第11章 钢的化学热处理

第11章钢的化学热处理,掌握气体渗碳工艺掌握渗碳后的热处理掌握渗碳热处理常见缺陷掌握渗碳后钢的力学性能掌握气体氮化原理掌握氮化前的热处理和气体氮化工艺,1化学热处理概述,一、定义：工件活性待渗介质中加热扩散改变表层化学成分的工艺二、作用1、强化表面高的耐磨性（形成固溶体或化合物）2、保护表面渗Al抗氧化、抗S腐蚀渗Cr耐热、抗腐蚀化合物气相沉积TiN与基体金属无关的覆盖层装饰、耐磨,三、特点,周期长，成本高工艺不受零件形状限制（孔、槽容易获得渗层）可以代替贵重金属（节约资源）截面具有不同的性能是表面合金化与热处理结合的方法,四、化学热处理基本过程,1、化学介质分解目的：提供活性原子(初生、原子态的原子)分解条件渗剂中含待渗元素催化剂活性原子浓度足够活性原子形成方式置换（渗金属）；还原（渗B）；热分解（渗C、N）；电离（离子氮化）,2、吸附,吸附：固体物质自发地把周围活性原子、分子、离子吸附到表面与金属表面相互作用的现象（吸附剂、被吸附物质吸附质）表面吸附溶入基体或与金属反应化合物再溶解扩散物理吸附：无电子转移和化学键形成凝聚不解离；由分子间力引起；无选择性吸附；较低温度下发生，完全可逆化学吸附：选择性吸附；有电子转移和化学键形成；高温下发生；选择性吸附,3、扩散,目的：保证获得一定深度的渗层控制参数介质浓度梯度热处理渗入温度工艺时间,2钢的渗碳,目的获得高的耐磨性疲劳性能为什么？渗C种类气体渗C固体渗C液体渗C,一、气体渗碳原理,1、渗碳介质分解（1）渗剂气体渗剂：载气（N基气氛；吸热式或放热式可控气体）+富化气（甲烷、丙烷等）吸热式气体：天然气与空气按一定比例混合，CO、N2、H2%大液体渗剂：C、H化合物有机液体（煤油、甲醇、苯、丙酮）,（2）炉气组成无论何种渗剂，主要有CO、CO2、CH4、H2、H2O、N2组成，能否渗碳取决于它们的综合作用增碳气氛：CO、CH4分解获得：2COCO2+CCH4C+2H2脱碳气氛：CO2、H2、H2O,（3）碳势（cp）定义：炉气C%与工件表面化学反应达到平衡时的炉气状态。即保持不增碳也不减碳时炉气中的C%Cp渗碳能力表面C%、渗层但是当Cp太高炭黑渗速CO、CH4%Cp以上4种反应在一个体系中相互制约只有一个CO%温度一定、吸热气氛H2OCO2cp,（4）分解反应（180多个）炉气与工件气体之间主要4个,平衡常数与成分的分压平衡常数与温度,（5）控制碳势的方法,露点仪（氯点仪）露点：水结露的温度，水%露点cp原理：LiCl盐感湿元件吸水导电性控制系统通电水蒸发CO2红外仪原理：CO2选择性吸收4.3m红外线红外线强度调节装置控制氧探头原理：O2CO2、H2OcpZrO氧敏陶瓷管内、外氧%不同（内为参比气、外为炉气）氧浓差电势调控,（5）控制碳势的方法,称重法：精密天平测量渗碳前、后的重量变化综上：多参数控制精度高，碳势仪性能,2、吸收,CO分别被吸附（化学）在Fe原子上C-O键破坏C进入Fe晶格吸收条件表面清洁炉气循环抽去吸收后残留的废气控制分解速率避免炭黑出现,3、扩散Fick第二定律粗略描述各点浓度、浓度梯度随时间变化的情况温度、时间影响渗层深度d，深度d与时间的平方根成正比影响扩散的主要因素间隙原子扩散系数置换原子温度扩散系数（9251100提高6倍）浓度梯度大扩散，但分布要合理平缓、连续合金元素会影响渗速（或快、或慢），碳化物形成元素扩散快晶界、形变加快渗速,二、气体渗碳,1、工艺流程材料：低碳钢或低碳合金钢预备热处理?渗碳前准备去油、去垢、清洗（热水或碳酸钠水溶液）烘干涂防渗剂、装炉布置确定温度、时间、碳势保证表面C%、层深、浓度梯度渗碳后工序直接淬火或重新加热淬火低温回火,2、渗碳工艺参数,（1）碳势根据经验确定通常表面为0.81.0%好（2）渗碳温度通常880920，薄层渗碳温度可以降低，快速渗碳提高渗碳温度温度对扩散、分解均有影响，提高温度缩短渗碳时间效率提高提高温度渗层增加温度过高粗晶；变形；设备寿命缩短A状态渗碳容易,（3）渗碳时间,根据经验确定，随炉抽样检查经验估算渗层1.5mm，渗碳速度按照0.050.12mm/h,3、典型工艺分析（四段渗碳）,升温：装炉排气（低碳势、采用甲醇）恢复渗碳温度强渗期高于或正常温度、高于规定碳势渗碳。时间经验值扩散期正常碳势，此时表面碳回流到炉气中，同时还有一部分向心部扩散，时间短预冷目的直接淬火时的减少变形采用低碳势防止脱碳,三、固体渗碳,渗剂90%木炭+催渗剂碳酸盐工艺工件埋入渗剂中密封渗碳空冷清理重新加热淬火回火特点设备简单；工艺容易；小批量方便；便于加工质量难控；工作条件差；周期长,四、渗碳后的热处理,1、淬火（1）直接淬火渗碳后预冷淬火原则预冷温度心部Ac3避免心部F或预冷温度心部Ac3第二次淬火目的细化表面组织加热温度表面Ac1特点：性能好，但成本高、变形大适宜：本质粗晶钢；高温渗碳件；性能要求高的工件,2、回火低温回火去应力、提高韧性3、冷处理适用：精密零件目的：稳定尺寸、提高硬度特点：成本高,五、渗碳后的力学性能,表面获得高硬度、高耐磨性，心部保持良好韧性表层高的疲劳强度（二次加热淬火最好、一次加热淬火次之、直接淬火效果差）渗层、C%韧性,六、渗碳后的质量检查,1、渗层深度化学法：剥层取样分析金相法：检测渗层剖面有效硬化层（DC）测定：1公斤（9.8N）载荷，HV550处到表面的距离2、心、表硬度,六、渗碳后的质量检查,3、组织表层组织：正常组织：M+少量残余A+极少、小碳化物，对照评级图，分别检查以上三种组织心部组织：板条M+（少量F）4、其它：表层碳%；变形,七、常见缺陷,1、表层硬度低渗后冷却或重新加热时脱碳因表面碳%高，淬火残余A%多（措施？）冷却速度慢非M组织出现（重新淬火）内氧化合金%降低淬透性下降非M（控制加热气氛、强冷、磨削、喷丸）2、表面硬度高碳势高碳化物多回火温度低,3、组织表层网、块状碳化物碳势高（碳势控制失控）直接淬火预冷时间长碳化物析出一次淬火加热温度过低渗后碳化物未溶解渗碳淬火冷却速度慢表层残余A%多表面碳%高、合金%高、淬火温度高冷却介质温度高M粗大心部出现F,4、渗层浅、不均匀时间短、装炉量大、漏气层深浅炉气循环不良温度不均匀渗层不均匀表面不洁净渗层不均匀5、内氧化密封不好氧化气氛6、变形超差7、心部硬度高：选材；淬火温度高；冷却快,3钢的渗氮（氮化）,一、特点1、更高的硬度及耐磨性2、具有红硬性（渗碳200以上硬度下降。渗氮500仍然高硬度）3、疲劳性能好4、变形小、有规律因为：渗氮温度低、心部无相变、渗后不淬火直接使用5、抗“咬卡”性能好短时缺油过热不会擦伤、焊合6、抗腐蚀性能好（抗腐蚀氮化）7、周期长、成本高、层浅,二、Fe-N相图,1、Fe-N相图及共析反应650，4.55N%共析+590，2.35N%共析+（Fe4N）,2、组成相,相：N在-Fe中的间隙固溶体，bcc，含N的铁素体，具有铁磁性相：N在-Fe中的间隙固溶体，fcc，含N的奥氏体，无铁磁性相：以Fe4N为基的固溶体，fcc，具有铁磁性，脆性小，硬度高相：Fe23N化合物，硬度低于，hcp相：以Fe2N为基的固溶体，正交菱形，脆性大,3、氮化层组织,纯铁氮化后由表及里：+最表层白亮层：+三层很薄、不容易腐蚀，难以区分统称白亮层次表：+，宽、含C、N心部：原始组织合金钢氮化后形成合金氮化物，组织与上相似（AlN、CrN、MoN）,三、气体氮化原理,1、介质无水NH3分解2NH32N+3H2（吸热）氮化是在NH3、H2混合气中进行NH3分解与温度、流量、进、排气压力、工件表面洁净度、催化剂等有关，分解率（分解程度）并非越大越好，一般为1540%渗氮温度下（500540）接近完全分解,2、氮原子吸收,N部分被吸收，多数结合为N2脱离表面氮势一般较高容易形成相N向内扩散形成固溶体和氮化物3、扩散N尺寸小扩散系数大层深与时间的平方根成正比（与渗碳相似）,4、合金钢渗氮,合金元素一般降低渗层深度C阻碍氮化降低渗层深度（形成碳化物阻碍N扩散）Al、Cr、Mo提高渗层硬度，因为：形成共格的G-P区（N与合金偏聚）形成过渡氮化物（共格）时效强化（与渗碳不同）温度高、时间长非共格出现过时效氮化温度和氮势低G-P区和过渡氮化物少硬度低,四、氮化前的准备,氮化工艺流程：锻造预备热处理机械粗加工调质半精加工去应力退火粗磨氮化精磨1、预备热处理调质比氮化温度高50保证心部综合性能、组织稳定性2、调质回火低心部和渗层硬度（析出合金氮化物小）；层深3、形状复杂零件，调质后加工去应力（加热温度调质）减少氮化时的变形4、防渗保护镀Cu或Sn,五、气体氮化工艺,1、氮化工艺参数（时间、温度）氮化时间由层深确定氮化温度根据硬度、层深选择，但小于调质温度氮化温度低渗层浅、陡、硬度高氮化温度高白亮层（表面出现白亮层、硬度下降强化效果小于过渡合金氮化物的时效强化作用）,2、氮势选择,（1）国内控制氨分解率测量分解率=废气中氢、氮体积/（废气中氢、氮、氨体积之和）实测分解率比真实分解率大分解率由经验确定，有极大值（氨分解率过大转变为N2不利渗氮）,一般1540%控制氨流量控制氮势，高流量（时间短）新鲜氨不断流过（低分解率）提供活性氮增加氮势高目前状况氮势偏高容易出现白亮层,（2）国外控制N势根据渗氮温度及实验图确定白层生成门槛值按照比例配置NH3+H2混合气红外分析控制NH3,几种氮化工艺举例,1、等温氮化500520，7080h渗层：0.450.6mm变形小；周期长；适宜精密工件2、多段氮化510，5h，高N势550，50h，低N势周期短（比上者缩短1/3）变形大；硬度比上者低3、抗腐蚀氮化550650，27h形成浅、致密、稳定的相抗湿空气、过热蒸汽、碱腐蚀,六、氮化后的检测,1、心、表硬度：调质回火温度高表面硬度低氮势低表面硬度低2、有效硬化层深度DN：3、组织(调质钢)正常组织：表层含氮回火索氏体；心部回火索氏体缺陷组织：表层针状氮化物（氮化前F多造成）表层网、波纹状氮化物（氮化温度高、气氛水%多、原始组织粗吸N能力增加造成）,七、离子氮化（辉光或等离子）,1、特点时间短节省2/3或1/3白层少或没有变形更小可实现局部氮化氮化均匀适用各种材料及低温氮化不污染设备昂贵、测量温度难,2、原理,工件阴极，真空容器阳极观点1高压直流电电子向阳极移动氨气电离N+、H+移动工件（阴极）N+高速轰击工件表面动能转换为热能达到氮化温度（工件此时产生辉光）在阴极N+得到电子还原为N渗入另外，N+高速轰击工件表面Fe部分溅射为Fe+与N+结合表面形成FeN分解Fe2N扩散,观点2认为NH3不完全分解产生轰击离子为NH2+、NH+因为用N2、Ar混合离子氮化无渗层,3、工序,清洗：否则会引起电弧损伤工件装炉：局部非氮化部位屏蔽；工件之间有间隙参数选择电参数：电流密度；电压；功率热参数：温度；时间由材料、层深、硬度确定P261表气参数：纯NH3或分解NH3；压力；流量,八、软氮化（N、C共渗）,在铁素体中进行，渗氮为主，因共渗脆性小，硬度低于氮化而得名1、介质（无毒介质）50%NH3+50%吸热气体20%NH3+80%放热气体国内常用：尿素热+C、N有机液体分解,2、工艺57010，14h不热处理，直接使用3、组织（渗层浅）最外层：化合层慢冷：基体+弥散氮化物Fe3N（含N低于相）脆性小快冷：氮固溶于基体，无氮化物析出次表：扩散层心部：原始组织（铸铁、不锈钢、碳钢、工具钢）,4、性能耐磨抗咬合更好疲劳性能好5、特点同氮化，但渗速快（机理不详）抗海水、大气腐蚀渗层薄不适合在重载荷零件6、应用：模具、量具、刀具、承载不高的结构件,4钢的碳、氮共渗,一、概述1、过程：同渗碳2、作用：同渗碳提高表面硬度、疲劳性能3、方法：固体、液体、气体共渗常用：高温820920以渗碳为主；低温520580软氮化，以渗氮为主4、用材：低、中碳钢或低、中碳钢合金钢,更高的耐磨性（M中含N）渗层回火抗力提高（含氮化物）淬透性提高（N使C曲线右移）疲劳强度提高（残余压应力）渗速加快变形小渗层比氮化厚,特点（与渗碳相比）,二、工艺,介质：渗碳气体+110%NH3通常：表面浓度0.8C%；0.5N%温度：800880。温度高渗碳为主时间：由渗层确定直接淬火低温回火,三、组织,表层：回火M+残余A+化合物（含C、N）NC曲线右淬透性升高渗层深但合金钢中因N化合物形成淬透性降低有可能产生非M组织心部：板条M或中碳混合M；淬透性差的材料有非M组织出现,四、缺陷及措施,残余A多降低C%、N%黑色空洞：N%多N2逸出形成内氧化：合金贫化淬透性降低形成非M组织（黑色组织）加Mo预防（抗氧化好）硬度低：提高冷却速度；合理装炉；加强炉气循环,5钢的渗硼,目的：表面获得高耐磨性（打火机棘轮）性能超高硬度高热硬性（800）抗腐蚀特点碳钢与合金钢渗B后硬度差异不大，可以节省材料费用若改善基体性能，渗B后淬火、回火,工艺方法,气体渗容易爆炸不安全液体电解渗设备投资大；盐难清理；腐蚀固体渗硼常用反应机理不十分清楚反应式（P2679-4042）配方：碳化硼、硼铁等渗剂+活化剂+Al2O3填充剂时间、温度1050（避免共晶），一般950，46h，0.03mm层厚缓冷如淬火，应采用缓冷介质，并及时回火,相图,、相：固溶体Fe2B：金属间化合物，正方点阵；稳定；脆性小、硬度高FeB：金属间化合物，正交点阵；稳定；脆；一般不出现,渗硼层组织,化合层扩散层心部基体化合层组织：（FeB）+Fe2BFeB：位于表面，缺陷组织（脆）Fe2B：锯齿状（或位于次表）。C%锯齿状或二者共存：缺陷组织，因膨胀系数和密度差异裂纹合金%渗层厚度渗层孔洞储油减摩；在模具成形软金属时表面黏附扩散层：高碳（渗B驱碳过渡区增碳）,6钢的渗铝,特点抗高温氧化（达到9501000）抗热腐蚀代替不锈钢、耐热钢经济效益提高机理钢铁材料表面形成铝铁化合物Al2O3氧化膜应用沿海电站海军舰艇航空发动机,渗铝工艺方法及原理,不加活化剂铝粉与工件表面直接接触高温扩散例如：热浸法700780熔融铝液中直接接触形成金属化合物（Fe2Al5）空冷高温扩散退火渗层加活化剂铝粉或铝铁合金粉等+活化剂高温活性铝原子转移到工件表面扩散例如：粉