钢的化学热处理总结.pptx
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1、 表面淬火缺陷:成分所限;形状所限。改变成分与组织结构的化学热处理(1 1)化学热处理定义:工件置于一定活性介质中,使非金属或金属元素扩散到工件表层中,以改变表面的化学成分和性能的工艺。(2 2)化学热处理的作用:强化表面,提高硬度与耐磨性,抗疲劳性等;保护表面,改善物化性能,抗腐蚀、耐高温等。第1页/共73页 (3 3)优点:可在较大浓度范围有效改变表层化学成分、组织与性能;不受形态限制,渗层较均匀;仿形渗层渗层的轮廓与工件形状相似 表面层性能提高幅度更大,且往往可同时提高机械、物化性能;成分相变 表面过热现象可在随后热处理中消除。缺点:周期长 第2页/共73页 (4 4)常用化学热处理:名
2、称渗入元素作用渗碳C表面硬度、耐磨性、疲劳强度渗氮N表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀性碳氮共渗C、N表面硬度、耐磨性、疲劳强度渗硫S减磨,提高抗咬合作用硫氮共渗S、N硬度、耐磨性、减磨渗硼B表面硬度渗铝Al抗氧化性及硫化介质中耐蚀性第3页/共73页1.化学热处理的基本过程 化学热处理由化学介质分解产生的活性原子,被工件表面吸收,并向内部扩散三个基本过程组成。分解:渗剂在一定温度下经化学反应而形成活性原子过程。渗碳:2COCO2+C;CH42H2+C CO+H2H2O+C 渗氮:2NH33H2+2N C,N活性原子 a.化学介质的分解 化学热处理分类及基本过程 第4页/共73页活性原子:指那些
3、在一定的化学反应中产生的渗入元素,它以原子状态存在,性质活泼,能为工件表面吸收。N+NNN+NN2 2 分子态,非活性 C+CG(C+CG(石墨)化学反应除分解外还有 置换 SiClSiCl4 4+2Fe2FeCl+2Fe2FeCl2 2+Si+Si 还原 B B2 2O O3 3+6Na3Na+6Na3Na2 2O+2BO+2B 歧化 3TiCl3TiCl2 22TiCl2TiCl3 3+Ti+Ti第5页/共73页吸收:活性原子可溶入基体金属中或者与基体金属形成化合物。例如渗碳时:被表面吸附的活性碳原子固溶到奥氏体中 Fe+C吸附FeC固溶(间隙固溶体)碳原子超出最大固溶度后形成化合物:3F
4、eC吸附Fe3C 另钢件的粉末渗硼时,先形成化合物 300C FeB,700C Fe2B,900C含B的固溶体b.活性原子被工件表面吸收过程 第6页/共73页 扩散:钢件表面被吸收的活性原子向钢件深处迁移,并形成一定厚度的渗层。原因:表层与心部的浓度差 渗入元素的原子沿浓度梯度下降的方向迁移扩散层的特点:渗入元素在表面层的浓度最高,离开表层越远,浓度越低。c.渗入元素的扩散过程 第7页/共73页2.化学热处理分类化学热处理分类 第8页/共73页 表面渗碳 高碳钢高碳钢淬火淬火+低温回火低温回火 硬度、强度硬度、强度 冲击韧性冲击韧性低碳钢低碳钢淬火淬火+低温回火低温回火 塑性、韧性塑性、韧性
5、硬度、耐磨性硬度、耐磨性渗碳钢渗碳钢 表层碳含量表层碳含量 心部碳含量心部碳含量一般选用碳含量为一般选用碳含量为0.10.3%的的低碳钢和低碳合金钢低碳钢和低碳合金钢第9页/共73页 定义:钢的渗碳就是将钢件在渗碳介质中加热和保温,使碳原子渗入表面,获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。目的:提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。根据介质不同,分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种。应用最多的是气体渗碳。表面渗碳 第10页/共73页气体渗碳装置示意图气体渗碳装置示意图a.气体渗碳 工件在气体介质中进行渗碳的方法。第11页/共73页u 渗碳介质:液体介质:碳氢化合物 煤油、甲醇、乙醇、丙酮、苯
6、、甲苯等。煤油、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯等。气体介质:混合气体 天然气、甲烷、液化石油气、丙烷、丁烷天然气、甲烷、液化石油气、丙烷、丁烷 渗碳能力很强,须与渗碳能力弱的气体配合使用渗碳能力很强,须与渗碳能力弱的气体配合使用第12页/共73页 滴注式可控气氛渗碳滴注式可控气氛渗碳 可控气氛渗碳是通过可控气氛渗碳是通过控制渗碳气体的成分控制渗碳气体的成分来控制钢件渗碳层的碳浓度。来控制钢件渗碳层的碳浓度。碳势:碳势:是指纯铁在一定温度下于加热炉气中是指纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时达到既不增碳也不脱碳,并与炉气保加热时达到既不增碳也不脱碳,并与炉气保持平衡时表面的碳含量,它表示炉气对纯铁持平
7、衡时表面的碳含量,它表示炉气对纯铁饱和碳的能力。饱和碳的能力。滴注式可控气氛渗碳的主要特点是把两种滴注式可控气氛渗碳的主要特点是把两种有机液体直接滴入渗碳炉内进行分解,使其有机液体直接滴入渗碳炉内进行分解,使其中中一种滴液形成稀释气一种滴液形成稀释气,另一种滴液形成渗另一种滴液形成渗碳气碳气。第13页/共73页碳势的意义碳势的意义 “碳势碳势”定量地表示渗碳气氛的活性,定量地表示渗碳气氛的活性,即炉气渗碳能力强弱:即炉气渗碳能力强弱:炉气氛碳势高,渗碳能力强。炉气氛碳势高,渗碳能力强。用化学反应平衡时钢件表面的含碳量表示,用化学反应平衡时钢件表面的含碳量表示,但衡量的是气氛的碳势,可用来考察该
8、气氛但衡量的是气氛的碳势,可用来考察该气氛下钢的渗碳与脱碳行为:下钢的渗碳与脱碳行为:碳势为碳势为1 1的气氛,可使碳含量的气氛,可使碳含量1%1%1%的钢脱碳;的钢脱碳;第14页/共73页 吸热式渗碳气氛渗碳吸热式渗碳气氛渗碳 是将可燃性原料气如丙烷、丁烷、天然气是将可燃性原料气如丙烷、丁烷、天然气等碳氢化合物与较少的空气混合后,通入装等碳氢化合物与较少的空气混合后,通入装有触媒剂的炉膛中,在触媒剂的作用下,并有触媒剂的炉膛中,在触媒剂的作用下,并借助外加热,使混合气在借助外加热,使混合气在95010509501050C的条件的条件下进行反应,用这种方法制备的气氛称为吸下进行反应,用这种方法
9、制备的气氛称为吸热式气氛。热式气氛。多用于连续式炉气体渗碳多用于连续式炉气体渗碳第15页/共73页 将工件埋在固体渗碳剂中密封起来,加热到900930C,保温后出炉。固体渗碳由两类物质组成:渗碳物质(85859090):木炭、焦炭、骨炭等。催化剂(10101515):碳酸钠、碳酸钡等。b.固体渗碳 第16页/共73页第17页/共73页木炭与渗碳箱内的氧气发生反应:C+OC+O2 2COCO2 2,CO,CO2 2+C2CO+C2CO 2COCO 2COCO2 2+C+C催化剂的反应为:BaCOBaCO3 3BaO+COBaO+CO2 2,CO,CO2 2+C2CO+C2CO Na Na2 2C
10、OCO3 3NaNa2 2O+COO+CO2 2,CO,CO2 2+C2CO+C2CO 固体渗碳优点:设备简单,方便易行,中小型工厂;缺点:周期长,生产效率低,劳动条件差,质量不易保证。第18页/共73页 在能析出活性碳原子的盐浴中进行的。优点:加热速度快,加热均匀,渗碳效率高,渗碳层均匀,便于直接淬火。缺点:成本高,渗层盐浴大多有毒,不宜于大件和大批量生产。渗碳盐浴一般由三类物质组成:加热介质:通常用NaClNaCl和BaClBaCl2 2的混和盐。BaClBaCl2 2还同时具有催化剂的作用。催化剂(5 53030):常用碳酸盐 (NaNa2 2CO3CO3或BaCOBaCO3 3)。c.
11、液体渗碳 第19页/共73页渗碳介质(10101515)氰盐如氰化钠或氰化钾,剧毒,受限。现多采用石墨、木炭或黄血盐 第20页/共73页 低碳钢或低碳合金钢 预留加工余量;镀铜法;涂防渗碳涂料如将耐火泥、石棉粉、用水玻璃调成膏状。渗碳工艺过程 1.渗碳前的热处理和准备 正火、调质处理正火、调质处理第21页/共73页2.渗碳过程的工艺操作 强渗期强渗期扩散期扩散期降温期降温期等温期等温期排气期排气期第22页/共73页 为使渗碳件具有表面高硬度,心部高韧性,渗碳后必须进行适当的淬必须进行适当的淬火、回火火、回火。渗碳后热处理的目的渗碳后热处理的目的3.渗碳后的热处理 (1)获得高硬度获得高硬度(5
12、863HRC)和高耐磨的表面层和高耐磨的表面层(2)消除网状渗碳体和调整残留奥氏体的数量和分布消除网状渗碳体和调整残留奥氏体的数量和分布(3)细化晶粒,提高强度和韧性细化晶粒,提高强度和韧性(4)消除内应力,稳定尺寸。消除内应力,稳定尺寸。第23页/共73页1 1、直接淬火法渗碳后可直接预冷淬火,180180200C200C 低温回火渗碳后热处理工艺渗碳后热处理工艺第24页/共73页特 点:操作简单、成本低,生产率高,但在高温下长期保温,奥氏体晶粒易长大,影响淬火后工件的性能,故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况下;此外预冷过程中,二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出,对工件淬火后的性能不利
13、。用途:大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。预冷的目的是为了减少淬火变形与开裂,并使表层析出一些碳化物,降低残A,提高表层硬度,预冷温度略高于Ar3,目的是为避免析出铁素体。第25页/共73页2 2、一次淬火法(重新加热淬火法)工件经渗碳空冷(或坑冷)后,再重新加热至淬火温度进行淬火,然后在180200回火。这种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细化,使钢的性能得到提高。用途 适用于比较重要的零件,如高速柴油机齿轮等。第26页/共73页 淬火加热温度的选择 心部要求较高强韧性的零件,加热至心部Ac3稍上。心部通过相变重结晶,细化了晶粒,淬火后得到细小的低碳M,具有较高的强韧性;表面可消除网状
14、渗碳体;但表面加热温度高,淬火后晶粒较粗大,残余奥氏体较多,影响耐磨性。对表面耐磨性要求较高的零件,加热温度应选择在Ac1稍上,淬火后表面层为M、未溶碳化物和少量残余奥氏体,有较高的硬度和耐磨性。而对心部组织来说,加热温度过低,淬火后低碳M和未溶铁素体,强度受到一定的影响。第27页/共73页一次淬火发可以提高心部或者改善表面的性能,但却无法使两者同时得到一次淬火发可以提高心部或者改善表面的性能,但却无法使两者同时得到提高。提高。第28页/共73页3 3、二次淬火法适用于对于表面和心部性能都要求较高的零件第一次淬火加热温度在A Ac3c3稍上,强化心部第二次淬火在A Ac1c1稍上,保证表面硬度
15、第29页/共73页 第一次淬火是为了细化心部组织和消除表层网状碳化物,因此,加热温度应选在心部的Ac3以上。第二次淬火是为了改善渗碳层的组织和性能,使其获得细针状马氏体和均匀分布的未溶碳化物颗粒,因此,加热温度通常选在Ac1以上3050。两次淬火法的主要缺点是,零件经两次高温加热及冷却后变形较严重;渗碳层易发生部分脱碳、氧化;生产周期长和成本高。故一般很少使用这种方法,只对粗晶粒钢和使用性能要求很高的零件才用它。第30页/共73页1 1 渗层淬火组织 根据表面碳含量、合金元素和淬火温度,渗层淬火组织可分两类:(1 1)表面无碳化物,自表面至中心,依次由高碳马氏体残余奥氏体逐渐过渡到低碳马氏体;
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