钢的化学热处理课件

1、钢的化学热处理课件钢的化学热处理课件2009-04-27热处理工艺 要解决这一问题，可以采用化学热处理的方法。 化学热处理与物理热处理最大的区别是前者改变了钢的化学成分。2009-04-27热处理工艺 要解决这一问题，可以采2009-04-27热处理工艺1 化学热处理 将零件置于一定介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的特殊性能的热处理工艺。一 化学热处理分类与基本过程2009-04-27热处理工艺1 化学热处理 将2009-04-27热处理工艺化学热处理的作用主要有以下两个方面： 提高工件表层的某些力学性能，如表层硬度、 耐磨性

2、、疲劳极限等。 保护工件表面 ，提高工件表层的物理、化学性能， 如耐高温、耐腐蚀等。2009-04-27热处理工艺化学热处理的作用主要有以下两个2009-04-27热处理工艺2 化学热处理的分类渗非金属化学热处理：如渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗等；渗金属化学热处理：如渗铝、渗铬、渗锌、渗钛等。3 化学热处理进行的必要条件a 材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解度，或具有与活性原子形成化合物的能力。b 渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散能力。2009-04-27热处理工艺2 化学热处理的分类渗非金属化2009-04-27热处理工艺4 化学热处理的基本过程分解零件周围介质中的渗剂分子发生分解，

3、形成 渗入元素的活性原子。吸收活性原子被表面吸收的过程。扩散渗入原子在金属基体中由表面向内部的扩散。5 渗层的组织结构与形成过程渗入元素在基体中可无限互溶纯扩散单相固溶体渗入元素在基体中溶解度有限反应扩散化合物2009-04-27热处理工艺4 化学热处理的基本过程分解2009-04-27热处理工艺二 钢的渗碳渗碳渗碳目的：提高钢表层的含碳量，经热处理后， 使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。 将低碳钢置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表面形成富碳层的化学热处理工艺。渗碳气氛与钢件表面达到动态平衡时钢表面的含碳量。2009-04-27热处理工艺

4、二 钢的渗碳渗碳渗碳目的：提高2009-04-27热处理工艺渗碳钢材： 采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好） 如：15、20、20Cr、20CrMnTi渗碳工艺的分类：按所用渗碳介质的不同，分为：气体渗碳：以天然气、丙烷、丁烷等气体为主剂的渗碳法。 固体渗碳：以木炭为主剂的渗碳法。 液体渗碳：以氰化钠（NaCN）为主剂之渗碳法。 2009-04-27热处理工艺渗碳钢材：渗碳工艺的分类：2009-04-27热处理工艺1 渗碳原理 炉气反应与碳势控制（分解）与渗碳有关的主要反应：将相关反应式联立可得：2009-04-27热处理工艺1 渗碳原理 炉气反应与碳势2009-04-27热处理工

5、艺反应平衡常数：平衡常数只与温度有关：因此，只要控制反应气氛中CO2、H2O、CH4或O2中的任何一个的含量，便可控制上述反应达到某个平衡，从而实现控制气氛碳势的目的。2009-04-27热处理工艺反应平衡常数：平衡常数只与温度2009-04-27热处理工艺 碳原子的吸收要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必须满足以下条件： 工件表面应清洁，无外来阻挡，为此工件入炉前务必清理表面； 活性碳原子被吸收后，剩下的CO2、H2或H2O需及时被驱散，否则增碳反应无法继续进行下去，这就要求炉气有良好的循环； 控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰当配合，如供给碳原子的速度(分解速度)大于吸收的速度，

6、工件上便会出现积碳，这会在一定程度上影响吸收速度。2009-04-27热处理工艺 碳原子的吸收要使反应生成的2009-04-27热处理工艺 碳原子的扩散Fick第一定律：碳在-Fe中以间隙扩散方式进行扩散，扩散系数为：或单位时间内碳的扩散流量取决于扩散系数和浓度梯度。温度和浓度会影响碳的扩散系数。2009-04-27热处理工艺 碳原子的扩散Fick第一定2009-04-27热处理工艺碳浓度和渗碳温度一定渗碳层深度渗层深度因子渗碳时间不同温度下渗碳层与渗碳温度的关系渗碳层深度渗层深度因子渗碳温度的变化2009-04-27热处理工艺碳浓度和渗碳温度一定渗碳层深度2009-04-27热处理工艺渗碳层

7、浓度梯度表面心部2009-04-27热处理工艺渗碳层浓度梯度表面心部2009-04-27热处理工艺 合金元素对渗碳过程的影响a 合金元素对表面碳浓度的影响强碳化物形成元素Ti、Cr、Mo和W等，渗碳层表面浓度非碳化物形成元素Si、Ni和Al等，渗碳层表面浓度b 合金元素对扩散系数的影响强碳化物形成元素Cr、Mo和W等，碳的扩散系数非碳化物形成元素Co和Ni，碳的扩散系数2009-04-27热处理工艺 合金元素对渗碳过程的影响a2009-04-27热处理工艺c 合金元素对渗碳层深度的影响强碳化物形成元素Cr、Mo和Mn等，稍微渗碳层深度非碳化物形成元素Si、Ni和W等，渗碳层深度2009-04-

8、27热处理工艺c 合金元素对渗碳层深度的影响2009-04-27热处理工艺2 气体渗碳工艺a 气氛碳势的选择与控制对于低合金渗碳钢，表面wc为0.8%1.0%时性能最佳。2009-04-27热处理工艺2 气体渗碳工艺a 气氛碳势的2009-04-27热处理工艺b 渗碳温度的选择与控制 影响分解反应平衡，从而影响碳势 影响碳的扩散速度和渗层深度 影响钢中的组织c 渗碳时间的选择与控制渗碳时间与渗碳层深度的关系：生产中的渗碳温度一般为9209302009-04-27热处理工艺b 渗碳温度的选择与控制 影响2009-04-27热处理工艺d 分段工艺参数的选择升温阶段 用较低碳势高速渗碳阶段 用高于所

9、需表面碳含量的碳势，时间较长扩散阶段 碳势降至表面碳含量，时间较短预冷阶段 温度降至淬火温度2009-04-27热处理工艺d 分段工艺参数的选择升温阶段2009-04-27热处理工艺3 固体渗碳采用固体渗碳剂：木炭+碳酸盐与气体渗碳相比，固体渗碳速度慢、生产率低，且质量不易控制；但设备简单，适用于小型零件。在固体渗碳剂中渗碳的方法。原理：固体渗碳仍是通过气体介质进行的。2009-04-27热处理工艺3 固体渗碳采用固体渗碳剂：木2009-04-27热处理工艺4 液体渗碳在液体介质中渗碳的方法。优点：设备简单、加热均匀、渗碳速度快、适合于小零件的单件或小批量生产。缺点：易腐蚀零件原理：渗碳反应仍

10、然是在钢表面的气相反应。2009-04-27热处理工艺4 液体渗碳在液体介质中渗2009-04-27热处理工艺5 渗碳件的热处理与组织过共析层共析渗碳层亚共析过渡层心部碳含量降低珠光体和渗碳体珠光体珠光体和铁素体原始组织2009-04-27热处理工艺5 渗碳件的热处理与组织过共析2009-04-27热处理工艺淬火+回火时间温度预冷直接淬火一次加热淬火二次加热淬火150190AcmAc3Ac12009-04-27热处理工艺淬火+回火时间温度预冷直接淬火2009-04-27热处理工艺6 渗碳层深度的测量 化学分析法 金相法 硬度法 全渗碳层深度 由表面到原始成分处的距离。有效渗碳层深度 零件经渗碳

11、淬火后由表面至硬度为550HV处的距离。2009-04-27热处理工艺6 渗碳层深度的测量 化学分析2009-04-27热处理工艺7 渗碳件的常见缺陷 表面硬度偏低 渗碳层深度不足或不均匀 金相组织不合格 渗碳层内氧化 心部硬度偏高或偏低2009-04-27热处理工艺7 渗碳件的常见缺陷 表面硬度2009-04-27热处理工艺三 钢的渗氮 将氮渗入工件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性能的一种化学热处理方法。1 渗氮的特点 高硬度和高耐磨性 高的疲劳强度 变形小而规律性强 较好的抗咬合性能 较高的抗蚀性能 处理时间长 生产成本高 渗碳层较薄 脆性较大优点缺点2009-04-27热处理

12、工艺三 钢的渗氮 2009-04-27热处理工艺2 Fe-N相图与纯铁渗碳层的组织Fe-N相图以Fe2N化合物为基的固溶体是含氮范围很宽的化合物N在-Fe中的间隙固溶体N在-Fe中的间隙固溶体以氮化物Fe4N为基的固溶体2009-04-27热处理工艺2 Fe-N相图与纯铁渗碳层的2009-04-27热处理工艺纯铁渗碳层的组织 化合物层，又称白层 扩散层2009-04-27热处理工艺纯铁渗碳层的组织 化合2009-04-27热处理工艺3 气体渗碳原理 氨气的分解反应平衡常数：2009-04-27热处理工艺3 气体渗碳原理 氨气的分解2009-04-27热处理工艺 氮原子的吸收2009-04-27

13、热处理工艺 氮原子的吸收2009-04-27热处理工艺 氮原子的扩散氮原子在铁中的扩散系数可表示为：D0 扩散常数Q 扩散激活能R 摩尔气体常数d=1/22009-04-27热处理工艺 氮原子的扩散氮原子在铁中的2009-04-27热处理工艺 合金元素的影响和氮化强化机理a 合金元素一般都降低氮化层的深度。b 合金元素对氮化层硬度的影响非常显著。2009-04-27热处理工艺 合金元素的影响和氮化强化机2009-04-27热处理工艺强化机制：a 氮和合金元素在相中的偏聚，形成G-P区；b -Fe16N2型过渡氮化物的析出。2009-04-27热处理工艺强化机制：a 氮和合金元素在2009-04

14、-27热处理工艺4 渗碳前的热处理调质处理2009-04-27热处理工艺4 渗碳前的热处理调质处理2009-04-27热处理工艺5 气体渗氮工艺 渗氮温度和时间的选择温度渗氮层深度和渗氮层硬度 时间渗氮层深度2009-04-27热处理工艺5 气体渗氮工艺 渗氮温度和2009-04-27热处理工艺 气氛氮势的选择氮势：氮势与氨分解率之间存在对应关系。2009-04-27热处理工艺 气氛氮势的选择氮势：氮势与2009-04-27热处理工艺6 渗氮的常见缺陷 表面硬度偏低 心部硬度超差 渗氮时产生金相组织不合格2009-04-27热处理工艺6 渗氮的常见缺陷 表面硬度偏2009-04-27热处理工艺

15、7 离子渗碳 离子渗氮特点： 速度快，时间段，节约电能和气体； 表面形成的白层很薄，甚至没有； 引起的变形小； 易于实现局部氮化； 易于实现均匀氮化； 可适用于各种材料； 节约电能和氨气的消耗； 劳动条件有所改善，不产生污染。2009-04-27热处理工艺7 离子渗碳 离子渗氮特点：2009-04-27热处理工艺 离子渗氮原理：阳极阴极a 使工件加热；b 部分氮离子直接进 入工件表面；c 使零件表面的铁原子飞溅出来，发生阴极溅射现象。2009-04-27热处理工艺 离子渗氮原理：阳极阴极a 2009-04-27热处理工艺 离子渗氮工艺：电参数电压和电流热参数时间和温度气参数气体成分、压力和流量

16、2009-04-27热处理工艺 离子渗氮工艺：电参数电压2009-04-27热处理工艺四 钢的碳氮共渗和软氮化钢的碳氮共渗同时向钢中渗入碳原子和氮原子随后快速 冷却的一种化学热处理工艺。根据共渗温度不同可分为：高温碳氮共渗碳氮共渗低温碳氮共渗软氮化与渗碳相比，高温碳氮共渗有如下特点：耐磨性较高；渗层的回火抗力较高；渗层淬透性较高；较高的疲劳强度；较快的渗入速度。2009-04-27热处理工艺四 钢的碳氮共渗和软氮化钢的碳2009-04-27热处理工艺a 气体碳氮共渗原理与工艺： 碳氮共渗高温碳氮共渗的工艺：温度800880，时间0.54h，气氛为渗碳气（载体气+富化气）+1%10%氨气。2009-04-27热处理工艺a 气体碳氮共渗原理与工艺：2009-04-27热处理工艺b 碳氮共渗后的热处理：淬火+低温回火c 碳氮共渗的组织和性能表层：马氏体+残余奥氏体+弥散分布的氮化物心部：马氏体+残余奥氏体d 碳氮共渗常出现的缺陷 表层残留奥氏体过多 渗层中出现空洞 内氧化 网状化合物2009-04-27热处理工艺b 碳氮共渗后的热处理：淬火+2009-04-27热