材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件第十章 钢的化学热处理

1、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,第十章 钢的化学热处理,10.1 概述 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,第十章 钢的化学热处理,一、化学热处理基本过程 三个过程： 渗剂的分解 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 五个阶段： 气氛的形成 吸附 分解 吸收 扩

2、散,一、化学热处理基本过程,1、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,2、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。 吸附量 = X/ m X 吸附气体溶质量 m 吸附剂质量,吸附时，铁对于气氛分解产生活性原子具有催化作用。,2CO

3、CO2 + 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。,FeCO吸附 CO气体 FeC+ CO2,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。,3、分解反应 此过程渗剂进一步分解，析出活性渗入原子。 如： 2CO CO2 + C CH4 C + 2H2 2NH3 2N + 3H2 渗剂反应通式：,化学平衡常数：,K=PcC * PdD /PaA* PbB = Zexp(-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。,4

4、、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,5、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,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,5、扩散 (2)扩散机制 交换型扩散 相邻点阵位置原子依靠热振动互换位置的扩散方式。,一、化学热处理基本过程,间隙型扩散 间隙原子在点阵中跃迁的扩散。,环形旋转型扩散 处于某一晶面的同一平面上几个原子能够绕瞬时

5、轴旋转的扩散。,一、化学热处理基本过程,空位型扩散 原子跳跃到相邻空位，又形成新的空位的原子扩散。,空位,空位,一、化学热处理基本过程,（3）扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）,T1,Cm,Cmin,A,T/,Cmax,1,Cm,Cmin,Cmax,AnBm,由表至里距离,一、化学热处理基本过程,AnBm,AnBm,表面,A,AnBm,A,AnBm,A,AnBm,T1温度下扩散层组织变化过程,T1温度下扩散层组织,冷却到室温后扩散层组织,快冷,慢冷,第十章 钢的化学热处理,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,第十章 钢的化

6、学热处理,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,化学热处理进行时组织状态 奥氏体状态： 渗碳、碳氮共渗、渗硼及硼基共渗、渗铬及铬基共渗、渗铝及铝基共渗、渗硅、渗钒、渗铌、渗钛等。 铁素体状态： 渗氮、氧氮共渗、碳氮氧共渗、渗硫及硫基共渗、渗锌等。,10.2 钢的渗碳 基本思路： 在FeC相图中，- Fe中碳的最大溶解度0.02%，而 - Fe中碳的最大溶解度达到2.11%，相差100倍，希望在高温下渗碳

7、，低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。,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,10.2 钢的渗碳,二、钢渗碳原理（以气体渗碳为例） （1）三个阶段：分解、吸收、扩散 2CO CO2 + C + 172.4KJ CH4 2H2 + C 75.7KJ CH3COCH3 3H2 + CO +2C - 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、

8、反应加速，渗碳能力较强。,10.2 钢的渗碳,（2）渗碳剂的选择 渗碳剂的基本要求： 有良好的渗碳能力、不产生碳黑、工艺性好，环保性，价廉、分子结构简单。 通常： C/O原子数比1，分解产生CO、H2，几乎不能渗碳，稀释剂 C/O原子数比1，分解产生CO、H2外，还产生一定CH4 ， 能产生C，属于强渗碳剂， C/O比愈大，渗碳能力愈强。 所以醇类、醚类、酮类等均是优良渗碳剂，加入一部分 饱和烷烃富化气（稀释用）构成渗碳气体。,炉气主要成分CO,CO2,H2,CH4,H2O 其中渗碳气体：CO CH4 脱碳气体：CO2 H2O 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

9、力碳势,（3） 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。 碳势越高，渗碳能力越强， 碳势决定了渗碳件表面可达到的含碳量,碳势与CO 和 CO2 之间对应关系如下图（900）,CO + H2O CO2 + H2,由水煤气反应，可计算CO2或H2O的含量。,正常的渗碳气体中，CO%和H2%基本上是定值，如用丙烷或丁烷制备渗碳气体，其中大致含24CO和33H2。,H2O%=2.06CO2%,由此可知，主要控制炉气中CO2,H2O,CH4和O2中的任何一种 气体的相对含量，就能达到控制炉气成分，调整碳势的目的。,10.2 钢的渗碳,引入：活度因数ac=碳势 / 奥氏体饱

10、和时碳浓度 问题：如何控制渗碳时钢表面碳含量（碳势）？ 通过控制渗碳气氛中各种气体含量或压力 例：已知 Fe + 2CO FeC + CO2 900，奥氏体饱和碳含量1.33%，碳势1.0%，假设总压为1个大气压， CO+ CO2总分压为0.2大气压，请说明CO和CO2各自的分压或含量。 解：设CO+ CO2系统中， CO压力为X、CO2压力为1-X， ac=1/1.33=0.752 ， K= ac*pco2/p2co (查表K=0.03176)， 可见，只要控制CO、CO2的含量或压力，就能控制碳势。,得X=0.9917, 1-X=0.0083,则 CO=0.9917*0.2*100%=19

11、.83% CO2=0.0083*0.2*100%=0.17%,问题：通常渗碳气体均为混合气体，这时的碳势又如何控制？ 采用露点法控制，通常渗碳气体都含有CO,CO2,H2O,H2, 有： CO + H2O CO2 + H2 例：已知，950，K=0.69，且露点与炉气含水量关系如图， 渗碳炉排出气体的露点-10 ， 主要成分 40%H2，20%CO，请预测工件表面碳含量？ 解：查右图，露点-10时H2O 含量为0.28%;,10.2 钢的渗碳,露点,H2O含量%,0.28,-10,查碳势 CO- CO2 图,得此时表面碳势为1.0%。,10.2 钢的渗碳,排气 升温,增碳期,扩散期,降温期,均

12、温,升温,渗碳,扩散,冷却,三、渗碳工艺过程,典型气体吸热式连续渗碳工艺，分为升温、渗碳、扩散和冷却四个区域。,10.2 钢的渗碳,（1）碳势的选择和控制 一般渗碳件表面碳含量在0.61.1%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，920930， 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,四、渗碳主要工艺参数,五、渗碳后的热处理 钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽

13、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,10.2 钢的渗碳,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,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

14、共析,心部,淬火后组织：,高碳M + Fe3 C +Ar,低碳M +F（少量）,硬度：,10.2 钢的渗碳,理想渗层组织：隐针M + 弥散细小Fe3 C +少量均匀Ar,渗层厚度：一般0.82mm 质量检查：渗层深度 硬度 金相组织,七、渗碳常见缺陷 表面硬度偏低 渗层深度不够或不均匀 金相组织不合格（网状或大块状碳化物，渗层大量残余奥氏体） 变形超差,10.2 钢的渗碳,八、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,10.2 钢的渗碳,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

15、。,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,10.3 钢的氮化 一、FeN相图及氮化层组织 1、FeN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4.5511.0%N的Fe2-3 N化合物，以Fe2-3 N为基固溶体 相：含11.111.35%N的Fe2 N化合物，以Fe2-N为基固溶体 氮化时上述

16、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（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,10.3 钢的氮化,二、气体氮化原理 以氨气氮化为例，分成三个阶段： 分解,NH3 N + 1.5H2 Fe + NH3 FeN + 1.5H2,N的吸收 N原子的扩散 N的扩散系数 C,N

17、化层形成过程示意,向炉内不断通入氨气 氨分子向金属表面迁移 氨分子被金属表面吸附 氨分子在金属表面不断分解，形成氮原子和氢原子 活性原子复合成分子，不断从炉内排出 表面吸附的活性氮原子溶解于Fe中,N化层形成过程示意,氮原子由金属表面向内部扩散 当氮超过在Fe中的溶解度后，表层开始形成氮化物 氮化物长大 表面依次形成 和相 氮化层不断增厚 氮从氮化物层向金属内部扩散,10.3 钢的氮化,二、气体氮化原理 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，

18、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,10.3 钢的氮化,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,使心部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480570左右。 氮势（氨分解率）控制 氨分解率=（氢气体积 +

19、 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。,10.3 钢的氮化,典型氮化工艺： A.等温氮化，如38CrMoAlA钢 氮化前处理1050+560回火,：升温阶段 ：形成氮化物阶段 采用低氨分解率（1825%），使表面快速吸收大量氮原子； ：扩散阶段 采用较高氨分解率（3040%），使表面氮进一步向内层扩散，增加渗层厚度 ：退氮阶段 在氮化前使表面氮浓度降低，采用高的氨分解率（70%），降低表面氮势，减少表面脆性； ：缓慢冷却阶段 减少表面氧化和工件变形，仍保持高的氨分解率。,10.3 钢的氮化,典型氮化工艺： B.二段氮化， 段的温度提高和氨分解率提高，加速原子扩散,10.3 钢的氮化,典型氮化工艺： C.三段氮化,10.3 钢的氮化,氮化层组织 从表面至心部的金相组织为： 表