化学热处理和表面淬火(I)

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1、化学热处理与表面淬火河北工业大学教授材料科学系主任武建军博士3钢的化学热处理和表面淬火定义：化学热处理是将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。根据渗入的元素来命名渗碳、氮化、碳氮共渗等可提高工件表面的硬度、耐磨性以及疲劳强度；渗氮、渗硅、渗铝等用于提高工件的抗腐蚀性、抗氧化性，应用最广的化学热处理是渗碳、氮化和碳氮共渗。化学热处理的基本过程－分解化学介质在高温下(分解或蒸发)释放出待渗的活性原子，例如2COCO2+〔C〕影响

2、因素：反应温度介质浓度催化剂种类等化学热处理的基本过程－吸收活性原子被零件表面吸附，进而溶解或反应。根据作用力性质，分为化学吸附和物理吸附。影响因素：温度表面活性表面面积等化学热处理的基本过程－扩散扩散是由于原子等微粒热运动引起的物质传输现象。活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定深度的扩散层（固溶体，或化合物）扩散的阻力和条件扩散与原子热运动相关，阻力就是周围原子对运动原子的限制（扩散激活能），不是所有原子都可以移动的！阻力（和键能相关）大小不易改变因此必须在满足以下条件才能实现（1）扩散原子能固溶；（2）具有驱动力：如浓度梯

3、度，温度梯度。（3）温度足够高；（4）时间足够长；加速化学热处理的措施提高活性物质的浓度提高温度活化金属表面，如净化活化表面提高活性粒子的活性，如电场加速改变基体材料复合渗等扩散定律菲克（A.Fick）于1855年通过实验获得了关于稳定态扩散的第一定律，其数学表达式为即在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散流量J与浓度梯度成正比，式中D为扩散系数，J为扩散通量，负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。影响扩散系数的因素温度晶体结构固溶体类型浓度晶体缺陷扩散方程的一个解纯铁渗碳时，在含碳量不变的气氛中，C浓度分布的试验结果与

4、计算结果符合很好抛物线规律应用中，常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限，然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。对于一定界面C，为定值；即渗层厚度x符合式中K为比例系数，这个关系式常称为抛物线时间规律。这一关系被广泛地应用于如钢铁渗碳、晶体管或集成电路生产等工艺。在一指定浓度C时，增加一倍扩散深度则需延长四倍的扩散时间。3.1钢的渗碳目的：提高表面含碳量，从而提高表面硬度、强度、耐磨性举例：轴承，拖拉机变速齿轮方法：气体，离子，真空，固体等渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢：20钢、20Cr18CrMnTi、、20CrMnTi钢等，考虑力学

5、性能、工艺性（尺寸与淬透性、晶粒长大）要求和成本等进行选择常用温度：900～950℃？渗碳件主要技术要求碳势：~1%，根据性能要求而定碳浓度梯度：平缓，有利于渗层与基体的结合，减少剥落。对于一些零件甚至规定过共析层＋共析层的深度不超过60～70％渗层深度：主要取决于工件受力和设计寿命等因素，对于一些薄、小零件，渗层深度一般不超过截面尺寸的20％渗碳件的预备热处理提高切削加工性（主要）为渗碳淬火作组织准备（次要）多采用正火处理气体渗碳－滴注式介质：煤油、醇、苯等液体工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900～950℃(常用930

6、℃)，向炉内滴入煤油、等有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下在工件表面进行反应，生成活性碳原子，被表面吸收并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。常用方法介质选择原则碳氧比大于1，必要条件目前，常采用两种或以上介质搭配，控制碳势及成本安全性经济性：产气量大碳当量大便宜，易得滴注式气体渗碳工艺一般分为升温排气、渗碳（包括强渗和扩散），降温冷却几个阶段碳势主要取决于液体种类、流量和温度排气阶段：滴量大，快速换气，防止零件氧化。>750℃开始甲醇，>900℃煤油。到温后延续30－60分钟渗碳阶段

7、：正压150～200Pa，用富碳渗剂滴量控制碳势。两段法渗层碳浓度梯度小，结合好，渗速较快降温阶段：降温至出炉温度滴注式气体渗碳操作要点表面清洁；同一炉零件材料、技术要求相同；炉内正压，废气点燃；零件之间气氛流通；经常校对碳势；严禁在750℃以下向炉内滴入有机液体，防爆吸热式气氛渗碳将碳氢化合物气体与空气按一定比例混合后，在催化剂和加热条件下进行吸热反应，得到碳势较低的渗碳气氛。富化气多采用丙烷。可以通过调节富化气流量实现炉气碳势的调节（一般）用于连续作业炉，常用即可连续式渗碳炉分为加热、渗碳、扩散、冷却四个区，可以对碳势和温度

8、进行分区控制气体渗碳的优点：生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易控制，容易实现机械化、自动化，适用于大批量生产。离子渗碳与真空渗碳特点在低真空条件下渗碳可以采用较高的温度（和电场加速），效率高渗层均匀，尤其是小孔节能节省渗剂，环境好固体渗碳传统工艺渗碳工艺：工件