鋼的化學(xué)熱處理課件

1、鋼的化學(xué)熱處理課件鋼的化學(xué)熱處理課件2009-04-27熱處理工藝 要解決這一問題，可以采用化學(xué)熱處理的方法。 化學(xué)熱處理與物理熱處理最大的區(qū)別是前者改變了鋼的化學(xué)成分。2009-04-27熱處理工藝 要解決這一問題，可以采2009-04-27熱處理工藝1 化學(xué)熱處理 將零件置于一定介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入零件表層，以改變表層的化學(xué)成分和組織，從而使零件表層具有所需的特殊性能的熱處理工藝。一 化學(xué)熱處理分類與基本過程2009-04-27熱處理工藝1 化學(xué)熱處理 將2009-04-27熱處理工藝化學(xué)熱處理的作用主要有以下兩個(gè)方面： 提高工件表層的某些力學(xué)性能，如表層硬度、 耐磨性

2、、疲勞極限等。 保護(hù)工件表面 ，提高工件表層的物理、化學(xué)性能， 如耐高溫、耐腐蝕等。2009-04-27熱處理工藝化學(xué)熱處理的作用主要有以下兩個(gè)2009-04-27熱處理工藝2 化學(xué)熱處理的分類滲非金屬化學(xué)熱處理：如滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲等；滲金屬化學(xué)熱處理：如滲鋁、滲鉻、滲鋅、滲鈦等。3 化學(xué)熱處理進(jìn)行的必要條件a 材料本身對(duì)欲滲的活性原子具有一定的溶解度，或具有與活性原子形成化合物的能力。b 滲入的原子必須具有化學(xué)活性和較大的擴(kuò)散能力。2009-04-27熱處理工藝2 化學(xué)熱處理的分類滲非金屬化2009-04-27熱處理工藝4 化學(xué)熱處理的基本過程分解零件周圍介質(zhì)中的滲劑分子發(fā)生分解，

3、形成 滲入元素的活性原子。吸收活性原子被表面吸收的過程。擴(kuò)散滲入原子在金屬基體中由表面向內(nèi)部的擴(kuò)散。5 滲層的組織結(jié)構(gòu)與形成過程滲入元素在基體中可無限互溶純擴(kuò)散單相固溶體滲入元素在基體中溶解度有限反應(yīng)擴(kuò)散化合物2009-04-27熱處理工藝4 化學(xué)熱處理的基本過程分解2009-04-27熱處理工藝二 鋼的滲碳滲碳滲碳目的：提高鋼表層的含碳量，經(jīng)熱處理后， 使表層具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的強(qiáng)度，較高的塑、韌性。 將低碳鋼置于具有足夠碳勢(shì)的介質(zhì)中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫，使其表面形成富碳層的化學(xué)熱處理工藝。滲碳?xì)夥张c鋼件表面達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)鋼表面的含碳量。2009-04-27熱處理工藝

4、二 鋼的滲碳滲碳滲碳目的：提高2009-04-27熱處理工藝滲碳鋼材： 采用低碳鋼，低碳合金鋼 （零件心部塑、韌性很好） 如：15、20、20Cr、20CrMnTi滲碳工藝的分類：按所用滲碳介質(zhì)的不同，分為：氣體滲碳：以天然氣、丙烷、丁烷等氣體為主劑的滲碳法。 固體滲碳：以木炭為主劑的滲碳法。 液體滲碳：以氰化鈉（NaCN）為主劑之滲碳法。 2009-04-27熱處理工藝滲碳鋼材：滲碳工藝的分類：2009-04-27熱處理工藝1 滲碳原理 爐氣反應(yīng)與碳勢(shì)控制（分解）與滲碳有關(guān)的主要反應(yīng)：將相關(guān)反應(yīng)式聯(lián)立可得：2009-04-27熱處理工藝1 滲碳原理 爐氣反應(yīng)與碳勢(shì)2009-04-27熱處理工

5、藝反應(yīng)平衡常數(shù)：平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)：因此，只要控制反應(yīng)氣氛中CO2、H2O、CH4或O2中的任何一個(gè)的含量，便可控制上述反應(yīng)達(dá)到某個(gè)平衡，從而實(shí)現(xiàn)控制氣氛碳勢(shì)的目的。2009-04-27熱處理工藝反應(yīng)平衡常數(shù)：平衡常數(shù)只與溫度2009-04-27熱處理工藝 碳原子的吸收要使反應(yīng)生成的活性碳原子被鋼件表面吸收，必須滿足以下條件： 工件表面應(yīng)清潔，無外來阻擋，為此工件入爐前務(wù)必清理表面； 活性碳原子被吸收后，剩下的CO2、H2或H2O需及時(shí)被驅(qū)散，否則增碳反應(yīng)無法繼續(xù)進(jìn)行下去，這就要求爐氣有良好的循環(huán)； 控制好分解和吸收兩個(gè)階段的速度，使之恰當(dāng)配合，如供給碳原子的速度(分解速度)大于吸收的速度，

6、工件上便會(huì)出現(xiàn)積碳，這會(huì)在一定程度上影響吸收速度。2009-04-27熱處理工藝 碳原子的吸收要使反應(yīng)生成的2009-04-27熱處理工藝 碳原子的擴(kuò)散Fick第一定律：碳在-Fe中以間隙擴(kuò)散方式進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散系數(shù)為：或單位時(shí)間內(nèi)碳的擴(kuò)散流量取決于擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度。溫度和濃度會(huì)影響碳的擴(kuò)散系數(shù)。2009-04-27熱處理工藝 碳原子的擴(kuò)散Fick第一定2009-04-27熱處理工藝碳濃度和滲碳溫度一定滲碳層深度滲層深度因子滲碳時(shí)間不同溫度下滲碳層與滲碳溫度的關(guān)系滲碳層深度滲層深度因子滲碳溫度的變化2009-04-27熱處理工藝碳濃度和滲碳溫度一定滲碳層深度2009-04-27熱處理工藝滲碳層

7、濃度梯度表面心部2009-04-27熱處理工藝滲碳層濃度梯度表面心部2009-04-27熱處理工藝 合金元素對(duì)滲碳過程的影響a 合金元素對(duì)表面碳濃度的影響強(qiáng)碳化物形成元素Ti、Cr、Mo和W等，滲碳層表面濃度非碳化物形成元素Si、Ni和Al等，滲碳層表面濃度b 合金元素對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo和W等，碳的擴(kuò)散系數(shù)非碳化物形成元素Co和Ni，碳的擴(kuò)散系數(shù)2009-04-27熱處理工藝 合金元素對(duì)滲碳過程的影響a2009-04-27熱處理工藝c 合金元素對(duì)滲碳層深度的影響強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo和Mn等，稍微滲碳層深度非碳化物形成元素Si、Ni和W等，滲碳層深度2009-04-

8、27熱處理工藝c 合金元素對(duì)滲碳層深度的影響2009-04-27熱處理工藝2 氣體滲碳工藝a 氣氛碳勢(shì)的選擇與控制對(duì)于低合金滲碳鋼，表面wc為0.8%1.0%時(shí)性能最佳。2009-04-27熱處理工藝2 氣體滲碳工藝a 氣氛碳勢(shì)的2009-04-27熱處理工藝b 滲碳溫度的選擇與控制 影響分解反應(yīng)平衡，從而影響碳勢(shì) 影響碳的擴(kuò)散速度和滲層深度 影響鋼中的組織c 滲碳時(shí)間的選擇與控制滲碳時(shí)間與滲碳層深度的關(guān)系：生產(chǎn)中的滲碳溫度一般為9209302009-04-27熱處理工藝b 滲碳溫度的選擇與控制 影響2009-04-27熱處理工藝d 分段工藝參數(shù)的選擇升溫階段 用較低碳勢(shì)高速滲碳階段 用高于所

9、需表面碳含量的碳勢(shì)，時(shí)間較長(zhǎng)擴(kuò)散階段 碳勢(shì)降至表面碳含量，時(shí)間較短預(yù)冷階段 溫度降至淬火溫度2009-04-27熱處理工藝d 分段工藝參數(shù)的選擇升溫階段2009-04-27熱處理工藝3 固體滲碳采用固體滲碳劑：木炭+碳酸鹽與氣體滲碳相比，固體滲碳速度慢、生產(chǎn)率低，且質(zhì)量不易控制；但設(shè)備簡(jiǎn)單，適用于小型零件。在固體滲碳劑中滲碳的方法。原理：固體滲碳仍是通過氣體介質(zhì)進(jìn)行的。2009-04-27熱處理工藝3 固體滲碳采用固體滲碳劑：木2009-04-27熱處理工藝4 液體滲碳在液體介質(zhì)中滲碳的方法。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、加熱均勻、滲碳速度快、適合于小零件的單件或小批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：易腐蝕零件原理：滲碳反應(yīng)仍

10、然是在鋼表面的氣相反應(yīng)。2009-04-27熱處理工藝4 液體滲碳在液體介質(zhì)中滲2009-04-27熱處理工藝5 滲碳件的熱處理與組織過共析層共析滲碳層亞共析過渡層心部碳含量降低珠光體和滲碳體珠光體珠光體和鐵素體原始組織2009-04-27熱處理工藝5 滲碳件的熱處理與組織過共析2009-04-27熱處理工藝淬火+回火時(shí)間溫度預(yù)冷直接淬火一次加熱淬火二次加熱淬火150190AcmAc3Ac12009-04-27熱處理工藝淬火+回火時(shí)間溫度預(yù)冷直接淬火2009-04-27熱處理工藝6 滲碳層深度的測(cè)量 化學(xué)分析法 金相法 硬度法 全滲碳層深度 由表面到原始成分處的距離。有效滲碳層深度 零件經(jīng)滲碳

11、淬火后由表面至硬度為550HV處的距離。2009-04-27熱處理工藝6 滲碳層深度的測(cè)量 化學(xué)分析2009-04-27熱處理工藝7 滲碳件的常見缺陷 表面硬度偏低 滲碳層深度不足或不均勻 金相組織不合格 滲碳層內(nèi)氧化 心部硬度偏高或偏低2009-04-27熱處理工藝7 滲碳件的常見缺陷 表面硬度2009-04-27熱處理工藝三 鋼的滲氮 將氮滲入工件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐蝕性能的一種化學(xué)熱處理方法。1 滲氮的特點(diǎn) 高硬度和高耐磨性 高的疲勞強(qiáng)度 變形小而規(guī)律性強(qiáng) 較好的抗咬合性能 較高的抗蝕性能 處理時(shí)間長(zhǎng) 生產(chǎn)成本高 滲碳層較薄 脆性較大優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)2009-04-27熱處理

12、工藝三 鋼的滲氮 2009-04-27熱處理工藝2 Fe-N相圖與純鐵滲碳層的組織Fe-N相圖以Fe2N化合物為基的固溶體是含氮范圍很寬的化合物N在-Fe中的間隙固溶體N在-Fe中的間隙固溶體以氮化物Fe4N為基的固溶體2009-04-27熱處理工藝2 Fe-N相圖與純鐵滲碳層的2009-04-27熱處理工藝純鐵滲碳層的組織 化合物層，又稱白層 擴(kuò)散層2009-04-27熱處理工藝純鐵滲碳層的組織 化合2009-04-27熱處理工藝3 氣體滲碳原理 氨氣的分解反應(yīng)平衡常數(shù)：2009-04-27熱處理工藝3 氣體滲碳原理 氨氣的分解2009-04-27熱處理工藝 氮原子的吸收2009-04-27

13、熱處理工藝 氮原子的吸收2009-04-27熱處理工藝 氮原子的擴(kuò)散氮原子在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)可表示為：D0 擴(kuò)散常數(shù)Q 擴(kuò)散激活能R 摩爾氣體常數(shù)d=1/22009-04-27熱處理工藝 氮原子的擴(kuò)散氮原子在鐵中的2009-04-27熱處理工藝 合金元素的影響和氮化強(qiáng)化機(jī)理a 合金元素一般都降低氮化層的深度。b 合金元素對(duì)氮化層硬度的影響非常顯著。2009-04-27熱處理工藝 合金元素的影響和氮化強(qiáng)化機(jī)2009-04-27熱處理工藝強(qiáng)化機(jī)制：a 氮和合金元素在相中的偏聚，形成G-P區(qū)；b -Fe16N2型過渡氮化物的析出。2009-04-27熱處理工藝強(qiáng)化機(jī)制：a 氮和合金元素在2009-04

14、-27熱處理工藝4 滲碳前的熱處理調(diào)質(zhì)處理2009-04-27熱處理工藝4 滲碳前的熱處理調(diào)質(zhì)處理2009-04-27熱處理工藝5 氣體滲氮工藝 滲氮溫度和時(shí)間的選擇溫度滲氮層深度和滲氮層硬度 時(shí)間滲氮層深度2009-04-27熱處理工藝5 氣體滲氮工藝 滲氮溫度和2009-04-27熱處理工藝 氣氛氮?jiǎng)莸倪x擇氮?jiǎng)荩旱獎(jiǎng)菖c氨分解率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。2009-04-27熱處理工藝 氣氛氮?jiǎng)莸倪x擇氮?jiǎng)荩旱獎(jiǎng)菖c2009-04-27熱處理工藝6 滲氮的常見缺陷 表面硬度偏低 心部硬度超差 滲氮時(shí)產(chǎn)生金相組織不合格2009-04-27熱處理工藝6 滲氮的常見缺陷 表面硬度偏2009-04-27熱處理工藝

15、7 離子滲碳 離子滲氮特點(diǎn)： 速度快，時(shí)間段，節(jié)約電能和氣體； 表面形成的白層很薄，甚至沒有； 引起的變形?。?易于實(shí)現(xiàn)局部氮化； 易于實(shí)現(xiàn)均勻氮化； 可適用于各種材料； 節(jié)約電能和氨氣的消耗； 勞動(dòng)條件有所改善，不產(chǎn)生污染。2009-04-27熱處理工藝7 離子滲碳 離子滲氮特點(diǎn)：2009-04-27熱處理工藝 離子滲氮原理：陽極陰極a 使工件加熱；b 部分氮離子直接進(jìn) 入工件表面；c 使零件表面的鐵原子飛濺出來，發(fā)生陰極濺射現(xiàn)象。2009-04-27熱處理工藝 離子滲氮原理：陽極陰極a 2009-04-27熱處理工藝 離子滲氮工藝：電參數(shù)電壓和電流熱參數(shù)時(shí)間和溫度氣參數(shù)氣體成分、壓力和流量

16、2009-04-27熱處理工藝 離子滲氮工藝：電參數(shù)電壓2009-04-27熱處理工藝四 鋼的碳氮共滲和軟氮化鋼的碳氮共滲同時(shí)向鋼中滲入碳原子和氮原子隨后快速 冷卻的一種化學(xué)熱處理工藝。根據(jù)共滲溫度不同可分為：高溫碳氮共滲碳氮共滲低溫碳氮共滲軟氮化與滲碳相比，高溫碳氮共滲有如下特點(diǎn)：耐磨性較高；滲層的回火抗力較高；滲層淬透性較高；較高的疲勞強(qiáng)度；較快的滲入速度。2009-04-27熱處理工藝四 鋼的碳氮共滲和軟氮化鋼的碳2009-04-27熱處理工藝a 氣體碳氮共滲原理與工藝： 碳氮共滲高溫碳氮共滲的工藝：溫度800880，時(shí)間0.54h，氣氛為滲碳?xì)猓ㄝd體氣+富化氣）+1%10%氨氣。2009-04-27熱處理工藝a 氣體碳氮共滲原理與工藝：2009-04-27熱處理工藝b 碳氮共滲后的熱處理：淬火+低溫回火c 碳氮共滲的組織和性能表層：馬氏體+殘余奧氏體+彌散分布的氮化物心部：馬氏體+殘余奧氏體d 碳氮共滲常出現(xiàn)的缺陷 表層殘留奧氏體過多 滲層中出現(xiàn)空洞 內(nèi)氧化 網(wǎng)狀化合物2009-04-27熱處理工藝b 碳氮共滲后的熱處理：淬火+2009-04-27熱