《钢的化学热处理》PPT课件.ppt

第十章钢的化学热处理 10 1概述何为化学热处理 工业上有哪些应用 它解决哪些问题 强化表面 保护零件表面 将零件放在特定的介质中加热 保温 以改变其表层化学成分和组织 从而获得所需力学或化学性能的工艺总称 表面和心部性能要求不同的零件 化学热处理的优点 能有效改善钢表面的成分 组织和性能不受工件形状限制很多化学热处理的零件具有变形小 精度高 尺寸稳定性好的特点 一 化学热处理基本过程三个过程 渗剂的分解 产生活性原子 零件表面对活性原子的吸收活性原子从零件表面向内部扩散预备阶段 气氛的形成吸附 一 化学热处理基本过程 预备阶段 气氛的形成 采用一定的渗剂 在一定的工艺条件下 渗剂经化学反应 形成一定的气氛 如气体渗碳时 向炉内滴入煤油 甲醇或丙酮 在渗碳温度下裂解 形成CO CO2 H2 CH4 H2O等组成的炉气 一 化学热处理基本过程 预备阶段 吸附吸附 物质在相界面上自动聚集过程 固体吸附 固体物质自发地把周围介质中分子 原子或离子吸附到固体表面现象 物理吸附 分子间作用力 不具备选择性 吸附化学吸附 吸附剂与吸附质间相互作用的化学结合 具有选择性 吸附时 铁对于气氛分解产生活性原子具有催化作用 2COCO2 C 如 铁的存在促进了CO的分解 被吸附的CO的C O键被明显削弱 Fe CO吸附 CO气体Fe C CO2 Fe CO气体 Fe CO吸附 CO2 C 吸附能力与钢的表面活性有关 表面缺陷多 位错 晶界露头 粗糙 干净无污染则表面活性高 吸附力强 可促进化学热处理 1 基本过程 分解反应此过程渗剂进一步分解 析出活性渗入原子 如 2CO C CO2CH4 C 2H22NH32 N 3H2渗剂反应通式 化学平衡常数 K PcC PdD PaA PbB Z exp E RT E 激活能 Z 频率因子 一 化学热处理基本过程 要加快分解反应 应升高温度 加大反应物浓度 加入催渗剂 2 基本过程 吸收活性原子克服表面能垒进入金属表面 形成固溶体或化合物 一 化学热处理基本过程 溶解 化合 一 化学热处理基本过程 扩散层厚度 与温度关系 扩散层厚度 与时间关系 A a 实验系数 温度的影响远大于时间 3 基本过程 扩散活性原子被吸收后 造成表面 内部的浓度差 引起渗入原子向内扩散 整个化学热处理速度取决于扩散速度 1 活性原子扩散宏观规律服从Fick第一定律Fick第二定律 2 扩散层形成规律 a 纯扩散金属中渗入某种元素时 它们之间形成固溶体 随扩散进行 只有固溶体浓度变化 而无晶体结构的改变 表面 C0 CS A 2 扩散层形成规律 T1 Cm Cmin A T Cmax 1 Cm Cmin Cmax AnBm 由表至里距离 AnBm AnBm 表面 A AnBm A AnBm A AnBm T1温度下扩散层组织变化过程 b 反应扩散 渗剂B向金属A扩散为例 当渗入元素浓度超过溶解度极限 会有新相形成 T1温度下扩散层组织 冷却到室温后扩散层组织 快冷 慢冷 一 化学热处理基本过程二 化学热处理后性能硬度耐磨损性能抗摩减摩性能抗疲劳性能耐腐蚀性能 一 化学热处理基本过程二 化学热处理后性能 三 化学热处理分类固体法 粉末法 涂渗法 膏剂 熔剂 喷涂 扩散退火液体法 熔盐法 熔盐浸渍 熔盐电解 热浸镀 电镀 扩散退火气体法 气体扩散法 真空蒸发法离子法 离子渗 10 2钢的渗碳把零件放在具有增碳活性的介质中加热保温 以增加工件表面含碳量的热处理工艺 问题 在什么状态下渗碳 A还是F 基本思路 在Fe C相图中 Fe中碳的最大溶解度0 0218 而 Fe中碳的最大溶解度达到2 11 所以在高温下 A状态下渗碳 可以获得高的表面含碳量 渗后低温淬火 以期获得最高强度和最大表面硬度 问题 什么钢需要渗碳 一 渗碳用钢低碳钢和低碳合金钢 碳含量0 1 0 25 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 二 钢渗碳原理 以气体渗碳为例 1 三个阶段 分解 吸收 扩散2COCO2 C 172 4KJCH42H2 C 75 7KJCH3COCH33H2 CO 2 C KJ放热反应 随温度升高 反应减慢 渗碳能力较弱 吸热反应 随温度升高 反应加速 渗碳能力较强 问题 如何控制渗碳能力 炉气主要成分CO CO2 H2 CH4 H2O其中渗碳气体 COCH4脱碳气体 CO2H2O通过控制CO和CO2的比例 可控气氛渗碳 可控制炉气的渗碳能力 碳势 2 碳势及其控制碳势 渗碳气氛与奥氏体之间达到动态平衡时 钢表面碳含量 碳势决定了渗碳件表面可达到的含碳量碳势越高 渗碳能力越强 碳势要和工件表面吸碳能力配合 一般采用分段控制 炉气主要成分CO CO2 H2 CH4 H2O其中渗碳气体 COCH4脱碳气体 CO2H2O通过控制CO和CO2的比例 可控制碳势 问题 如何控制渗碳时钢表面碳含量 碳势 碳势与CO和CO2之间对应关系如下图 900 K 0 03176 渗碳主反应 2CO C CO2 问题 为何通过控制CO和CO2的比例可控制碳势 通常渗碳气体均为混合气体CO CO2 H2 CH4 H2O 这时的碳势又如何控制 渗碳主反应 2CO C CO2 1 CH4 C 2H2 2 CO H2 C H2O 3 2CO 2 C O2 4 渗碳气体CO CH4增加时 平衡右移 分解出的 C 增加 使气氛碳势增加 脱碳气体CO2 H2O或O2增加时 分解出的 C 减少 使气氛碳势下降 为了控制气氛碳势 需研究上述反应平衡情况 渗碳主反应 2CO C CO2 1 CH4 C 2H2 2 CO H2 C H2O 3 CO C 1 2O2 4 上述反应并不孤立 如 1 3 式中都有CO 则CO含量必须能同时满足 1 3 的平衡 可将二式联立 1 3 得 CO H2O CO2 H2 2 1 得 CH4 CO2 2CO 2H2 2 3 得 CH4 H2O 2CO 3H2 3 4 得 2CO H2 2 C H2O 1 2O2 这些反应之间存在着相互联系和制约 但正常的渗碳气体中 CO和H2的含量基本上是定值 剩余的CO2 H2O CH4和O2含量之间有一定制约关系 CO2与H2O制约CO2与CH4 CH4与H2OH2O与O2 由此可知 在原料气组分稳定的情况下 CO为定值 再控制CO2 H2O CH4和O2中的任何一种气体的相对含量 便可控制上述反应达到某一平衡点 从而实现控制气氛碳势的目的 一般控制CO2或H2O CH4 CO2 2CO 2H2CH4 H2O 2CO 3H2 如CH4的含量增加时 CO2和H2O会迅速减少 反应为 如O2的含量增加时 CO2和H2O会迅速增多 反应为 2H2 O2 2H2O2CO O2 2CO2 1 碳势的选择和控制一般渗碳件表面碳含量在0 6 1 1 之间变化 主要根据工件表面硬度要求来确定 选定碳势后 可按前述方法实现控制 2 渗碳温度确定一般均需要在奥氏体化温度范围内 920 930 小零件温度低些 3 渗碳时间渗层深度 802 6 t1 2 10 3720 T 4 渗碳前处理非渗碳表面 预保护 涂料 镀铜 加大加工余量 渗碳表面 清洁 不能有裂纹等 三 渗碳主要工艺参数 四 渗碳后的热处理钢铁经过渗碳处理后 表面碳含量虽然很高 但其硬度不高 只有经过热处理后 使其转变成马氏体 才能获得较高的硬度和耐磨性能 直接淬火 低温回火一次淬火 低温回火二次淬火 低温回火分级淬火 低温回火 淬火 低温回火 难点 淬火温度的选择 需同时满足表面和心部要求 1 直接淬火法 淬火 低温回火 0 T 回火 淬火 820 850 180 200 t h 加热 3 9h 930 渗碳 直接淬火工艺 预冷 预冷作用 减少淬火变形降低A中含碳量 淬火 低温回火 2 一次淬火法 渗碳缓冷后重新加热淬火 淬火 低温回火 3 二次淬火法 渗碳缓冷后进行两次淬火处理 第一次淬火 AC3 30 50 保证心部性能第二次淬火 AC1 ACCm之间硬化表面隐针M 碳化物颗粒 少量AR 六 渗层组织 P Fe3C F P少 P P F 渗碳时组织 A 缓冷后组织 过共析 共析 亚共析 心部 淬火后组织 高碳M Fe3C Ar 低碳M F 少量 硬度 理想渗层组织 隐针M 弥散细小Fe3C 少量均匀Ar 渗层厚度 一般0 8 2mm质量检查 渗层深度硬度金相组织 七 常见渗碳方法气体渗碳液体渗碳固体渗碳高频渗碳真空渗碳电解渗碳流态床渗碳 气体渗碳法示意图 固体渗碳法示意图 定义 将N渗入钢件表面 以提高其硬度 耐磨性和疲劳强度的一种化学热处理方法 优点 高硬度 耐磨性高红硬性高抗咬和性高疲劳强度高抗蚀性工件变形小 常用工艺 气体渗氮 液体氮化 软氮化 氮碳共渗 离子氮化 10 3钢的氮化 缺点 生产周期长成本高渗层薄不能承受高的接触应力和冲击载荷 一 Fe N相图及氮化层组织1 Fe N相图 相 N在 Fe中间隙固溶体 在590 最大溶解度 相 N在 Fe中间隙固溶体 在650 最大溶解度 相 可变成分间隙固溶体 在680 溶于 相 相 含4 55 11 0 N的Fe2 3N化合物 以Fe2 3N为基固溶体 相 含11 1 11 35 N的Fe2N化合物 以Fe2 N为基固溶体氮化时上述间隙固溶体相都有可能存在氮化层中 2 纯铁氮化层组织 N化时组织 T 590 心部 N化后缓冷组织 心部 t1 t4 t3 t2 心部 渗氮时 缓冷后 例 38CrMoAlA钢在590 下进行氮化时 其过程是 3 碳钢与合金钢氮化层组织 碳钢与纯铁大致相同 为C N在 Fe中的固溶体 为C N在 Fe中的固溶体合金钢中 形成过程基本相同 只是N与Me可形成氮化物弥散分布在氮化层中 氮化层组织从表面至心部的金相组织为 表面 回火索氏体 氮化物 一般要磨削去除 脆性大 不可用 氮化层 回火索氏体 氮化物 工作层 心部 回火索氏体注 钢的氮化热处理可以有和马氏体一样的转变 但一般不这么用 4 氮化层强化机理氮化强化与渗碳强化区别渗碳强化 先渗碳后淬火获得相变高碳马氏体强化相氮化强化 合金氮化物的时效强化 氮化后无须热处理N化强化机理1 N和Me元素原子的偏聚形成G P区 引起强烈畸变 2 过渡型氮化物的析出 3 稳定的合金氮化物具有弥散强化效果 强化效果与合金元素有很大关系 形成的合金氮化物越稳定 其强化效果越好 Al Cr Mo能强烈提高氮化层的硬度 氮化王牌钢38CrMoAlA氮化与渗碳如何保证零件心部韧性 渗碳 心部低碳 渗后热处理氮化 渗前调质处理 二 气体氮化原理以氨气氮化为例 分成三个阶段 分解 NH3 N 1 5H2Fe NH3Fe N 1 5H2 N 的吸收N原子的扩散N的扩散系数 C 三 气体氮化工艺氮化钢主要为中碳调质钢 有38CrMoAlA 40Cr等 氮化前热处理进行调质处理 获得回火索氏体组织 非氮化面的防护镀锡 涂料 水玻璃 石墨 氮化温度和时间确定氮化温度一般在480 570 左右 低于前面回火T约50 氮势 氨分解率 控制氨分解率 氢气体积 氮气体积 炉气总体积说明 氨分解率测量时 采用炉内抽区废气密封 注入水 由于氨溶解于水 剩下为氢气和氮气 求它们的比值即为氨分解率 四 钢的氮化层质量控制 1 硬度 维氏硬度 一般HV1000左右 比钢渗碳层硬度高 2 氮化层深度检查方法有 断口法 金相法 硬度法 3 金相组织 合格组织 回火索氏体 弥散的氮化物粒子心部为回火索氏体 渗碳与渗氮的工艺特点 不需要 20 50 500 600 渗氮 需要 3 9 920 930 渗碳 处理后是否需要热处理 处理时间 h 处理温度 名称 原材料 低碳钢 中碳钢38CrMoAl 表面强化机理 M强化 氮化物弥散强化 心部韧性保证 回火索氏体 低碳保证 问题 试从工艺 强化机理及强化效果角度比较渗碳和渗氮工艺 五 钢的氮化进展 离子氮化炉 离子氮化 含氮气体在直流电场作用下 产生辉光放电作用 使氮离子化渗入金属表面 五 钢的氮化进展 软氮化 低温氮碳共渗 在钢件表面渗入氮原子的同时还有少量碳原子渗入 离子氮化炉 渗硼超高硬度1400HV渗铝主要用于抗高温氧化和防腐 10 4 钢的热处理新工艺介绍 无氧化加热 利用可控气氛 即通过精确计量和微机控制技术对炉内的气体组分加以控制 如含碳液体或气体的分解和裂解的碳浓度的控制 1 保护气氛加热 在真空炉中受真空气氛保护 可防止工件氧化 减小变形 但容易引起元素挥发 适于中小型零件的处理 3 真空热处理 强韧化处理是指同时提高钢件强度和韧性的热处理 强韧化处理 1 获得板状马氏体 1 提高淬火加热温度促进奥氏体中碳的均匀化 以保证淬火后获得板状马氏体 低碳马氏体 2 快速短时低温加热淬火减少碳化物在奥氏体中的溶解 使高碳钢中的奥氏体处于亚共析成分 低碳 3 锻造余热淬火将高温锻件直接淬火可得到细晶粒板状马氏体 2 超细化处理 超细化处理是指将钢在一定的温度条件下 通过数次快速加热和冷却等方法以获得极细组织 从而达到强韧化的目的 化学热处理新工艺 离子轰击热处理 在真空气氛下 将含C N S等离子 束高速轰击到工件表面 工件迅速受热升温至碳化或氮化温度 同时原子进入工件表面形成渗碳层或渗氮层等 离子轰击热处理示意图如右图所示 钢的形变热处理 形变热处理是指将变形强化和热处理强化结合起来的工艺方法 形变热处理工艺示意图 七 热处理工艺缺陷 一 热处理工艺缺陷及其防治措施1 硬度不足或出现软点2 零件变形与开裂二 热处理工件的结构工艺性三 热处理工艺应用分析 热处理件结构工艺性 例1 某机车柴油机曲轴选用42CrMo钢制造 制作工艺如下 下料 锻造成毛坯 退火 粗车机加工 调质 精加工 高频感应加热淬火 低温回火 研磨 入库 小榔头 锻造 预先热处理 切削加工 钳工 最终热处理 1 选45钢其工艺流程为 预先热处理 正火 最终热处理 淬火 回火 八 应用举例 1 加热温度的确定 正火840 10