工艺钢的化学热处置市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、第五章 金属化学热处理概述1、概念将金属制件放在特定活性介质中，加热保温使一个或几种元素渗透它表层，改变其表面化学成份和组织，以达到改变表面性能，满足技术要求热处理工艺总称。简单说是向钢表面渗透某种元素热处理工艺。注意：化学热处理既改变表面化学成份，又改变其组织。第1页2、目取得单一材料难以取得性能或深入提升制件使用性能。 1）碳钢渗C或C、N共渗（淬火）取得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好 塑韧性。 2）渗氮（软N化或离子渗N）表面耐磨、抗腐蚀 3）渗Al提升工件表面抗氧化、耐磨性能力。第2页3、分类以渗透元素命名：渗金属，渗非金属。1）渗透非金属元素： 单元渗：C、N、B、O、S、Si等；

2、 多元渗：CN、ON、O CN2）渗透金属元素： 单元渗：Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn 多元渗：AlSi、AlCr、 AlV、 AlCrSi第3页3）渗透元素对表面性能作用分类：提升渗层强度及耐磨性渗C、N、B、Nb、V等。高抗氧化、耐高温Al、Cr。提升抗啮合、抗擦伤渗S、N、磷化等。提升抗腐性能渗N、渗Si、渗Zn。 4）质物理状态分：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。第4页4）能取得含有特殊性能表面层 3）经济效果好2）含有很好工艺性1）不受工件几何形状限制4.钢化学热处理含有以下特点第5页不受工件几何形状限制即任

3、何几何形状复杂工件经过化学 热处理后，均可取得沿其轮廓分布均一表面化学热处理层 含有很好工艺性如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷 却介质敏感性较小等等第6页经济效果好能取得含有特殊性能表面层廉价钢材经化学热处理后可取得表面性能高工 件。经化学热处理碳钢件表层性能不亚于同类合金钢性能。 如耐腐蚀性、耐磨性等 第7页5.1 基本原理一、化学热处理基本过程基本过程 大致分为三个阶段：1.分解阶段：渗剂中化学反应分解出渗透元素活 性原子2.吸收阶段：活性原子被金属表面吸收3.扩散阶段：渗透原子在金属基体内到达一定浓度后 从工件表面向内部扩散第8页1、渗剂分解渗剂普通由含有被渗元素物质组成，有时加入

4、一定量催渗剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须含有一定活性。渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子能力。催化剂：是促进含有被渗元素物质分解或产生出活性原子物质。比如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠界面反应第9页化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子反应有：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，第10页2、吸附过程及影响原因 固体表面对气相吸附作用按其作用力性质不一样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吸附现象。这种吸附能快速到达平衡，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

5、：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，随温度升高显著增大，这种吸附能够使分子解离。第11页吸附是物质在相界面上自动聚集过程。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一些缺点处。吸收过程就是活性原子由钢表面进入晶格过程。钢表面上存在大量位错和晶界，为活性原子渗透提供了方便通道。第12页 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透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形成和分解。纯扩

6、散常发生在化学热处理早期，或渗剂活性不足以形成饱和浓度场所。如渗碳。反应扩散指经过扩散使固溶体溶质组元浓度超出固溶度极限而形成新相过程。3、化学热处理扩散过程第13页在化学热处理中，渗透元素原子在金属中形成固溶体有两种：当渗透元素为原子半径较小非金属元素（C、N、B)时，其与金属形成间隙固溶体；当渗透元素是金属元素时，其与原金属形成置换固溶体（铝、铬、硅、锌等）。第14页渗层指在钢表面渗透某种元素后，从表面向内保持该元素较高浓度距离。（2）影响渗层深度原因：20MnSi 930渗碳10h后硬度第15页1）渗层深度与扩散时间关系说明渗层深度与时间 t 呈抛物线关系；即延长化学热处理时间，相邻区域

7、浓度差减小，扩散速度逐步降低；随时间延长，扩散浓度增加值也越来越少（先快后慢）。第16页2）渗层深度与温度关系渗层深度与温度呈指数关系，因而温度对深度影响，远比时间影响强。3）表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。第17页（3）扩散层组织结构扩散层组织结构能够依据基体金属与渗入元素合金状态图及扩散条件来确定。第18页扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例） T1CmCminAT/Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距离AnBmAnBm表面AAnBmAAnBmAAnBmT1温度下扩散层组织改变过程第19页第20页T1温度下扩散层组织AnBmAAnBm冷却到室温后扩散层组

8、织AnBmAAnBm快冷慢冷AnBmAnBm+AAnBm第21页1、物理催渗法概念：是利用改变温度、气压，或利用特定物理场（等离子场、真空、高频、电磁场等），加速渗剂分解，活化工件表面，提升吸附和吸收能力，及加速渗透元素扩散等。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)采取弹性振荡加速。二、加速化学热处理过程路径第22页2、化学催渗法概念： 是在渗剂中加入一个或几个化学试剂或物质，促进渗剂分解，去除表面钝化膜，改进工件表面活化状态，以提升渗剂活性和增加活性原子浓度。从而提升渗透能力。分类：A)卤化物催渗法；B）提升渗剂活性催渗方法。第23页5.2 钢渗碳一

9、、渗碳概述概念： 将钢件在碳活性介质中加热并保温，使碳原子渗透表层一个表面化学热处理工艺。目标： 提升零件表面硬度、耐磨性 高接触疲劳强度和弯曲疲劳强度 心部保持良好塑性与韧性。第24页分类： 按渗碳介质状态不一样，分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。渗碳材料 含碳量为0.10.3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 第25页(1) 固体渗碳法固体渗碳过程主要由以下步骤组成：在灼热固体碳表面上，CO

10、2与碳反应生成CO；在金属工件表面，CO分解析出活性碳原子；活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。第26页a、固体渗碳剂固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂组成。供碳剂普通为木炭、焦炭；催化剂普通是碳酸盐。木炭与渗碳箱内氧气发生反应： C+O2CO2, CO2+C2CO 2COCO2+C催化剂反应为： BaCO3BaO+CO2, CO2+C2CO Na2CO3Na2O+CO2, CO2+C2CO第27页b、固体渗碳工艺把工件埋入渗碳箱中，四面填满固体渗碳剂，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(900930C)，保温一定时间后出炉，即得所需样品。第28页优点：不需要专门渗碳设备

11、，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。第29页(2) 液体渗碳法在熔融状态盐溶渗碳剂中进行渗碳工艺。1)、液体渗碳用盐液体渗碳盐浴普通由中性盐和渗碳剂组成，中性盐普通不参加渗碳反应，主要起调整盐浴密度、熔点和流动性作用。传统渗碳盐浴以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）。第30页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主要原因。对于渗层薄及变形

12、要求严格工件，可采取较低渗碳温度（850900C）；对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（910950C）。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。第31页4)、液体渗碳后冷却方式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温度）。等温槽预冷后，工件出炉空气冷却（预冷目标是为了降低表面脱碳及氧化），然后重新加热淬火。第32页3、 气体渗碳（1）概念：把工件放在一定温度富碳气体介质中，加热和保温进行渗碳工艺。（2）特点： 操作简便，周期短，质量轻易控制

13、，劳动条件好。气体渗碳示意图第33页气体渗碳依据所用渗碳气体产生方法及种类，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方法。滴注式气体渗碳，普通采取两种有机液体同时滴入炉内。一个液体高温下分解产生气体碳势较低，作为稀释气体；另一个液体高温下分解产生气体碳势较高，作为渗碳气体。第34页滴注剂选择标准渗碳能力强，足够活性原子 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，分解活性碳原子越多 渗碳能力越强。 甲醇 CH2OH C/O=1 乙醇 C2H2OH C/O=2

14、丙酮 CH3COCH3 C/O=3第35页 碳当量：产生一克分子碳所需该物质量。 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 渗碳能力由强至弱次序： 丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇 气氛成份稳定性 原料经济，起源方便，无公害第36页碳势调整方法：改变两种液体滴入百分比来调整碳势。使用几个渗碳能力不一样液体，经过改变液滴来调整碳势。滴注式气体渗碳过程:分为四个阶段：排气、强渗、扩散及降温出炉排气阶段：加大渗碳剂（稀释剂）滴量，使炉内氧化性气氛快速降低。强渗阶段：渗碳剂滴量较多，确保炉气有较高碳势，以提升渗碳速

15、度。第37页扩散阶段：降低渗碳剂滴量，保持预定碳势，使表层过剩碳向内部扩散，最终得到要求深度及适当碳含量分布。降温出炉阶段：直接淬火工件，随炉冷至适宜淬火温度，保温1530min后出炉淬火；需重新加热淬火工件，自渗碳温度出炉后在空气中冷却。第38页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。吸热式气氛由一定百分比原料气（天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物）和空气混合，经过内部催化剂、外部加热反应罐，经吸热反应制备所得气氛。吸热式气氛化学反应通式：第39页3)、氮基气氛渗碳氮基气氛渗碳是一个以纯氮为载

16、体，添加碳氢化合物进行气体渗碳工艺方法。特点：不需要气体发生装置。成份与吸热式气氛基本相同，渗碳层深度均匀性不低于吸热式气氛渗碳。含有与吸热式气氛相同点燃极限，因为N2能自动安全吹灭，故采取氮气气氛工艺含有更大安全性。渗碳速度不低于吸热式气氛渗碳。第40页(4) 真空渗碳法是一个较新气体渗碳工艺。1) 真空渗碳温度和适用范围第41页特点a 因为将渗碳温度由普通气体渗碳时900950C提升到10301050C以上，以及因为真空加热表面净化作用所造成表面活化状态，使渗碳时间显著缩短。b. 渗碳表面质量好，渗碳层均匀，没有过渡渗碳危险等，无脱碳现象，工件变形小，节约能源。c. 作业条件好，如排除了烟

17、、热对环境污染等。第42页二、评定渗碳质量主要技术指标：1、渗碳层碳浓度：0.851.05 。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，则很轻易剥落影响使用寿命。渗碳层浓度梯度也应满足一定要求，渗层碳浓度梯度应平衡下降。第43页2）渗层深度 ：为了提升工件疲劳强度，渗碳层总浓度和工件断面之间有一个经验百分比关系：轴类齿轮薄片零件R半径(mm)； m模数(mm)； t 厚度(mm)。普通情况，小截面工件渗层深度小于工件截面20； 大截面工件渗层深度小于23mm。第44页四、渗碳后热处理工件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为取得理想性能，需要进行热处理。第45页渗

18、碳后热处理目标a. 提升工件表面强度、硬度和耐磨性能；b. 提升心部强度和韧性；c. 细化晶粒；d. 消除网状碳化物和降低残留奥氏体；e. 消除内应力，稳定尺寸。第46页1、直接淬火渗碳后，预冷到一定温度，马上进行淬火冷却，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工件进行两次加热淬火。注意：淬火后需要进行低温回火。第47页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， 180200C 低温回火第48页优点：降低加热和冷却次数，使操作简化、生产效率提升

19、，还可降低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。只适合用于本质细晶粒钢或性能要求较低零件。第49页工件渗碳后直接出炉，空冷至室温，然后再重新加热淬火。淬火温度选择要兼顾表面和心部要求。 心部要求较高强韧性零件，加热至心部Ac3稍上。 心部:细小低碳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。 对表面耐磨性要求较高零件，加热温度应选择在Ac1稍上， 表面层为M、未溶碳化物和少许残余奥氏体 心部低碳M和未溶铁素体。2、一次淬火法第50页3)、二次淬火将渗碳后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：A

20、c3+30-50，目标：细化心部组织，使淬火后心部组织为细晶粒低碳马氏体，消除渗层网状碳化物。第51页第二次淬火温度：Ac1+30-50，目标：使表层得到细针状马氏体和呈小颗粒状分布二次渗碳体，降低渗层残留奥氏体数量。优点：能取得很好表面和心部组织。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。第52页五、渗碳后组织与性能1、渗碳后缓冷到室温下组织表面过共析区：PFe3CII；靠近共析区：P；亚共析区（过渡区）：FP；心部：原始组织。共析区过共析区第53页渗碳后缓冷，渗层分三个区域：过共析层：OA段珠光体网状渗碳体共析层：A段珠光体过渡层：AC段珠光体

21、铁素体 心部原始组织：大量铁素体少许珠光体第54页渗碳层组织过共析组织(P+Fe3C) 共析组织(P) 过渡区亚共析组织(P+F) 原始亚共析组织(F+P) 第55页2、渗碳后淬火加低温回火后组织：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，为马氏体加少许铁素体。亚共析区心部第56页3、性能表面：含有较高硬度、耐磨性以及疲劳强度；心部：含有良好塑性与韧性。第57页渗碳件组织对性能影响（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，

22、组织中有一定数量残留奥氏体，能起到对外力缓冲和使应力分布均匀作用，增加了疲劳裂纹形成和扩展阻力，提升了钢断裂韧性。不宜超出30 （3）渗层碳化物：可显著提升工件耐磨性和抗咬合性，但粗大块状或网状碳化物存在，会破坏基体组织连续性而引发脆性，使工件表面产生剥落。第58页（4）心部硬度及组织：工件心部硬度取决于钢碳含量。适当心部组织应为低碳马氏体、贝氏体或索氏体，不允许有大块、大量铁素体存在。（5）渗碳层深度：渗碳层深度愈深，能够承载接触应力愈大。在满足工件使用要求前提下，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。第59页普通渗碳件工艺路线铸造正火切削加工渗

23、碳淬火+低温回火精加工第60页六、渗碳件质量检验 1、渗碳层深度检验（测定） 惯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1/2处。 合金钢：从表面到出现原始组织为止。第61页（3）硬度法：渗碳渗层深度为从表面向里到硬度HV550。2、硬度检验： 依据技术要求和工艺要求部位检验硬度。 普通要求检验淬火及低温回火后表面硬度

24、(大于58HRC)和心部硬度。 3、金相组织检验 渗碳件淬火及回火后金相组织检验，包含表层碳化物数量，分布特征，马氏体粗细，残余奥氏体含量，心部游离铁素体数量大小分布状态。第62页 图5-21块状碳化物级别8级400 渗C缺点及控制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。第63页返修方法：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第64页形成成因：渗C或淬火温度过高， 使A中C及含C量过高。预防方法：降低碳势，降低渗C温度和淬火温度，降低重淬温