热处理工艺学课件--第13章 化学热处理.pptVIP

热处理工艺学 第十三章 化学热处理 §13-1 化学热处理概论 定义：将金属或合金置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件的表面，从而改变表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。 目的：强化表面（高硬、高强、高耐磨、高疲劳强度）、保护表面（耐蚀） 分类：按渗入元素、性能、介质物理形态 化学热处理分类 按渗入元素 渗入非金属 单元渗：C、N、B、S等 多元渗：C+N、O+N等 渗金属：Al、Cr、Ti、V等 按性能 耐磨：C、N、B、V等 高温性能：Al、Cr 耐腐蚀：N、Si、Zn 按介质物理形态 固态、液态、气态 §13-2 化学热处理原理 基本过程 渗剂中的反应 渗剂中的扩散 相界面反应 金属工件中的内扩散 金属中的反应 加速化学热处理过程的途径 化学催渗：加入催渗剂 物理催渗：高温；真空化学处理；离子轰击 §13-3 钢的渗碳 定义：为了增加工件表面的含碳量及一定的碳浓度梯度，将工件放在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。 目的：获得高的表面强度、硬度，高的接触疲劳和弯曲疲劳强度 分类：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳 应用：承受磨损、交变接触应力及弯曲应力和冲击载荷的零件（表层：高硬、耐磨；心部：足够的强度和韧性） 渗碳用钢 低碳钢C%：0.15~0.25% 低碳合金钢：Cr、Mn、B、Ni－提高淬透性；W、Mo、V、Ti－细化晶粒 常用钢种：20CrMnTi 渗碳件主要要求 表面碳浓度：0.6~1.1% 渗碳层深度：0.5~2.5mm 表面碳浓度分布：过渡区宽度占总宽度的1/2~1/3 淬火后硬度要求：低碳、低合金：60~64HRC；中高合金：56~60HRC 几个重要的概念 碳势：表征含碳气氛在一定温度下改变工件表面含碳量能力的参数，通常可用低碳钢箔在含碳气氛中的平衡碳量来表示。 碳传递系数：每秒钟内由渗碳介质传到工件表面上1cm2面积上的碳量（以g计量）。 碳可利用率：单位重量（或单位面积）渗碳介质所提供的碳量，主要用来表征渗碳气体的特征。 渗碳工艺（气体渗碳） 汽车后桥伞齿轮渗碳工艺 低碳钢渗碳缓冷后的组织 渗碳后热处理 直接淬火＋低温回火 减少加热工序，防止氧化脱碳。但本质晶粒粗大的钢易长大为粗晶 一次淬火＋低温回火 渗碳后取出重新加热淬火，多用于固体渗碳件 二次淬火＋低温回火 工艺复杂，成本高 §13-4 钢的渗氮 定义：在一定温度下（一般在AC1以下），使活性N原子渗入工件的化学热处理工艺 目的：高硬度（Hv1000~1200）、高耐磨、高弯曲疲劳强度，接触疲劳强度不及渗碳 分类：普通氮化、离子氮化 Fe-N相图 α：N在α-Fe中间隙固溶体（590℃最大0.1%） γ： N在γ -Fe中间隙固溶体（590℃以上存在，最大2.8%－650℃） γ’：可变成分间隙相，N有序占据Fe面心立方晶格间隙位（5.7～6.1%）ωN＝5.9%为Fe4N ε：成分可变氮化物（4.55～11.0%） ζ：Fe2N间隙固溶体（11.0～11.35%） N在钢中的扩散 N在α-Fe中扩散系数＞ N在ε相中扩散系数＞ N在γ-Fe中扩散系数 ∴渗氮在A1以下进行 C%↑：C占据间隙位；F量减少→N扩散↓ 随N扩散进行，表面形成ε相，减缓扩散 ε层越厚，扩散越慢→渗氮周期长 钢的渗氮过程 输入氨气 氨向工件表面迁移 吸附、分解 合成分子逸出（部分） N溶于α－Fe 扩散、反应扩散，形成氮化物 氮化物长大、类型转变 进一步扩散，渗层深度增加 渗氮层的组织性能 组织 以530℃渗氮为例：ε→γ’ →αN →α 渗氮后缓冷： ε+ γ’ →γ’ → γ’ +αN →αN →α 性能 高硬度、高耐磨 疲劳强度高 红硬性好 氮化用钢 抗磨为主（0.15～0.45％合金钢） 专用氮化钢：38CrMoAlA 无Al氮化钢：40Cr、35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA 抗蚀为主 低、中碳钢 不锈钢 渗氮前预处理 保证心部组织；为氮化做组织准备 正火 调质 去应力退火 非氮化包围的防护 镀锡、镀铜、留加工余量、防渗涂层 渗氮工艺参数 温度：480～570℃ 过高：氮化物聚集长大，弥散度下降、硬度下降 过低：N扩散慢、渗层过浅 时间：取决渗层深度 ＜0.4mm：0.015～0.02mm/h 0.4～0.7mm： 0.005～0.015mm/h 氨分解率（15～40%） 过高：H附于表面，影响N吸收 过低：活性N原子减少，渗氮速度下降 渗氮工艺 §13-5 碳氮共渗与氮碳共渗 同时将C、N渗入工件表层。以渗碳为主－碳氮共渗；以渗氮为主－氮碳共渗（软氮化） 共渗的特点 C、N含量随温度变化：T℃↑→N%↓、C%↑ N的渗入使钢的A3 ↓，可使钢在更低的温度增C 共渗一定时间后（2~3h）会产生