1、第五章 金属的化学热处理,概述 1、概念 将金属制件放在特定的活性介质中，加热保温使一种或几 种元素渗入它的表层，改变其表面的化学成分和组织，以达 到改变表面性能，满足技术要求的热处理工艺总称。 简单说是向钢的表面渗入某种元素的热处理工 艺。 注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。 2、目的 获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。 3、分类 以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。命名方法见表。,4、作用： 强化表面：表面硬度，耐磨性，疲劳极限，多次冲击韧性的提高。如渗碳、渗氮等。 保护工件表面：提高工件的物理化学性能，耐高温，耐腐蚀。如渗氮等。 5、特点： 最有效地改
2、善钢件表面的化学成分，组织和性能，而且这种改善是由表面向心部逐渐过渡，渗层与基体的结合是牢固的。 不受工件外形的限制，表面都可以获得分布均匀的渗层和淬硬层。 经化学热处理后的工件大部分具有变形小，精度高，尺寸稳定性好等特点。 大部分化学热处理，在提高表面机械性能的同时还可以提高表面的耐腐蚀性，抗氧化，减磨，抗咬合，耐热等。,5.1 基本原理,一、化学热处理的基本过程 通过界面反应渗剂分解，产生被渗元素的活性原子； 活性原子被表面吸附； 活性原子由工件表面向内部扩散。 例如： 渗碳时：CH42H2+C 渗氮时：2NH3=3H22N,1、渗剂分解 渗剂一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的
3、催渗剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。 渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。 催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质。 例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠,界面反应,化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的反应有：,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，,2、吸附过程及影响因素,固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理 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的吸附现象。 这种吸附能迅速达到平衡，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
4、。 2）化学吸附：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，随温度升高明显增大，这种吸附可以使分子解离。,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 纯扩散指渗入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的形成和分解。 纯扩散常发生在化学热处理的初期，或渗剂的活 性不足以形成饱和浓度的场合。如渗碳。 反应扩散指通过扩散使固溶体溶质组元的浓度超过 固溶度极限而形成新相的过程。,3、化学热处理的扩散过程,渗层指
5、在钢的表面渗入某种元素后，从表面向内保持该元素较高浓度的距离。,（2）影响渗层深度的因素：,20MnSi 930渗碳10h后硬度,1）渗层深度与扩散时间的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，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低； 随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。,2）渗层深度与温度的关系,渗层深度与温度呈指数关系，因而温度对深度的影响，远比时间的影响强。 3）表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。,（3）扩散层的组织结构,扩散层的组织结构可以根据基体金属与渗 入元素的合金状态图及扩散条件来确定。,1、物理催渗法 概念：是利用改变温度
6、、气压，或利用特定的物理场（等离子场、真空、高频、电磁场等），加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等。 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)采用弹性振荡加速。,二、加速化学热处理过程的途径,2、化学催渗法 概念：是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解，去除表面钝化膜，改善工件表面活化状态，以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。从而提高渗入能力。 分类： A)卤化物催渗法； B）提高渗剂活性的催渗方法。,5.2 钢的渗碳,一、渗碳的概述 概念：向钢件表面渗入碳原子（元素）的工艺。 目的：提高零件的
7、表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部保持良好的塑性与韧性。,20MnSi 930渗碳10h后硬度,分类：按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。 渗碳的材料含碳量为0.10.25的低碳钢或合金钢。如20、20CrMnTi、18CrMnTi等。,二、评定渗碳质量的主要技术指标： 1、渗碳层的碳浓度：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，则很容易剥落影响使用寿命。 渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求，渗层的碳浓度梯度应平衡下降。,2）渗层深度 ：为了提高工件的疲劳强度，渗碳层的总
8、浓度和工件断面之间有一个经验的比例关系：,轴类,齿轮,薄片零件,R半径(mm)； m模数(mm)； t 厚度(mm)。 一般情况，小截面工件渗层深度不大于工件截面的20；大截面工件渗层深度不大于23mm。,三、渗碳方法 1、固体渗碳 （1）概念：将工件放入填充固体渗碳剂的密封箱中，在一定温度下加热保温进行渗碳的工艺。 （2）固体渗碳剂组成 主要由两类物质组成: 提供活性碳原子的供碳剂（木炭、焦炭） 催渗剂，如碳酸钡，碳酸钠 （3）渗碳工艺 渗碳温度：900930；（含Ti、V、W、Mo的钢，950980）。 保温时间:每小时渗0.1mm; 生产中常用试棒来检验渗碳效果，渗碳时间应通过试验进行修
9、正。,（4）特点 优点：不需专门设备，工艺简单，适宜单件或小批量生产。 缺点：加热时间长，生产率低，劳动条件差，渗碳层深度以及质量不易控制。,固体渗碳示意图,2、液体渗碳 （1）概念：工件在一定温度下的含碳活性盐浴中加热保温进行渗碳的工艺。 （2）特点： 优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后直接淬火； 缺点：多数盐浴有毒。 （3）渗碳液体组成由三部分物质组成: 加热介质 NaCl、BaCl2 混合盐 渗碳介质 NaCN,KCN，“603”渗碳剂等（100目木炭粉，5NaCl，10KCl，15Na2CO3，20（NH2)2CO） 催化剂 碳酸盐Na2CO3、BaCO3,基本化学反应：Na2CO3C
10、Na2O2CO2COCO2C3NH22CO+Na2CO3 Na2CNO+4NH3+2CO22NaCNO 2NaCN+Na2CO3+CO+2N 渗碳温度一般为920940，渗碳速度较快。,3、 气体渗碳 （1）概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热和保温进行渗碳的工艺。 （2）特点： 操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件好。,气体渗碳示意图,（3）渗剂 渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体（煤油，丙酮等），气体 分解，析出活性碳原子，渗入工件表面。 （4）分类 可分为滴注法渗碳，吸热式气氛渗碳等。 1）滴注式可控气氛渗碳： 同时向炉内滴入两种有机液体，热裂分解为活性原子并渗入工件表面。
11、一种液体（甲醇）产生的气体碳势较低，作为稀释气体； 另一种液体（如醋酸乙脂、煤油或丙酮）产生的气体碳势较高，作为富化气。 通过改变两种液体的滴入比例，就可以控制碳势。,2）吸热式气氛渗碳 吸热式气氛指用天然气、城市煤气等，以一定比例与空气混合不完全燃烧，放出的热量不能维持正常反应，需要外部供给热量。 大量生产中广泛应用吸热式气氛做稀释气体，同时通入富化气（如丙烷、丁烷等）。 通过调节两种气体的相对量来控制渗碳炉内碳势，达到渗碳的质量要求。,四、渗碳后的热处理,工件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为获得理想的性能，需要进行热处理。,1、直接淬火 渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合
12、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 将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。 注意：淬火后需要进行低温回火。,五、渗碳后的组织与性能 1、渗碳后缓冷到室温下的组织 表面过共析区：PFe3CII；接近共析区：P；亚共析区（过渡区）：FP；心部：原始组织。,共析区,过共析区,2、渗碳后淬火加低温回火后的组织： 表面：回火马氏体加颗粒状碳化物； 心部组织依据钢种来确定。 若为低碳钢，淬透性差，为铁素体加珠光体； 若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。,亚共析区,心部,3、性能 表面：具有较高
13、的硬度、耐磨性以及疲劳强度； 心部：具有良好的塑性与韧性。,六、渗碳件的质量检查1、渗碳层的深度的检查（测定）常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，两层交界处的含碳量约为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：从表面测到过渡区的1/2处。合金钢：从表面到出现原始组织为止。,（3）硬度法：国外有的国家规定：渗碳渗层深度为从表面向里到硬 度HV550或HRC50处。 2、硬度检查：根据技术要求和工艺规定的部位检查硬度。一般要求检查淬火及低温回火后的表面硬度和心部硬度。3、金相组织检查渗碳件淬火及回火后的金相组织检查，包括表层碳化物的数量，分布特征，马氏体粗细，残余奥氏体的含量，心部游离铁素体的数量大小分布状态。,
