Chapter 9 化學(xué)熱處理

1、第九章 鋼的化學(xué)熱處理Chemical heat treatment of steel王建剛重點(diǎn)與難點(diǎn) 掌握氣體滲碳工藝 掌握滲碳后的熱處理 掌握滲碳熱處理常見缺陷 掌握氣體氮化原理 掌握氮化前的熱處理和氣體氮化工藝1. 定義：將鋼件在特定的介質(zhì)中加熱、保溫，以改變其表層化學(xué)成分和組織，從而獲得所需機(jī)械或化學(xué)性能的工藝的總稱。2. 作用 強(qiáng)化表面高的耐磨性（形成固溶體或化合物） 保護(hù)表面：滲Al 抗氧化、抗S腐蝕 滲Cr 耐熱、抗腐蝕 化合物氣相沉積TiN 與基體金屬無關(guān)的覆蓋層裝飾、耐磨9.1 化學(xué)熱處理概述3. 化學(xué)熱處理基本過程 常用的化學(xué)熱處理方法都是在零件表面滲入某種元素，即滲入法。

2、可以分為三個(gè)階段：分解、吸收和擴(kuò)散。分解分解是指零件周圍介質(zhì)的分解，以形成滲入元素的活性原子；吸收吸收指活性原子被金屬表面吸收的過程；擴(kuò)散擴(kuò)散指滲入原子在基體金屬中的擴(kuò)散，以獲得一定深度滲層。需要有較大的驅(qū)動(dòng)力（濃度梯度）和較高的溫度。9.1 化學(xué)熱處理概述 滲碳滲碳是將鋼件置于具有足夠碳勢介質(zhì)中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫，是表層形成一個(gè)高碳層的熱處理工藝。 滲碳種類 氣體滲C 固體滲C 液體滲C9.2 鋼的滲碳一、滲碳原理（氣體滲碳）三個(gè)階段：1. 滲碳介質(zhì)分解（1）兩類氣體滲碳方法：吸熱式或放熱式可控氣氛（N基氣氛）作為載氣+富化氣（甲烷、丙烷等），氣體做滲劑；滴入C、H化合物有機(jī)液體（煤油、

3、甲醇、苯、丙酮），液體做滲劑9.2 鋼的滲碳（2）爐氣組成 無論何種滲劑，主要有CO、CO2、CH4、H2、H2O、N2 組成 ，能否滲碳取決于它們的綜合作用 增碳?xì)夥眨?CO 、CH4分解獲得 ：2CO CO2+ C CH4 C+2H2 脫碳?xì)夥眨?CO2、H2、H2O9.2 鋼的滲碳（3）碳勢（Cp） 定義： 爐氣C%與工件表面化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的爐氣狀態(tài)。即保持不增碳也不減碳時(shí)爐氣中的C%。 Cp滲碳能力 表面C%、滲層但是當(dāng)Cp 太高 炭黑 滲速 CO、CH4% Cp9.2 鋼的滲碳（4）分解反應(yīng)（180多個(gè)） 爐氣與工件 氣體之間 主要4個(gè)9.2 鋼的滲碳 露點(diǎn)儀 露點(diǎn)：水結(jié)露的溫度

4、，水% 露點(diǎn) Cp 原理：LiCl鹽感濕元件吸水導(dǎo)電性 控制系統(tǒng)通電水蒸發(fā) CO2紅外儀 原理：CO2選擇性吸收4.3m紅外線紅外線強(qiáng)度 調(diào)節(jié)裝置控制 氧探頭 原理：O2 CO2 、H2O Cp ZrO氧敏陶瓷管內(nèi)、外氧%不同（內(nèi)為參比氣、外為爐氣） 氧濃差電勢調(diào)控（5）控制碳勢的方法9.2 鋼的滲碳 CO分別被吸附（化學(xué)）在Fe原子上C-O鍵破壞C進(jìn)入Fe晶格 吸收條件 表面清潔 爐氣循環(huán)抽去吸收后殘留的廢氣 控制分解速率避免炭黑出現(xiàn)2. 吸收9.2 鋼的滲碳3. 擴(kuò)散 擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是表面與心部間的碳濃度梯度。 溫度、時(shí)間影響滲層深度d，深度d與時(shí)間的平方根成正比 影響擴(kuò)散的主要因素 間隙原

5、子擴(kuò)散系數(shù)置換原子 溫度擴(kuò)散系數(shù)（925 1100 提高6倍） 濃度梯度大擴(kuò)散，但分布要合理平緩、連續(xù) 合金元素會(huì)影響滲速（或快、或慢），碳化物形成元素?cái)U(kuò)散快 晶界、形變加快滲速9.2 鋼的滲碳9.2 鋼的滲碳4. 鋼中合金元素對滲碳過程的影響（1）合金元素對表面碳濃度的影響碳化物形成元素都增加表面碳的濃度；非碳化物形成元素都降低滲層表面碳濃度。含量不大時(shí)影響可忽略；（2）合金元素對滲層深度的影響通過影響碳的擴(kuò)散系數(shù)和表面碳濃度來影響碳的擴(kuò)散速度。1. 工藝過程概述 材料：低碳鋼或低碳合金鋼 滲碳前準(zhǔn)備 去油、去垢、清洗（熱水或碳酸鈉水溶液） 烘干涂防滲劑、裝爐布置確定溫度、時(shí)間、碳勢保證表面

6、C%、層深、濃度梯度 滲碳后工序直接淬火或重新加熱淬火低溫回火二、氣體滲碳9.2 鋼的滲碳（1）氣氛碳勢的選擇與控制根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定通常表面為0.81.0% 。（2）滲碳溫度的選擇與控制 通常880920，薄層滲碳溫度可以降低，快速滲碳提高滲碳溫度 溫度對擴(kuò)散、分解均有影響，提高溫度縮短滲碳時(shí)間效率提高 提高溫度滲層增加 溫度過高粗晶；變形；設(shè)備壽命縮短2. 滲碳工藝參數(shù)9.2 鋼的滲碳 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，隨爐抽樣檢查 經(jīng)驗(yàn)估算 滲層1.5mm，滲碳速度按照0.050.12mm /h（3）滲碳時(shí)間9.2 鋼的滲碳 升溫階段升溫階段：到達(dá)滲碳溫度前一階段，用低碳勢； 高速滲碳階段高速滲碳階段：高于或正常

7、溫度、高于規(guī)定碳勢滲碳，時(shí)間長； 擴(kuò)散階段擴(kuò)散階段：正常碳勢，此時(shí)表面碳回流到爐氣中，同時(shí)還有一部分向心部擴(kuò)散，時(shí)間短； 預(yù)冷階段預(yù)冷階段：溫度降到淬火溫度； 目的直接淬火時(shí)的減少變形 采用低碳勢防止脫碳3. 工藝參數(shù)的綜合選擇9.2 鋼的滲碳 滲劑90%木炭+催滲劑碳酸鹽 工藝 工件埋入滲劑中密封滲碳空冷清理重新加熱淬火回火 特點(diǎn) 設(shè)備簡單；工藝容易；小批量方便；便于加工 質(zhì)量難控；工作條件差；周期長三. 固體滲碳9.2 鋼的滲碳1. 淬火（1）直接淬火 滲碳后預(yù)冷 淬火 原則 預(yù)冷溫度心部Ac3 避免心部F 或預(yù)冷溫度 心部Ac3 第二次淬火目的細(xì)化表面組織加熱溫度 表面Ac1 特點(diǎn)：性能

8、好，但成本高、變形大 適宜：本質(zhì)粗晶鋼；高溫滲碳件；性能要求高的工件9.2 鋼的滲碳2. 回火低溫回火去應(yīng)力、提高韌性3. 冷處理適用：精密零件目的：穩(wěn)定尺寸、提高硬度特點(diǎn)：成本高9.2 鋼的滲碳滲層深度兩種定義：一是全滲層深度；二是有效滲層深度。測量方法有： 化學(xué)分析法：剝層取樣分析 金相法：檢測滲層剖面 有效硬化層（DC）測定：1公斤（9.8N）載荷，HV550處到表面的距離我國滲碳層深度定義為：過共析層共析層1/2（2/3）過渡區(qū)深度。五. 滲碳層深度的測量9.2 鋼的滲碳1. 表層硬度低滲后冷卻或重新加熱時(shí)脫碳；因表面碳含量高，淬火殘余A%多；冷卻速度慢導(dǎo)致非M組織出現(xiàn)（重新淬火）；內(nèi)

9、氧化使合金元素含量降低導(dǎo)致淬透性下降生成非M （控制加熱氣氛、強(qiáng)冷、磨削、噴丸）。2. 滲層淺、不均勻時(shí)間短、裝爐量大、漏氣層深淺；爐氣循環(huán)不良溫度不均勻滲層不均勻；表面不潔凈滲層不均勻。六、常見缺陷9.2 鋼的滲碳3. 金相組織不合格 表層網(wǎng)、塊狀碳化物碳勢高；直接淬火預(yù)冷時(shí)間長碳化物析出；一次淬火加熱溫度過低滲后碳化物未溶解；滲碳淬火冷卻速度慢。 表層殘余A%多表面碳%高、合金 %高、淬火溫度高；冷卻介質(zhì)溫度高。 M粗大；心部出現(xiàn)過多F9.2 鋼的滲碳4. 內(nèi)氧化：密封不好氧化氣氛5. 變形超差6. 心部硬度高：選材；淬火溫度高；冷卻快 表面獲得高硬度、高耐磨性，心部保持良好韌性 表層高的

10、疲勞強(qiáng)度（二次加熱淬火最好、一次加熱淬火次之、直接淬火效果差） 滲層、C% 韌性七、滲碳后的力學(xué)性能9.2 鋼的滲碳一、特點(diǎn)1. 更高的硬度及耐磨性2. 具有紅硬性（滲碳200以上硬度下降。滲氮500仍然高硬度 ）3. 疲勞性能好4. 變形小、有規(guī)律因?yàn)椋簼B氮溫度低、心部無相變、滲后不淬火直接使用5. 抗“咬卡”性能好短時(shí)缺油過熱不會(huì)擦傷、焊合6. 抗腐蝕性能好（抗腐蝕氮化）7. 周期長、成本高、層淺。氮化分為普通氮化普通氮化和離子氮化離子氮化。9.3 鋼的氮化1. Fe-N相圖及共析反應(yīng) 650，4.55N% 共析 + 590，2.35N% 共析 +（Fe4N）二、Fe-N相圖9.3 鋼的氮

11、化 相：N在-Fe中的間隙固溶體，bcc，含N的鐵素體，具有鐵磁性 相： N在 -Fe中的間隙固溶體，fcc，含N的奧氏體，無鐵磁性 相：以Fe4N為基的固溶體，fcc，具有鐵磁性，硬度高 相： Fe23N化合物，硬度低于 ， hcp 相：以Fe2N為基的固溶體，正交菱形，脆性大2. 組成相組成相9.3 鋼的氮化 純鐵氮化后由表及里： + + 最表層白亮層： + 三層很薄、不容易腐蝕，難以區(qū)分統(tǒng)稱白亮層 次表： + ，寬、含C、N 心部：原始組織 合金鋼氮化后形成合金氮化物，組織與上相似（AlN、CrN、MoN）3. 氮化層組織9.3 鋼的氮化1. 氨氣的分解 2NH3 2N+3H2 （吸熱）

12、 氮化是在NH3、H2混合氣中進(jìn)行 NH3分解與溫度、流量、進(jìn)、排氣壓力、工件表面潔凈度、催化劑等有關(guān)， 滲氮溫度下（ 500 540 ），接近完全分解三、氣體氮化原理9.3 鋼的氮化 N部分被吸收 ，多數(shù)結(jié)合為N2 脫離表面 氮?jiǎng)菀话爿^高容易形成相N向內(nèi)擴(kuò)散 形成固溶體和氮化物2. 氮原子吸收9.3 鋼的氮化3. 擴(kuò)散N尺寸小擴(kuò)散系數(shù)大層深與時(shí)間的平方根成正比（與滲碳相似） 形成氮化物的合金元素對氮化影響最顯著。 合金元素一般降低滲層深度 C阻礙氮化降低滲層深度（形成碳化物阻礙N擴(kuò)散） Al、Cr、Mo 提高滲層硬度，因?yàn)椋?形成共格的G-P區(qū)（N與合金偏聚） 形成過渡氮化物（共格） 時(shí)效強(qiáng)

13、化（與滲碳不同） 溫度高、時(shí)間長非共格出現(xiàn)過時(shí)效 氮化溫度和氮?jiǎng)莸虶-P區(qū)和過渡氮化物少硬度低4. 合金元素的影響和氮化強(qiáng)化機(jī)理9.3 鋼的氮化氮化工藝流程：鍛造預(yù)備熱處理機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)半精加工去應(yīng)力退火粗磨氮化精磨1. 預(yù)備熱處理：調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理比氮化溫度高50 保證心部綜合性能、組織穩(wěn)定性2. 調(diào)質(zhì)回火溫度低心部和滲層硬度（析出合金氮化物?。?；層深3. 形狀復(fù)雜零件，調(diào)質(zhì)后加工去應(yīng)力（加熱溫度 調(diào)質(zhì)） 減少氮化時(shí)的變形四、氮化前的熱處理9.3 鋼的氮化1.氮化工藝參數(shù)（時(shí)間、溫度） 氮化時(shí)間由層深確定 氮化溫度根據(jù)硬度、層深選擇，但小于調(diào)質(zhì)溫度氮化溫度低滲層淺、陡、硬度高氮化溫度高白亮層

14、（表面出現(xiàn)白亮層、硬度下降強(qiáng)化效果小于過渡合金氮化物的時(shí)效強(qiáng)化作用）五、氣體氮化工藝五、氣體氮化工藝9.3 鋼的氮化（1）傳統(tǒng)方法（國內(nèi)控制氨分解率） 測量分解率=廢氣中氫、氮體積/（廢氣中氫、氮、氨體積之和） 實(shí)測分解率比真實(shí)分解率大 分解率由經(jīng)驗(yàn)確定，有極大值（氨分解率過大轉(zhuǎn)變?yōu)镹2不利滲氮）,一般1540% 控制氨流量控制氮?jiǎng)荩吡髁浚〞r(shí)間短）新鮮氨不斷流過（低分解率） 提供活性氮增加氮?jiǎng)莞?目前氮?jiǎng)萜?，易形成白層?. 氮?jiǎng)葸x擇9.3 鋼的氮化（2）控制N勢（國外） 根據(jù)滲氮溫度及實(shí)驗(yàn)圖確定白層生成門檻值 按照比例配置NH3+H2混合氣 紅外分析控制NH39.3 鋼的氮化1. 心、表

15、硬度： 調(diào)質(zhì)回火溫度高表面硬度低；氮?jiǎng)莸捅砻嬗捕鹊?. 有效硬化層深度DN：硬度HRC50的層深。3. 組織(調(diào)質(zhì)鋼) 正常組織：表層含氮回火索氏體；心部回火索氏體 缺陷組織： 表層針狀氮化物（氮化前F多造成） 表層網(wǎng)、波紋狀氮化物（氮化溫度高、氣氛水%多、原始組織粗 吸N能力增加造成） 六、氮化后的檢測和常見缺陷9.3 鋼的氮化1. 特點(diǎn)時(shí)間短節(jié)省2/3或1/3白層少或沒有變形更小可實(shí)現(xiàn)局部氮化氮化均勻適用各種材料及低溫氮化不污染設(shè)備昂貴、測量溫度難七、離子氮化（輝光或等離子）9.3 鋼的氮化工件陰極，真空容器陽極 觀點(diǎn)1 高壓直流電電子向陽極移動(dòng)氨氣電離N+、H +移動(dòng)工件（陰極） N+高

16、速轟擊工件表面動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能達(dá)到氮化溫度（工件此時(shí)產(chǎn)生輝光） 在陰極N+得到電子還原為N 滲入 另外， N+高速轟擊工件表面Fe部分濺射為Fe+ 與N+結(jié)合表面形成FeN 分解Fe2N 擴(kuò)散2. 原理9.3 鋼的氮化觀點(diǎn)2認(rèn)為NH3不完全分解產(chǎn)生轟擊離子為NH2+、NH+因?yàn)橛肗2、Ar混合離子氮化無滲層9.3 鋼的氮化 清洗：否則會(huì)引起電弧損傷工件 裝爐：局部非氮化部位屏蔽；工件之間有間隙 參數(shù)選擇 電參數(shù)：電流密度；電壓；功率 熱參數(shù)：溫度；時(shí)間由材料、層深、硬度確定P261 表 氣參數(shù)：純NH3或分解NH3；壓力；流量3. 工序9.3 鋼的氮化 在鐵素體中進(jìn)行，滲氮為主，因共滲脆性小，硬度低于氮化而得名1. 介質(zhì)（無毒介質(zhì)） 50%NH3+50%吸熱氣體 20%NH3+80%放熱氣體 國