金屬材料及熱處理12化學(xué)熱處理

1、 第八章 化學(xué)熱處理概述化學(xué)熱處理： 對(duì)金屬制件綜合地施以熱作用和化學(xué)作用的熱處理形式。在一般情況下，它是將放置在活性介質(zhì)中的金屬制件加熱至一定的溫度，把活性介質(zhì)中的某些元素（金屬或非金屬）滲入制件的表層，以改變表層的成分和組織。有時(shí)，在一定的外界條件下（例如真空）化學(xué) 熱處理也可以借助高溫時(shí)金屬制件內(nèi)部元素的擴(kuò)散逸出，以去除制件中的某些有害雜質(zhì)。分類： 根據(jù)熱處理時(shí)金屬制件化學(xué)成分的變化，可將化學(xué)熱處理劃分成三類：1.滲入非金屬（如滲碳、滲氮、滲硼、等）；2.滲金屬（如滲鋁、滲鉻、滲銅、滲鈦等）；3.去除雜質(zhì)（如去氫、去氧、去碳等）。 8.1 化學(xué)熱處理的基本過(guò)程： 化學(xué)熱處理時(shí)，滲入元素進(jìn)

2、入制件表層通常包括以下三個(gè)基本過(guò)程，即分解、吸收和擴(kuò)散。這是三個(gè)相互獨(dú)立、交錯(cuò)進(jìn)行而又互相配合、相互制約的過(guò)程。除少數(shù)情況外（例如滲某些金屬時(shí)，滲入元素的原子由熔融介質(zhì)直接供應(yīng)）一般化學(xué)熱處理都包含有這三個(gè)過(guò)程8.1.1 分解1. 化學(xué)熱處理是將制件放在含有深入元素的活性介質(zhì)中進(jìn)行的。2.分解是從活性介質(zhì)（滲劑）中形成滲入元素活性原子（離子）的過(guò)程。 理論與實(shí)踐證明，只有活性原子（初生態(tài)原子）才易于為金屬制件的表面的所吸收，因此，化學(xué)熱處理時(shí)首先是要得到活性原子。 化學(xué)介質(zhì)在一定的溫度下，由于各種化學(xué)反應(yīng)或離子轉(zhuǎn)變（有時(shí)是氣體）而產(chǎn)生活性原子。無(wú)論化學(xué)介質(zhì)是氣體、液體或固體，形成活性原子的過(guò)程

3、都是在金屬表面的氣相中進(jìn)行的，例如鋼在滲碳時(shí)，在介質(zhì)與金屬表面發(fā)生如下反應(yīng)： 2CO2CO2C Cn H 2n+2(n+1)H2+nC鋼在滲氮時(shí)：2NH3 3H2+2N鋼在滲硅時(shí)：SiCl4+2Fe2FeCl2+Si3.催化作用為了增加化學(xué)介質(zhì)的活性，有時(shí)加入催化劑（或稱催滲劑）以加速反應(yīng)過(guò)程，降低反應(yīng)所需的溫度（即化學(xué)熱處理時(shí)的加熱溫度）。4.影響滲劑分解的因素：（1）滲劑的濃度；（2）滲劑的分解溫度；（3）催化劑的作用。8.1.2 吸收概念：吸收是活性原子（離子）在金屬制件表面的吸附和溶解于基體金屬或與基體中的組元形成化合物的過(guò)程。2.吸附原理（1）物理吸附，即活性原子與金屬最表面的原子在

4、范德瓦爾斯力的作用下，制件表面形成單原子或多原子吸附層；（2）化學(xué)吸附，即活性原子與金屬制件最表面的原子在吸附過(guò)程中產(chǎn)生了化學(xué)交互作用。 吸附是自發(fā)過(guò)程，因?yàn)槲娇偸欠懦鰺崃浚亲杂赡芙档偷倪^(guò)程。3.吸收的條件：滲入元素在金屬基體中有可溶性。否則吸附過(guò)程將停止，隨后的擴(kuò)散過(guò)程不能進(jìn)行。4.影響吸附強(qiáng)弱的因素：（1）被處理制件的成分、組織結(jié)構(gòu)及表面狀態(tài)；（2）滲入元素活性原子的形成速度以及滲入元素的原子向制件內(nèi)部擴(kuò)散的速度等因素。8.1.3 擴(kuò)散 1.概念：擴(kuò)散是活性原子從制件表面向其深處遷移的過(guò)程。由于擴(kuò)散，制件表面就形成擴(kuò)散層。 2.擴(kuò)散階段的重要性 當(dāng)化學(xué)介質(zhì)可以不斷地形成活性原子時(shí)，吸附

5、過(guò)程是進(jìn)行的相當(dāng)快的，而擴(kuò)散過(guò)程則甚為緩慢。所以，化學(xué)熱處理的快慢、金屬制件表層滲入元素的濃度和擴(kuò)散層的濃度分布、擴(kuò)散層的深度以及化學(xué)熱處理的最終結(jié)果，在很大程度上是由擴(kuò)散過(guò)程決定的。3.擴(kuò)散的方式 滲入元素活性原子在金屬中擴(kuò)散時(shí),一般是先與金屬形成固溶體,然后才形成化合物,這類似于二元相圖自左向右所示的相區(qū)變化情況因此擴(kuò)散有兩種方式：在單相擴(kuò)散層中的擴(kuò)散（固溶體擴(kuò)散）和在多相擴(kuò)散層中的擴(kuò)散（相變反應(yīng)擴(kuò)散）（1）固溶體（單相擴(kuò)散層）的擴(kuò)散固溶體擴(kuò)散的特點(diǎn)是：a.在擴(kuò)散過(guò)程中無(wú)新相形成，擴(kuò)散層仍保持基體金屬的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（形成固溶體）；b.擴(kuò)散（滲入）元素在固溶體中的最大深度（即制件表面滲入元素的濃

6、度）不超過(guò)擴(kuò)散溫度下固溶體的極限濃度；c.滲入元素濃度自制件表面至中心平滑下降固溶體擴(kuò)散的典型例子是鋼滲碳時(shí)碳在奧氏體中的擴(kuò)散 2.相變反應(yīng)擴(kuò)散（多相層中的擴(kuò)散） 相變反應(yīng)擴(kuò)散的特點(diǎn)是:擴(kuò)散層為多相。當(dāng)滲入元素原子在固溶體中的濃度達(dá)到飽和之后，繼續(xù)增加滲入元素的濃度便會(huì)出現(xiàn)新相（化合物或別的固溶體），即形成多相擴(kuò)散層。擴(kuò)散層中滲入元素的濃度呈跳躍式變化；而且，若基體金屬為純組元，擴(kuò)散層中不會(huì)出現(xiàn)兩相區(qū)，即擴(kuò)散層由數(shù)個(gè)濃度突變的單相層組成，每層滲入元素的含量均與基體金屬滲入元素狀態(tài)相圖一致.例如若金屬A與滲入元素B形成圖8-4所示的狀態(tài)圖，當(dāng)t1溫度下以B滲入A時(shí)，在不斷的增加B的濃度及時(shí)間t足

7、夠長(zhǎng)的條件下，將獲得如圖8-5所示的擴(kuò)散層。 在純金屬A中滲入另一組元B時(shí)，即使B不斷增加，時(shí)間足夠長(zhǎng)，也不會(huì)出現(xiàn)兩相區(qū)而只有彼此相連的各單相層（見(jiàn)圖8-5）。 原因：擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)位的變化，即F=-u/x，若有兩相區(qū)，由于在一定溫度下兩相的成分固定不變，化學(xué)位恒定，即F=- u/x=0，無(wú)擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力，故兩相層不可能長(zhǎng)大。而且，一般的說(shuō)，一個(gè)元素從物件表面通過(guò)這樣的兩相層轉(zhuǎn)移到深處，也是不可能的。 8.2 鋼的化學(xué)熱處理 概述： 鋼件表面獲得高的硬度，心部又具有高的韌性，或者需使鋼件表面具有某些特殊的力學(xué)或物理化學(xué)性能，僅用某一鋼種制成零件進(jìn)行表面淬火及相應(yīng)的回火往往難以達(dá)到目的。 例如：精

8、密鏜床主軸，采用表面淬火，其表面硬度不能達(dá)到HV900，（66HRC）。若零件表面要求高的耐蝕、耐酸和耐熱等性能，用表面淬火或其他熱處理不能達(dá)到要求。 此時(shí)，采用化學(xué)熱處理可以賦予鋼件所需的這些性能。8.2.1 鋼的滲碳 1.滲碳熱處理： 在增碳的活性介質(zhì)中，將低碳鋼或低碳合金鋼制成的零件加熱至高溫奧氏體狀態(tài)下，使活性碳大批出沒(méi)滲入鋼件，獲得高含碳量的滲層，隨后淬火并低溫回火 。 2.鋼件滲碳的目的： 提高低碳鋼件的表面硬度、耐磨性及抗疲勞性能。 3.滲碳方法： 按滲碳時(shí)化學(xué)介質(zhì)（滲碳劑）的不同分為： （1） 固體滲碳；（2）氣體滲碳； （3）液體滲碳 其中以氣體滲碳應(yīng)用最為普遍 氣體滲碳是將

9、氣體滲碳劑通入高溫的密封爐罐內(nèi)進(jìn)行裂化分解，生產(chǎn)活性碳原子，然后通過(guò)吸收和擴(kuò)散過(guò)程，使碳滲入到鋼件表層中去。4.氣體滲碳劑（1）碳?xì)浠衔镉袡C(jī)液體（如將煤油、甲醇、苯、甲苯和丙酮等滴入滲碳爐內(nèi)）；（2）可控氣氛吸熱型氣體（如天然氣、丙烷、液化石油氣等為原料制備可控氣氛吸熱型氣體直接通入滲碳爐內(nèi)）。5. 滲碳工藝 ： 主要的工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時(shí)間。（1）滲碳溫度：900950?； 在這種溫度 下，滲碳速度較高，奧氏體晶粒也不至過(guò)分粗化。（2）滲碳時(shí)間： 視滲碳方法、滲碳速度以及所需的滲層深度而定。 6.滲碳緩冷后的組織： 滲碳緩冷后的組織主要取決于鋼的成分和滲層含碳量。若滲碳后表面含碳量稍

10、高于共析成分，其緩冷 后的組織如圖8-6所示，自外至內(nèi)的順序?yàn)椋海?） 過(guò)共析層；（2） 共析層； （3） 亞共析層；（4） 心部原始 亞共析組織。 7.滲碳后的熱處理： （1）預(yù)冷直接淬火低溫回火 a.工藝特點(diǎn)： 氣體滲碳后，一般是自滲碳溫度預(yù)冷至860840，然后直接淬火。 預(yù)冷的作用是降低淬火熱應(yīng)力，并使表層高碳奧氏體在預(yù)冷過(guò)程中析出部分碳化物，減少滲層中的殘余奧氏體，以提高表面硬度和疲勞強(qiáng)度。淬火后還需加熱至160180oc進(jìn)行低溫回火，以消除淬火應(yīng)力。b.工藝示意圖 （2）滲碳后一次淬火低溫回火a.工藝特點(diǎn)： 滲碳后緩冷或空冷再重新加熱到820860，最后低溫回火。b. 工藝示意圖

11、c. 淬火加熱溫度的選擇： 合金鋼:可稍高于其心部的Ac3，使心部鐵素體全部溶解，淬火后得到強(qiáng)度和韌性都較高的低碳馬氏體，提高心部性能。 碳鋼: 淬火溫度宜在Ac1Ac3之間選擇，以同時(shí)兼顧表面和心部的要求。若加熱至Ac3以上，雖可以改善心部組織，但淬火溫度對(duì)表層而言過(guò)高，淬火后表層會(huì)出現(xiàn)粗大的高碳馬氏體并有較多的殘余奧氏體。 （3）滲碳后二次淬火低溫回火a.工藝特點(diǎn)： 緩冷后先加熱至Ac3以上淬火，目的是細(xì)化心部組織，同時(shí)可消除表層可能存在的網(wǎng)狀二次滲碳體；第二次淬火加熱溫度Ac1+3050oc（760780），目的在于細(xì)化表層組織，使表層獲得細(xì)小的馬氏體和細(xì)而均勻的粒狀碳化物，并可減少表層

12、內(nèi)的殘余奧氏體。二次淬火后在進(jìn)行低溫回火。b.工藝示意圖：8.滲碳后不同熱處理工藝的應(yīng)用范圍 （1）預(yù)冷直接淬火低溫回火 只適用于由本質(zhì)細(xì)晶粒制成的一般要求零件。 （2）滲碳后一次淬火低溫回火應(yīng)用于要求比較高的由本質(zhì)細(xì)晶粒鋼制成的零件。 （3）滲碳后二次淬火低溫回火應(yīng)用于性能要求很高的零件或由本質(zhì)粗晶粒鋼制成的零件。 但二次淬火法工藝較繁，成本高，易產(chǎn)生表面氧化、脫碳和淬火變形。9. 鋼件滲碳熱處理后的最終組織和性能（1）表層組織與性能： 鋼件表層（含碳量0.8%1.0%）得到回火馬氏體和細(xì)小、均勻的粒狀碳化物，硬度5862HRC； （2）心部組織與性能： 隨鋼種而異，對(duì)淬透性低的低碳鋼，心部

13、組織為珠光體和鐵素體，硬度為204185HB；對(duì)淬透性高的低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，心部由回火低碳馬氏體和鐵素體組成，硬度較高，并具有較高的強(qiáng)度和韌性、塑性。10.一般滲碳零件的工藝路線（1） 鍛造正火機(jī)加工滲碳淬火和低溫回火精加工； （2） 鍛造正火機(jī)加工滲碳去碳機(jī)加工淬火和低溫回火。 有些零件并不需要或不允許整體滲碳，此時(shí)不滲碳的部位應(yīng)在滲碳前鍍銅，或在滲碳后先進(jìn)行去碳機(jī)加工，在進(jìn)行淬火和低溫回火。8.2.2 鋼的氮化（滲氮） 目的：提高零件的表面硬度和耐磨性，提高疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。1.氮化的一般過(guò)程： 目前廣泛應(yīng)用的氣體氮化工藝，一般過(guò)程是將氨氣通入密封的氮化罐中，利用氮在高溫下分解出活性氮原子被

14、鋼件表面吸收并向心部擴(kuò)散，最后在鋼件表面形成一定深度的氮化層。2.Fe-N相圖及氮化層組織（1）純鐵的氮化層a.氮化溫度下擴(kuò)散層組織 在常用的氮化工藝條件下（500580，數(shù)十小時(shí)），如圖8-11(a)；b.擴(kuò)散層氮濃度 在常用的氮化工藝條件下（500580，數(shù)十小時(shí)），分布如圖8-11(b)；C.滲氮緩冷至室溫后擴(kuò)散層組織 在常用的氮化工藝條件下（500580，數(shù)十小時(shí)），分布如圖8-11(c)；(2) 碳鋼的氮化層 相為-Fe中的固溶體；相為含碳的氮化物相，F(xiàn)e2(C,N)； 相為一氮化物相。（3）合金鋼的氮化層 與碳鋼中的氮化層基本相同，但氮化層中會(huì)形成合金氮化物。合金氮化物非常細(xì)小，且

15、彌散分布，光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看到。3.氮化處理的特點(diǎn)（1）鋼氮化后不需要淬火；（2）氮化處理溫度低，零件變形??；（3）氮化后一般不再機(jī)加工，只需精磨或研磨拋光。4.氮化層的性能（1）有很高的表面硬度（HV850)、耐磨性和高的熱硬性；原因：表面高硬度是由于有非常細(xì)小彌散的合金氮化物分布在相、相、 相的基底上（彌散強(qiáng)化）；高熱硬性是氮化物是熱穩(wěn)定性高的硬相質(zhì)點(diǎn)。（2）顯著提高零件的抗疲勞強(qiáng)度；原因：由于形成氮化物時(shí)體積增大，使鋼件表面產(chǎn)生大的殘余壓應(yīng)力（588-784MPa)。5. 氮化用鋼氮化鋼通常含有Al,Cr,Mo等合金元素，不銹鋼、耐熱鋼等也可氮化。 6.氮化零件的工藝路線：（1）常用工藝

16、路線： 鍛造退火粗加工調(diào)質(zhì) 精加工去應(yīng)力回復(fù)粗磨氮化精磨或研磨。 （2）熱處理工序選擇 (a).退火也可用正火代替 ; (b).氮化層薄而脆，故要求鋼件心部有高的強(qiáng)度和韌性。為此氮化前應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，獲得回火氏體以提高零件心部力學(xué)性能和氮化層質(zhì)量。 (c)為減少零件在氮化處理時(shí)的變形，切削加工后一般進(jìn)行去除應(yīng)力的穩(wěn)定回火，這對(duì)于重要零件尤為必要。7. 氮化零件的技術(shù)指標(biāo)： (1)氮化層深度（一般0.60.7mm; (2)表面硬度和心部硬度; (3)對(duì)于重要零件，還必須滿足心部力學(xué)性能、金相組織、氮化層脆性級(jí)別等具體要求。 8.應(yīng)用： 各種高速傳動(dòng)精密齒輪、高精度機(jī)床主軸、在交變負(fù)荷下要求高疲勞

17、強(qiáng)度的零件等。8.2.3 碳氮共滲 碳氮共滲是向鋼件表層同時(shí)滲入碳氮的熱處理工藝。目前應(yīng)用較廣泛的是中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲。 1.中溫氣體碳氮共滲 一般是將滲碳劑和氨氣同時(shí)通入罐內(nèi)，或直接通入三乙醇胺，借助高溫下發(fā)生的一系列氣相反應(yīng)，形成碳氮活性原子，通過(guò)吸收和擴(kuò)散過(guò)程，使碳氮同時(shí)滲入鋼件的表層。 （1）工藝參數(shù) (a) 共滲溫度: 850左右; (b)保溫時(shí)間: 45h，滲后可獲得0.7mm左右的碳氮共滲層; (2) 工藝路線： 中溫氣體碳氮共滲直接淬火160200低溫回火。(3)應(yīng)用： 主要用于20Cr， 20CrMnTi等合金結(jié)構(gòu)鋼制成的重負(fù)荷和中等負(fù)荷齒輪。中溫碳氮共滲處理

18、后的零件耐磨性高于滲碳零件，并兼有一定的耐蝕性，較高的疲勞強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。與滲碳工藝相比，具有加熱溫度低、零件變形小、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。 2.低溫氣體碳氮共滲（氣體軟化） 在Fe-C-N三元系共析溫度（565oc）附近進(jìn)行的氣體碳氮共滲稱為氣體軟氮化。（1）工藝特點(diǎn)： (a) 氣體軟氮化時(shí)活性碳、氮原子可由多種方法獲得，如利用尿素、甲酰胺及三乙醇胺的熱分解法等; (b)氮化時(shí)間一般僅13h。經(jīng)軟氮化的零件，表面可得到1020um厚的無(wú)脆性氮化層，零件有耐磨、耐疲勞、抗咬合抗擦傷等性能。(c). 時(shí)間短、零件變形小、滲層具有一定的韌性、不易發(fā)生剝落現(xiàn)象。 (d). 軟氮化后無(wú)須進(jìn)行任何熱處理。

19、軟氮化存在的缺點(diǎn)主要是滲層較薄，尿素、甲酰胺及三乙醇胺的分解氣中含有一定量的HCN，有毒性，不能滿足環(huán)保要求。 (2)應(yīng)用： 氣體軟氮化不受鋼種限制，它適合與碳鋼、合金鋼、鑄鐵及粉末冶金材料，目前普遍應(yīng)用于摸具和耐磨零件等，效果良好。 8.3 鈦合金的化學(xué)熱處理 概述： 為了改善鈦合金零件的表面性能，可以進(jìn)行化學(xué)熱處理，包括滲氮、滲氧、滲硼、滲碳及滲金屬等，但處理工藝較為成熟的是滲氮和滲氧，其他化學(xué)熱處理方法時(shí)間上很少應(yīng)用。8.3.1 滲氮（氮化） 1.目的： 提高零件的表面硬度，以提高耐磨性，并消除在摩擦條件下工作的零件發(fā)生粘附的危險(xiǎn)性。氮化也可以改善鈦合金的耐蝕性和疲勞強(qiáng)度。 2.常用工藝： 零件置于通入氨氣的高溫爐罐中，溫度約為870，保溫，冷卻，停止通氨，出爐.3.氮化層組織： 零件可獲得0.10.5mm的氮化層。氮化層的組織與Ti-N相圖相對(duì)應(yīng). (1). 表面至心部順序?yàn)椋?） a心部。 (2). 表層有兩種類型的氮化物，氮化時(shí)間的掌握應(yīng)以獲得相為主、其上分布著相的最表層為準(zhǔn)，這種組織的韌性較好。 (3).若氮化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，最表層將以相為主其上分布著相，由于相脆性，會(huì)導(dǎo)致韌性降低，而表層的脆化是鈦合金氮化的主的主要危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)予以防止。 鈦及其合金經(jīng)氮化處理后，其表面硬度成倍提高。氮化處理后的零件還具有高的疲勞強(qiáng)度，這是形成氮化層時(shí)