钢的化学热处理
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3、化学热处理的扩散过程 、 扩散指金属表面溶入被渗元素后, 扩散指金属表面溶入被渗元素后,该元素浓度增 加,形成浓度差,发生迁移现象。 形成浓度差,发生迁移现象。 (1)纯扩散与反应扩散 纯扩散指渗入元素原子在母相金属中形成固溶体, 纯扩散指渗入元素原子在母相金属中形成固溶体, 在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。 在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。 纯扩散常发生在化学热处理的初期, 纯扩散常发生在化学热处理的初期,或渗剂的活 性不足以形成饱和浓度的场合。如渗碳。 性不足以形成饱和浓度的场合。如渗碳。 反应扩散指通过扩散使固溶体溶质组元的浓度超过 固溶度极限而形成新相的过程。 固溶度极限而形成新相的过程。
气体渗碳示意图
(3)渗剂 渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体(煤油,丙酮等),气体 渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体(煤油,丙酮等),气体 ), 分解,析出活性碳原子,渗入工件表面。 分解,析出活性碳原子,渗入工件表面。 (4)分类 可分为滴注法渗碳,吸热式气氛渗碳等。 可分为滴注法渗碳,吸热式气氛渗碳等。 1)滴注式可控气氛渗碳: )滴注式可控气氛渗碳: 同时向炉内滴入两种有机液体, 同时向炉内滴入两种有机液体,热裂分解为活性原子并渗入 工件表面。 工件表面。 一种液体(甲醇)产生的气体碳势较低,作为稀释气体; 一种液体(甲醇)产生的气体碳势较低,作为稀释气体; 另一种液体(如醋酸乙脂、煤油或丙酮) 另一种液体(如醋酸乙脂、煤油或丙酮)产生的气体碳势较 作为富化气。 高,作为富化气。 通过改变两种液体的滴入比例,就可以控制碳势。 通过改变两种液体的滴入比例,就可以控制碳势。
2)渗层深度与温度的关系 渗层深度与温度呈指数关 系,因而温度对深度的影 远比时间的影响强。 响,远比时间的影响强。 表面浓度愈高, 3)表面浓度愈高,相同扩 散时间条件下, 散时间条件下,渗层深度 愈深。 愈深。
δ = K 2e
2
Q − RT
(3)扩散层的组织结构
扩散层的组织结构可以根据基体金属与渗 入元素的合金状态图及扩散条件来确定。
1、渗剂分解 渗剂一般由含有被渗元素的物质组成,有时加入一定量的催渗 剂,催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。 渗剂活性:在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。 催化剂:是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的 物质。 例如:渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠
Na2CO3 ∆ Na2O + CO2 →
5.1 基本原理
一、化学热处理的基本过程 通过界面反应渗剂分解,产生被渗元素的活性原子; 通过界面反应渗剂分解,产生被渗元素的活性原子; 活性原子被表面吸附; 活性原子被表面吸附; 活性原子由工件表面向内部扩散。 活性原子由工件表面向内部扩散。 例如: 例如: 渗碳时: 渗碳时:CH4=2H2+[C] 渗氮时: 渗氮时:2NH3=3H2+2[N]
2)渗层深度 :为了提高工件的疲劳强度,渗碳层的 总浓度和工件断面之间有一个经验的比例关系:
轴类
δ = (0.1 ~ 0.2) R
δ = (0.2 ~ 0.3)m
齿轮
薄片零件
δ = (0.2 ~ 0.3)t
R-半径(mm); m-模数(mm); t -厚度(mm)。 一般情况,小截面工件渗层深度不大于工件截面的20%; 大截面工件渗层深度不大于2~3mm。
5.2
钢的渗碳
一、渗碳的概述 概念: 概念: 向钢件表面渗入碳原子(元素)的工艺。 向钢件表面渗入碳原子(元素)的工艺。 目的: 目的: 提高零件的表面硬度、 提高零件的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲 疲劳强度, 疲劳强度,而心部保持良好的塑性与韧性。
440 420 400 380 360 340 320 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 离表面的距离 mm 显微硬度 HV
BaCO3 ∆ BaO + CO2 →
界面反应 2CO = CO2 + [C ]
CO2 + C = 2CO
化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的反应有: 1)分解反应:如普通气体渗碳、渗氮时,
CH 4 = 2 H 3 + [C ]Fe中
2 NH 3 = 3H 3 + 2[ N ]Fe中
2)置换反应:渗金属时,
2、化学催渗法 概念: 概念: 是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质, 是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质,促进 渗剂的分解,去除表面钝化膜, 渗剂的分解,去除表面钝化膜,改善工件表面活化 状态,以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。 状态,以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。从 而提高渗入能力。 而提高渗入能力。 分类: 分类: A)卤化物催渗法; A)卤化物催渗法; 卤化物催渗法 B)提高渗剂活性的催渗方法。 提高渗剂活性的催渗方法。
MeCl x + Fe → FeCl3 + Me
3)还原反应:如渗金属时,
MeCl x + H 2 → HCl + Me
2、吸附过程及影响因素
固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理 吸附和化学吸附两类。 1)物理吸附:没有电子转移和化学键生成的吸附现象。 这种吸附能迅速达到平衡,并在较低温度下发生。 温度升高时吸附量下降,温度下降时吸附量又增加。 2)化学吸附:当气体(吸附质)与金属表面(吸附剂)接 触时二者以高速发生反应形成化学键,即发生电子交换, 组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。 化学吸附在低温时速度较小,随温度升高明显增大,这种 吸附可以使分子解离。
20MnSi 930℃渗 碳10h后硬度
分类: 分类: 按渗碳介质状态不同,分为固体渗碳、 按渗wk.baidu.com介质状态不同,分为固体渗碳、液体渗 碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。 气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。 渗碳的材料 含碳量为0.1-0.25%的低碳钢或合金钢。 含碳量为0.1-0.25%的低碳钢或合金钢。 0.1 如20、20CrMnTi、18CrMnTi等。 20、
第五章
金属的化学热处理
概述
1、概念 将金属制件放在特定的活性介质中,加热保温使一种或几 将金属制件放在特定的活性介质中, 种元素渗入它的表层,改变其表面的化学成分和组织, 种元素渗入它的表层,改变其表面的化学成分和组织,以达 到改变表面性能,满足技术要求的热处理工艺总称。 到改变表面性能,满足技术要求的热处理工艺总称。 简单说是向钢的表面渗入某种元素的热处理工 艺。 注意:化学热处理既改变表面的化学成分,又改变其组织。 注意:化学热处理既改变表面的化学成分,又改变其组织。 2、目的 获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。 获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。 3、分类 以渗入元素命名:渗金属,渗非金属。命名方法见表。 以渗入元素命名:渗金属,渗非金属。命名方法见表。
二、评定渗碳质量的主要技术指标: 评定渗碳质量的主要技术指标:
1、渗碳层的碳浓度:0.85-1.05% 。 渗碳层的碳浓度:0.85-1.05% 碳浓度低,则耐磨性不够,疲劳强度较低。 碳浓度低,则耐磨性不够,疲劳强度较低。 碳浓度过高渗层变脆,出现网状或块状碳化物, 碳浓度过高渗层变脆,出现网状或块状碳化物,则很容易剥落 影响使用寿命。 影响使用寿命。 渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求, 渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求,渗层的碳浓度梯度应平 衡下降。 衡下降。
(4)特点 优点:不需专门设备,工艺简单,适宜单件或小批量生产。 缺点:加热时间长,生产率低,劳动条件差,渗碳层深度以 及质量不易控制。 泥封 渗碳箱 盖 试棒 零件 渗碳剂
固体渗碳示意图
2、液体渗碳 (1)概念:工件在一定温度下的含碳活性盐浴中加热保温进行 概念: 渗碳的工艺。 渗碳的工艺。 (2)特点: 特点: 优点:加热速度快,加热均匀,渗碳后直接淬火; 优点:加热速度快,加热均匀,渗碳后直接淬火; 缺点:多数盐浴有毒。 缺点:多数盐浴有毒。 (3)渗碳液体组成 由三部分物质组成: 由三部分物质组成: 加热介质 NaCl、 NaCl、BaCl2 混合盐 NaCN,KCN, 603”渗碳剂等 100目木炭粉 渗碳剂等( 目木炭粉, 渗碳介质 NaCN,KCN,“603 渗碳剂等(100目木炭粉,5 NaCl,10%KCl,15% 20%( %(NH CO) %NaCl,10%KCl,15%Na2CO3,20%(NH2)2CO) 催化剂 碳酸盐Na 碳酸盐Na2CO3、BaCO3
(2)影响渗层深度的因素: )影响渗层深度的因素: 渗层指在钢的表面渗入某种元素后, 渗层指在钢的表面渗入某种元素后,从表面向内保 持该元素较高浓度的距离。 持该元素较高浓度的距离。
440 420 400 380 360 340 320 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 离表面的距离 mm
二、加速化学热处理过程的途径
1、物理催渗法 概念:是利用改变温度、气压, 概念:是利用改变温度、气压,或利用特定的物理 等离子场、真空、高频、电磁场等), ),加速渗 场(等离子场、真空、高频、电磁场等),加速渗 剂的分解,活化工件表面,提高吸附和吸收能力, 剂的分解,活化工件表面,提高吸附和吸收能力, 及加速渗入元素的扩散等。 及加速渗入元素的扩散等。 基本方法: 基本方法: A)高温化学热处理; A)高温化学热处理; 高温化学热处理 B)高压或负压化学热处理; B)高压或负压化学热处理; 高压或负压化学热处理 C)高频化学热处理; C)高频化学热处理; 高频化学热处理 D)采用弹性振荡加速 采用弹性振荡加速。 D)采用弹性振荡加速。
三、渗碳方法 1、固体渗碳 概念:将工件放入填充固体渗碳剂的密封箱中, (1)概念:将工件放入填充固体渗碳剂的密封箱中,在一定温 度下加热保温进行渗碳的工艺。 度下加热保温进行渗碳的工艺。 (2)固体渗碳剂组成 主要由两类物质组成: 主要由两类物质组成: 提供活性碳原子的供碳剂(木炭、焦炭) 提供活性碳原子的供碳剂(木炭、焦炭) 催渗剂,如碳酸钡, 催渗剂,如碳酸钡,碳酸钠 (3)渗碳工艺 渗碳温度: 渗碳温度: 900~930℃;( Ti、 ;(含 Mo的钢 950~980℃) 的钢, 900~930℃;(含Ti、V、W、Mo的钢,950~980℃)。 保温时间:每小时渗0.1 0.1mm; 保温时间:每小时渗0.1mm; 生产中常用试棒来检验渗碳效果, 生产中常用试棒来检验渗碳效果,渗碳时间应通过试验进行修 正。
显微硬度 HV
20MnSi 930℃渗碳10h后硬度
1)渗层深度与扩散时间的关系
δ = K1τ
2
说明渗层深度δ 说明渗层深度δ与时间 t 呈 抛物线关系; 抛物线关系; 即延长化学热处理时间, 即延长化学热处理时间,相邻 区域的浓度差减小, 区域的浓度差减小,扩散速度 逐渐降低; 逐渐降低; 随时间延长,扩散浓度的增加 随时间延长, 值也越来越少(先快后慢)。 值也越来越少(先快后慢)。
基本化学反应: Na2CO3+C→Na2O+2CO 2CO↔CO2+[C] 3[NH2]2CO+Na2CO3 → Na2CNO+4NH3+2CO2 2NaCNO →2NaCN+Na2CO3+CO+2[N] 渗碳温度一般为920~940℃,渗碳速度较快。
3、 气体渗碳 (1)概念:把工件放在一定温度的富碳气体介质中,加热和保 温进行渗碳的工艺。 (2)特点: 操作简便,周期短,质量容易控制,劳动条件好。
4、作用: 强化表面:表面硬度,耐磨性,疲劳极限,多次冲击韧性的 提高。如渗碳、渗氮等。 保护工件表面:提高工件的物理化学性能,耐高温,耐腐蚀。 如渗氮等。 5、特点: 最有效地改善钢件表面的化学成分,组织和性能,而且这种 改善是由表面向心部逐渐过渡,渗层与基体的结合是牢固的。 不受工件外形的限制,表面都可以获得分布均匀的渗层和淬 硬层。 经化学热处理后的工件大部分具有变形小,精度高,尺寸稳 定性好等特点。 大部分化学热处理,在提高表面机械性能的同时还可以提高 表面的耐腐蚀性,抗氧化,减磨,抗咬合,耐热等。