第五章钢的化学热处理精选文档.ppt
第五章钢的化学热处理The material Science of School本讲稿第一页，共三十二页第十章第十章 钢的化学热处理钢的化学热处理10.1 10.1 概述概述化学热处理的优点？化学热处理的优点？能有效改善钢表面的成分、组织和性能能有效改善钢表面的成分、组织和性能不受工件形状限制不受工件形状限制本讲稿第二页，共三十二页第十章第十章 钢的化学热处理钢的化学热处理化学热处理基本过程化学热处理基本过程 三个过程：三个过程：渗剂的渗剂的分解分解零件表面对活性原子的零件表面对活性原子的吸收吸收活性原子从零件表面向内部活性原子从零件表面向内部扩散扩散本讲稿第三页，共三十二页1、分解、分解渗剂分解，析出活性渗入原子。渗剂分解，析出活性渗入原子。如：如：2CO CO2+CCH4 C+2H2 2NH3 2N+3H2化学热处理基本过程化学热处理基本过程要加快分解反应：应升高温度，加大反应物浓度，加入催渗剂。要加快分解反应：应升高温度，加大反应物浓度，加入催渗剂。本讲稿第四页，共三十二页2、吸收、吸收活性原子克服表面能垒进入金属表面，形成固溶体或化合物。活性原子克服表面能垒进入金属表面，形成固溶体或化合物。化学热处理基本过程化学热处理基本过程溶解溶解化合化合 吸收能力与钢的表面活性有关，表面缺陷多（位错、晶吸收能力与钢的表面活性有关，表面缺陷多（位错、晶界露头），粗糙，干净无污染则表面活性高，吸附力强，界露头），粗糙，干净无污染则表面活性高，吸附力强，可促进化学热处理。可促进化学热处理。本讲稿第五页，共三十二页3 3、扩散、扩散活性原子被吸收后，造成表面内部的浓度差，活性原子被吸收后，造成表面内部的浓度差，引起渗入原子向内扩散。引起渗入原子向内扩散。整个化学热处理速度取决于扩散速度整个化学热处理速度取决于扩散速度(1)(1)活性原子扩散宏观规律活性原子扩散宏观规律服从服从 Fick Fick第一定律第一定律 Fick Fick第二定律第二定律化学热处理基本过程化学热处理基本过程扩散层厚度扩散层厚度与温度关系：与温度关系：扩散层厚度扩散层厚度与时间关系：与时间关系：A，a实验系数实验系数温度的影响远大于时间温度的影响远大于时间本讲稿第六页，共三十二页 （2 2）扩散层形成规律（渗剂）扩散层形成规律（渗剂B B向金属向金属A A扩散为例）扩散为例）T T1 1CmCmCminCminA AT/T/CmaxCmax1 12 23 34 4CmCmCminCminCmaxCmaxAnBmAnBm由表至里距离由表至里距离化学热处理基本过程化学热处理基本过程AnBmAnBmAnBmAnBm表面表面AAnBmAnBmAAnBmAnBmAAnBmAnBmT1温度下扩散层组织变化过程温度下扩散层组织变化过程本讲稿第七页，共三十二页本讲稿第八页，共三十二页5.2 5.2 钢的渗碳钢的渗碳基本思路基本思路：在在FeCFeC相图中，相图中，-Fe-Fe中碳的最大溶解中碳的最大溶解度度0.02%0.02%，而，而-Fe-Fe中碳的最大溶解度达到中碳的最大溶解度达到2.11%2.11%，相差，相差100100倍，希望在高温下渗碳，低温淬倍，希望在高温下渗碳，低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度火，以期获得最高强度和最大表面硬度。本讲稿第九页，共三十二页 一、渗碳用钢一、渗碳用钢 低碳钢和低碳合金钢（碳含量低碳钢和低碳合金钢（碳含量0.1%0.1%0.25%)0.25%)低淬透性、低强度低淬透性、低强度 15 15、2020、2525 中等强度，淬透性中等强度，淬透性 20Cr 20Cr、20Mn220Mn2、20MnV20MnV 高强度，淬透性高强度，淬透性 20CrMnTi20CrMnTi、20CrMnMo等。等。超高强度超高强度 20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA 5.2 5.2 钢的渗碳钢的渗碳本讲稿第十页，共三十二页5.2 5.2 钢的渗碳钢的渗碳（1 1）渗碳温度确定）渗碳温度确定 在奥氏体化温度范围内，在奥氏体化温度范围内，920930920930（促进扩散），（促进扩散），小零件温度低些。小零件温度低些。（2 2）渗碳时间）渗碳时间 渗层深度渗层深度=(802.6*t=(802.6*t1/21/2)/10)/10(3720/T)(3720/T)（3 3）渗碳前处理）渗碳前处理 非渗碳表面非渗碳表面预保护（涂料、镀铜，加大加工余量）预保护（涂料、镀铜，加大加工余量）渗碳表面渗碳表面清洁，不能有裂纹等清洁，不能有裂纹等二、渗碳主要工艺参数二、渗碳主要工艺参数本讲稿第十一页，共三十二页三、渗碳后的热处理三、渗碳后的热处理 钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但其硬度不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，其硬度不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，才能获得较高的硬度和耐磨性能。才能获得较高的硬度和耐磨性能。直接淬火直接淬火+低温回火低温回火 一次淬火一次淬火+低温回火低温回火 二次淬火二次淬火+低温回火低温回火 分级淬火分级淬火+低温回火低温回火5.2 5.2 钢的渗碳钢的渗碳淬火淬火+低温回火。低温回火。难点：淬火温度的选择，需同时满足表面和心部要求难点：淬火温度的选择，需同时满足表面和心部要求本讲稿第十二页，共三十二页（1 1）直接淬火法）直接淬火法淬火淬火+低温回火。低温回火。0T回火回火淬火淬火820 850180 200t(h)加热加热3 9h 930渗碳渗碳直接淬火工艺直接淬火工艺预冷预冷预冷作用：减少变形预冷作用：减少变形 降低降低A中含碳量中含碳量本讲稿第十三页，共三十二页本讲稿第十四页，共三十二页淬火淬火+低温回火。低温回火。（2 2）一次淬火法）一次淬火法渗碳缓冷后重新加热淬火渗碳缓冷后重新加热淬火本讲稿第十五页，共三十二页四、渗层组织四、渗层组织 P+FeP+Fe3 3C CF+PF+P少少P PP+FP+F表表面面中中心心零零 件件1%C0.2%C渗碳时组织：渗碳时组织：A缓冷后组织：缓冷后组织：过共析过共析共析共析亚共析亚共析心部心部淬火后组织：淬火后组织：高碳高碳M+Fe3 C+Ar 低碳低碳M +F（少量）（少量）硬度：硬度：高高 低低5.2 5.2 钢的渗碳钢的渗碳理想渗层组织：隐针理想渗层组织：隐针M+弥散细小弥散细小Fe3 C+少量均匀少量均匀Ar 本讲稿第十六页，共三十二页 1%C P+Fe3C0.2%C F+P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F本讲稿第十七页，共三十二页渗层厚度渗层厚度：一般：一般0.52mm质量检查质量检查：渗层深度：渗层深度 硬度硬度 金相组织金相组织本讲稿第十八页，共三十二页五、常见渗碳方法五、常见渗碳方法 气体渗碳气体渗碳 液体渗碳液体渗碳 固体渗碳固体渗碳 高频渗碳高频渗碳 真空渗碳真空渗碳 电解渗碳电解渗碳 流态床渗碳流态床渗碳5.2 5.2 钢的渗碳钢的渗碳本讲稿第十九页，共三十二页 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图本讲稿第二十页，共三十二页 固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱本讲稿第二十一页，共三十二页定义定义:将将N N渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性 和疲劳强度的一种化学热处理方法。和疲劳强度的一种化学热处理方法。优点优点:高硬度，耐磨性高硬度，耐磨性 高红硬性高红硬性 高抗咬和性高抗咬和性 高疲劳强度高疲劳强度 高抗蚀性高抗蚀性 工件变形小工件变形小常用工艺：常用工艺：气体渗氮、液体氮化、气体渗氮、液体氮化、软氮化（氮碳共渗）软氮化（氮碳共渗）离子氮化离子氮化5.3 钢的氮化钢的氮化缺点缺点:生产周期长生产周期长 成本高成本高 渗层薄渗层薄 不能承受高的接触应力不能承受高的接触应力 和冲击载荷和冲击载荷本讲稿第二十二页，共三十二页5.3 钢的氮化钢的氮化 氮化层强化机理氮化层强化机理氮化强化与渗碳强化区别氮化强化与渗碳强化区别 渗碳强化渗碳强化:先渗碳后淬火获得相变高碳马氏体强化相先渗碳后淬火获得相变高碳马氏体强化相 氮化强化氮化强化:合金氮化物的时效强化，氮化后无须热处理合金氮化物的时效强化，氮化后无须热处理N N化强化机理化强化机理 1 1）N N和和MeMe元素原子的偏聚形成元素原子的偏聚形成G-PG-P区，引起强烈畸变。区，引起强烈畸变。2 2）过渡型氮化物的析出；）过渡型氮化物的析出；3 3）稳定的合金氮化物具有弥散强化效果。）稳定的合金氮化物具有弥散强化效果。强化效果与合金元素有很大关系，形成的合金氮化物强化效果与合金元素有很大关系，形成的合金氮化物越稳定，其强化效果越好，越稳定，其强化效果越好，AlAl、CrCr、MoMo能强烈提高氮能强烈提高氮化层的硬度，氮化王牌钢化层的硬度，氮化王牌钢38CrMoAlA38CrMoAlA氮化与渗碳如何保证零件心部韧性？氮化与渗碳如何保证零件心部韧性？渗碳：心部低碳渗后热处理渗碳：心部低碳渗后热处理 氮化：渗前调质处理氮化：渗前调质处理本讲稿第二十三页，共三十二页本讲稿第二十四页，共三十二页5.3 钢的氮化钢的氮化氮化工艺氮化工艺氮化钢主要为中碳调质钢氮化钢主要为中碳调质钢,有有38CrMoAlA,40Cr38CrMoAlA,40Cr等等.氮化前热处理氮化前热处理 进行进行调质处理调质处理,使心部获得回火索氏体组织。使心部获得回火索氏体组织。非氮化面的防护非氮化面的防护 镀锡、涂料（水玻璃镀锡、涂料（水玻璃+石墨）石墨）氮化温度和时间确定氮化温度和时间确定 氮化温度一般在氮化温度一般在480570480570左右。左右。本讲稿第二十五页，共三十二页5.3 钢的氮化钢的氮化氮化层组织氮化层组织从表面至心部的金相组织为：从表面至心部的金相组织为：表面表面:回火索氏体回火索氏体+氮化物（一般要磨削去除、脆性氮化物（一般要磨削去除、脆性大、不可用）大、不可用）氮化层氮化层:回火索氏体回火索氏体+、氮化物氮化物 （工作层）（工作层）心部心部:回火索氏体回火索氏体注注：钢的氮化热处理可以有和马氏体一样的转变，但一：钢的氮化热处理可以有和马氏体一样的转变，但一般不这么用。般不这么用。本讲稿第二十六页，共三十二页氮氮化化层层组组织织38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度本讲稿第二十七页，共三十二页 渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点不需要不需要2050500600渗氮渗氮需要需要39920930渗碳渗碳处理后是否需要热处处理后是否需要热处理理处理时间处理时间(h)处理温度处理温度()名称名称问题：试从工艺及强化机理及强化效果角度比较渗碳和渗氮工艺。问题：试从工艺及强化机理及强化效果角度比较渗碳和渗氮工艺。本讲稿第二十八页，共三十二页10.3 钢的氮化钢的氮化离子氮化炉离子氮化炉离子氮化离子氮化含氮气体在直流电场作用下，产生含氮气体在直流电场作用下，产生辉光放电作用，使氮离子化渗入金辉光放电作用，使氮离子化渗入金属表面属表面本讲稿第二十九页，共三十二页10.3 钢的氮化钢的氮化软氮化（低温氮碳共渗）软氮化（低温氮碳共渗）在钢件表面渗入氮原子的在钢件表面渗入氮原子的同时还有少量碳原子渗入同时还有少量碳原子渗入离子氮化炉离子氮化炉本讲稿第三十页，共三十二页渗硼渗硼 超高硬度超高硬度1400HV渗铝渗铝 主要用于抗高温氧化和防腐主要用于抗高温氧化和防腐本讲稿第三十一页，共三十二页复习思考题：复习思考题：1、20钢工件，渗碳热处理后空冷，随后进行正常的淬火、回火处理，钢工件，渗碳热处理后空冷，随后进行正常的淬火、回火处理，试分析工件在渗碳空冷后及淬火回火后，由表面到心部的组织。试分析工件在渗碳空冷后及淬火回火后，由表面到心部的组织。2、试比较钢经渗碳和氮化后渗层的强化机理。、试比较钢经渗碳和氮化后渗层的强化机理。3、氮化前需进行什么热处理，为什么？、氮化前需进行什么热处理，为什么？本讲稿第三十二页，共三十二页
