熱處理第9章 鋼的化學(xué)熱處理-48

1表面熱處理化學(xué)熱處理(改變表面化學(xué)成分)表面淬火(不改變表面化學(xué)成分)2第9章鋼的化學(xué)熱處理

3第9章鋼的化學(xué)熱處理9.1化學(xué)熱處理的基本原理9.2化學(xué)熱處理工藝4將工件放在特殊介質(zhì)中，用加熱擴(kuò)散的方法使介質(zhì)中一種或幾種元素滲入基體金屬一定深度的表層，改變其化學(xué)成分和組織并獲得與心部不同性能的熱處理工藝。第九章鋼的化學(xué)熱處理

上一頁(yè)下一頁(yè)9.1化學(xué)熱處理的基本原理5

1.滲層形成條件

返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)滲劑元素與基體金屬必須能形成固溶體或金屬間化合物。滲劑元素能在界面被吸附。保持一定的溫度，即保證一定的滲鍍速度。生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足熱力學(xué)條件。6返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)2.滲層形成的基本過(guò)程分解－加熱時(shí)滲劑分解，釋放出欲滲入元素的活性原子。吸收－分解出來(lái)的活性原子被金屬表面吸收并溶解成為固溶體，超過(guò)溶解度時(shí)形成金屬間化合物。擴(kuò)散－溶入元素的活性原子在濃度梯度的作用下由表及里擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層。7圖9.1滲層形成的示意圖上一頁(yè)下一頁(yè)83.化學(xué)熱處理速度的影響因素

（1）受化學(xué)反應(yīng)速度控制的階段反應(yīng)物濃度：增加滲劑中反應(yīng)物的含量，可以加快它們的分解速度，使活性原子濃度增大，從而加速滲入的過(guò)程。溫度：溫度升高，滲劑分解速度加快，活性原子濃度增加，使?jié)B入速度升高?；钚詣河址Q催化劑。如氮化時(shí)氨在無(wú)催化劑時(shí)的分解活化能為90千卡/克分子，而在有Fe、W、Ni催化劑參加時(shí)，其活化能降為40千卡/克分子，從而大大加速了滲劑的分解速度。9除化學(xué)熱處理初始階段的短暫時(shí)間外，大部分滲入過(guò)程都是受擴(kuò)散控制的，其含義包括由滲劑活性原子向滲層內(nèi)的擴(kuò)散和基體金屬原子通過(guò)滲層向外的擴(kuò)散。（2）受擴(kuò)散速度控制的階段

9.2化學(xué)熱處理工藝9.2.1鋼的滲碳上一頁(yè)下一頁(yè)工藝－滲碳是將低碳鋼零件在滲碳介質(zhì)中加熱到900～950℃，使碳原子滲入其表面層，獲得高碳滲層，再進(jìn)行淬火并低溫回火。10圖9.2滲碳層沿齒廓分布的滲碳齒輪上一頁(yè)下一頁(yè)11滲碳鋼種—

20、l5Mn、20Cr、27SiMn、20CrMoTi等。特點(diǎn)－滲碳可使同一材料制作的機(jī)器零件兼有高碳鋼和低碳鋼的性能。性能－心部仍保持低碳、具有良好的塑性和韌性，表面獲得很高的硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。應(yīng)用－既能承受磨損和較高的表面接觸應(yīng)力，同時(shí)又能承受彎曲應(yīng)力及沖擊負(fù)荷作用的齒輪、凸輪、活塞、軸類等許多重要的機(jī)器零件。上一頁(yè)下一頁(yè)一、滲碳方法把工件埋入固體滲碳劑中，裝箱密封，加熱到滲碳溫度保溫，達(dá)到工件表面增碳目的的工藝過(guò)程。12圖9.3固體滲碳裝箱示意圖1.固體滲碳法上一頁(yè)下一頁(yè)13固體滲碳劑－由一定顆粒度的木炭、催滲劑(即活化劑2％～5％BaCO3或Na2CO3)混合組成。木炭提供活性碳原子，碳酸鹽起催化作用：C+O2→CO2BaCO3→BaO+CO2CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]優(yōu)點(diǎn)－固體滲碳不需專門設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單，適宜單件或小批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)－固體滲碳加熱保溫時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí)，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)條件差，滲碳后不易直接淬火，滲碳層深度及質(zhì)量不易控制。上一頁(yè)下一頁(yè)2.氣體滲碳法將零件放入密封的高溫爐罐中，向爐內(nèi)滴入易分解的有機(jī)液體(如煤油、苯、甲醇等)，或直接通入滲碳?xì)怏w(如煤氣、石油液化氣等)。使其熱裂分解為活性碳原子并滲入零件表面的工藝方法。

圖9.4氣體滲碳裝置示意圖14上一頁(yè)下一頁(yè)15

爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng):2CO→CO2+[C]CO2+H2→H2O+[C]CnH2n→nH2+n[C]圖9.5氣體滲碳工藝

一般淺層滲碳約2～3h；常規(guī)滲碳5～8h；深層滲碳16～30h。16優(yōu)點(diǎn)－生產(chǎn)效率高，滲層質(zhì)量好，勞動(dòng)強(qiáng)度低，便于直接淬火。缺點(diǎn)－滲劑直接滴入爐內(nèi)進(jìn)行滲碳時(shí)，由于熱裂分解出的活性碳原子過(guò)多，不能全部為零件表面吸收而以碳黑、焦油等形式沉積于零件表面，阻礙滲碳過(guò)程，而且滲碳?xì)夥盏奶紕?shì)也不易于控制。碳勢(shì)－在給定溫度下，鋼件表面碳含量（奧氏體狀態(tài)）與爐中氣氛達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)的含碳量。碳勢(shì)高低反映爐氣滲碳能力的強(qiáng)弱。

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3.滴注式可控氣氛滲碳

向高溫爐中同時(shí)滴入兩種有機(jī)液體，一種液體為甲醇，產(chǎn)生的碳勢(shì)較低，作為稀釋氣體；另一種液體如醋酸乙酯或丙酮產(chǎn)生的氣體碳勢(shì)較高，作為富化氣。通過(guò)改變兩種液體的滴入比例，利用露點(diǎn)儀或紅外分析儀控制碳勢(shì)，使零件表面的含碳量控制在要求的范圍內(nèi)。

露點(diǎn)儀：控制H2O，因爐內(nèi)氣氛的露點(diǎn)與其含水量有對(duì)應(yīng)關(guān)系；含水量越高，露點(diǎn)就越高。紅外分析儀：控制CO2。上一頁(yè)下一頁(yè)4.滲碳層的成分和厚度18滲碳鋼的成分－含碳量為0.1％～0.25％；添加合金元素Cr、Mn、Ni、Si、Mo、W、B等以保證淬透性，加入少量的Ti、V、Nb等以防止?jié)B碳時(shí)的晶粒粗大。滲碳層成分－其表面含碳量可達(dá)到過(guò)共析鋼的成分，由表及里碳濃度逐漸降低，直至鋼的原始含碳量。滲碳后緩冷組織－

表層(過(guò)共析層)：P＋Fe3C(網(wǎng)狀)中間(過(guò)渡區(qū))：共析層→亞共析層P→P+F心部原始組織：F＋P

上一頁(yè)下一頁(yè)19圖9.6低碳鋼滲碳緩冷后的組織(a)上一頁(yè)下一頁(yè)20圖9.6低碳鋼滲碳緩冷后的組織上一頁(yè)下一頁(yè)21滲碳層的厚度－一般規(guī)定，從表面到過(guò)渡層一半處的厚度。隨滲碳時(shí)間增加(2～30h)，厚度可達(dá)0.5～2mm。零件滲碳后，以表面含碳量為0.8～1.10％為最好；低于0.8％時(shí)，零件的耐磨性和強(qiáng)度不足；高于1.10％時(shí)，滲層淬火后表面碳化物及殘余奧氏體量增加而損害鋼的性能。上一頁(yè)下一頁(yè)淬火預(yù)冷一次淬火預(yù)冷直接淬火預(yù)冷二次淬火+低溫回火(150~190℃)5.滲碳后的熱處理

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(1).預(yù)冷直接淬火+低溫回火(鋼心部冷至Ac3~Ar3，表層略低于Accm

)淬火前：表層組織：Fe3C+A心部組織：A淬火后：表層組織：Fe3C+M+Ar心部組織：M（低碳）23低溫回火后表層組織－Fe3C+M回火+Ar(少量)→高硬度和高耐磨性

心部組織－M回火→較高的強(qiáng)韌性圖9.820CrMnTi鋼滲碳淬火的金相組織920℃x3.5h200x預(yù)冷直接淬火法：適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼或性能要求較低的零件。

(2).預(yù)冷一次淬火+低溫回火24要求心部有較高強(qiáng)韌性的零件，淬火溫度應(yīng)選擇

對(duì)心部高于Ac3，對(duì)表層略高于Accm。淬火前：

表層組織：A心部組織：A淬火后：

表層組織：M（高碳）＋Ar心部組織：M（低碳）上一頁(yè)下一頁(yè)空冷25低溫回火后表層組織－M回火+Ar(少量)心部組織－M回火要求表層有較高耐磨性的工件，淬火溫度應(yīng)選在Ac1~Ac3(Ac1~Accm)之間。淬火前：

表層組織：A+Fe3C心部組織：A+F淬火后：

表層組織：M(高碳)+Fe3C(顆粒狀)＋Ar心部組織：M(低碳)+F

低溫回火后

表層組織：M回火＋Fe3C(顆粒狀)＋Ar(少量)心部組織：M回火＋F上一頁(yè)下一頁(yè)9.2.2鋼的氮化26定義：在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。目的：提高工件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)27滲氮原理：NH3550℃分解活性[N]表面形成固溶體或氮化物達(dá)到一定滲層厚度(0.40~0.60mm)40~70h返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)一、氣體氮化281.抗磨氮化－以提高工件表面硬度、耐磨性和疲勞

強(qiáng)度為主

典型鋼種：38CrMoAlA、35CrMo、18CrNiW等

專用滲氮鋼：wC=0.15%～0.45%的合金結(jié)構(gòu)鋼圖9.938CrMoAl鋼氮化工藝曲線

氮化工藝：29氮化鋼在共析溫度氮化時(shí)，當(dāng)表面上的氮濃度達(dá)到α-Fe的飽和極限，將形成AlN、MoN、CrN等氮化物，當(dāng)表面層的合金元素都形成了氮化物后，繼續(xù)滲氮便會(huì)使α體心立方晶格轉(zhuǎn)變成六方晶格的γ'或ε相。表層組織:合金氮化物+ε+(ε＋γ?)+γ?+(α+γ?)心部組織：回火索氏體(氮化前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理)

氮化層的組織特征圖9.10Fe-N相圖30圖9.11

38CrMoAl鋼氮化層的顯微組織

上一頁(yè)下一頁(yè)31抗磨氮化應(yīng)用

耐磨性和精度要求較高的零件，或要求抗熱、抗蝕的耐磨件。如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、精密機(jī)床絲杠、鏜床主軸等。2.抗蝕氮化－以提高抗蝕性能為主

通常在600～700℃于純氨中進(jìn)行2～6小時(shí)滲氮，形成厚0.015～0.060mm、致密而穩(wěn)定的ε相氮化層。對(duì)各種鋼均可獲得良好效果。可替代鍍鎳、鍍鋅、法蘭等。上一頁(yè)下一頁(yè)32（1）滲層具有很高的硬度、熱硬性和耐磨性。二、滲氮特點(diǎn)（2）滲氮溫度低，工件變形小，精度高，氮化后可直接使用。（3）工件耐蝕性高。（5）滲層脆而薄0.3～0.5mm，不宜承受集中的重載荷。（4）工件的疲勞強(qiáng)度高。（6）氮化工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，成本高。上一頁(yè)下一頁(yè)339.2.2.2離子氮化34

將被處理的工件放在真空室內(nèi)，然后充以稀薄的含氮?dú)怏w（如氨）。接通高壓直流電，使?fàn)t內(nèi)氣體放電，放電過(guò)程中氮和氫離子在高壓電場(chǎng)的作用下，沖向工件表面，把工件加熱到所需溫度，同時(shí)氮離子或氮原子被工件表面吸附，并迅速向內(nèi)擴(kuò)散，形成氮化層。

離子氮化（與氣體氮化相比）特點(diǎn)：氮化速度快、時(shí)間短。由于離子沖擊的結(jié)果，在工件表面層0.05mm內(nèi)產(chǎn)生密度極高的位錯(cuò)及點(diǎn)缺陷，使擴(kuò)散加速，因而能縮短到氣體氮化時(shí)間的2／3～1／3。35加熱只在表面層，工件變形極小；化合物層薄，一般不超過(guò)25μm；離子轟擊作用可以去除工件表面的氧化膜和鈍化膜，使易氧化或鈍化的金屬（如不銹鋼等）能進(jìn)行有效滲氮。易于實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制。適于所有鋼種的氮化?？晒?jié)約電能和氨氣的消耗，電能消耗為氣體氮化的1／2～1／5，氨氣消耗為氣體氮化的1／5～1／20。勞動(dòng)條件有所改善，不產(chǎn)生污染。36

(1)ε+擴(kuò)散層，ε相耐磨和耐蝕性好，但脆性較大，主要用于耐磨耐蝕工件。(2)ε+γ’+擴(kuò)散層；(3)γ’+擴(kuò)散層,γ’相韌性較好，強(qiáng)度較高,主要用于承受較大動(dòng)力載荷又要求耐磨的工作條件。

(4)只有擴(kuò)散層，純擴(kuò)散層主要用于不能增加脆性的模具鋼、耐磨合金等工件，用于不銹鋼可使其耐蝕性降低的程度最小。易于調(diào)整工藝參數(shù)，獲得不同滲層組織。37離子氮化缺點(diǎn)

設(shè)備復(fù)雜且投資大，準(zhǔn)確測(cè)定零件溫度困難，對(duì)于大型爐、各類零件混合裝爐時(shí)難以保證各處工件溫度一致。9.2.3碳氮共滲

氣體碳氮共滲