热处理原理与工艺 教学课件 作者 候旭明 第十二、三章教案.docVIP

第十二章 化学热处理基础 化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理。 通过化学热处理，在提高表面强度、硬度、耐磨性的同时，还可以在很大程度上改变表层的物理和化学性质，提高零部件的抗氧化性和耐腐蚀性。 依据渗入元素的不同，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。根据渗入元素对钢表面性能的作用，可分为提高渗层硬度及耐磨性的化学热处理（渗碳、渗氮、渗硼、渗钒、渗铬）；改善零件间抗咬合性及提高抗擦伤性的化学热处理（渗硫、渗氮）；使零件表面具有抗氧化、耐高温性能的化学热处理（渗硅、渗铬、渗铝）等。常用化学热处理方法及其作用如表12-1。 化学热处理过程中，渗入元素的活性原子是由渗剂提供的。所谓活性原子，是指在化学反应中刚生成的，它以原子状态存在，性质活泼，能为工件表面所吸收，或与金属表面某种元素化合。渗剂是指在给的温度下能产生一种或几种活性原子，并能渗入工件的表层以改变其化学成分、组织结构和性能的化学热处理工艺所使用的物质。 渗剂可分为固体渗剂、液体渗剂和气体渗剂。固体渗剂如木炭、焦炭等；液体渗剂如煤油、丙酮等；气体渗剂如天然气、液化石油气等。 第一节 化学热处理基本过程 化学热处理通常由反应（分解）、吸收、扩散三个基本过程组成。三个过程互相联系又相互制约。 一、渗剂的化学反应 在一定温度下，工件周围的渗剂将发生一系列化学反应（多为分解反应），产生活性原子。 如渗碳时，活性碳原子[C]通常由CO、CH4等分解获得，而CO、CH4来源于渗剂中一系列化学反应：如气体渗碳时，依靠煤油、丙酮等渗剂热分解而产生CO、CH4等。CO、CH4的分解反应如下： 2CO←→CO2+[C] CH4←→2H2+[C] 渗氮时，活性氮原子[N]来源于渗氮剂的分解，如气体渗氮时的氨气分解，反应式如下： 2NH3←→3H2+2[N] 二、活性原子在工件表面的吸收 吸收是指活性原子被工件表面吸附并溶解的过程。化学反应产生的活性原子首先为工件表面所吸附，然后陆续溶入基体金属内。其溶入基体金属的基本条件是渗入元素在基体金属中有一定溶解度，否则原子不能进入基体晶格。 吸附过程的发生，是由于工件表面原子的位能和内部原子的位能有差别，在金属内部各原子间的作用力呈平衡状态，而处于表面层的原子只与里层原子间有作用力，表面存在着尚未被平衡的剩余引力，如图12-1所示。当周围介质的分子或原子，运动到金属表面原子的引力范围之内时，就会被金属表面所吸附。 三、扩散 渗入元素的原子进入基体金属后，表面浓度提高，表面和内部之间出现浓度差。在一定温度下，渗入元素原子从表面高浓度区向内部低浓度区扩散，形成一定深度的渗层。渗层浓度由表及里浓度逐渐下降。渗层深度和扩散时间的关系可用下式表示： δ∝ 式中 δ——渗层深度； τ——扩散时间； D——扩散系数。 由上式可见，温度一定时，扩散时间越长，渗层越深，但随着时间延长，渗层增厚的速度变慢，即渗层深度的增加与扩散时间呈抛物线关系。图12-2为这种抛物线关系在渗碳中的体现。 四、化学热处理过程的控制因素 化学热处理中，渗剂分解、吸收、扩散三个基本过程互相联系又彼此制约。在一般情况下，化学热处理的分解和吸收过程较容易进行，而渗入元素在基体金属中的扩散速度很慢，因此扩散往往成为控制化学热处理速度的主要因素。在化学热处理过程中某一特定阶段，分解和吸收也能成为化学热处理速度的控制因素，但控制时间一般较短暂。 五、加速化学热处理过程的途径 1．化学催渗法 化学催渗法主要有提高渗剂活性催渗法和卤化物催渗法两种。 1）提高渗剂活性催渗法 利用催化剂的催化作用或降低介质气氛中生成物的气体分压，均能提高渗剂活性。 2）卤化物催渗法 卤化物催渗法即在化学热处理时，与渗剂同时加入氟、氯等化合物。通过化合物对工件表面的洁净作用，改变工件表面活化状态，使其吸附能力增强。 2．物理催渗法 利用物理方法加速化学热处理过程的基本方法有以下几种： 1）高温化学热处理 2）高压化学热处理 3）低压化学热处理 此外还可通过高频加热、弹性震荡等方式加快化学热处理过程，可参见有关资料。 第二节 渗层组织形成规律 一、渗层组织与相图的关系 讲图12-3 二、影响渗层各相区厚度的因素 由菲克第一定律可知，多相扩散层中，如果某相渗入元素的扩散系数较大，且该相层中的浓度梯度较大，则扩散通量较大，即扩散进入该相层的原子数较多。 在一定扩散温度下，如果渗入元素在各相层的扩散系数基本相同，则在相图中单相区较宽的相层成长较快，相应其厚度较大。相反，在相图中单相区窄的相层其厚度较薄，以致在观察时很难使这些相层显露出来。 本章小结 略 本章重要名词