1、第五章 化學熱處理,化學熱處理是將工件在特定的介質中加熱、保溫，使介質中的某些元素滲入工件表層，以改變其表層化學成分和組織，獲得與心部不同性能的熱處理工藝。 工業(yè)技術的發(fā)展，對機械零件提出了各式各樣的要求。發(fā)動機上的齒輪和軸，不僅要求齒面和軸頸的表面硬而耐磨，還必須能夠傳遞很大的轉矩和承受相當大的沖擊負荷；在高溫燃氣下工作的渦輪葉片，不僅要求表面能抵抗高溫氧化和熱腐蝕，還必須有足夠的高溫強度等。這類零件對表面和心部性能要求不同，采用同一種材料并經(jīng)過同一種熱處理是難以達到要求的。而通過改變表面化學成分和隨后的熱處理，就可以在同一種材料的工件上使表面和心部獲得不同的性能，以滿足上述的要求。 化學熱

2、處理與一般熱處理的區(qū)別在于：前者有表面化學成分的改變，而后者沒有表面化學成分的變化。,5.1 化學熱處理的分類與基本過程,一、化學熱處理的分類 依據(jù)所滲入元素的不同，可將化學熱處理分為滲碳、滲氮、滲硼、滲鋁等。如果同時滲入兩種以上的元素，則稱之為共滲，如碳氮共滲、鉻鋁硅共滲等。滲入鋼中的元素，可以溶人鐵中形成固溶體，也可以與鐵形成化合物。,二、化學熱處理的基本過程 化學熱處理過程分為分解、吸收和擴散三個基本過程。 分解是指零件周圍介質中的滲劑分子發(fā)生分解，形成滲入元素的活性原子。 吸收是指活性原子被金屬表面吸收的過程，其基本條件是滲入元素可與基體金屬形成一定溶解度的固溶體，否則吸收過程不能進行

3、。 擴散是指滲入原子在金屬基體中由表面向內(nèi)部的擴散，這是化學熱處理得以不斷進行并獲得一定深度滲層的保證。從擴散的一般規(guī)律可知，要使擴散進行得快，必須要有大的驅動力（濃度梯度）和足夠高的溫度。滲入元素的原子被金屬表面吸收、富集，造成表面與心部間的濃度梯度，在一定溫度下，滲入原子就能在濃度梯度的驅動下向內(nèi)部擴散。,三、滲層的組織結構與形成過程 滲層的組織結構首先取決于組成滲層的合金系的相圖。 純擴散：如果滲入元素與基體元素間形成連續(xù)固溶體，這種滲入元素的擴散為純擴散，在擴散溫度下滲層為單相固溶體。 反應擴散：如果滲入元素在基體金屬中的溶解度有限，則在擴散溫度下隨著表面溶質濃度的增加會形成新相（一般

4、形成某種化合物），這種擴散稱為反應擴散或相變擴散。,5.2 鋼的滲碳,一、滲碳的目的、分類及應用 1、定義： 鋼在滲碳就是鋼件在滲碳介質中加熱和保溫，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝。這是機器制造中應用最廣泛的一種化學熱處理工藝。 2、目的： 滲碳的目的是使機器零件獲得高的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。 3、分類： 根據(jù)所用滲碳劑在滲碳過程中聚集狀態(tài)的不同，滲碳方法可以分為a）固體滲碳法、b)液體滲碳法及c)氣體滲碳法三種。,二、爐氣反應與碳勢控制 1、爐氣反應： 2CO CCO2+Q CH4 C2H2-Q COH2 CH2O CO C1/2O2

5、 滲碳氣氛： CO和CH4 脫碳氣氛：H2、CO2、H2O、O2等。氣氛中的N2為中性氣體 整個氣氛的滲碳能力取決于這些組分的綜合作用，而不只是哪一個單組分的作用。,2、碳勢控制： 碳勢是表征含碳氣氛改變工件表面含碳量能力的參數(shù)。,三、滲碳工藝 1、滲碳鋼： 滲碳鋼中Wc一般在0.12-0.25之間，其所含主要合金元素一般是鉻、錳、鎳、鉬、鎢、鈦等。典型鋼種為20CrMnTi。 2、滲碳溫度： 首先，溫度影響分解反應的平衡，從而影響碳勢。 其次，溫度也影響碳的擴散速度和滲層深度。 第三，溫度還影響鋼中的組織，溫度過高會使鋼的晶粒粗大。目前，生產(chǎn)中的滲碳溫度一般為920-930C。對于薄層滲碳，

6、溫度可降低到880-900C，這主要是為了便于控制滲層深度；而對于深層滲碳（大于5 mm），溫度往往提高到980-1000C，這主要是為了縮短滲碳時間。,3、 滲碳時間 滲碳時間主要取決于滲層的深度要求。滲層深度確定之后，可根據(jù)氣氛碳勢、滲碳溫度、滲碳鋼成分等確定所需滲碳時間。 4、分段滲碳工藝參數(shù) 為了縮短滲碳的總時間，節(jié)省能源，降低消耗，通常在生產(chǎn)中將滲碳過程分為不同階段，而在不同階段中對各參數(shù)進行綜合調(diào)節(jié)。最典型的做法是將整個滲碳過程分為四個階段。,第一階段升溫排氣階段。是工件達到滲碳溫度前的一段時間，用較低碳勢。第二階段強滲階段。在正常溫度或更高溫度下，用高于所需表面碳含量的碳勢，時間

7、較長。第三階段擴散階段。工件降到（或維持在）正常滲碳溫度，碳勢降到所需表面碳含量，時間較短。第四階段降溫預冷階段。使溫度降到淬火溫度，便于直接淬火。,四、滲碳后的熱處理 1、淬火：工件滲碳后，提供了表層高碳，心部低碳這樣一種含碳量的工件。為了得到合乎理性的性能，尚需要進行適當?shù)臒崽幚?。常見的滲碳后的熱處理有以下幾種。 1）、直接淬火：在工件滲碳后，預冷到一定溫度，然后立即進行淬火冷卻。這種方法一般適用于氣體滲碳或液體滲碳。,2）、一次加熱淬火：滲碳后緩冷，再次加熱淬火。,3）、兩次淬火：在滲碳緩冷后進行再次加熱淬火。第一次淬火溫度在Ac3以上，第二次淬火加熱溫度選擇在高于滲碳層成分的Ac1點溫

8、度（780820度）。 2、回火：不論采用哪種淬火方法，滲碳件的最終淬火后要經(jīng)180220度的低溫回火。,五、滲碳后的組織和性能 1、滲碳層的組織：在正常情況下，滲碳層在淬火后組織從表面到心部依次為： 馬氏體和殘余奧氏體加碳化物馬氏體加殘余奧氏體馬氏體心部組織。 心部組織在完全淬火情況下為低碳馬氏體；淬火溫度較低的為馬氏體加游離鐵素體；在淬透性較差的鋼中，心部為曲氏體加鐵素體。,2、滲碳件的性能 滲碳件的性能是滲層和心部的組織結構即及滲層深度與工件直徑相對比例等因素的綜合反應。 1）滲碳層的組織結構：其組織結構包括滲碳層碳濃度分布曲線、基體組織、滲層中的第二相分布、數(shù)量和形狀。 一般希望滲層濃

9、度梯度平緩。表面含碳量應控制在0.9左右。滲層中的殘余奧氏體的量不宜超過30。 2）心部組織對滲碳件性能的影響：合適的心部組織應為低碳馬氏體。但在零件尺寸較大時，也允許為曲氏體或索氏體，根據(jù)零件來決定，但不允許有大塊狀或多量的鐵素體。 3）滲碳層與心部的匹配對滲碳件性能的影響：滲碳層的深度越深，可以承載接觸應力越大。,5.3 鋼的滲氮,一、滲氮的的定義及性能特點 1、定義： 滲氮（又稱氮化）是將氮滲入鋼件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性能的一種化學熱處理方法。 2、性能特點： 1）高硬度和高耐磨性； 2）高的疲勞強度； 3）變形小而規(guī)律性強； 4）較好的抗咬合性能； 5）較高的抗蝕

10、性能。,二、Fe-N相圖 1、相：氮在-Fe中的間隙固溶體，體心立方點陣。 2、 相：氮在 -Fe中的間隙固溶體，面心立方點陣。 3、相：相是有序面心立方的間隙相，成分可變。 4、 相：含氮范圍很寬的化合物，在500C以下， 相的成分在Fe3N與Fe2N之間變化。相是有序密排六方點陣的間隙相。 5、相：以Fe2N化合物為基的固溶體。,三、滲氮層的組織 由Fe-N相圖可知，純鐵在500-590C之間滲氮時，首先在表面形成含氮的 固溶體；隨著氮的不斷滲入， 相達到飽和狀態(tài)后引起 轉變；當相達到飽和溶解度后，就形成相，此時滲層由表面向內(nèi)的相組成為 相（最外層也可能有 相）。從滲氮溫度快冷到室溫時，滲

11、氮溫度下的相將被保留到室溫而不發(fā)生變化。如果從滲氮溫度慢冷到室溫，則 相及相中均有針狀相析出，滲氮層組織由外向內(nèi)為。,四、滲氮原理 （一）滲氮介質的分解 氣體滲氮時一般使用無水氨氣（或氨氫，或氨氮）作為滲氮介質。氨氣在加熱時很不穩(wěn)定，將按下式發(fā)生分解形成活性氮原子 NH3 N3/2H2 研究表明，在常用滲氮溫度（500-540C）下，如果時間足夠，氨氣的分解可以達到接近完全的程度。,（二）、滲氮用鋼及滲氮強化機理 普通碳鋼滲氮也無法獲得高硬度和高耐磨性，且碳鋼中所形成的氮化物很不穩(wěn)定，加熱到高溫時將發(fā)生分解和聚集粗化。 為提高滲氮工件的表面硬度、耐磨性和疲勞強度，必須選用滲氮鋼，這些鋼中含有C

12、r、Mo、Al等合金元素，滲氮時形成硬度很高、彌散分布的合金氮化物，可使鋼的表面硬度達到1100HV左右，且這些合金氮化物熱穩(wěn)定性很高，加熱到500C仍能保持高硬度。其中歷史最久、應用最普遍的滲氮鋼是38CrMoAlA鋼。但使用中發(fā)現(xiàn)，38CrMoAlA鋼的可加工性較差，淬火溫度較高、易于脫碳，滲氮后的脆性也較大。為此，逐漸發(fā)展了無鋁滲氮鋼。目前滲氮鋼包括多種wc為0.15-0.45的合金結構鋼，如38CrMoAlA、20CrNiWA、40Cr、40CrV、42CrMo、38CrNi3MoA等。此外，一些冷作模具鋼、熱作模具鋼及高速鋼等也適于滲氮處理。,五、氣體滲氮工藝 （一）滲氮前的熱處理

13、滲氮與滲碳的強化機理不同，實質上是一種彌散強化，彌散相是在滲氮過程中形成的，所以滲氮后不需進行熱處理；而后者是依靠馬氏體相變強化，所以滲碳后必須淬火。滲碳后的淬火也同時改變心部的性能，而滲氮零件的心部性能是由滲氮前的熱處理決定的?？梢姡瑵B氮前的熱處理十分重要。 滲氮前的熱處理一般都是調(diào)質處理。在確定調(diào)質工藝時，淬火溫度根據(jù)鋼的Ac3決定；淬火介質由鋼的淬透性決定；回火溫度的選擇不僅要考慮心部的硬度，而且還必須考慮其對滲氮層性能的影響。一般說來，回火溫度低，不僅心部硬度高，而且滲氮后氮化層硬度也高，因而有效滲層深度也會有所提高。另外，為了保證心部組織的穩(wěn)定性，避免滲氮時心部性能發(fā)生變化，一般回火

14、溫度應比滲氮溫度高50左右。,（二）氣體滲氮工藝參數(shù) 正確制定滲氮工藝，就是要選擇好氣氛氮勢、滲氮溫度、滲氮時間三個工藝參數(shù)。 1. 氣氛氮勢的選擇與控制：用NH3或NH3H2混合氣體進行氣體滲氮時，NH3按式(10-21)反應生成活性氮原子。因此，工程上定義 （和分別表示爐內(nèi)混合氣體中NH3和H2的分壓）為氮勢。r具有以下性質：r值的大小只取決于氣相的組成；在一定溫度滲氮時，形成相或相的臨界氮勢是一確定值。因此，r可以作為衡量含NH3氣體供氮能力的參量。氮勢的控制實質上是對爐氣中NH3和H2分壓的控制。,2、滲氮溫度和時間： 滲氮溫度影響滲氮層深度和滲氮層硬度。圖4-19表示滲氮溫度對鋼滲氮層深度和硬度梯度的影響。由圖可見，在給定的滲氮溫度范圍內(nèi)，溫度越低，表面硬度越高，硬度梯度越陡，滲層深度越?。欢矣捕忍荻惹€上接近表面處有一個極大值，即最表面有一低硬度層。這一低硬度層估計是由于表面出現(xiàn)白層造成的。 滲氮時間主要影響層深。圖4