金属材料及热处理12化学热处理.ppt

第八章 化学热处理,概述 化学热处理： 对金属制件综合地施以热作用和化学作用的热处理形式在一般情况下，它是将放置在活性介质中的金属制件加热至一定的温度，把活性介质中的某些元素（金属或非金属）渗入制件的表层，以改变表层的成分和组织有时，在一定的外界条件下（例如真空）化学 热处理也可以借助高温时金属制件内部元素的扩散逸出，以去除制件中的某些有害杂质分类： 根据热处理时金属制件化学成分的变化，可将化学热处理划分成三类： 1.渗入非金属（如渗碳、渗氮、渗硼、等）； 2.渗金属（如渗铝、渗铬、渗铜、渗钛等）； 3.去除杂质（如去氢、去氧、去碳等）8.1 化学热处理的基本过程：,化学热处理时，渗入元素进入制件表层通常包括以下三个基本过程，即分解、吸收和扩散这是三个相互独立、交错进行而又互相配合、相互制约的过程除少数情况外（例如渗某些金属时，渗入元素的原子由熔融介质直接供应）一般化学热处理都包含有这三个过程,,8.1.1 分解 1. 化学热处理是将制件放在含有深入元素的活性介质中进行的 2.分解是从活性介质（渗剂）中形成渗入元素活性原子（离子）的过程 理论与实践证明，只有活性原子（初生态原子）才易于为金属制件的表面的所吸收，因此，化学热处理时首先是要得到活性原子。

化学介质在一定的温度下，由于各种化学反应或离子转变（有时是气体）而产生活性原子无论化学介质是气体、液体或固体，形成活性原子的过程都是在金属表面的气相中进行的，例如钢在渗碳时，在介质与金属表面发生如下反应： 2CO≒2CO2﹢[C] Cn H 2n+2≒(n+1)H2+n[C],,钢在渗氮时：2NH3 →3H2+2[N] 钢在渗硅时：SiCl4+2Fe→2FeCl2+[Si] 3.催化作用 为了增加化学介质的活性，有时加入催化剂（或称催渗剂）以加速反应过程，降低反应所需的温度（即化学热处理时的加热温度）4.影响渗剂分解的因素： （1）渗剂的浓度； （2）渗剂的分解温度； （3）催化剂的作用8.1.2 吸收 概念：吸收是活性原子（离子）在金属制件表面的吸附和溶解于基体金属或与基体中的组元形成化合物的过程 2.吸附原理 （1）物理吸附，即活性原子与金属最表面的原子在范德瓦尔斯力的作用下，制件表面形成单原子或多原子吸附层； （2）化学吸附，即活性原子与金属制件最表面的原子在吸附过程中产生了化学交互作用吸附是自发过程，因为吸附总是放出热量，是自由能降低的过程 3.吸收的条件： 渗入元素在金属基体中有可溶性。

否则吸附过程将停止，随后的扩散过程不能进行 4.影响吸附强弱的因素： （1）被处理制件的成分、组织结构及表面状态； （2）渗入元素活性原子的形成速度以及渗入元素的原子向制件内部扩散的速度等因素8.1.3 扩散 1.概念：扩散是活性原子从制件表面向其深处迁移的过程由于扩散，制件表面就形成扩散层 2.扩散阶段的重要性 当化学介质可以不断地形成活性原子时，吸附过程是进行的相当快的，而扩散过程则甚为缓慢所以，化学热处理的快慢、金属制件表层渗入元素的浓度和扩散层的浓度分布、扩散层的深度以及化学热处理的最终结果，在很大程度上是由扩散过程决定的3.扩散的方式 渗入元素活性原子在金属中扩散时,一般是先与金属形成固溶体,然后才形成化合物,这类似于二元相图自左向右所示的相区变化情况．因此扩散有两种方式：在单相扩散层中的扩散（固溶体扩散）和在多相扩散层中的扩散（相变反应扩散）．,,（1）固溶体（单相扩散层）的扩散 固溶体扩散的特点是： a.在扩散过程中无新相形成，扩散层仍保持基体金属的点阵结构（形成固溶体）； b.扩散（渗入）元素在固溶体中的最大深度（即制件表面渗入元素的浓度）不超过扩散温度下固溶体的极限浓度； c.渗入元素浓度自制件表面至中心平滑下降．固溶体扩散的典型例子是钢渗碳时碳在奥氏体中的扩散．,,2.相变反应扩散（多相层中的扩散） 相变反应扩散的特点是: 扩散层为多相。

当渗入元素原子在固溶体中的浓度达到饱和之后，继续增加渗入元素的浓度便会出现新相（化合物或别的固溶体），即形成多相扩散层 扩散层中渗入元素的浓度呈跳跃式变化；而且，若基体金属为纯组元，扩散层中不会出现两相区，即扩散层由数个浓度突变的单相层组成，每层渗入元素的含量均与基体金属——渗入元素状态相图一致.,,例如若金属A与渗入元素B形成图8-4所示的状态图，当t1温度下以B渗入A时，在不断的增加B的浓度及时间t足够长的条件下，将获得如图8-5所示的扩散层在纯金属A中渗入另一组元B时，即使B不断增加，时间足够长，也不会出现两相区而只有彼此相连的各单相层（见图8-5） 原因：扩散驱动力是化学位的变化，即F=-әu/әx，若有两相区，由于在一定温度下两相的成分固定不变，化学位恒定，即F=- әu/әx=0，无扩散驱动力，故两相层不可能长大而且，一般的说，一个元素从物件表面通过这样的两相层转移到深处，也是不可能的8.2 钢的化学热处理,概述： 钢件表面获得高的硬度，心部又具有高的韧性，或者需使钢件表面具有某些特殊的力学或物理化学性能，仅用某一钢种制成零件进行表面淬火及相应的回火往往难以达到目的 例如：精密镗床主轴，采用表面淬火，其表面硬度不能达到HV≥900，（66HRC）。

若零件表面要求高的耐蚀、耐酸和耐热等性能，用表面淬火或其他热处理不能达到要求 此时，采用化学热处理可以赋予钢件所需的这些性能8.2.1 钢的渗碳 1.渗碳热处理： 在增碳的活性介质中，将低碳钢或低碳合金钢制成的零件加热至高温奥氏体状态下，使活性碳大批出没渗入钢件，获得高含碳量的渗层，随后淬火并低温回火 2.钢件渗碳的目的： 提高低碳钢件的表面硬度、耐磨性及抗疲劳性能3.渗碳方法： 按渗碳时化学介质（渗碳剂）的不同分为： （1） 固体渗碳；（2）气体渗碳； （3）液体渗碳 其中以气体渗碳应用最为普遍 气体渗碳是将气体渗碳剂通入高温的密封炉罐内进行裂化分解，生产活性碳原子，然后通过吸收和扩散过程，使碳渗入到钢件表层中去4.气体渗碳剂 （1）碳氢化合物有机液体（如将煤油、甲醇、苯、甲苯和丙酮等滴入渗碳炉内）； （2）可控气氛吸热型气体（如天然气、丙烷、液化石油气等为原料制备可控气氛吸热型气体直接通入渗碳炉内）5. 渗碳工艺 ： 主要的工艺参数是加热温度和保温时间 （1）渗碳温度：900~950ํํ℃； 在这种温度 下，渗碳速度较高，奥氏体晶粒也不至过分粗化 （2）渗碳时间： 视渗碳方法、渗碳速度以及所需的渗层深度而定。

6.渗碳缓冷后的组织： 渗碳缓冷后的组织主要取决于钢的成分和渗层含碳量若渗碳后表面含碳量稍高于共析成分，其缓冷 后的组织如图8-6所示，自外至内的顺序为： （1） 过共析层；（2） 共析层； （3） 亚共析层；（4） 心部原始 亚共析组织7.渗碳后的热处理： （1）预冷→直接淬火→低温回火 a.工艺特点： 气体渗碳后，一般是自渗碳温度预冷至860~840℃，然后直接淬火 预冷的作用是降低淬火热应力，并使表层高碳奥氏体在预冷过程中析出部分碳化物，减少渗层中的残余奥氏体，以提高表面硬度和疲劳强度淬火后还需加热至160~180oc进行低温回火，以消除淬火应力 b.工艺示意图,,（2）渗碳后一次淬火→低温回火 a.工艺特点： 渗碳后缓冷或 空冷再重新加热 到820~860℃， 最后低温回火 b. 工艺示意图,,c. 淬火加热温度的选择： 合金钢:可稍高于其心部的Ac3，使心部铁素体全部溶解，淬火后得到强度和韧性都较高的低碳马氏体，提高心部性能 碳钢: 淬火温度宜在Ac1~Ac3之间选择，以同时兼顾表面和心部的要求若加热至Ac3以上，虽可以改善心部组织，但淬火温度对表层而言过高，淬火后表层会出现粗大的高碳马氏体并有较多的残余奥氏体。

3）渗碳后二次淬火→低温回火 a.工艺特点： 缓冷后先加热至Ac3以上淬火，目的是细化心部组织，同时可消除表层可能存在的网状二次渗碳体；第二次淬火加热温度Ac1+30~50oc（760~780），目的在于细化表层组织，使表层获得细小的马氏体和细而均匀的粒状碳化物，并可减少表层内的残余奥氏体二次淬火后在进行低温回火b.工艺示意图：,,8.渗碳后不同热处理工艺的应用范围 （1）预冷→直接淬火→低温回火 只适用于由本质细晶粒制成的一般要求零件 （2）渗碳后一次淬火→低温回火 应用于要求比较高的由本质细晶粒钢制成的零件 （3）渗碳后二次淬火→低温回火 应用于性能要求很高的零件或由本质粗晶粒钢制成的零件 但二次淬火法工艺较繁，成本高，易产生表面氧化、脱碳和淬火变形9. 钢件渗碳热处理后的最终组织和性能 （1）表层组织与性能： 钢件表层（含碳量0.8%~1.0%）得到回火马氏体和细小、均匀的粒状碳化物，硬度58~62HRC； （2）心部组织与性能： 随钢种而异，对淬透性低的低碳钢，心部组织为珠光体和铁素体，硬度为204~185HB；对淬透性高的低碳合金结构钢，心部由回火低碳马氏体和铁素体组成，硬度较高，并具有较高的强度和韧性、塑性。

10.一般渗碳零件的工艺路线 （1） 锻造——正火——机加工——渗碳——淬火和低温回火——精加工； （2） 锻造——正火——机加工——渗碳——去碳机加工——淬火和低温回火 有些零件并不需要或不允许整体渗碳，此时不渗碳的部位应在渗碳前镀铜，或在渗碳后先进行去碳机加工，在进行淬火和低温回火8.2.2 钢的氮化（渗氮） 目的：提高零件的表面硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性 1.氮化的一般过程： 目前广泛应用的气体氮化工艺，一般过程是将氨气通入密封的氮化罐中，利用氮在高温下分解出活性氮原子被钢件表面吸收并向心部扩散，最后在钢件表面形成一定深度的氮化层2.Fe-N相图及氮化层组织,,（1）纯铁的氮化层 a.氮化温度下扩散层组织 在常用的氮化工艺条件下（500~580℃，数十小时），如图8-11(a)； b.扩散层氮浓度 在常用的氮化工艺条件下（500~580℃，数十小时），分布如图8-11(b)； C.渗氮缓冷至室温后扩散层组织 在常用的氮化工艺条件下（500~580℃，数十小时），分布如图8-11(c)；,,(2) 碳钢的氮化层 α相为α-Fe中的固溶体；ε相为含碳的氮化物相，Fe2(C,N)； γ′相为一氮化物相。

（3）合金钢的氮化层 与碳钢中的氮化层基本相同，但氮化层中会形成合金氮化物合金氮化物非常细小，且弥散分布，光学显微镜下无法看到3.氮化处理的特点 （1）钢氮化后不需要淬火； （2）氮化处理温度低，零件变形小； （3）氮化后一般不再机加工，只需精磨或研磨抛光 4.氮化层的性能 （1）有很高的表面硬度（HV≧850)、耐磨性和高的热硬性；,,原因：表面高硬度是由于有非常细小弥散的合金氮化物分布在α相、ε相、 γ′相的基底上（弥散强化）；高热硬性是氮化物是热稳定性高的硬相质点 （2）显著提高零件的抗疲劳强度； 原因：由于形成氮化物时体积增大，使钢件表面产生大的残余压应力（588-784MPa)5. 氮化用钢 氮化钢通常含有Al,Cr,Mo等合金元素，不锈钢、耐热钢等也可氮化 6.氮化零件的工艺路线： （1）常用工艺路线： 锻造—退火—粗加工—调质— 精加工—去应力回复—粗磨—氮化—精磨或研磨2）热处理工序选择 (a).退火也可用正火代替 ; (b).氮化层薄而脆，故要求钢件心部有高的强度和韧性为此氮化前应进行调质处理，获得回火氏体以提高零件心部力学性能和氮化层质量 (c)为减少零件在氮化处理时的变形，切削加工后一般进行去除应力的稳定回火，这对于重要零件尤为必要。

7. 氮化零件的技术指标： (1)氮化层深度（一般≤0.6~0.7mm; (2)表面硬度和心部硬度; (3)对于重要零件，还必须满足心部力学性能、金相组织、氮化层脆性级别等具体要求 8.应用： 各种高速传。