化学热处理.ppt

回顾上节内容,概念表面快速加热，心部不加热,感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火,方法,,目的外硬内韧,前面所讲热处理共同特点,不改变钢件成分只改变内部组织,第六讲,钢的化学热处理,不仅改变内部组织还要改变钢件成分,第六讲化学热处理,教学目标,1.掌握化学热处理的概念，目的。2.熟悉常用方法、特点与应用。,第六讲化学热处理,一、化学热处理的基本过程,二、钢的渗碳,三、钢的渗氮,四、钢的碳氮和氮碳共渗,一、化学热处理的基本过程,定义将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。,活性原子从工件表层向内部的扩散形成渗层,原理（过程）,渗剂分解出活性原子,→,工件表面对活性原子的吸收,→,目的表层获得高硬度、高耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀等性能，而心部仍保持原有韧性。（外硬内韧）,将钢件（渗碳钢）置于高碳介质中加热至900950℃，保温足够时间，获得高碳表层后，淬火低回的热处理工艺。,二、钢的渗碳,「C」从工件表层向内部的扩散形成渗碳层,原理（过程）,渗碳剂分解出「C」,→,工件表面对「C」的吸收,→,一渗碳件的主要技术要求和渗碳用钢,渗碳件的主要技术要求,渗碳层表面碳的质量百分数一般控制在0.70～1.05％渗碳层深度是指零件经渗碳后，含碳量高于心部的表层厚度。,齿轮渗碳层深度（mm）＝齿轮模数（0.15～0.25）,其它渗碳零件渗碳层深度按零件壁厚汁算。渗碳层深度mm＝零件壁厚0.1～0.2,（厚壁零件选择系数的下限，而薄壁零件选择上限值）,2.渗碳用钢,渗碳用钢的碳的质量分数一般在0.15～0.25之间。,一般要求的渗碳件，多用碳素钢制造，如15和20钢。对于工件截面较大、形状复杂，表面耐磨性、疲劳强度、心部力学性能要求高的零件，多用合金渗碳钢来制造，如20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo和18Cr2Ni4WA等。,1.固体渗碳,设备固体渗碳箱,常用的固体渗碳剂硬木木炭及焦炭。,常用的催渗剂碳酸钡或碳酸钠,Na2CO3→Na2O＋CO2BaCO3→BaO＋CO2CO2＋C→2CO,（二）渗碳方法,固体渗碳法示意图,2.气体渗碳,常用渗碳设备,气体渗碳炉分为周期式炉和连续式炉。,周期式炉有井式、卧式和滚筒炉等形式；,连续式炉有振底式、输送带式、旋转罐式以及推杆式等炉型。,按热源分为电加热炉和煤气加热炉。,井式气体渗碳炉,气体渗碳法示意图,,大型井式渗碳炉,（三）渗碳后的热处理,淬火＋低温回火,1.淬火,（1）预冷直接淬火,（2）一次淬火,（3）二次淬火,渗碳件常用的淬火方法,（1）预冷直接淬火,优点是减少加热和冷却次数，操作简化，生产率提高。可减少淬火变形及表面氧化脱碳。,目前本质细晶粒钢（如20CrMnTi、20MnVB等）制作的工件大都采用此法。,在淬透情况下，表层组织为回火马氏体＋部分二次渗碳体＋残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体。,（2）一次淬火,淬火温度的选择应兼顾表面和心部的要求。,加热温度高于心部Ac3，改善心部性能；在Ac1以上，改善表面性能。,该法也仅适用于本质细晶粒钢，如合金钢和不重要的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。,第一次淬火温度Ac3以上，改善心部性能；第二次在Ac1以上，改善表面性能。,仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高的工件。,这种方法因加热次数多，工艺较复杂，工件易氧化、脱碳和变形，成本高等缺点，目前已很少采用。,（3）二次淬火,消除淬火应力，提高韧性，保持高硬度与耐磨性。,2.低温回火（160～200℃）,渗碳层的缓冷组织（由表面至心部）,过共析组织（P＋Fe3CⅡ）→共析组织（P）→亚共析组织（P＋F）→心部组织,渗碳件渗碳后淬火及低温回火后的组织表面M回＋A；心部低碳M回＋T＋F。（淬透）,（四）渗碳后的组织,渗碳后缓冷时渗碳层的显微组织,20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火及低温回火后的显微组织,（五）渗碳件的加工工艺路线,三、钢的渗氮（氮化）,（一）气体氮化工艺,工件表面渗入N原子，以提高钢铁件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。,设备井式炉,渗氮剂氨气,渗氮温度500～580℃；渗层厚度主要由渗氮时间决定。,2NH3⇌3H2＋2[N],氮化速度慢，所需时间长，渗层也比较薄。,井式气体氮化炉,40Cr钢,45钢,钢渗氮后的显微组织,（二）渗氮用钢及渗氮的特点,1.渗氮用钢一般选用中碳合金钢。氮化用钢的常见代表钢种为38CrMoAlA，其特点是渗氮后可获得最高的硬度（1200HV），具有良好的淬透性。因此，普遍用来制造要求表面硬度高、耐磨性好、心部强度高的渗氮件。,2.渗氮的特点,（1）氮化处理是工件加工工艺路线中最后一道工序。氮化零件工艺路线下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→去应力退火→粗磨→渗氮→精磨或研磨（2）氮化温度低，变形很小。与渗碳、感应加热淬火相比，其变形很小。,（3）渗氮后的工件，不需淬火便具有很高的表面硬度、耐磨性和红硬性。（4）氮化显著提高钢的疲劳强度。（5）氮化后的钢具有很高的耐腐蚀性。,（三）离子氮化,置于低真空度容器内的工件在辉光放电的作用下，带电氮离子轰击工件表面，使其温度升高，并渗入工件表层。,设备离子渗氮炉（深井式与钟罩式）,渗氮剂N2＋H2、氨气、氨分解气,优点,渗层质量高，处理温度宽，工艺可控性强，工件变形小，易实现局部防渗，渗速快，生产周期短，热效高，无污染，处理后工件洁净，工作环境好。,,（一）中温气体碳氮共渗（820～860℃）,渗剂渗碳剂＋氨气,将工件放在能产生碳、氮活性原子的介质中加热并保温，使工件表面同时吸收碳和氮原子并向内部扩散，然后按适当方式冷却的过程。,四、钢的碳氮和氮碳共渗,设备各种渗碳炉均适用于碳氮共渗，但在普通渗碳炉上须加一套供氨设备。,因加热温度低，共渗后可直接淬火。可用较低的速度冷却，淬火变形和开裂的倾向小；渗速较快，可以缩短工艺周期；氮提高了回火稳定性，可在较高温度回火。,共渗并淬火后组织表面含氮的高碳M（细针状）＋少量A＋碳氮化合物（颗粒状）,心部低碳M或低碳M＋屈氏体,硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性优于渗碳。,工艺上与渗碳相比，具有不同的特性。,应用汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件。当共渗层的厚度≤0.75时，采用碳氮共渗既可获得高性能的零件，又可提高生产率和降低生产成本。,,渗剂NH3、尿素（NH2）2CO或甲酰胺＋渗碳剂,设备气体渗碳炉,共渗组织与渗氮层大致相同，但由于碳的作用，化合物层的成分有所变化（Fe2～3（N，CFe4N。,（二）低温气体氮碳共渗（500～570℃）（软氮化）,性能上，抗疲劳性优于渗碳和中温碳氮共渗，硬度低于氮化，渗层较薄，不适于重载件。,应用普遍用于模具、量具及耐磨零件处理。如3Cr2W8压铸模经软氮化处理其寿命提高3～5倍；高速钢刀具经软氮化处理后寿命可提高20～200。,特点氮化速度快，时间短，一般为l～4h，而气体氮化长达几十小时；软氮化所形成的表面白亮层一般脆性较小，不容易发生剥落；零件变形很小；适用的材料广，气体氮化适用于特殊的渗氮钢，而软氮化不受材料限制，,其他热处理,同学们自学,重点小结,概念活性介质，改变表层成分、组织、性能，而心部性能不变,渗碳,氮化,方法,,目的外硬内韧、抗疲劳、耐腐蚀等,作业,第43页思考题与习题10.11.18.,谢谢大家,