1、第五章 化学热处理,化学热处理是将工件在特定的介质中加热、保温，使介质中的某些元素渗入工件表层，以改变其表层化学成分和组织，获得与心部不同性能的热处理工艺。工业技术的发展，对机械零件提出了各式各样的要求。发动机上的齿轮和轴，不仅要求齿面和轴颈的表面硬而耐磨，还必须能够传递很大的转矩和承受相当大的冲击负荷；在高温燃气下工作的涡轮叶片，不仅要求表面能抵抗高温氧化和热腐蚀，还必须有足够的高温强度等。这类零件对表面和心部性能要求不同，采用同一种材料并经过同一种热处理是难以达到要求的。而通过改变表面化学成分和随后的热处理，就可以在同一种材料的工件上使表面和心部获得不同的性能，以满足上述的要求。化学热处理
2、与一般热处理的区别在于：前者有表面化学成分的改变，而后者没有表面化学成分的变化。,5.1 化学热处理的分类与基本过程,一、化学热处理的分类依据所渗入元素的不同，可将化学热处理分为渗碳、渗氮、渗硼、渗铝等。如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如碳氮共渗、铬铝硅共渗等。渗入钢中的元素，可以溶人铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物。,二、化学热处理的基本过程化学热处理过程分为分解、吸收和扩散三个基本过程。分解是指零件周围介质中的渗剂分子发生分解，形成渗入元素的活性原子。 吸收是指活性原子被金属表面吸收的过程，其基本条件是渗入元素可与基体金属形成一定溶解度的固溶体，否则吸收过程不能进行。扩散是指
3、渗入原子在金属基体中由表面向内部的扩散，这是化学热处理得以不断进行并获得一定深度渗层的保证。从扩散的一般规律可知，要使扩散进行得快，必须要有大的驱动力（浓度梯度）和足够高的温度。渗入元素的原子被金属表面吸收、富集，造成表面与心部间的浓度梯度，在一定温度下，渗入原子就能在浓度梯度的驱动下向内部扩散。,三、渗层的组织结构与形成过程渗层的组织结构首先取决于组成渗层的合金系的相图。纯扩散：如果渗入元素与基体元素间形成连续固溶体，这种渗入元素的扩散为纯扩散，在扩散温度下渗层为单相固溶体。反应扩散：如果渗入元素在基体金属中的溶解度有限，则在扩散温度下随着表面溶质浓度的增加会形成新相（一般形成某种化合物），
4、这种扩散称为反应扩散或相变扩散。,5.2 钢的渗碳,一、渗碳的目的、分类及应用 1、定义：钢在渗碳就是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。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。 2、目的：渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。 3、分类： 根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同，渗碳方法可以分为a）固体渗碳法、b)液体渗碳法及c)气体渗碳法三种。,二、炉气反应与碳势控制 1、炉气反应：2CO CCO2+QCH4 C2H2-QCOH2 CH2OCO C1/2O2 渗碳气氛： CO和CH4脱碳
5、气氛：H2、CO2、H2O、O2等。气氛中的N2为中性气体整个气氛的渗碳能力取决于这些组分的综合作用，而不只是哪一个单组分的作用。,2、碳势控制：碳势是表征含碳气氛改变工件表面含碳量能力的参数。,三、渗碳工艺 1、渗碳钢：渗碳钢中Wc一般在0.12-0.25之间，其所含主要合金元素一般是铬、锰、镍、钼、钨、钛等。典型钢种为20CrMnTi。 2、渗碳温度：首先，温度影响分解反应的平衡，从而影响碳势。其次，温度也影响碳的扩散速度和渗层深度。第三，温度还影响钢中的组织，温度过高会使钢的晶粒粗大。目前，生产中的渗碳温度一般为920-930C。对于薄层渗碳，温度可降低到880-900C，这主要是为了便
6、于控制渗层深度；而对于深层渗碳（大于5 mm），温度往往提高到980-1000C，这主要是为了缩短渗碳时间。,3、 渗碳时间 渗碳时间主要取决于渗层的深度要求。渗层深度确定之后，可根据气氛碳势、渗碳温度、渗碳钢成分等确定所需渗碳时间。 4、分段渗碳工艺参数 为了缩短渗碳的总时间，节省能源，降低消耗，通常在生产中将渗碳过程分为不同阶段，而在不同阶段中对各参数进行综合调节。最典型的做法是将整个渗碳过程分为四个阶段。,第一阶段升温排气阶段。是工件达到渗碳温度前的一段时间，用较低碳势。第二阶段强渗阶段。在正常温度或更高温度下，用高于所需表面碳含量的碳势，时间较长。第三阶段扩散阶段。工件降到（或维持在）
7、正常渗碳温度，碳势降到所需表面碳含量，时间较短。第四阶段降温预冷阶段。使温度降到淬火温度，便于直接淬火。,四、渗碳后的热处理 1、淬火：工件渗碳后，提供了表层高碳，心部低碳这样一种含碳量的工件。为了得到合乎理性的性能，尚需要进行适当的热处理。常见的渗碳后的热处理有以下几种。 1）、直接淬火：在工件渗碳后，预冷到一定温度，然后立即进行淬火冷却。这种方法一般适用于气体渗碳或液体渗碳。,2）、一次加热淬火：渗碳后缓冷，再次加热淬火。,3）、两次淬火：在渗碳缓冷后进行再次加热淬火。第一次淬火温度在Ac3以上，第二次淬火加热温度选择在高于渗碳层成分的Ac1点温度（780820度）。 2、回火：不论采用哪
8、种淬火方法，渗碳件的最终淬火后要经180220度的低温回火。,五、渗碳后的组织和性能1、渗碳层的组织：在正常情况下，渗碳层在淬火后组织从表面到心部依次为：马氏体和残余奥氏体加碳化物马氏体加残余奥氏体马氏体心部组织。心部组织在完全淬火情况下为低碳马氏体；淬火温度较低的为马氏体加游离铁素体；在淬透性较差的钢中，心部为曲氏体加铁素体。,2、渗碳件的性能渗碳件的性能是渗层和心部的组织结构即及渗层深度与工件直径相对比例等因素的综合反应。 1）渗碳层的组织结构：其组织结构包括渗碳层碳浓度分布曲线、基体组织、渗层中的第二相分布、数量和形状。一般希望渗层浓度梯度平缓。表面含碳量应控制在0.9左右。渗层中的残余
9、奥氏体的量不宜超过30。 2）心部组织对渗碳件性能的影响：合适的心部组织应为低碳马氏体。但在零件尺寸较大时，也允许为曲氏体或索氏体，根据零件来决定，但不允许有大块状或多量的铁素体。 3）渗碳层与心部的匹配对渗碳件性能的影响：渗碳层的深度越深，可以承载接触应力越大。,5.3 钢的渗氮,一、渗氮的的定义及性能特点 1、定义：渗氮（又称氮化）是将氮渗入钢件表面，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。 2、性能特点：1）高硬度和高耐磨性； 2）高的疲劳强度； 3）变形小而规律性强； 4）较好的抗咬合性能；5）较高的抗蚀性能。,二、Fe-N相图 1、相：氮在-Fe中的间隙固溶体，
10、体心立方点阵。 2、 相：氮在 -Fe中的间隙固溶体，面心立方点阵。 3、相：相是有序面心立方的间隙相，成分可变。 4、 相：含氮范围很宽的化合物，在500C以下， 相的成分在Fe3N与Fe2N之间变化。相是有序密排六方点阵的间隙相。 5、相：以Fe2N化合物为基的固溶体。,三、渗氮层的组织 由Fe-N相图可知，纯铁在500-590C之间渗氮时，首先在表面形成含氮的 固溶体；随着氮的不断渗入， 相达到饱和状态后引起 转变；当相达到饱和溶解度后，就形成相，此时渗层由表面向内的相组成为 相（最外层也可能有 相）。从渗氮温度快冷到室温时，渗氮温度下的相将被保留到室温而不发生变化。如果从渗氮温度慢冷到
11、室温，则 相及相中均有针状相析出，渗氮层组织由外向内为。,四、渗氮原理 （一）渗氮介质的分解气体渗氮时一般使用无水氨气（或氨氢，或氨氮）作为渗氮介质。氨气在加热时很不稳定，将按下式发生分解形成活性氮原子NH3 N3/2H2研究表明，在常用渗氮温度（500-540C）下，如果时间足够，氨气的分解可以达到接近完全的程度。,（二）、渗氮用钢及渗氮强化机理普通碳钢渗氮也无法获得高硬度和高耐磨性，且碳钢中所形成的氮化物很不稳定，加热到高温时将发生分解和聚集粗化。为提高渗氮工件的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，必须选用渗氮钢，这些钢中含有Cr、Mo、Al等合金元素，渗氮时形成硬度很高、弥散分布的合金氮化物，可
12、使钢的表面硬度达到1100HV左右，且这些合金氮化物热稳定性很高，加热到500C仍能保持高硬度。其中历史最久、应用最普遍的渗氮钢是38CrMoAlA钢。但使用中发现，38CrMoAlA钢的可加工性较差，淬火温度较高、易于脱碳，渗氮后的脆性也较大。为此，逐渐发展了无铝渗氮钢。目前渗氮钢包括多种wc为0.15-0.45的合金结构钢，如38CrMoAlA、20CrNiWA、40Cr、40CrV、42CrMo、38CrNi3MoA等。此外，一些冷作模具钢、热作模具钢及高速钢等也适于渗氮处理。,五、气体渗氮工艺 （一）渗氮前的热处理渗氮与渗碳的强化机理不同，实质上是一种弥散强化，弥散相是在渗氮过程中形成
13、的，所以渗氮后不需进行热处理；而后者是依靠马氏体相变强化，所以渗碳后必须淬火。渗碳后的淬火也同时改变心部的性能，而渗氮零件的心部性能是由渗氮前的热处理决定的。可见，渗氮前的热处理十分重要。渗氮前的热处理一般都是调质处理。在确定调质工艺时，淬火温度根据钢的Ac3决定；淬火介质由钢的淬透性决定；回火温度的选择不仅要考虑心部的硬度，而且还必须考虑其对渗氮层性能的影响。一般说来，回火温度低，不仅心部硬度高，而且渗氮后氮化层硬度也高，因而有效渗层深度也会有所提高。另外，为了保证心部组织的稳定性，避免渗氮时心部性能发生变化，一般回火温度应比渗氮温度高50左右。,（二）气体渗氮工艺参数正确制定渗氮工艺，就是
14、要选择好气氛氮势、渗氮温度、渗氮时间三个工艺参数。1. 气氛氮势的选择与控制：用NH3或NH3H2混合气体进行气体渗氮时，NH3按式(10-21)反应生成活性氮原子。因此，工程上定义 （和分别表示炉内混合气体中NH3和H2的分压）为氮势。r具有以下性质：r值的大小只取决于气相的组成；在一定温度渗氮时，形成相或相的临界氮势是一确定值。因此，r可以作为衡量含NH3气体供氮能力的参量。氮势的控制实质上是对炉气中NH3和H2分压的控制。,2、渗氮温度和时间： 渗氮温度影响渗氮层深度和渗氮层硬度。图4-19表示渗氮温度对钢渗氮层深度和硬度梯度的影响。由图可见，在给定的渗氮温度范围内，温度越低，表面硬度越
15、高，硬度梯度越陡，渗层深度越小；而且硬度梯度曲线上接近表面处有一个极大值，即最表面有一低硬度层。这一低硬度层估计是由于表面出现白层造成的。渗氮时间主要影响层深。图4-20表示渗氮时间对渗层深度和硬度的影响。因此，渗氮时间主要依据所需的渗层深度而定。,3、具体工艺 等温渗氮：温度低、周期长，适用于渗氮层浅的工件。 二段渗氮：第一阶段取低温、用高氮势（低分解率，目的是使表面迅速吸收大量氮原子，形成大的浓度梯度以加大扩散驱动力，并使工件表面形成弥散度大、硬度高的合金氮化物；第二阶段取高温、用低氮势（高分解率），以加快扩散和调整表面氮含量。由于第一阶段形成的氮化物稳定性高，在第二阶段并不会引起氮化物的显著长大和聚集。,
