Chapter-11-金屬的化學(xué)熱處理課件

1、Chapter 11 金屬的化學(xué)熱處理Definition: 金屬制件在一定化學(xué)介質(zhì)中，表面與介質(zhì)相互作用，吸收其中某些原子(或離子), 通過加熱使該原子自表面向內(nèi)部擴(kuò)散的過程作用：改變金屬表面的化學(xué)成分和性能目的 通過改變金屬表面的化學(xué)成分及熱處法獲得單一材料難以實現(xiàn)的性能 進(jìn)一步金屬制件的使用性能例如低碳鋼：表面滲碳 + 淬火 工件表面具有高HRC、高耐磨性 心部具有良好塑性和韌性 高速鋼刀具：熱處理后，再進(jìn)行軟氮化或離子滲氮，可進(jìn)一步耐磨性和抗腐蝕性能刀具使用壽命11.1 化學(xué)熱處理基本原理一、化學(xué)熱處理的基本過程滲劑中的反應(yīng)+擴(kuò)散、滲劑與被滲金屬表面的界面反應(yīng)以及被滲元素原子的擴(kuò)散和擴(kuò)

2、散過程中相變等過程氣體滲氮時，通入氨氣與鋼表面產(chǎn)生相界面反應(yīng)化學(xué)熱處理有時只有擴(kuò)散過程，例如熱浸法滲金屬時，把工件浸在熔融的金屬中，直接吸附金屬原子并向內(nèi)部擴(kuò)散交叉進(jìn)行主要過程例如滲C的相界面反應(yīng)鋼表面滲碳碳原子的來源活性碳原子活性氮原子滲入鋼件表面化學(xué)熱處理時分解出被滲元素的活性原子的化學(xué)反應(yīng)有如下幾類： 1 、分解反應(yīng)：普通氣體滲碳及氣體滲氮 例如用甲烷滲碳2 置換反應(yīng)：例如滲金屬時，常按下列反應(yīng)進(jìn)行3 還原反應(yīng)：例如滲金屬時有時按下列反應(yīng)進(jìn)行二、化學(xué)熱處理滲劑及其在化學(xué)熱處理過程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制 滲劑：欲滲元素的物質(zhì) + 一定比例的催滲劑 滲劑的活性：在相界面反應(yīng)中易于分解出被滲元素原子

3、的能力 例如普通氣體滲氮不能用N2作為滲氮劑（在普通滲氮溫度N2不能分解出活性氮原子） 催化劑是促進(jìn)含有被滲元素的物質(zhì)分解或產(chǎn)生出活性原子的物質(zhì)，它僅是一種中間介質(zhì)，本身不產(chǎn)生被滲無素的活性原子三、化學(xué)熱處理的吸附與擴(kuò)散過程 相界面反應(yīng)是和金屬表面對滲劑的吸附過程緊密相關(guān) 一般固體表面對氣相的吸附分成兩類：物理吸附和化學(xué)吸附 吸附能力和工件表面活性有關(guān) 工件表面光潔度，吸附和吸收被滲原子的表面，活性 工件表面愈新鮮（既沒有氧化也沒有被沾污表面原子的自由鍵力場完全暴露，捕獲被滲元素分子的能力）表面活性金屬表面溶入被滲元素的原子后，表面該種元素的濃度表面與內(nèi)部存在著濃度差發(fā)生原子遷移現(xiàn)象，即擴(kuò)散

4、純擴(kuò)散與反應(yīng)擴(kuò)散11.2 鋼的滲碳一、滲碳的目的、分類及應(yīng)用 鋼的滲碳是鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝 目的是使機(jī)器零件獲得高的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。 滲碳方法：固體滲碳法、液體滲碳法及氣體滲碳法最廣泛滲碳工件裝入有固體滲劑的密封箱內(nèi)（一般采用黃泥或耐火粘土密封），在滲碳溫度加熱滲碳固體滲碳劑：由一定大小的固體炭粒和 起催滲作用的碳酸鹽組成滲碳溫度：900930液體滲碳是在能析出活性碳原子的鹽浴中進(jìn)行的滲碳方法優(yōu)點：加熱速度快，加熱均勻，便于滲碳后直接淬火缺點：多數(shù)鹽浴有毒！氣體滲碳是工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行碳的

5、滲入過程的方法滲碳?xì)怏w可 用碳?xì)浠衔镉袡C(jī)液體：如煤油、丙酮等直接滴人爐內(nèi)汽化 事先制備好的一定成分氣體通入爐內(nèi)分解出活性碳原子滲入工件表面滴注法滲碳吸熱式氣氛滲碳氮基氣氛滲碳二、氣體滲碳工藝原理1、滴注式可控氣氛滲碳原理 最初：用煤油、焦苯作為滲碳劑直接滴入滲碳爐內(nèi)進(jìn)行滲碳 缺點：析出活性碳原子過多不能全部被鋼件表面吸收，在工件表面沉積成碳黑、焦油等 阻礙滲碳過程的繼續(xù)進(jìn)行 滲碳層深度及碳濃度不均勻等 近年：發(fā)展了滴注式可控氣氛滲碳（兩種有機(jī)液體同時滴入爐內(nèi)） 優(yōu)點：無需特殊設(shè)備，只要對現(xiàn)有井式滲碳爐稍加改裝，配上一套測量控制儀表即可一種氣體碳勢較低稀釋氣另一種氣體碳勢較高 富化氣滴注式滲劑

6、的選擇原則： 應(yīng)該具有較大的產(chǎn)氣量：產(chǎn)氣量高的滲碳劑，爐內(nèi)裝入新的工件時，可以在較短時間內(nèi)把空氣盡快地排出 碳氧比1： 碳氧比析出的活性碳原子，滲碳能力 當(dāng)碳氧比=1 時，如甲醇( CH3OH )，高溫分解產(chǎn)物主要是CO和H2，而CO是一種極弱的滲碳?xì)怏w可選作稀釋劑 碳當(dāng)量：碳當(dāng)量物質(zhì)的滲碳能力 滲碳能力：丙酮異丙醇乙酸乙脂乙醇甲醇 氣氛中CO和H2 成分的穩(wěn)定性：用CO2紅外儀或露點儀控制碳勢 考慮原料的價格及其來源CO2含量爐氣碳勢相同溫度和CO2含量條件下：不同鋼材的碳勢不同不同滲碳溫度：同一CO2含量所得碳勢不同。爐溫碳勢 2、吸熱式滲碳?xì)夥諠B碳: 吸熱式氣氛 + 富化氣的混合氣 碳勢

7、控制：調(diào)節(jié)富化氣的添加量，一般常用丙烷作富化氣 需要特設(shè)的氣體發(fā)生設(shè)備 適用于大批生產(chǎn)的連續(xù)作業(yè)爐 3、滲碳工藝規(guī)范的選擇：如何以最快速度、最經(jīng)濟(jì)的效果獲得合乎要求的滲碳層 滲劑耗量 溫度和時間 最佳工藝規(guī)范的獲得 三、滲碳后的熱處理1、直接淬火：工件滲碳后，預(yù)冷到一定溫度，然后立即進(jìn)行淬火冷卻 這種方法一般適用于氣體滲碳或液體滲碳 固體滲碳時，由于工件裝箱，出爐、開箱比較困難不用 淬火前的預(yù)冷可以隨爐降溫或出爐冷卻 預(yù)冷的目的：使工件與淬火介質(zhì)的溫度差，應(yīng)力與變形 預(yù)冷的溫度：稍高于心部成分的Ar3點，避免淬火后心部出現(xiàn)自由F 優(yōu)點：減少加熱、冷卻次數(shù)，簡化操作，減少變形及氧化脫碳 缺點：在

8、較高滲碳溫度停留較長A晶粒本質(zhì)細(xì)晶粒鋼2、一次加熱淬火：滲碳后緩冷，再次加熱淬火 溫度應(yīng)根據(jù)工件要求 稍高于心部成分的Ac3點 心部要求強度較高 稍高于表面的Ac1 表面要求較高HRC和耐磨性 適用于固體滲碳以及液體、氣體滲碳的工件(特別是本質(zhì)粗晶粒鋼)，或滲碳后不能直接淬火的零件5402h 三次回火 更能促進(jìn)冷卻過程中的AM轉(zhuǎn)變20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等高合金滲碳鋼零件：滲C后保留有大量A 為了滲碳層表面HRC，在一次淬火加熱前應(yīng)進(jìn)行高溫回火回火溫度的選擇應(yīng)以最有利于A轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓌t6406806-8h回火A發(fā)生分解，碳化物充分析出和集聚3、兩次淬火：在滲碳緩冷后進(jìn)行兩次加熱淬火

9、 第一次淬火加熱溫度 Ac3 細(xì)化心部組織，消除表面網(wǎng)狀碳化物 第二次淬火加熱溫度 滲碳層成分的Acl溫度(780820) 細(xì)化滲碳層中A晶粒隱晶M+ A+ 均勻分布的細(xì)粒狀碳化物滲層組織 缺點：多次加熱，生產(chǎn)周期長、成本高，熱處理時的氧化、脫碳及變形等 適用于對性能要求較高的零件Note：不論采用哪種淬火方法，滲碳件在最終淬火后均應(yīng)180200 低溫回火四、滲碳后鋼的組織與性能 自滲碳溫度直接淬火后，滲層組織無過剩碳化物，僅為針狀M+AA量自表面內(nèi)部逐漸減少滲層硬度：在C=0.6%最高 表面由于A 較多，硬度稍低離表面0.2mm處A中含C量最高、A量最多，HRC最低。Reason：滲碳過程中

10、劇烈形成碳化物這種鋼中含有Ti、Cr碳化物形成元素，而且合金元素的擴(kuò)散又極緩慢，在較短時間內(nèi)很難擴(kuò)散重新分布。一旦C濃度達(dá)到A飽和極限濃度析出合金滲碳體正常情況，滲碳層淬火后的組織從表面心部依次為：M+A+碳化物M+AM心部組織心部組織：完全淬火為低碳M 淬火溫度較低的為M+游離F 淬透性較差的鋼為T or S+ F 一般希望滲層濃度梯度平緩為了得到良好的綜合性能，表面含碳量控制在0.9% 一般認(rèn)為表面粒狀碳化物增多，可表面耐磨性及接觸疲勞強度但碳化物數(shù)量過多，特別是呈粗大網(wǎng)狀或條塊狀分布時，將使沖擊韌性、疲勞強度等性能變壞滲碳層的深度承載接觸應(yīng)力。因為由接觸應(yīng)力引起的最大切應(yīng)力發(fā)生于距離表面

11、的一定深度處。若滲層過淺，最大切應(yīng)力發(fā)生于強度較低的非滲碳層（即心部）組織滲碳層塌陷剝落。但滲碳層深度滲碳件Ak滲碳件心部的硬度，不僅影響滲碳件的靜強度，同時也影響表面殘余應(yīng)力的分布，從而影響彎曲疲勞強度。在一定滲碳層深度情況下，心部硬度表面殘余壓應(yīng)力。滲碳件心部硬度過高滲碳件Ak；心部硬度過低，則承載時易于出現(xiàn)心部屈服和滲層剝落五、滲碳缺陷及控制1、黑色組織：含Cr、Mn及Si等合金元素的滲碳鋼滲碳淬火后，在滲層表面組織沿晶界出現(xiàn)呈斷續(xù)網(wǎng)狀的黑色組織 原因：滲碳介質(zhì)中的O向晶界擴(kuò)散，形成Cr、Mn、Si等的氧化物 內(nèi)氧化 氧化使晶界及附近的合金元素貧化，淬透性淬火后出現(xiàn)非M組織 預(yù)防辦法：注

12、意滲碳爐的 密封性能， 爐氣中的含O量 補救措施：出現(xiàn)黑色組織時， 若深度0.02mm ， 可磨去或表面 噴丸處理 2、反常組織：特征是在先共析滲碳體周圍出現(xiàn)F層 常在鋼中含氧量較高（如沸騰鋼）的固體滲碳時看到 具有反常組織的鋼經(jīng)淬火后易出現(xiàn)軟點 補救辦法：適當(dāng)淬火溫度或適當(dāng)延長淬火保溫時間，使A均勻化，并采用較快的淬火冷卻速度 3、粗大網(wǎng)狀碳化物組織 形成原因：由于滲碳劑活性太大，滲碳階段溫度過高，擴(kuò)散階段溫度過低及滲碳時間過長引起 預(yù)防補救辦法：進(jìn)行溫度高于Acm的高溫淬火或正火 4、滲碳層深度不均勻 原因：原材料中帶狀組織嚴(yán)重 滲碳件表面局部結(jié)焦或沉積碳黑，爐氣循環(huán)不均，零件表面有氧化膜

13、或不干凈，爐溫不均勻，零件在爐內(nèi)放置不當(dāng)?shù)人斐?、表層貧碳或脫碳： 原因：擴(kuò)散期爐內(nèi)氣氛碳勢過低，或高溫出爐后在空氣中緩冷時氧化脫碳 補救辦法：在碳勢較高的滲碳介質(zhì)中進(jìn)行補滲 在脫碳層0.02mm 時可以磨去或噴丸等 6、表面腐蝕和氧化 原因： 滲碳劑不純，含雜質(zhì)多，如硫或硫酸鹽的含量高 液體滲碳后零件表面粘有殘鹽，均會引起腐蝕 滲碳后零件出爐溫度過高，等溫鹽浴或淬火加熱鹽浴脫氧不良 預(yù)防措施：仔細(xì)控制滲碳劑鹽浴成分，并對零件表面及時清洗11.3 金屬滲氮向金屬表面滲入氮元素的工藝稱為滲氮或氮化特點：鋼滲氮可以獲得 比滲碳更高的表面硬度和耐磨性，HV9501200 （HRC6572) ，60

14、0仍可保持相當(dāng)高的硬度 比滲碳更高的彎曲疲勞強度 滲氮溫度較低（500570）變形很小 工件的抗腐蝕性能 滲氮工藝過程較長，滲層也較薄，不能承受太大的接觸應(yīng)力一、鋼的滲氮原理 1、FeN狀態(tài)圖：研究鋼的滲氮的基礎(chǔ)，F(xiàn)e-N系中可以形成五種相： a相 氮在a-Fe中的間隙固溶體，氮的最大溶解度為0.1%（590） g相 氮在g-Fe中的間隙固溶體(590), 共析點氮含量為2.35wt% g相 可變成分的間隙相, 晶體結(jié)構(gòu)為氮原子有序地分布于Fe原子組成的面心立方晶格的間隙位置, 氮含量為5.76.1wt%。當(dāng)N=5.9%時化合物結(jié)構(gòu)為Fe4N 。因此， g相是以Fe4N為基的固溶體, 在680

15、 以上發(fā)生分解并溶于相相 含N量很寬的化合物，晶體結(jié)構(gòu)為在由Fe原子組成的密集六方晶格的間隙位置上分布著氮原子。在一般滲氮溫度下，相的含N量為8.2511.0。因此它是以Fe3N為基的固溶體。相 為斜方晶格的間隙化合物，N原子有序地分布于間隙位置。也可認(rèn)為是相的扭曲變體（六方晶格），N=11.011.35，分子式為 Fe2N。穩(wěn)定溫度450，450 發(fā)生分解兩個共析轉(zhuǎn)變溫度：在650， 590， + 其中：相為含氮A，當(dāng)從高于590的溫度迅速冷卻時將發(fā)生M轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變機(jī)理和含C的轉(zhuǎn)變一樣含()是在-Fe中過飽和固溶體，具有體心正方晶格，與含碳類似 2、鋼的滲氮過程：和其它化學(xué)熱處理一樣，也由五

16、個交叉的過程所構(gòu)成。對氣體滲氮來說，主要是滲劑中的擴(kuò)散、界面反應(yīng)及相變擴(kuò)散普通滲氮：常用氨氣作為滲氮介質(zhì)NH3 在無催化劑時，分解活化能為377kJ/mol 在有鐵、鎢、鎳等催化劑作用下，分解活化能約為167kJ/mol鋼滲氮時氨的分解主要在爐內(nèi)管道、工件、滲氮箱及掛具等鋼鐵材料的構(gòu)件表面通過催化作用來進(jìn)行通入滲氮箱的NH3，經(jīng)過工件表面而落入表面原子的引力場時，被鋼件表面所吸附化學(xué)吸附在化學(xué)吸附作用下，解離出的活性氮原子，被鋼件表面吸收并滲入工件表面二、滲氮層的組織和性能 純鐵滲氮層的組織和性能在520 滲氮時，若表面氮原子能充分吸收，則自表面中心依次為相相相Note:不會出現(xiàn)及+兩相區(qū)只有

17、在滲氮后緩慢冷至室溫時，由于從相中析出相及由相中析出相，故滲層組織自表面中心為+相在 600 滲氮：滲氮層組織自表面中心依次為： 自滲氮溫度緩冷至室溫的滲層組織自表面中心依次為： + 此處+的兩相區(qū)較寬，因為它包括滲氮溫度的相區(qū)，在滲氮后冷卻過程中于590發(fā)生共析轉(zhuǎn)變(+)，變成兩相區(qū)若自滲氮溫度快冷，則除了相轉(zhuǎn)變成外，其它各相維持滲氮溫度時的結(jié)構(gòu)滲氮層組織自表面至中心依次為 （含氮）相 以上僅是根據(jù)Fe-N狀態(tài)圖分析的結(jié)果，若考慮各相中氮的擴(kuò)散條件，根據(jù)相界面的移動方向及速度，有些相可能不出現(xiàn) 在520和600 滲氮：沒有出現(xiàn)相850 滲氮與700 滲氮時相層和相層相對厚度的明顯差異 各相的

18、膨脹系數(shù)：相為0.79 10-5 相為1.3310-5相為 2.210-5各相的比重：相為6.88 g/cm3 相為7.11 g/cm3 相為7.88 g/cm3滲氮后空冷由于抑制了+共析轉(zhuǎn)變故沒有易腐蝕的區(qū)域，而由含氮和含氮所代替最表面為抗腐蝕的化合物層（相）其次為最不耐蝕的混合區(qū)含氮硬度最高，可達(dá) HV700相：HV500相 HV300相具有高的耐磨性和高的抗大氣和淡水腐蝕和穩(wěn)定性，氮濃度變化對其耐蝕性沒有影響在酸中滲氮層容易溶解相中氮濃度(1011%）脆性 滲氮鋼彎曲疲勞強度在淬火態(tài)最高，隨著時效過程的進(jìn)行，疲勞強度單調(diào)這與滲氮層內(nèi)造成殘余壓應(yīng)力有關(guān)，時效使表面殘余壓應(yīng)力脆性和滲氮層剝落

19、：多數(shù)情況由于表層氮的濃度過大引起。冶金質(zhì)量低劣，預(yù)先熱處理工藝、滲氮及磨削工藝不當(dāng)，都會引起脆性和剝落。滲氮前的表面脫碳及預(yù)先熱處理（如調(diào)質(zhì)處理的淬火）過熱也引起滲氮層脆性及剝落在非金屬夾雜物、斑點、裂紋和其它破壞金屬連續(xù)性的地方常導(dǎo)致氮濃度過高，相過厚而引起滲氮層起泡，在磨削時使這種滲氮層剝落滲氮前工件內(nèi)殘存著內(nèi)應(yīng)力，滲氮時應(yīng)力松弛造成變形裝爐不當(dāng)，工件在滲氮過程中在自重作用下變形工件不是所有表面都滲氮，滲氮面與非滲氮面尺寸漲量不同而引起變形常見滲氮缺陷： 變形：有兩種，一種是撓曲變形，另一種是尺寸增大滲氮層滲氮后比容增大脫碳嚴(yán)重，在機(jī)械加工時沒有把脫碳層去掉而造成滲氮后脫落由于脫碳在滲層