，尤其是小批量生产 可使用各种普通加热炉，设备费用低 渗后慢冷，工件硬度低，利
11、于切削加工,不适于浅渗碳层零件生产； 表面碳含量很难精确控制； 渗碳后不能直接淬火； 渗碳时间长，劳动条件差。,34, 液体渗碳,液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳。,在无氰化物的盐浴中，渗碳的反应如下：,35,由液体渗碳的以上反应可以看出： 渗碳反应仍然是钢件表面的气相反应； 原材料虽然无毒，但反应的结果仍然使盐浴中含有约0.5的NaCN； 盐浴还具有一定的渗氮功能。,加热速度快 生产效率高 加热均匀 便于直接淬火,易腐蚀工件 碳势调整幅度小且不易控制 劳动条件差等等,优点,缺点,36,渗碳层的组织,过共析组织(P+Fe3C),共析组织(P),过渡区亚共析组织(P+F),原始亚共析组织(F+
12、P),上述组织显然不能满足要求。渗碳后必须进行热处理，即进行淬火和回火，对某些钢种还包括冷处理。, 渗碳后的热处理,37,工件渗碳后热处理的目的, 渗碳后的淬火,38,原则上：过共析层的淬火温度应低于Accm 亚共析层的淬火温度应高于Ac3,渗碳零件的淬火温度选择,如果AccmAc3，就很容易选择一个淬火温度来同时满足这两者的要求； 如果AccmAc3，则很难两者同时兼顾，在这种情况下，要根据对零件的主要技术要求、钢件心部能否淬透、渗碳后零件的表面碳含量和所采用的淬火方法等，综合考虑而加以确定。,要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求。,39, 直接淬火法,直接淬火：是指工件渗碳后，随炉降温
13、或出炉预冷到760860后，直接淬火的热处理工艺。,随炉降温或出炉预冷的目的,预冷的温度要根据零件的要求和钢的Ar1而定。,40,减少加热和冷却的次数，提高生产效率，降低能耗及生产成本，还可减少零件变形及表面的氧化和脱碳。,直接淬火的优点：,适用于本质细晶粒钢制作的零件，不适用于本质粗晶粒钢制作的零件。 另外，如果渗碳后表面碳浓度很高，则同样不适宜于采用直接淬火，因为预冷时碳化物一般沿奥氏体晶界呈网状析出，使脆性增大。,直接淬火适用范围：,41, 重新加热淬火,工件在渗碳后冷却到A完全转变，可能转变成P或M等组织。接着重新将它加热到所希望的淬火温度，然后淬火，这种方法可以得到晶粒较细的组织。,
14、42,此外，也可以在二次加热淬火中间安排一次回火，在最后淬火加热之前可以进行一些切削加工； 为了避免重复加热引起太大的变形，对于形状易于变形的工件，可规定进行一次或几次预热。,43,二次加热淬火对于高温（9801050）渗碳工件是必不可少的。 因为高温渗碳后奥氏体晶粒粗大，故第一次淬火温度通常高于心部的Ac3，而第二次淬火温度在渗层的Ac1Accm之间。 经过二次淬火后，奥氏体晶粒可以得到充分细化，表层碳化物可变成粒状，残余奥氏体量减少，疲劳强度显著提高。 但二次加热淬火的成本高、周期长、易脱碳变形，故极少采用。,44,渗碳零件在淬火后，紧接着于150250之间进行回火处理。 对于非合金钢，回
15、火温度一般为150l80； 对于合金钢，回火温度一般为160200。 经过这种回火处理，可降低组织应力，并且在最外层保持有利的压应力；此外，回火改善了渗碳淬火零件的可磨削性，降低了磨削裂纹敏感性。 在150250之间回火，硬度的最多降低5HRC，大多降低13 HRC 。, 回火,45, 冷处理,目的在于减少或消除残A，从而适当提高渗碳层的硬度。 冷处理既提高了生产成本，又增加了生产工序，目前除特殊渗碳工件外，一般都很少采用这道冷处理工序。,46, 渗碳层深度的测量,目前渗层深度的测量方法有：化学分析法、硬度测量法和金相法等，其中硬度法是目前应用最广泛的一种标准方法。,渗碳层深度是渗碳零件的主要
16、技术要求之一。,渗层深度的两种定义,47,48, 渗碳热处理的常见缺陷,常见 缺陷,49,渗碳层出现内氧化,50, 渗碳后钢的机械性能, 硬度和耐磨性,钢件的表面硬度和耐磨性可显著提高。, 冲击韧性和断裂韧性,钢件的冲击韧性和断裂韧性都降低，并且表面碳含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。,51, 疲劳强度,表面碳含量越高，Ms点越低，表面M的量小于表层内部M的量，在表面层得到的残余压应力越大，它可以抵消相当部分由外加负载引起的拉应力，从而提高疲劳强度；,一定层深的高硬度渗碳层，可以提高抵抗微裂纹的形成和扩展，从而提高疲劳强度。,钢件经渗碳后，其疲劳强度显著提高：,52,11.3 钢的渗氮,渗氮工艺又叫氮化。它是将氮渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性的一种化学处理方法。, 氮化的特点和分类, 渗氮的特点,渗氮件的表面硬度可高达HRC70左右，并可保持到500左右而不
