第11章钢的化学热处理总结.ppt

1、第十一章 钢的化学热处理,表面淬火缺陷：成分所限；形状所限。 改变成分与组织结构的化学热处理 （1）化学热处理定义：工件置于一定活性介质中，使非金属或金属元素扩散到工件表层中，以改变表面的化学成分和性能的工艺。 （2）化学热处理的作用： 强化表面，提高硬度与耐磨性，抗疲劳性等； 保护表面，改善物化性能，抗腐蚀、耐高温等。,（3）优点： 可在较大浓度范围有效改变表层化学成分、组织与性能； 不受形态限制，渗层较均匀； 仿形渗层渗层的轮廓与工件形状相似 表面层性能提高幅度更大，且往往可同时提高机械、物化性能； 成分相变 表面过热现象可在随后热处理中消除。 缺点：周期长,（4）常用化学热处理：,1.化

2、学热处理的基本过程 化学热处理由化学介质分解产生的活性原子，被工件表面吸收，并向内部扩散三个基本过程组成。 分解：渗剂在一定温度下经化学反应而形成活性原子过程。 渗碳：2COCO2+C; CH42H2+C CO+H2H2O+C 渗氮：2NH33H2+2N C,N活性原子,a. 化学介质的分解,化学热处理分类及基本过程,活性原子：指那些在一定的化学反应中产生的渗入元素，它以原子状态存在，性质活泼，能为工件表面吸收。 N+NN2 分子态，非活性 C+CG(石墨) 化学反应除分解外还有 置换 SiCl4+2Fe2FeCl2+Si 还原 B2O3+6Na3Na2O+2B 歧化 3TiCl22TiCl3

3、+Ti,吸收：活性原子可溶入基体金属中或者与基体金属形成化合物。 例如渗碳时： 被表面吸附的活性碳原子固溶到奥氏体中 Fe+C吸附FeC固溶 (间隙固溶体） 碳原子超出最大固溶度后形成化合物： 3FeC吸附Fe3C 另钢件的粉末渗硼时，先形成化合物 300C FeB，700C Fe2B， 900C含B的固溶体,b. 活性原子被工件表面吸收过程,扩散：钢件表面被吸收的活性原子向钢件深处迁移，并形成一定厚度的渗层。 原因：表层与心部的浓度差 渗入元素的原子沿浓度梯度下降的方向迁移 扩散层的特点：渗入元素在表面层的浓度最高，离开表层越远，浓度越低。,c. 渗入元素的扩散过程,2. 化学热处理分类,表

4、面渗碳,高碳钢 淬火+低温回火 硬度、强度 冲击韧性,低碳钢 淬火+低温回火 塑性、韧性 硬度、耐磨性,渗碳钢 表层碳含量 心部碳含量,一般选用碳含量为0.10.3%的低碳钢和低碳合金钢,定义：钢的渗碳就是将钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。 目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 根据介质不同，分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种。应用最多的是气体渗碳。,表面渗碳,气体渗碳装置示意图,a. 气体渗碳,工件在气体介质中进行渗碳的方法。,渗碳介质：,液体介质：碳氢化合物 煤油、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯等。 气体介质：混合气体 天然气、

5、甲烷、液化石油气、丙烷、丁烷 渗碳能力很强，须与渗碳能力弱的气体配合使用,滴注式可控气氛渗碳,可控气氛渗碳是通过控制渗碳气体的成分来控制钢件渗碳层的碳浓度。,碳势：是指纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时达到既不增碳也不脱碳，并与炉气保持平衡时表面的碳含量，它表示炉气对纯铁饱和碳的能力。,滴注式可控气氛渗碳的主要特点是把两种有机液体直接滴入渗碳炉内进行分解，使其中一种滴液形成稀释气，另一种滴液形成渗碳气。,碳势的意义 “碳势”定量地表示渗碳气氛的活性，即炉气渗碳能力强弱： 炉气氛碳势高，渗碳能力强。 用化学反应平衡时钢件表面的含碳量表示，但衡量的是气氛的碳势，可用来考察该气氛下钢的渗碳与脱碳行为

6、： 碳势为1的气氛，可使碳含量1%的钢脱碳；,吸热式渗碳气氛渗碳,是将可燃性原料气如丙烷、丁烷、天然气等碳氢化合物与较少的空气混合后，通入装有触媒剂的炉膛中，在触媒剂的作用下，并借助外加热，使混合气在9501050C的条件下进行反应，用这种方法制备的气氛称为吸热式气氛。,多用于连续式炉气体渗碳,将工件埋在固体渗碳剂中密封起来，加热到900930C，保温后出炉。 固体渗碳由两类物质组成： 渗碳物质（8590）：木炭、焦炭、骨炭等。 催化剂（1015）：碳酸钠、碳酸钡等。,b. 固体渗碳,木炭与渗碳箱内的氧气发生反应： C+O2CO2, CO2+C2CO 2COCO2+C 催化剂的反应为： BaC

7、O3BaO+CO2, CO2+C2CO Na2CO3Na2O+CO2, CO2+C2CO 固体渗碳优点： 设备简单，方便易行，中小型工厂； 缺点：周期长，生产效率低，劳动条件差， 质量不易保证。,在能析出活性碳原子的盐浴中进行的。 优点：加热速度快，加热均匀，渗碳效率高，渗碳层均匀，便于直接淬火。 缺点：成本高，渗层盐浴大多有毒，不宜于大件和大批量生产。 渗碳盐浴一般由三类物质组成： 加热介质：通常用NaCl和BaCl2的混和盐。BaCl2还同时具有催化剂的作用。 催化剂（530）：常用碳酸盐 （Na2CO3或BaCO3）。,c. 液体渗碳,渗碳介质（1015） 氰盐如氰化钠或氰化钾，剧毒，受

8、限。 现多采用石墨、木炭或黄血盐,低碳钢或低碳合金钢 预留加工余量； 镀铜法； 涂防渗碳涂料如将耐火泥、石棉粉、用水玻璃调成膏状。,渗碳工艺过程,1. 渗碳前的热处理和准备,正火、调质处理,2. 渗碳过程的工艺操作,强渗期,扩散期,降温期,等温期,排气期,为使渗碳件具有表面高硬度，心部高韧性，渗碳后必须进行适当的淬火、回火。 渗碳后热处理的目的,3. 渗碳后的热处理,获得高硬度(5863HRC)和高耐磨的表面层 消除网状渗碳体和调整残留奥氏体的数量和分布 细化晶粒，提高强度和韧性 消除内应力，稳定尺寸。,1、直接淬火法 渗碳后可直接 预冷淬火， 180200C 低温回火,渗碳后热处理工艺,特

9、点： 操作简单、成本低，生产率高，但在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大，影响淬火后工件的性能，故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况下；此外预冷过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出，对工件淬火后的性能不利。 用途：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。,预冷的目的是为了减少淬火变形与开裂，并使表层析出一些碳化物，降低残A，提高表层硬度，预冷温度略高于Ar3,目的是为避免析出铁素体。,2、一次淬火法（重新加热淬火法）,工件经渗碳空冷(或坑冷）后，再重新加热至淬火温度进行淬火，然后在180200回火。这种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细化，使钢的性能得到提高。 用途 适用于比较重要的零

10、件，如高速柴油机齿轮等。,淬火加热温度的选择 心部要求较高强韧性的零件，加热至心部Ac3稍上。心部通过相变重结晶，细化了晶粒，淬火后得到细小的低碳M，具有较高的强韧性；表面可消除网状渗碳体；但表面加热温度高，淬火后晶粒较粗大，残余奥氏体较多，影响耐磨性。 对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选择在Ac1稍上，淬火后表面层为M、未溶碳化物和少量残余奥氏体，有较高的硬度和耐磨性。而对心部组织来说，加热温度过低，淬火后低碳M和未溶铁素体，强度受到一定的影响。,一次淬火发可以提高心部或者改善表面的性能，但却无法使两者同时得到提高。,3、二次淬火法,适用于对于表面和心部性能都要求较高的零件 第一次淬火

11、加热温度在Ac3稍上，强化心部 第二次淬火在Ac1稍上，保证表面硬度,第一次淬火是为了细化心部组织和消除表层网状碳化物，因此，加热温度应选在心部的Ac3以上。 第二次淬火是为了改善渗碳层的组织和性能，使其获得细针状马氏体和均匀分布的未溶碳化物颗粒，因此，加热温度通常选在Ac1以上3050。 两次淬火法的主要缺点是，零件经两次高温加热及冷却后变形较严重；渗碳层易发生部分脱碳、氧化；生产周期长和成本高。故一般很少使用这种方法，只对粗晶粒钢和使用性能要求很高的零件才用它。,1 渗层淬火组织 根据表面碳含量、合金元素和淬火温度，渗层淬火组织可分两类： （1）表面无碳化物，自表面至中心，依次由高碳马氏体

12、残余奥氏体逐渐过渡到低碳马氏体； （2）细小针状马氏体残余奥氏体细小颗粒状碳化物高碳马氏体残余奥氏体逐步过渡到低碳马氏体。,渗碳后钢的组织与性能,2 渗碳层组织对性能影响 （1）渗碳层碳化物的数量及分布： 细小隐晶M组织的基体上均匀分布着适量的粒状碳化物为最好，耐磨性和接触疲劳强度较高； 而粗大块状和网状碳化物会破坏基体的连续性而引起脆性，易造成疲劳麻点和表面剥落； （2）残余奥氏体量不易过多； （3）心部组织应为低碳马氏体，贝氏体、屈氏体，索氏体为好，不允许有大块、多量游离F； （4）渗碳淬火后表面处于压应力状态，有利于疲劳强度。,三、渗层淬火组织及对性能影响 3 渗层性能与表面碳量、渗层深

13、度关系 总体上硬度、耐磨性、疲劳强度随表层C%,渗层深度而提高，冲击韧性随C%而降低。 但C%过高，渗层深度过大，硬度、耐磨性、疲劳强度反而下降。 例如：疲劳强度开始随表层C%而提高，到0.93时具有最高值，然后下降。,渗碳层深度及工艺路线,渗碳层深度：0.52mm 采用渗碳工艺的零件的加工工艺路线： 锻造正火机械加工渗碳淬火低温回火精加工成品,1、黑色组织 在含Cr，Mn及Si等合金元素的渗碳钢渗碳淬火后，在渗层表面组织中出现沿晶界呈现断续网状的黑色组织。 防黑色组织的办法是注意渗碳炉的密封性能，降低炉气中的含氧量一旦工件上出现黑色组织时，若其深度不超过0.02mm,可以增加一道磨削工序，把

14、其磨去，或进行表面喷丸处理。,渗碳缺陷与控制,2、反常组织 其特征是在先共析渗碳体周围出现铁素体层在渗碳件中，常在钢中含氧量较高(如沸腾钢)的固体渗碳时看到。具有反常组织的钢经淬火后易出现软点。 补救办法: 适当提高淬火温度或适当延长淬火加热的保温时间，使奥氏体均匀化，并采用较快的淬火冷却速度。,3、粗大网状碳化物 形成原因可能是由于渗碳剂活性太大，渗碳阶段温度过高，扩散阶段温度过低及渗碳时间过长引起。 预防补救的办法是分析其原因，采取相应措施，对已出现粗大网状碳化物的零件可以进行温度高于ACcm 的高温淬火或正火,4、渗碳层深度不均匀 可能由于原材料中带状组织严重，也可能由于渗碳件表面局部结

15、焦或沉积碳黑，炉气循环不均匀，零件表面有氧化膜或不干净，炉温不均匀，零件在炉内放置不当等所造成预防措施，应分析其具体原因，采取相应措施。,5、表层贫碳或脱碳 其成因是扩散期炉内气氛碳势过低，或高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳。 补救办法：在碳势较高的渗碳介质中进行补渗。在脱碳层小于002mm情况下可以采用把其磨去或喷丸等办法进行补救。,6、表面腐蚀或氧化,渗碳剂不纯，含杂质多，如硫或硫酸盐的含量高，液体渗碳后零件表面粘有残盐，均会引起腐蚀渗碳后零件出炉温度过高，等温盐浴或淬火加热盐浴脱氧不良，都可引起表面氧化，应仔细控制渗碳剂盐浴成分，并对零件表面及时清洗 。,20mm的小轴，经930，5小时

16、渗碳后，表面碳的质量分数增加至1.2分析经下列热处理后表面及心部的组织：13.用20钢制造的(1)渗碳后缓冷到室温。(2)渗碳后直接淬火，然后低温回火。(3)渗碳后预冷到820，保温后淬火，低温回火。(4)渗碳后缓冷到室温，再加热到880oC后淬火，低温回火。(5)渗碳后缓冷到室温，再加热到780 oC后淬火，低温回火。,一、氮化的应用及其特点 氮化：向工件表面渗入氮的工艺。 性能特点： 具有比渗碳淬火更高的表面硬度和耐磨性、热硬性、HV9501200(HRC6572) 具有高的疲劳强度和抗腐蚀性 氮化温度低，氮化后不需淬火，因而变形小 主要应用： 用于尺寸精度要求高，且耐磨性高的机械零件。如

17、镗床主轴、精密车床的丝杆等。,表面渗氮,二、氮化的基本原理 1、Fe-N系相图,二、氮化的基本原理 -相 氮在-Fe中的固溶体； -相 氮在-Fe中的固溶体； -相 成分可变的间隙相，面心立方结 构，可用Fe4N表示，脆性较小； -相氮化物，可用Fe2-3N表示，比较脆； -相氮化物，可用Fe2N表示，极脆。,两个共析反应： 590： 650： ,2、氮化层的组织 由Fe-N相图可知， 在低于共析温度590C以下进行氮化时， 首先在表面形成-相， 当-相氮浓度达到饱和时，形成相， 当相的氮浓度达到饱和时，又形成相。 由表面到心部为： 心部组织,3、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响 （1）碳的影

18、响 减少氮的扩散速度，减少氮化层的深度； N能溶入渗碳体，形成含氮渗碳体Fe3(C,N); C能溶入相，成为Fe2-3(C,N),而不溶入相中。,3、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响 （2）合金元素的影响 含有氮化物形成元素Cr、Mo、Al等时，当表面氮浓度达到-相饱和极限浓度后，按照和N亲和力的大小，先形成AlN，然后形成MoN，再形成CrN，当表面层合金元素都形成氮化物后，才会形成和相。,在合金氮化物中，除CrN及MoN因与相晶格相同，可溶入相外，其余氮化物都不溶入相中。这些稳定的氮化物高度弥散分布在氮化层中，具有高温下几乎不溶入铁、不聚合及长大等特点，因此氮化层表现出极高的硬度。,选择氮

19、化的钢材，一般应含有Cr、Mo、Al、V、Ti等氮化物形成元素的钢。 常用的氮化钢有： 40Cr、35CrMo、38CrMoAl等。 三、氮化工艺 1、氮化前的预处理 保证心部有足够的强度支撑较脆的氮化层； 消除加工应力，减小变形； 为氮化层的性能作组织上的准备。 常用调质处理，获得回火索氏体组织。,2、非氮化层的保护 镀锡 熔点232C，锡熔化后吸附在工件表面，阻碍氮原子渗入，镀锡层厚：0.0040.008mm 涂料 水玻璃石墨粉，涂后烘干，涂23次。 3、氮化工艺参数 氮化温度 500530C 氮化时间 氮化速度为0.0050.02mm/h,氮化层深度为0.40.7mm，需要几十个小时。,

20、氨气分解率的影响 氮化气氛：分解氨 NH3N+3/2H2 氨分解率(氮气体积氢气体积)/炉气总体积 分解率高，工件表面吸附大量的氢气，防碍氨的吸收，使表面氨浓度降低，氮化层深度减小。 分解率过低，大量的氨来不及分解，提供活性氮原子的几率减少，也降低氮化速度。 试验表明，当分解率在1540左右时，钢件吸收氨的速度最快。,4、气体氮化工艺 等温氮化法,为了使渗层的硬度梯度变得尽可能平缓，增加渗层的深度，可在氮化过程前期，用较低的氨分解率(1825)。使工件表面迅速吸收大量氮原子，提高表面的氮浓度，从而形成弥散度大的氮比物，以提高表面的硬度。氮化的第二阶段可提高氮的分解率(一般30一40)，使炉气中

21、活性氮原子得到稀释，表层的氮浓度不致进一步提高，而且还使氮原子不断地向内层扩散，增加了渗层的厚度。 为了降低氮化层的脆件，在氮化结束前2h进行退氮处理，使氮继续向内层扩散，以降低表而的氮浓度。此时可将氨分解率控制在70以上。,二段氮化法,第二阶段把温度提高到550一570，氨分解率控制在40一60之间，目的是加速氮在钢中的扩散，以增加氮化层深度。由于第一阶段形成的氯化物稳定性高，在第二阶段稍提高温度时，氮化物不会显著聚集长大，因此硬度下降不多，面且可使氮化层的硬度分布趋于平缓。,三段氮化法,三段氮化法是在二段氮化的基础上发展起来的。它的特点是第二阶段的温度比二段氮化的更高一些，一般为56058

22、0，以进一步提高氮化速度，达到一定氮化深度后，再将温度降至相当于第一段的温度或稍高的温度下继续氮化，使表层氮浓度达到最佳浓度，而不致使表面硬度过低。,工艺路线： 锻造正火粗加工调质 精加工去应力粗磨氮化 精磨或研磨,40Cr 渗氮空冷+心部原始组织（ S回） 4%硝酸酒精溶液,45,40Cr,S回,四、加速氮化的方法 1、离子氮化 利用高压电场在含 氮的稀薄气体中引起 辉光放电，使气体电 离，产生活性氮原子 渗入工件表面的过程。,离子氮化的特点 氮化速度快，生产周期短 a)阴极溅射作用使表面活化，促进了氮化反应 b)氮的正离子在电场的作用下，轰击表面，产生溅射的同时，氮原子直接进入金属，渗入速度快。同样的氮化层深度，时间仅为气体渗氮的1/21/3.,氮化层质量好 阴极溅射有抑制脆性相生成的作用，避免生成脆性的相，明显提高了氮化层的韧性和疲劳强度。 工件变形小 加热温度低，时间短 氮化前不需去钝化处理，阴极溅射能有效除去钝化,工艺特点： 对材料的适应性强。渗氮用钢、碳钢、合金钢和铸铁都能进行离子渗氮，但专用渗氮钢（如38CrMoAlA）效果最佳。 缺点：投资高，温度分布不均，测温困难和操作要求严格等。,2、洁净氮化 在氮化气氛中加入氯化铵，可洁净工件 表面而促进氮的渗入。 NH4ClNH3+HCl 工件表面的氧化膜被除去 Al2O3+6HCl2AlCl3+3H