熱處理鋼的化學(xué)熱處理

第四章鋼的化學(xué)熱處理4.1概述4.2鋼的滲碳4.3鋼的氮化4.1概述何為化學(xué)熱處理？工業(yè)上有哪些應(yīng)用？它解決哪些問題？強化表面,保護(hù)零件表面將零件放在特定的介質(zhì)中加熱、保溫、以改變其表層化學(xué)成分和組織，從而獲得所需力學(xué)或化學(xué)性能的工藝總稱。表面和心部性能要求不同的零件4.1概述化學(xué)熱處理的優(yōu)點？能有效改善鋼表面的成分、組織和性能不受工件形狀限制很多化學(xué)熱處理的零件具有變形小，精度高，尺寸穩(wěn)定性好的特點一、化學(xué)熱處理基本過程

三個過程：滲劑的分解（產(chǎn)生活性原子）零件表面對活性原子的吸收活性原子從零件表面向內(nèi)部擴散預(yù)備階段：氣氛的形成吸附4.1概述一、化學(xué)熱處理基本過程預(yù)備階段——氣氛的形成采用一定的滲劑，在一定的工藝條件下，滲劑經(jīng)化學(xué)反應(yīng)，形成一定的氣氛。如氣體滲碳時，向爐內(nèi)滴入煤油，甲醇或丙酮，在滲碳溫度下裂解，形成CO,CO2,H2,CH4,H2O等組成的爐氣。一、化學(xué)熱處理基本過程

預(yù)備階段——吸附吸附----物質(zhì)在相界面上自動聚集過程。固體吸附----固體物質(zhì)自發(fā)地把周圍介質(zhì)中分子、原子或離子吸附到固體表面現(xiàn)象。物理吸附----分子間作用力，不具備選擇性；吸附化學(xué)吸附----吸附劑與吸附質(zhì)間相互作用的化學(xué)結(jié)合，具有選擇性。吸附量Γ=X/mX吸附氣體溶質(zhì)量m吸附劑質(zhì)量吸附時，鐵對于氣氛分解產(chǎn)生活性原子具有催化作用。2COCO2+[C]如：鐵的存在促進(jìn)了CO的分解，被吸附的CO的C-O鍵被明顯削弱。Fe·CO吸附＋CO氣體Fe·[C]+CO2Fe＋CO氣體→

Fe·CO吸附CO氣體分子Fe原子CO2Fe原子[C]吸附能力與鋼的表面活性有關(guān)，表面缺陷多（位錯、晶界露頭），粗糙，干凈無污染則表面活性高，吸附力強，可促進(jìn)化學(xué)熱處理。1、基本過程——分解反應(yīng)此過程滲劑進(jìn)一步分解，析出活性滲入原子。如：2CO[C]+CO2

CH4

[C]+2H2

2NH32[N]+3H2滲劑反應(yīng)通式：aA+bBc[C]+dDV1V2化學(xué)平衡常數(shù)：K=PcC*PdD/PaA*PbB

=Z·exp(-E/RT)E----激活能，Z----頻率因子一、化學(xué)熱處理基本過程要加快分解反應(yīng)：應(yīng)升高溫度，加大反應(yīng)物濃度，加入催滲劑。2、基本過程——吸收活性原子克服表面能壘進(jìn)入金屬表面，形成固溶體或化合物。一、化學(xué)熱處理基本過程溶解化合一、化學(xué)熱處理基本過程擴散層厚度δ與溫度關(guān)系：擴散層厚度δ與時間關(guān)系：A，a—實驗系數(shù)溫度的影響遠(yuǎn)大于時間3、基本過程——擴散活性原子被吸收后，造成表面－內(nèi)部的濃度差，引起滲入原子向內(nèi)擴散。整個化學(xué)熱處理速度取決于擴散速度(1)活性原子擴散宏觀規(guī)律服從Fick第一定律Fick第二定律5、擴散(2)擴散機制

交換型擴散

相鄰點陣位置原子依靠熱振動互換位置的擴散方式。一、化學(xué)熱處理基本過程間隙型擴散間隙原子在點陣中躍遷的擴散。環(huán)形旋轉(zhuǎn)型擴散處于某一晶面的同一平面上幾個原子能夠繞瞬時軸旋轉(zhuǎn)的擴散。一、化學(xué)熱處理基本過程空位型擴散

○○○○○○○○○○○○○○○○○○原子跳躍到相鄰空位，又形成新的空位的原子擴散。空位空位一、化學(xué)熱處理基本過程（3）擴散層形成規(guī)律a、純擴散金屬中滲入某種元素時，它們之間形成固溶體，隨擴散進(jìn)行，只有固溶體濃度變化，而無晶體結(jié)構(gòu)的改變。γαT℃CFeC0CS950C%至表面距離表面C0τ1τ2τ3CSA（3）擴散層形成規(guī)律

T1CmCminAT/℃Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距離AnBmAnBm′α表面αAAnBm′αAAnBm′αAAnBmT1溫度下擴散層組織變化過程b、反應(yīng)擴散（滲劑B向金屬A擴散為例）當(dāng)滲入元素濃度超過溶解度極限，會有新相形成。T1溫度下擴散層組織AnBm′αAAnBm冷卻到室溫后擴散層組織AnBm′αAAnBm快冷慢冷AnBm′AnBm′+αAAnBmαT1CmCminAT/℃CmaxAnBmAnBm′α第四章鋼的化學(xué)熱處理一、化學(xué)熱處理基本過程二、化學(xué)熱處理后性能

硬度耐磨損性能抗摩減摩性能抗疲勞性能耐腐蝕性能第四章鋼的化學(xué)熱處理一、化學(xué)熱處理基本過程二、化學(xué)熱處理后性能三、化學(xué)熱處理分類固體法：粉末法、涂滲法（膏劑、熔劑）、噴涂+擴散退火液體法：熔鹽法（熔鹽浸漬、熔鹽電解）、熱浸鍍、電鍍+擴散退火氣體法：氣體擴散法、真空蒸發(fā)法離子法：離子滲按化學(xué)熱處理進(jìn)行時組織狀態(tài)分類：奧氏體狀態(tài)：

滲碳、碳氮共滲、滲硼及硼基共滲、滲鉻及鉻基共滲、滲鋁及鋁基共滲、滲硅、滲釩、滲鈮、滲鈦等。鐵素體狀態(tài)：

滲氮、氧氮共滲、碳氮氧共滲、滲硫及硫基共滲、滲鋅等。4.2鋼的滲碳把零件放在具有增碳活性的介質(zhì)中加熱保溫，以增加工件表面含碳量的熱處理工藝。問題：在什么狀態(tài)下滲碳？A還是F？4.2鋼的滲碳基本思路：

在Fe—C相圖中，α-Fe中碳的最大溶解度0.0218%，而γ-Fe中碳的最大溶解度達(dá)到2.11%，所以在高溫下，A狀態(tài)下滲碳，可以獲得高的表面含碳量。滲后低溫淬火，以期獲得最高強度和最大表面硬度。問題：什么鋼需要滲碳？一、滲碳用鋼

低碳鋼和低碳合金鋼（碳含量0.1%～0.25%)低淬透性、低強度15、20、25中等強度，淬透性20Cr、20Mn2、20MnV

高強度，淬透性

20CrMnTi、

20CrMnMo等。超高強度20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA

4.2鋼的滲碳二、鋼滲碳原理（以氣體滲碳為例）（1）三個階段：分解、吸收、擴散2COCO2+[C]+172.4KJCH42H2+[C]–75.7KJCH3COCH33H2+CO+2[C]-KJ放熱反應(yīng)：隨溫度升高、反應(yīng)減慢，滲碳能力較弱；吸熱反應(yīng)：隨溫度升高、反應(yīng)加速，滲碳能力較強。主反應(yīng)問題：如何控制滲碳能力？4.2鋼的滲碳（2）滲碳劑的選擇滲碳劑的基本要求：有良好的滲碳能力、不產(chǎn)生碳黑、工藝性好，環(huán)保性，價廉、分子結(jié)構(gòu)簡單。通常：

C/O原子數(shù)比≤1，分解產(chǎn)生CO、H2，幾乎不能滲碳，稀釋劑C/O原子數(shù)比＞1，分解產(chǎn)生CO、H2外，還產(chǎn)生一定CH4，能產(chǎn)生[C]，屬于強滲碳劑，C/O比愈大，滲碳能力愈強。所以醇類、醚類、酮類等均是優(yōu)良滲碳劑，加入一部分飽和烷烴富化氣（稀釋用）構(gòu)成滲碳?xì)怏w。爐氣主要成分CO,CO2,H2,CH4,H2O其中滲碳?xì)怏w：COCH4脫碳?xì)怏w：CO2H2O通過控制CO和CO2的比例（可控氣氛滲碳），可控制爐氣的滲碳能力——碳勢（3）碳勢及其控制碳勢：

滲碳?xì)夥张c奧氏體之間達(dá)到動態(tài)平衡時，鋼表面碳含量。碳勢決定了滲碳件表面可達(dá)到的含碳量碳勢越高，滲碳能力越強，碳勢要和工件表面吸碳能力配合，一般采用分段控制。

爐氣主要成分CO,CO2,H2,CH4,H2O其中滲碳?xì)怏w：COCH4脫碳?xì)怏w：CO2H2O通過控制CO和CO2的比例，可控制碳勢問題1：如何控制滲碳時鋼表面碳含量（碳勢）？0.4%C0.6%CCO2%1.0%C1.2%C1.33%C0.8%CCO%碳勢與CO和CO2之間對應(yīng)關(guān)系如下圖（900℃）K=0.031764.2鋼的滲碳引入：活度因數(shù)ac=碳勢/奧氏體飽和時碳濃度

問題1：如何控制滲碳時鋼表面碳含量（碳勢）？

通過控制滲碳?xì)夥罩蠧O2和CO的比例。例：已知Fe+2COFe[C]+CO2900℃，奧氏體飽和碳含量1.33%，碳勢1.0%，假設(shè)總壓為1個大氣壓，CO+CO2總分壓為0.2大氣壓，請說明CO和CO2各自的分壓或含量。解：設(shè)CO+CO2系統(tǒng)中，CO壓力為X、CO2壓力為1-X，ac=1/1.33=0.752，K=ac*pco2/p2co(查表K=0.03176)，

可見，只要控制CO、CO2的含量或壓力，就能控制碳勢。得X=0.9917,1-X=0.0083則CO％=0.9917*0.2*100%=19.83%CO2％=0.0083*0.2*100%=0.17%問題：為何通過控制CO和CO2的比例可控制碳勢？通常滲碳?xì)怏w均為混合氣體CO,CO2,H2,CH4,H2O，這時的碳勢又如何控制？滲碳主反應(yīng)：2CO→[C]+CO2（1）CH4→[C]+2H2（2）CO+H2→[C]+H2O（3）2CO→2[C]+O2（4）滲碳?xì)怏wCO、CH4增加時，平衡右移，分解出的[C]增加，使氣氛碳勢增加；脫碳?xì)怏wCO2、H2O或O2增加時，分解出的[C]減少，使氣氛碳勢下降；為了控制氣氛碳勢，需研究上述反應(yīng)平衡情況。滲碳主反應(yīng)：2CO→[C]+CO2（1）CH4→[C]+2H2（2）CO+H2→[C]+H2O（3）CO→[C]+1/2O2（4）上述反應(yīng)并不孤立，如（1）（3）式中都有CO，則CO含量必須能同時滿足（1）（3）的平衡，可將二式聯(lián)立：（1）－（3）得：CO+H2O→CO2+H2

（2）－（1）得：CH4+CO2→2CO+2H2（2）－（3）得：CH4+H2O→2CO+3H2（3）＋（4）得：2CO+H2→2[C]+H2O+1/2O2

這些反應(yīng)之間存在著相互聯(lián)系和制約，但正常的滲碳?xì)怏w中，CO和H2的含量基本上是定值，剩余的CO2，H2O,CH4和O2含量之間有一定制約關(guān)系。CO2與H2O制約CO2與CH4CH4與H2OH2O與O2由此可知，在原料氣組分穩(wěn)定的情況下，CO為定值，再控制CO2,H2O,CH4和O2中的任何一種氣體的相對含量，便可控制上述反應(yīng)達(dá)到某一平衡點，從而實現(xiàn)控制氣氛碳勢的目的。一般控制CO2或H2O。CH4+CO2→2CO+2H2CH4+H2O→2CO+3H2如CH4的含量增加時，CO2和H2O會迅速減少，反應(yīng)為：如O2的含量增加時，CO2和H2O會迅速增多，反應(yīng)為：2H2+O2→2H2O2CO

+O2→2CO2問題3：生產(chǎn)上如何方便的控制碳勢？采用紅外線CO2控制采用露點法控制H2O由：CO+H2OCO2+H2例：已知，950℃，K=0.69，且露點與爐氣含水量關(guān)系如圖，滲碳爐排出氣體的露點-10℃，主要成分40%H2，20%CO，請預(yù)測工件表面碳含量？解：查右圖，露點-10℃時H2O含量為0.28%;4.2鋼的滲碳露點℃H2O含量%0.28-10查碳勢–CO--CO2圖,得此時表面碳勢為1.0%。4.2鋼的滲碳排氣升溫增碳期擴散期降溫期均溫升溫滲碳擴散冷卻三、滲碳工藝過程典型氣體吸熱式連續(xù)滲碳工藝，分為升溫、滲碳、擴散和冷卻四個區(qū)域。4.2鋼的滲碳（1）碳勢的選擇和控制一般滲碳件表面碳含量在0.6—1.1%之間變化，主要根據(jù)工件表面硬度要求來確定。選定碳勢后，可按前述方法實現(xiàn)控制。（2）滲碳溫度確定一般均需要在奧氏體化溫度范圍內(nèi)，920—930℃，小零件溫度低些。（3）滲碳時間滲層深度δ=(802.6*t1/2)/10(3720/T)（4）滲碳前處理非滲碳表面——預(yù)保護(hù)（涂料、鍍銅，加大加工余量）滲碳表面——清潔，不能有裂紋等四、滲碳主要工藝參數(shù)五、滲碳后的熱處理鋼鐵經(jīng)過滲碳處理后，表面碳含量雖然很高，但其硬度不高，只有經(jīng)過熱處理后，使其轉(zhuǎn)變成馬氏體，才能獲得較高的硬度和耐磨性能。直接淬火+低溫回火一次淬火+低溫回火二次淬火+低溫回火分級淬火+低溫回火4.2鋼的滲碳淬火+低溫回火。難點：淬火溫度的選擇，需同時滿足表面和心部要求（1）直接淬火法淬火+低溫回火。0T℃回火淬火820?850℃180?200℃t(h)加熱3?9h930℃滲碳直接淬火工藝預(yù)冷預(yù)冷作用：減少淬火變形降低A中含碳量淬火+低溫回火。（2）一次淬火法滲碳緩冷后重新加熱淬火淬火+低溫回火。（3）二次淬火法滲碳緩冷后進(jìn)行兩次淬火處理第一次淬火：AC3+30～50℃保證心部性能第二次淬火：AC1~ACCm之間硬化表面隱針M＋碳化物顆粒＋少量AR

六、滲層組織

P+Fe3CⅡF+P少PP+F表面中心零件1%C0.2%C滲碳時組織：A緩冷后組織：過共析共析亞共析心部淬火后組織：高碳M+Fe3C+Ar低碳M+F（少量）硬度：高低4.2鋼的滲碳理想滲層組織：隱針M+彌散細(xì)小Fe3C+少量均勻Ar

1%CP+Fe3C0.2%CF+P少表面中心零件PP+F滲層厚度：一般0.8～2mm質(zhì)量檢查：滲層深度硬度金相組織七、滲碳常見缺陷表面硬度偏低滲層深度不夠或不均勻金相組織不合格（網(wǎng)狀或大塊狀碳化物，滲層大量殘余奧氏體）變形超差4.2鋼的滲碳八、常見滲碳方法氣體滲碳液體滲碳固體滲碳高頻滲碳真空滲碳電解滲碳流態(tài)床滲碳4.2鋼的滲碳?xì)怏w滲碳法示意圖固體滲碳法示意圖零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱定義:將N滲入鋼件表面，以提高其硬度、耐磨性和疲勞強度的一種化學(xué)熱處理方法。優(yōu)點:高硬度，耐磨性高紅硬性高抗咬和性高疲勞強度高抗蝕性工件變形小常用工藝：氣體滲氮、液體氮化、軟氮化（氮碳共滲）離子氮化4.3鋼的氮化缺點:生產(chǎn)周期長成本高滲層薄不能承受高的接觸應(yīng)力和沖擊載荷4.3鋼的氮化一、Fe－N相圖及氮化層組織1、Fe－N相圖

α相：N在α-Fe中間隙固溶體，在590℃最大溶解度γ相：N在γ-Fe中間隙固溶體，在650℃最大溶解度γ’相：可變成分間隙固溶體，在680℃溶于ε相ε相：含4.55—11.0%N的Fe2-3N化合物，以Fe2-3N為基固溶體ξ相：含11.1—11.35%N的Fe2N化合物，以Fe2-N為基固溶體氮化時上述間隙固溶體相都有可能存在氮化層中。

2、純鐵氮化層組織N化時組織（T<590℃）：ε→γ`→α→心部N化后緩冷組織：ε→ε＋γ`→α＋γ`→α→心部t1t4t3t2εγ’α心部εγ’αN%層深εγ’α+γ’心部滲氮時緩冷后ε+γ’例：38CrMoAlA鋼在590℃下進(jìn)行氮化時，其過程是：

3、碳鋼與合金鋼氮化層組織碳鋼與純鐵大致相同α為C、N在α－Fe中的固溶體γ為C、N在γ－Fe中的固溶體合金鋼中，形成過程基本相同，只是N與Me可形成氮化物彌散分布在氮化層中吸收氮[N]→α①②AlNMoNMo2NCrNCr2N③→ε④→γ′4.3鋼的氮化二、氣體氮化原理以氨氣氮化為例，分成三個階段：

分解

NH3[N]+1.5H2Fe+NH3Fe[N]+1.5H2[N]的吸收N原子的擴散N的擴散系數(shù)>CN化層形成過程示意①向爐內(nèi)不斷通入氨氣②氨分子向金屬表面遷移③氨分子被金屬表面吸附④氨分子在金屬表面不斷分解，形成氮原子和氫原子⑤活性原子復(fù)合成分子，不斷從爐內(nèi)排出⑥表面吸附的活性氮原子溶解于α－Fe中N化層形成過程示意⑦氮原子由金屬表面向內(nèi)部擴散⑧當(dāng)?shù)^在α－Fe中的溶解度后，表層開始形成氮化物⑨氮化物長大⑩表面依次形成γ′和ε相⑾氮化層不斷增厚⑿氮從氮化物層向金屬內(nèi)部擴散4.3鋼的氮化二、氣體氮化原理氮化層強化機理氮化強化與滲碳強化區(qū)別滲碳強化:先滲碳后淬火獲得相變高碳馬氏體強化相氮化強化:合金氮化物的時效強化，氮化后無須熱處理N化強化機理

1）N和Me元素原子的偏聚形成G-P區(qū)，引起強烈畸變。

2）過渡型氮化物的析出；

3）穩(wěn)定的合金氮化物具有彌散強化效果。強化效果與合金元素有很大關(guān)系，形成的合金氮化物越穩(wěn)定，其強化效果越好，Al、Cr、Mo能強烈提高氮化層的硬度，氮化王牌鋼38CrMoAlA氮化與滲碳如何保證零件心部韌性？滲碳：心部低碳＋滲后熱處理氮化：滲前調(diào)質(zhì)處理4.3鋼的氮化三、氣體氮化工藝氮化鋼主要為中碳調(diào)質(zhì)鋼,有38CrMoAlA,40Cr等.氮化前熱處理進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,獲得回火索氏體組織。非氮化面的防護(hù)鍍錫、涂料（水玻璃+石墨）氮化溫度和時間確定氮化溫度一般在480—570℃左右。（低于前面回火T約50℃）氮勢（氨分解率）控制氨分解率=（氫氣體積+氮氣體積）/爐氣總體積說明：氨分解率測量時，采用爐內(nèi)抽區(qū)廢氣密封，注入水、由于氨溶解于水，剩下為氫氣和氮氣，求它們的比值即為氨分解率。4.3鋼的氮化典型氮化工藝：A.等溫氮化，如38CrMoAlA鋼氮化前處理1050℃+560℃回火Ⅰ：升溫階段Ⅱ：形成氮化物階段采用低氨分解率（18—25%），使表面快速吸收大量氮原子；Ⅲ：擴散