工艺第5章_钢的化学热处理.ppt

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。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。,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。1）碳钢渗C或C、N共渗→（淬火）获得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好的塑韧性。2）渗氮（软N化或离子渗N）→表面耐磨、抗腐蚀3）渗Al→提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。,3、分类,以渗入元素命名渗金属，渗非金属。,1）渗入非金属元素单元渗C、N、B、O、S、Si等；多元渗C＋N、O＋N、O＋C＋N,2）渗入金属元素单元渗Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn多元渗Al＋Si、Al＋Cr、Al＋V、Al＋Cr＋Si,3）渗入元素对表面性能作用分类提高渗层强度及耐磨性→渗C、N、B、Nb、V等。高抗氧化、耐高温→Al、Cr。提高抗啮合、抗擦伤→渗S、N、磷化等。提高抗腐性能→渗N、渗Si、渗Zn。,4）质的物理状态分固体如固体渗C、固体渗B等。液体如盐溶炉渗B或B、C、N共渗等，渗Al等金属气体气体渗C和C、N共渗。,4）能获得具有特殊性能的表面层,3）经济效果好,2）具有较好的工艺性,1）不受工件几何形状的限制,4.钢的化学热处理具有如下特点,不受工件几何形状的限制,即任何几何形状复杂的工件经过化学热处理后，均可获得沿其轮廓分布的均一的表面化学热处理层,具有较好的工艺性,如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷却介质的敏感性较小等等,,,经济效果好,能获得具有特殊性能的表面层,廉价的钢材经化学热处理后可获得表面性能高的工件。经化学热处理的碳钢件的表层性能不亚于同类合金钢的性能。,如耐腐蚀性、耐磨性等,,,5.1基本原理,一、化学热处理的基本过程基本过程大致分为三个阶段1.分解阶段渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活性原子2.吸收阶段活性原子被金属表面吸收3.扩散阶段渗入原子在金属基体内达到一定浓度后从工件表面向内部扩散,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,界面反应,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，2）置换反应渗金属时，3）还原反应如渗金属时，,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。,,吸附是物质在相界面上自动聚集的过程。吸附过程并非在固体表面均匀进行，吸附中心往往出现在表面的一些缺陷处。吸收过程就是活性原子由钢的表面进入晶格的过程。钢的表面上存在大量的位错和晶界，为活性原子的渗入提供了方便的通道。,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。（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,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，或渗剂的活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。,3、化学热处理的扩散过程,在化学热处理中，渗入元素原子在金属中形成的固溶体有两种当渗入元素为原子半径较小的非金属元素（C、N、B时，其与金属形成间隙固溶体；当渗入元素是金属元素时，其与原金属形成置换固溶体（铝、铬、硅、锌等）。,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。,（2）影响渗层深度的因素,20MnSi930℃渗碳10h后硬度,1）渗层深度与扩散时间的关系说明渗层深度δ与时间t呈抛物线关系；即延长化学热处理时间，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低；随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。,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响，远比时间的影响强。3）表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。,（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。,扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）,,,,,,,,,,,,,,,,,,T1,Cm,Cmin,,A,,T/℃,Cmax,1,Cm,Cmin,Cmax,AnBm,,由表至里距离,AnBm,AnBm′,α,表面,,,α,A,,,,AnBm′,,α,A,,AnBm′,α,A,AnBm,,,,T1温度下扩散层组织变化过程,T1温度下扩散层组织,冷却到室温后扩散层组织,快冷,慢冷,1、物理催渗法概念是利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（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，及加速渗入元素的扩散等。基本方法A高温化学热处理；B高压或负压化学热处理；C高频化学热处理；D采用弹性振荡加速。,二、加速化学热处理过程的途径,2、化学催渗法概念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，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。从而提高渗入能力。分类A卤化物催渗法；B）提高渗剂活性的催渗方法。,5.2钢的渗碳,一、渗碳的概述概念将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。目的提高零件的表面硬度、耐磨性高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度心部保持良好的塑性与韧性。,分类按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。渗碳的材料含碳量为0.1－0.3％的低碳钢或合金钢。,低淬透性、低强度15、20、25中等强度，淬透性20Cr、20Mn2、20MnV高强度，淬透性20CrMnTi、20CrMnMo等。超高强度20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA,1固体渗碳法,固体渗碳过程主要由下列步骤组成①在灼热的固体碳表面上，CO2与碳反应生成CO；②在金属工件表面，CO分解析出活性碳原子；③活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。,,a、固体渗碳剂固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂组成。供碳剂一般为木炭、焦炭；催化剂一般是碳酸盐。木炭与渗碳箱内的氧气发生反应CO2→CO2,CO2C→2CO2CO→CO2[C]催化剂的反应为BaCO3→BaOCO2,CO2C→2CONa2CO3→Na2OCO2,CO2C→2CO,b、固体渗碳工艺,把工件埋入渗碳箱中，四周填满固体渗碳剂，并用盖和耐火泥将箱密封，然后送入加热炉中，加热至渗碳温度900∼930C，保温一定时间后出炉，即得所需样品。,,优点不需要专门的渗碳设备，操作简单，成本低，大小零件都能用。缺点渗速慢，渗碳时间长，渗层不易控制，不能直接淬火，劳动条件差，效率低。,2液体渗碳法,在熔融状态的盐溶渗碳剂中进行渗碳的工艺。1、液体渗碳用盐液体渗碳盐浴一般由中性盐和渗碳剂组成，中性盐一般不参与渗碳反应，主要起调整盐浴密度、熔点和流动性的作用。传统的渗碳盐浴以NaCN为供碳剂，这种盐浴相对易于控制，渗碳件表面碳含量较稳定，但氰盐有剧毒。近年来发展了低氰渗碳盐浴（NaCN含量保持在0.7-2.3）和无NaCN型渗碳盐浴（用木炭粉和SiC作为供碳剂）。,2、液体渗碳工艺,液体渗碳温度及盐浴活性是决定渗碳速度和表面碳含量的主要因素。对于渗层薄及变形要求严格的工件，可采用较低的渗碳温度（850∼900C）；对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（910∼950C）。温度一定条件下，渗碳保温时间由渗层深度决定。,3、液体渗碳优缺点优点加热速度快，加热均匀，渗碳后便于直接淬火，适合于处理中、小型零件。缺点多数盐浴有毒。,4、液体渗碳后的冷却方式,①随炉降温或将工件移至等温槽中预冷，然后直接淬火（预冷温度应高于心部铁素体析出的温度）。②等温槽预冷后，工件出炉空气冷却（预冷目的是为了减少表面脱碳及氧化），然后重新加热淬火。,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。,,气体渗碳示意图,,气体渗碳根据所用渗碳气体的产生办法及种类，可分为滴注式、吸热式和氮基式三种气体渗碳方法。,1、滴注式气体渗碳,滴注式气体渗碳是指将苯、醇、煤油等有机液体直接滴入渗碳炉中裂解进行气体渗碳的方法。,滴注式气体渗碳，一般采用两种有机液体同时滴入炉内。一种液体高温下分解产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体高温下分解产生的气体碳势较高，作为渗碳气体。,滴注剂的选择原则,①渗碳能力强，足够的活性原子用碳氧比与碳当量衡量（液体介质）碳氧比分子式中碳氧原子数之比。C/O越大，分解的活性碳原子越多渗碳能力越强。甲醇CH2OHC/O1乙醇C2H2OHC/O2丙酮CH3COCH3C/O3,,碳当量产生一克分子碳所需该物质的量。碳当量越小，渗碳能力越强。甲醇CH2OH碳当量＝64乙醇C2H2OH碳当量＝46丙酮CH3COCH3碳当量＝29渗碳能力由强至弱顺序丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇②气氛成分的稳定性③原料经济，来源方便，无公害,,碳势调节方法①改变两种液体的滴入比例来调节碳势。②使用几种渗碳能力不同的液体，通过改变液滴来调节碳势。滴注式气体的渗碳过程分为四个阶段排气、强渗、扩散及降温出炉①排气阶段加大渗碳剂（稀释剂）滴量，使炉内氧化性气氛迅速减少。②强渗阶段渗碳剂滴量较多，保证炉气有较高碳势，以提高渗碳速度。,,③扩散阶段减少渗碳剂滴量，保持预定的碳势，使表层过剩的碳向内部扩散，最后得到要求的深度及合适的碳含量分布。④降温出炉阶段直接淬火的工件，随炉冷至适宜的淬火温度，保温15∼30min后出炉淬火；需重新加热淬火的工件，自渗碳温度出炉后在空气中冷却。,2、吸热式气氛气体渗碳,吸热式气氛渗碳时，炉内渗碳气体由吸热式气体（CO、H2、N2、H2O、CO2、O2等）加富化气（CH4、C3H8）组成。吸热式气氛由一定比例的原料气（天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物）和空气混合，通过内部催化剂、外部加热的反应罐，经吸热反应制备所得的气氛。吸热式气氛的化学反应通式,3、氮基气氛渗碳,氮基气氛渗碳是一种以纯氮为载体，添加碳氢化合物进行气体渗碳的工艺方法。特点①不需要气体发生装置。②成分与吸热式气氛基本相同，渗碳层深度的均匀性不低于吸热式气氛渗碳。③具有与吸热式气氛相同的点燃极限，由于N2能自动安全吹灭，故采用氮气气氛的工艺具有更大的安全性。④渗碳速度不低于吸热式气氛渗碳。,4真空渗碳法,是一种较新的气体渗碳工艺。1真空渗碳的温度和适用范围,特点,a由于将渗碳温度由普通气体渗碳时900∼950C提高到1030∼1050C以上，以及由于真空加热的表面净化作用所造成的表面活化状态，使渗碳时间显著缩短。b.渗碳表面质量好，渗碳层均匀，没有过渡渗碳的危险等，无脱碳现象，工件变形小，节省能源。c.作业条件好，如排除了烟、热对环境的污染等。,二、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％。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，则很容易剥落影响使用寿命。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。,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,齿轮,薄片零件,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23mm。,四、渗碳后的热处理,工件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为获得理想的性能，需要进行热处理。,渗碳后热处理的目的,a.提高工件表面的强度、硬度和耐磨性能；b.提高心部的强度和韧性；c.细化晶粒；d.消除网状碳化物和减少残留奥氏体；e.消除内应力，稳定尺寸。,1、直接淬火渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合于气体或液体渗碳，固体渗碳不适合。2、一次淬火法工件渗碳后随炉冷却到室温，然后再重新加热到淬火温度，经保温后淬火。3、两次淬火法将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。注意淬火后需要进行低温回火。,1、直接淬火法本质细晶粒钢渗碳件，渗碳后晶粒不易长大，渗碳后可直接预冷淬火，＋180～200C低温回火,,优点减少加热和冷却的次数，使操作简化、生产效率提高，还可减少淬火变形及表面氧化脱碳。缺点渗碳温度高，奥氏体晶粒粗大，淬火后A’较多，工件性能下降。只适用于本质细晶粒钢或性能要求较低的零件。,工件渗碳后直接出炉，空冷至室温，然后再重新加热淬火。淬火温度的选择要兼顾表面和心部的要求。①心部要求较高强韧性的零件，加热至心部Ac3稍上。心部细小的低碳M；表面可消除网状渗碳体；晶粒较粗大，残余奥氏体较多，影响耐磨性。②对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选择在Ac1稍上，表面层为M、未溶碳化物和少量残余奥氏体心部低碳M和未溶铁素体。,2、一次淬火法,3、二次淬火,将渗碳后的工件置于空气中冷却，然后再进行两次淬火和低温回火。第一次淬火温度Ac330-50℃，目的细化心部组织，使淬火后心部组织为细晶粒低碳马氏体，消除渗层的网状碳化物。,,第二次淬火温度Ac130-50℃，目的使表层得到细针状马氏体和呈小颗粒状分布的二次渗碳体，减少渗层的残留奥氏体数量。优点能获得较好的表面和心部组织。缺点工艺较复杂，工件易氧化、脱碳和变形。仅在当直接淬火、一次淬火无法满足要求时才使用。,五、渗碳后的组织与性能1、渗碳后缓冷到室温下的组织表面过共析区P＋Fe3CII；接近共析区P；亚共析区（过渡区）F＋P；心部原始组织。,共析区,过共析区,渗碳后缓冷，渗层分三个区域①过共析层OA段珠光体＋网状渗碳体②共析层A段珠光体③过渡层AC段珠光体＋铁素体心部原始组织大量铁素体＋少量珠光体,渗碳层的组织,过共析组织PFe3CⅡ,共析组织P,过渡区亚共析组织PF,原始亚共析组织FP,2、渗碳后淬火加低温回火后的组织表面回火马氏体颗粒状碳化物残余奥氏体；心部组织依据钢种来确定。若为低碳钢，淬透性差，为铁素体珠光体；若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。,亚共析区,心部,3、性能表面具有较高的硬度、耐磨性以及疲劳强度；心部具有良好的塑性与韧性。,渗碳件的组织对性能的影响,（1）表层碳含量表面含碳量应控制在0.9％左右。（2）、残留奥氏体与马氏体相比，残留奥氏体强度、硬度较低，塑性、韧性较高，组织中有一定数量的残留奥氏体，能起到对外力缓冲和使应力分布均匀的作用，增加了疲劳裂纹形成和扩展的阻力，提高了钢的断裂韧性。不宜超过30％（3）渗层碳化物可显著提高工件的耐磨性和抗咬合性，但粗大块状或网状碳化物的存在，会破坏基体组织的连续性而引起脆性，使工件表面产生剥落。,,（4）心部硬度及组织工件心部硬度取决于钢的碳含量。合适的心部组织应为低碳马氏体、贝氏体或索氏体，不允许有大块、大量的铁素体存在。（5）渗碳层深度渗碳层的深度愈深，可以承载接触应力愈大。在满足工件使用要求的前提下，渗层越浅越经济。过多地增加层深，会使表面残余压应力降低，工件韧性下降，疲劳强度降低。,,一般渗碳件的工艺路线锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火低温回火→精加工,六、渗碳件的质量检查1、渗碳层的深度的检查（测定）常用随炉渗碳试样来判别。（1）断口分析法将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断口呈白色瓷状，未渗碳部位为灰色纤维状，两层交界处的含碳量约为0.4％。为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光，4％硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直接用读数放大镜测出渗层深度。（2）金相分析法退火态下测量。碳钢件从表面测到过渡区的1/2处。合金钢从表面到出现原始组织为止。,（3）硬度法渗碳渗层深度为从表面向里到硬度HV550。2、硬度检查根据技术要求和工艺规定的部位检查硬度。一般要求检查淬火及低温回火后的表面硬度大于58HRC和心部硬度。3、金相组织检查渗碳件淬火及回火后的金相组织检查，包括表层碳化物的数量，分布特征，马氏体粗细，残余奥氏体的含量，心部游离铁素体的数量大小分布状态。,图5-21块状碳化物级别8级400,渗C缺陷及控制,1.表面粗大网状、块状碳化物,控制方法降低渗碳剂浓度、数量，强渗期温度调低。,形成原因碳势太高，温度太高，保温时间太长。,,返修方法调整碳势并补渗；脱C层≤0.02mm时，喷丸处理,18CrMnTi渗碳表面脱碳,2.表层贫碳或脱碳,形成原因扩散期碳势降低太多，炉子漏气，缓冷或出炉时氧化脱碳,,,形成成因渗C或淬火温度过高，使A中的C及含C量过高。防止方法降低碳势，降低渗C温度和淬火温度，降低重淬温度。返修方法（1）深冷处理，使A′→M（2）高温回火后重淬,表面大量残余奥氏体400,3.表面大量残余奥氏体,,形成成因炉温不均匀，炉气循环不好，碳黑沉积在工件表面,固体渗C时，渗剂不均匀,4.渗C层深度不均匀,形成原因炉温低，碳势低，漏气，装炉量过大等防止办法检查渗剂给入量，修复炉子不良状况，清理沉积碳黑。返修方法补渗,5.渗层深度不够,7.表面硬度低形成成因表面碳浓度低，A′量多，或表面形成屈氏体组织返修方法补渗、深冷、重淬。8.变形成因形成摆放不当，压挤防止方法合理吊装工件，淬火压床加压淬火9.开裂在缓冷过程中产生表面裂纹形成成因渗C后空冷渗层组织转变不均匀所致。如20CrMnMo渗后空冷，表层先形成薄层屈氏体，下面为A，继续冷却时A→M，表面形成拉应力所至。防止方法先减慢冷速使渗层共析转变后再快冷。,用20钢制造的20mm的小轴，经930℃，5小时渗碳后，表面碳的质量分数增加至1.2％分析经下列热处理后表面及心部的组织20钢AC3为855℃，Ar3为835℃；T12钢Acm为820℃1渗碳后缓冷到室温。2渗碳后直接淬火，然后低温回火。3渗碳后预冷到820℃，保温后淬火，低温回火。4渗碳后缓冷到室温，再加热到880℃后淬火，低温回火。5渗碳后缓冷到室温，再加热到780℃后淬火，低温回火。,3.金属的氮化,定义钢铁工件在一定温度的含有活性氮的介质中保温一定时间，使其表面渗入氮原子的过程称为渗氮或氮化。目的提高工件的表面硬度、疲劳强度、耐磨性、耐蚀性及抗咬合性。,α相氮溶于α-Fe中的固溶体（含氮铁素体），体心立方结构，N含量60），心部有较好的韧性（Ak50J,材料选用15钢；（4）镗床和镗杆，在重载荷作用下工作，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合力学性能，材料选用38CrMoAlA。,