热处理工艺化学热处理教学课件PPT 61页

'热处理原理及工艺(21) 思考1.表面淬火用途，常用方法，工序安排2.集肤效应 第五章化学热处理Chemistryheattreatment 第五章化学热处理5-1概述1、定义：特定介质中加热、保温，使介质中某些元素渗入工件以改变其表层化学成份和组织→改变性能2、目的：使表层和心部获得不同的组织性能。 5-1概述3、分类：以渗入元素命名:单元渗：渗单一元素，如渗C、渗N、渗B。多元共渗：如CN共渗，CNB三元共渗等。根据渗入元素对性能作用：提高渗层强度，耐磨性，渗C、N、B、Nb、V提高抗氧化，耐高温性，渗Al、渗Cr提高抗咬合，抗擦伤性能，渗S，渗N、P化等提高抗腐蚀性能，渗N、渗Si、渗Zn等介质状态：固体法；气体法；液体法。 5-2化学热处理基本原理一、基本过程：1、分解渗剂中的反应2、吸收相界面反应—吸附与解吸附反应。3、扩散（1）金属工件中的内扩散（2）金属中的反应渗剂分解释放活性原子活性原子在工件表面吸附活性原子由表面向心部扩散含活性原子的渗剂钢钢交叉进行 5-2化学热处理基本原理二、渗剂分解过程分解反应：热裂解如CnH2n+2→(n+1)H2+n[C]（渗C）热分解如2CO→CO2+[C]（渗C）NH3→3/2H2+[N]（渗N）置换反应如：AlCl3+Fe→FeCl3+[Al]（渗Al）还原反应：如TiCl4+2H2→4HCl+4[Ti](渗Ti) 5-2化学热处理基本原理三、相界面反应（吸附过程）以CO在钢表面的相界面反应为例一定能量的CO→冲刷钢表面，进入Fe晶格原子引力场范围内，Fe(晶)+CO(气)→FeCO(吸附)C－O键被强烈变形，削弱了C－O间原子结合力→C－O键易被破坏。钢当气相中CO碰在上述C－O中O原子时C－O+CO→CO2+[C]吸附的[C]侵入铁的晶格而溶于Fe中FeCO(吸附)+CO(气)→Fe[C](吸附)+CO2(气) 5-2化学热处理基本原理渗N：化学吸附作用削弱N-H键。活性[N]一部分被工件表面吸收，一部分以N2溢出。Fe+3NH3→Fe(NH3)吸→Fe(NH)吸+Fe-2[H]吸→Fe[N]+3H2↑+N2↑ 5-2化学热处理基本原理吸附分为两类:物理吸附：凝聚作用，快，固体晶体与气体分子无电子转移和化学键生成。多分子层;T↑，解析化学吸附：电子转移，生成化学键。单分子层。T↑，吸附大。化学热处理影响化学吸附因素：①温度②表面光洁度差，吸附表面大，活性大。③无氧化、污染，则表面原子的自由键力场完全暴露，表面活性大。 5-2化学热处理基本原理四、工件表层中的扩散过程扩散：原子由高浓度→低转移扩散分类:纯扩散（如渗C）反应扩散（如渗N） 5-2化学热处理基本原理1、纯扩散—形成连续固溶体,无相变或化合物的形成和分解。1.2930℃0.9～1.0C％T/℃Feγ例如20钢，930℃，渗C整个渗C过程中，只发生C在A中扩散，无相变。C、N、B与Fe形成间隙固溶体Cr、Al、Si等与Fe形成置换固溶体 5-2化学热处理基本原理2、反应扩散：有相变或形成化合物1）发生相变--如1050℃，钢中渗CrCr扩大α相区最初渗入γ-Fe中→→达到Cr在γ-Fe中极限溶解度→→表面发生γ→α相变，Fe表面出现α相→→随扩散进行，Cr%↑，α相长大，界面向内部推移。αT含碳量αγ表心 5-2化学热处理基本原理2）生成化合物的反应扩散钢中渗N→形成ε相N化物。渗B→Fe2B或FeB渗C→C化物，析出，C化物与A二相共存，随C%↑，C化物数量↑。 5-2化学热处理基本原理3.扩散对化学热处理过程的影响（１）扩散控制型（界面反应速度快）通过热力学关系推算可得：(a)渗层深度与扩散时间的关系δ渗层厚度，τ扩散时间，K1为常数δτ900℃950℃1000℃1100℃渗层深度与扩散时间的关系 5-2化学热处理基本原理(b)渗层深度与温度的关系Q为被渗元素扩散激活能，R气体常数，T绝对温度。δ与T成指数关系，T大，δ大。Tδ0.5h2h1.5h1h T对δ的影响远比τ对δ的影响强烈。(c)表面浓度Cs越高，浓度梯度大，在相同T，τ，渗层越深。5-2化学热处理基本原理扩散控制型渗层深度： 5-2化学热处理基本原理※（２）第二种情况，混合控制型表面不能马上达到平衡浓度。渗层的增长速度取决于：界面反应速度金属中该元素的扩散速度 5-2化学热处理基本原理五、加速化学热处理过程方法1）化学催渗加入催渗剂↑渗入元素的渗入能力如：气体N化时＋TiCl4→Cl2↑，活化工件表面，加速渗N过程。2）物理催渗法①T↑→↑吸附扩散②真空→表面净化，↑↑吸附③离子轰击，如离子渗N，渗C等 第五章化学热处理5-3钢的渗C（carburizing）一、目的、分类及应用定义—钢件渗C介质加热和保温，表面含C量和一定C浓度梯度应用最广泛的一种化学热处理工艺。目的：高的表面硬度（HRC58~63），耐磨性高的接触σ-１，弯曲σ-1高的冲击韧性等。 5-3钢的渗C应用：适用于承受磨损，交变接触应力或弯曲应力和冲击载荷的机器零件如：轴，活塞销、齿轮、凸轮轴汽车、拖拉机、起重、坦克等设备中零件80%以上活塞销(20Cr)柴油机曲轴 5-3钢的渗C渗C方法分类依渗C剂聚集状态渗C方法可分为：固体渗C、液体渗C、气体渗C（和特殊渗C） +-加热炉密封箱工件固体渗碳剂固体渗碳示意图泥封固体渗C在渗CT加热渗C（930℃，3～14h(0.4～1.4mm)渗剂：固体碳粒：木炭（70~90%）+催渗剂：碳酸钠/BaCO3单件、小批量 5-3钢的渗C液体渗C盐浴—能析出[C]如NaCN，KCN特点：加热速度快，加热均匀缺点：多数盐浴有毒，盐浴：NaCN，KCN，（氰化物，剧毒），适用：小批量生产. 5-3钢的渗C气体渗C可用碳氢化合物有机液体直接滴入炉内汽化。如：煤油、丙酮优点：生产率高，可机械化、自动化生产渗C层浓度可控制，渗C质量高 5-3钢的渗C二、渗C用钢含C量：0.15~0.25%，若心部要求强度较高，含C可为0.30%。要求不高时可用低碳钢。如：20钢截面较大、形状复杂、表面耐磨性、疲劳强度及心部性能要求高的零件，可用低C合金钢：如20CrMnTi，18Cr2Ni4W 低淬透性合金渗碳钢15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如汽车变速箱齿轮柴油机凸轮轴活塞销(20Cr) 高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴 5-3钢的渗C三、渗C介质及其化学反应（气体渗C）1.渗碳反应渗C介质：①吸热或放热式可控气氛（载体气（如N2）+富化气(如CnH2n+2)）②含C的有机液体介质，直接滴入高温气体渗C炉中，热分解出渗C气体。煤油主要渗碳组分均为CO或CH4 产生活性[C]原子的反应炉中可能发生的各种反应有180多种与渗碳有关的最主要的反应是下列三个：5-3钢的渗C 5-3钢的渗C2.渗碳过程（反应、吸收、扩散）（1）反应：渗剂中形成CO、CH4等渗碳组分（2）吸收：渗碳组分传递到钢铁表面，吸附、反应、产生活性[C]原子渗入钢铁表面，CO2和H2O离开工件表面。(3)扩散：渗入工件表面的碳原子向内部扩散，形成一定浓度梯度的渗碳层。 5-3钢的渗C四、滴注式气体渗C工艺如:20钢，齿轮，要求渗层厚度为0.3mm工艺：930℃，3h煤油20D/min，炉冷，后淬火 5-3钢的渗C技术要求：渗层的C浓度，渗层深度及渗层C浓度分布。→组织性能工艺规范：渗C介质，渗C温度，渗C时间工艺选择原则：最快的速度，最经济的效果获得合乎要求的渗碳层 5-3钢的渗C1、渗C温度T↑，C在A（γ-Fe）中溶解度增加。T↑→表、内浓度梯度大，扩散速度↑→渗C层深度↑，表面C%↑。T↑，A晶粒显著长大一般渗C，T：900～950℃。渗层薄的精密件：880～900℃深层渗碳、离子渗碳、真空渗碳等，为缩短渗碳时间：950~1100℃√× 5-3钢的渗C2、渗C时间----渗层深度、碳浓度梯度据哈里斯推导的数值关系：δ渗层深度，τ渗碳时间，T渗碳温度 5-3钢的渗C当渗层温度一定时：Φ为与T有关的系数，如T=870℃，Φ=0.445；T=900℃，Φ=0.54；T=925℃，Φ=0.63例如：T=920℃，一定渗碳时间下的渗层深度如表所示τ（h）34567δ(mm)0.4~0.60.6~0.80.8~1.21.0~1.41.2~1.5 5-3钢的渗C3、渗剂（滴注式可控气氛渗碳）1）选择和组成原则碳势较低气体，作为稀释气体；碳势较高气体，作为富化气；改变滴入比例→控制表面含碳量如用煤油作渗C剂，炉内碳黑较多。用甲醇作稀释气，煤油作富化气，炉内碳黑较少表征含碳气氛在一定温度下与钢件表面处于平衡时可使钢表面达到的碳含量。一般用低碳钢箔片测量，将t＜0.1mm的钢箔置渗碳介质穿透渗碳，测定钢箔的含碳量。=此渗碳介质在该渗碳温度下的碳势。低碳钢箔片渗碳介质 5-3钢的渗C①较大的产气量②碳、氧比应＞1，C、O原子比＞1时，高温下分解大量CO、H2，还有活性[C]析出→可作渗C剂。③碳当量小碳当量大，渗C能力越弱碳当量：丙酮＞异丙醇＞乙酸乙脂＞乙醇＞甲醇滴注式渗剂的选择原则：常压，产生气体体积/cm3液体产生一克分子碳所需该物质的重量 ④气氛中CO和H2成分稳定性，应尽可能维持不变。1—乙酸甲脂，2—乙酸乙脂，3—乙酸甲脂+丙酮，4—丙酮，5—异丙醇2、3,改变甲醇配比，炉气中CO含量基本不变。易于调整和控制渗C气氛。5-3钢的渗C红外仪、露点仪碳势控制前提[C]γ+CO2←→2COCO2＋H2←→CO+H2O 5-3钢的渗C2)典型滴注剂①甲醇-煤油滴注剂：国内许多厂家采用。②甲醇-乙酸乙脂③甲醇-丙酮 5-3钢的渗C生产中，当炉气成分基本不变时，C含量与CO2、O2含量存在对应关系CO2→O2+[C]（反应平衡常数K）可采用CO2红外仪及氧探头法测量碳势。※目前国内外多采用露点仪法、红外仪法、氧探头法控制炉内C势。如：碳势 HT999氧探头HT999-1氧探头维护仪氧势的测定－氧探头 碳势影响表面含碳量及渗层C浓度梯度碳势越高，相同渗碳时间内，表面含碳量越高，渗层碳浓度梯度越大。5-3钢的渗C 滴入量C/O渗剂相同组成，不同滴量时，炉内碳势不同。渗剂组成不同，滴量相同时，炉内碳势不同影响炉内碳势因素：渗剂组成、滴入量5-3钢的渗C 20CrMnTi,要求渗碳层深度0.9～1.3mm甲醇-煤油滴注式渗碳时，渗碳设备为RTJ-75-9T温度℃930℃850℃排气：使炉内气氛达到工艺规定的要求均温：使炉内工件温度均匀扩散渗碳典型渗碳工艺 UBE气体渗碳氮化炉 五、渗C后的热处理淬火+低温回火5-3钢的渗C 渗碳工序安排下料锻造正火机加工（粗）渗碳淬火低温回火磨削5-3钢的渗C 5-3钢的渗C1、直接淬火+低温回火常用于气体渗C及液体渗C。优点：工艺简单，减少一道淬火加热工序，减少变形和氧化、脱C。▲只有本质细晶粒钢（低合金渗C钢）渗C后才可直淬。预冷T：一般稍高于心部Ar3;以免析F；心部强度要求不高，又要求变形极小时，可预冷到较低T，略高于Ar1 5-3钢的渗C2、一次淬火+低温回火淬火T依零件要求：①较高强度，硬度，强度、韧较好配合：T略高于AC3？②表面高硬度，高耐磨性，心部不要求高强度。T稍高AC1？③兼顾，略低于AC3，表Cm未全溶，心F少适用：1.固体渗C后不宜直接淬火工件。2.气体渗碳后高频表面加热淬火的工件渗碳工艺曲线温度时间 3、两次淬火+低温回火第一次淬火：T=略高AC3（心部）。目的：细化心部晶粒，消除表层网状Cm。第二次淬火：T=略高AC1（770~820℃）。目的：使表层获得隐晶M+粒状Cm，保证渗层高强度，高耐磨性。工艺曲线温度时间渗碳5-3钢的渗C缓冷目的为获接近平衡组织，但表面会出现网状Cm适于本质粗晶粒钢，航空工业重要件 CCF连续推杆式渗碳淬火自动生产线 5-3钢的渗C六、渗C、淬火后组织与性能。渗碳淬火后Wc=0.8～1.05合适1、金相组织：表→→→心相区：过共析区→共析区→心部原始组织。组织：M（应细小）+C化物（少，细粒均匀分布）+A残（少）→M+A′→低碳M（心）{屈氏体（或P,S）+F}碳含量（％）至表面的距离（mm） 表→心组织：M(细小)+C化物(少，细粒均匀分布)+A′(少)→M+A′→低碳M（心）(T（或P,S）+F) 5-3钢的渗C2.性能硬度：表HRC：58~63，心HRC40以下耐磨性增大疲劳强度增加硬度(HV)至表面的距离（mm）0.12C-1.5Cr-3.5Ni钢于925℃渗碳并直接淬火和经冰冷处理后含碳量和硬度梯度比较 渗碳淬火低回后表心残余应力分布/对疲劳强度的影响 5-3钢的渗C3、渗碳深度δ有效渗C层深度：渗C＋淬火+150~170℃回火的渗C件，由表面到HV=550（～HRC52）处的垂直距离。HV550δ 5-3钢的渗C渗层深度δ的确定为使零件持续正常工作,使表里性能匹配，δ一般根据经验按工件尺寸及工作条件确定.σ材料σ极限外加σ距表面距离12 渗层深度δ经验公式（参考）：轴类:δ=（0.1~0.2）R（R—半径mm）齿轮:δ=（0.2~0.3）m（m-齿轮模数（mm）薄片工件：δ=（0.2~0.3）t(t—工件厚度)。一般渗C层深度约在0.5~2.5mm范围内选择。5-3钢的渗C 5-3钢的渗C七、渗C件的常见热处理缺陷及防止（※）1.变形2.组织缺陷3.渗层缺陷4.表层腐蚀、氧化 5-3钢的渗C八、低C钢渗C与中C钢表淬比较①性能上：低C钢渗C表层硬度、耐磨性和心部冲击韧性都较高。②渗C层易获沿零件轮廓均匀分布，表淬层分布不易控制，小模数齿轮常有淬透可能。但渗碳工艺复杂，变形较大，成本较高。如何选择？'