材料表面熱處理技術(shù)

1、第二章第二章 材料表面熱處理技術(shù)材料表面熱處理技術(shù)2.1 表面化學(xué)熱處理技術(shù) 2.1.1 基本原理 化學(xué)熱處理是在一定溫度下，在不同的活性介質(zhì)中，向鋼的表面滲入適當(dāng)?shù)脑?，同時(shí)向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散，以獲得預(yù)期的組織和性能為目的的熱處理過程。滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲鉻、滲鋁等。 化學(xué)熱處理包括下述三個(gè)基本過程： （1）化學(xué)介質(zhì)的分解 在一定溫度下，化學(xué)介質(zhì)可發(fā)生化學(xué)分解反應(yīng)，生成活性原子。通常，為了增加化學(xué)介質(zhì)的活性，還加入適量催化劑或滲劑，來加速反應(yīng)過程，降低反應(yīng)溫度，縮短反應(yīng)時(shí)間。例如，固體滲碳時(shí)加入碳酸鹽，滲金屬時(shí)常用氯化銨作為催滲劑。此外，稀土元素的應(yīng)用也具有很明顯的催滲效果。 例

2、如：NH3N + H（2） 活性原子的吸收 介質(zhì)分解生成活性原子，如C、N等，為鋼的表面所吸附，然后溶入基體金屬鐵的晶格中。碳、氮等原子半徑較小的非金屬元素容易溶入Fe中形成間隙固溶體，碳也可與鋼中強(qiáng)碳化合物元素直接形成碳化物。氮可溶于Fe中形成過飽和固溶體，然后再形成氮化物。 活性N原子基 體（3）原子的擴(kuò)散 鋼表面吸收活性原子后，該種元素的濃度大大提高，形成了顯著的濃度梯度。在一定的溫度條件下，原子就能沿著濃度梯度下降的方向定向擴(kuò)散，結(jié)果便能得到一定厚度的擴(kuò)散層。 表征擴(kuò)散過程速度的一個(gè)重要參數(shù)是擴(kuò)散系數(shù)D。它的物理意義是，在濃度梯度為1的情況下，在單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積的擴(kuò)散物質(zhì)量。擴(kuò)

3、散系數(shù)越大，則擴(kuò)散速度越快。影響擴(kuò)散速度的主要因素是溫度和時(shí)間。 擴(kuò)散系數(shù)和溫度的關(guān)系，可由下式表示：RTQAeD式中 D擴(kuò)散系數(shù)；e自然對(duì)數(shù)之底；T熱力學(xué)溫度；A方程式參數(shù)；R氣體常數(shù)；Q擴(kuò)散激活能。溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大。如碳在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)溫度自925增至1100時(shí)，會(huì)增加7倍以上；而鉻在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)從1150增至1300時(shí)會(huì)增大50倍以上。當(dāng)溫度一定時(shí)，加熱時(shí)間越長，擴(kuò)散層的厚度便越大，擴(kuò)散層厚度與時(shí)間的關(guān)系為：式中 擴(kuò)散層厚度時(shí)間；K常數(shù)。 k活性N原子基 體活性原子的吸附示意圖活性N原子基 體活性原子的擴(kuò)散示意圖2.1.2 普通化學(xué)熱處理 滲氮：氮化就是向鋼件表面滲入氮的

4、工藝。其特點(diǎn)是： 1）氮化件表層硬度很高(10001100HV),且在600650溫度時(shí)保持不下降， 所以具有很高的耐磨性和熱硬性，心部具有足夠的強(qiáng)韌性。 2）表層形成壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度大大提高。 3）氮化溫度低，零件變形小。 4）表面形成致密的化學(xué)穩(wěn)定性較高的層，耐蝕性好。 2.1.3 等離子體化學(xué)熱處理 在一般情況下，氣體是良好的絕緣體。但在一定的條件下，絕緣的氣體可因放電而成為良導(dǎo)體。在圖220所示的氣體放電管內(nèi)，氣體處于真空狀態(tài)，若逐漸增加電源電壓，記下電壓表及電流表的讀數(shù)，即可繪出氣體放電的全程伏安特性曲線（圖22，3） v ARE+- 圖22 氣體放電實(shí)驗(yàn) PABCMNSOIV1O

5、圖23 氣體放電的全程伏安特性曲線 電壓在OS段內(nèi)時(shí)，陰陽極只有微弱電流。當(dāng)電壓增高到S點(diǎn)時(shí)，氣體由絕緣體變成良導(dǎo)體，電流急劇上升。S點(diǎn)的電壓稱點(diǎn)火電壓，用VS表示，陰極與陽極間出現(xiàn)悅目的輝光。這種現(xiàn)象叫做起輝。一旦起輝后，極間電壓即降落到M點(diǎn)，此時(shí)若增加電源電壓或減少限流電阻，則兩極間電壓保持不變，電流逐漸增大，輝光覆蓋面積逐漸擴(kuò)大，直至覆蓋全部陰極。MN段為正常輝光放電區(qū)，到達(dá)N點(diǎn)后再增加電源電壓，則兩極間的電壓與電流都不斷增大。NO段為異常放電區(qū)。當(dāng)極間輝光熄滅，陰極表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的弧光放電。0點(diǎn)以后稱為弧光放電區(qū)。 點(diǎn)燃電壓可用下式表達(dá)：式中 V1爐內(nèi)氣體的電離電位；P爐內(nèi)氣體的壓強(qiáng)；d

6、陰極間的距離；C陰極材料常數(shù)，陰極材料發(fā)射二次電子的能力不同，C值也不同。在輝光放電時(shí)，陰陽極間存在著柔和的輝光。輝光放電形成大量的正離子，在電場(chǎng)力的作用下以極快的速度沖向作為陰極的工件表面，在工件表面發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)過程：熱交換：正離子具有很大的動(dòng)能，大部分與工件（陰極）碰撞而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工件升溫；濺射：高速正離子從工件表面轟擊出Fe、C、O等離子和二次電子，F(xiàn)e、C、O等原子在陰極附近參加復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，二次電子使放電持續(xù)進(jìn)行；正離子注入陰極表面，向內(nèi)擴(kuò)散或形成化合物；光輻射形成輝光。通過以上過程，使工件滲入所需元素，表面獲得所需滲層。 )ln(1PdCPdVVS（1）離子滲氮（離子

7、滲氮或離子軟滲氮）離子氮化的過程是： 工件經(jīng)清洗后置于爐內(nèi)陰極盤上（或掛在陰極吊具上），陰極接直流電源的負(fù)極，真空室殼接直流電源正極并接地，真空室壓強(qiáng)抽至6Pa左右，即沖入凈化氨，使壓強(qiáng)保持在1.3102Pa1.3 103Pa，由于減壓及其后的加熱作用氨被分解。 當(dāng)在陰、陽極間加入高壓直流電，電壓升到約400V時(shí)，爐內(nèi)出現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象。這時(shí)爐內(nèi)氣體在高壓電場(chǎng)的作用下，被電離分解成N+、H+離子和電子。正離子轟擊工件表面，氮元素滲入工件表層，形成FeN、FeN2等化合物。含氮化合物層的形成，提高了零件表面的耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能。離子氮化的溫度一般為500600。 離子滲氮的優(yōu)點(diǎn)是： 1）滲速快，離子滲氮45h即可得到0.3mm滲氮層，而氣體滲氮約需15h； 2）滲層具有一定的韌性，可通過控制工藝參數(shù)獲得韌性較好的單相化 合物層； 3）顯著提高零件表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度及耐蝕性； 4）零件變形小、表面呈銀白色，質(zhì)量好，不需要再磨削加工； 5）節(jié)省電能，氣體消耗少。 專題專題 2Cr13不銹鋼的離子滲氮不銹鋼的離子滲氮工程應(yīng)用技術(shù)工程應(yīng)用技