第五章：金属的化学热处理12解析

第五章：金属的化学热处理
第一节：化学热处理基本原理 第二节：钢的渗碳 第三节：钢的渗氮 第四节：钢的碳氮共渗与氮碳共渗 第五节：钢的渗硼及渗金属 第六节：辉光放电离子化学热处理
例1：机械中常见的齿轮，要求表面硬而耐磨， 有良好的接触疲劳性能，同时心部具有一定 的韧性。若选择低碳钢制造，必须进行表面 渗碳，通过渗碳淬火处理后，表层达到所需 要性能，心部有一定韧性等。
●相界面的反应：渗入元素中活性原子吸附于 工件表面，被吸附的活性原子与工件表面原 子发生吸附与解吸附反应；
●金属工件内的扩散：渗入元素原子从工件表 面向内部扩散。
二、渗剂的反应与热力学
1、渗剂反应：
（1）分解反应：普通气体渗碳及气体渗氮都
属于这一类，如：CnH2n
nH2+n[C]
（2）置换反应：如渗金属时有如下反应
● 描述纯扩散宏观规律可用Fick第二定律：
C D 2C
x2
0
C C
=
C0 C0
x=0 x=
CC=CC0 s
x=0 x=
C(x, ) C0 [1 erf ( x )]
Cs C0
2 DC
x2 k D
（层深与时间关系，抛物线）
x2 A exp ( Q ) （层深与温度关系，指数） RT
由于渗剂反应基本是在恒温恒压下进行的， 因此可以用自由能增量作为化学反应方向 判据。
根据△GT =0 可以粗略的确定反应的起始温 度。 △GT ﹤0，则反应可能进行； △GT ﹥0 则反应不能进行。
如:气相沉积时有如下反应 TiCl4＋CH4 TiC ＋ 4HCl TiCl4 ＋N2 ＋H2 TiN ＋ 4HCl
lg k lg A 0.432Ea ( 1 ) 12 T
k---平衡常数；A---频率因子
E ---活化能 ；R---气体常数
k
Pc [C ]
PD d
PAa PBb
三、渗剂中扩散（外扩散）
流体介质（气体或液体）流经固体表面时，由于 固体表面的阻滞作用使流体流速减缓，在表面附近的 一定距离内，将出现一个流动方向与表面基本保持平 行的层流层，称为“界面层”。出现了外扩散。
2、渗入金属元素； 3、金属与非金属元素共渗；
第一节：化学热处理基本原理
一、化学热处理的基本过程 二、渗剂的反应与热力学 三、渗剂中扩散 四、相界面反应 五、工件内的扩散过程 六、加速化学热处理过程的途径
一、化学热处理的基本过程
渗剂元素渗入工件大致可分为四个过程：
●活性原子的产生过程（渗剂中的反应）； ●活性原子的外扩散过程；
（2）工件表面清洁，提高表面活性。
五、化学热处理的扩散过程
工件吸附渗入元素活性原子后，随着浓度 增加，在表层和内部存在浓度梯度，渗入元素 原子由浓度高处向低处迁移，这种原子迁移现 象称为扩散。
在化学热处理过程中，所发生的扩散现象 有纯扩散、相变扩散或反应扩散。
1、纯扩散
定义：渗入元素原子在基体金属中形成连续固 溶体，在扩散过程中不发生相变或化合物的形 成和分解的扩散过程。
2、反应扩散
定义：原子渗入基体金属后，在扩散温度下，随着渗
入元素原子在表面浓度的增加，伴随着形成新相扩散 称为反应扩散。
●反应扩散只在有限固溶的合金系中才能发生。新相的
形成过程一般有三种情况：
（1）发生相变：即由溶解度较低的固溶体转变成溶解 度较高的固溶体。
（2）在扩散温度下，基体金属表面与介质直接发生化 学反应，在表面形成极薄的化合物层，新相形成需要 通过化合物层，其长大速度取决于渗入元素在化合物 中扩散及在邻相中扩散。
例2：一些要求变形小、表面硬度高零件，采 用其它方法不能实现，若采用气体氮化，提 高表面硬度，减少零件变形等。
定义：将金属或合金工件置于一定温度的活性 介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表面， 从而改变工件表面层的化学成分、组织和性能， 这种热处理工艺称为化学热处理。 分类：1、渗入非金属元素；
根据△GT =0 可以粗略的确定反应的起始温度： T TiC =1100K (827℃) T TiN =1050K (777℃)
实际上有： △GT ＜ -41.84KJ
3 渗剂的活性（浓度） 可根据渗剂间或渗剂与基体金属间的化学反应来判断
a A b B c [C] d D
k A exp( Ea ) R T
流体在界面层中的流速也不均，贴近固体表面处 流速接近零，随距表面距离的增加流速逐渐增大。
△界面层厚度；κ常数；η粘滞系数；υ流速
定量分析：设渗剂中活性组员浓度为ab，工
件表面活性浓度为ai，若在τ时刻内通过面 积为A的边界层物质为m，那么：
ai
ab
由Fick第一定律可知：
Δ
dm D da A
●物理吸附：固体表面对气相的凝聚作用，吸 附速度快，达到平衡也快。随着温度升高， 吸附在固体表面上分子离开固体表面越多。
●化学吸附：在吸附过程中结合力类似化学键 力，具有明显的选择性。吸附速度随温度升 高而增大。
■吸附能力和工件表面的状况有很大的关系， 一般有：
（1）工件表面光洁度越差吸附和吸收被渗原 子能力越大，活性越大；
（3）合金钢渗碳或铁中同时渗入碳、氮元素扩散过程。
■发生相变：即由溶解度较低的固溶体转变成 溶解度较高的固溶体。以纯铁渗铬为例。在 1050℃进行渗铬
Cr%
a b
a
20 15
α＋γ
c
10
γ α＋γ 5
a' b'
c'
1400 1300 1200 1000 800
3 SiCl4+4Fe
4FeCl3+3[Si]
（3）还原反应：如：
TiCl4+2H2
4HCl+4[Ti]
在化学热处理时，渗剂往往是由几种原
料配制而成，在加热后渗剂之间，渗剂与
工件表面之间将发生复杂的物理化学反应。
2、渗剂反应的热力学
通过化学反应的热力学计算
（1）预测某一温度下所进行的化学反应；
（2）为获得某种渗入元素活性原子所需要的 最低温度。
d
dx
= D
ab 源自文库ai
A
AD
(ai
ab )
令 = AD
则
dm
d
(ai
ab )
由式可见：减少Δ或提高ab可加速外扩散过程
四、相界面反应
（活性原子被工件吸附过程）
金属表面存在大量缺陷： 如割阶、空位、增殖原子
活性原子在金属表面 的吸附能降低表面能
活性原子被工件表面吸附 是自发过程
一般固体表面对气相的吸附可分成两类： 物理吸附 化学吸附