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(共38张PPT)
表面化学热处理
化学热处理的定义及过程
Part 01
渗碳
Part 02
渗氮
Part 03
碳氮共渗
Part 04
渗硼
Part 05
化学热处理的定义及过程
一、化学热处理的定义
将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。
化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。
由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表面层的性能尤为重要。经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合，它比电镀等表面复护技术所获得的心部、表面的结合要强得多。
二、化学热处理的过程
化学热处理的种类很多，根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼等。无论哪一种化学热处理方法，都是通过以下三个过程来完成的：
二、化学热处理的过程
化学渗剂是含有被渗元素的物质。被渗元素以分子状态存在，它必须分解为活性原子或离子才可能被钢件表面吸收及固溶，很难分解为活性原子或离子的物质不能作渗剂使用。例如普通渗氮时不用氮而用氨，因为氨极易分解出活性氮原子【N】：
2NH3→3H2+2【N】
1. 化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程
二、化学热处理的过程
工件表面对周围的气体分子、离子或活性原子具有吸附能力，这种表面的物理或化学作用称为固体吸附效应。被吸附的活性原子或离子在钢件表面溶入铁的晶体点阵内，形成固溶体；
如果被渗元素的浓度超过了该元素在铁中的固溶度，则形成相应的金属化合物（合金相），这些过程称为吸收过程。
2. 活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程
二、化学热处理的过程
渗入元素的活性原子或离子被钢件表面吸收和溶解,必然不断提高表面的被渗元素的浓度,形成心部与表面的浓度梯度。在心、表部之间浓度梯度的驱动下，被渗原子将从表面向心部扩散。
在固态晶体中原子的扩散速度远低于渗剂的分解和吸收过程的速度，所以扩散过程往往是化学热处理的主要控制因素。这就是说强化扩散过程是强化化学热处理生产过程的主要方向。提高温度，可加速扩散过程。由于化学热处理的三个过程是相互联系的，在某些具体条件下分解与吸收两个过程也有可能成为主要控制因素。
3. 被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程
渗碳
一、渗碳概述
渗碳是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到一定温度（900--950℃的单相奥氏体区），保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分的化学热处理工艺。
其目的是提高钢件表层的含碳量，渗碳后的工件经淬火及低温回火，才能使工件表面获得很高的硬度和耐磨性（心部仍保持较高的塑性和韧性）。
为达到上述要求，渗碳零件必须用低碳钢或低碳合金钢来制造。其工艺路线一般为：
锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火
根据渗碳介质的工作状态，渗碳方法可分为：固体渗碳、盐浴渗碳、气体渗碳三种，应用最广泛的是气体渗碳。
二、渗碳的原理
渗碳介质的分解产生活性碳原子。
1. 分解
活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。
2. 吸附
表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。
3. 扩散
三、气体渗碳法
气体渗碳——将工件置于气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。
气体渗碳法及示意图
三、气体渗碳法
操作时先将工件置于密封的加热炉中，加热到900~950℃，滴入煤油、丙酮、甲醇等渗碳剂。这些渗碳剂在高温下分解，产生活性碳原子。
随后，活性炭原子被工件表面吸收而溶入奥氏体中，并向内部扩散，从而形成一定深度的渗碳层。
渗碳层深度主要取决于保温时间，一般可按每小时0.2~0.25mm的速度估算，并根据所需渗碳层的厚度来确定保温时间。
三、气体渗碳法
一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小於0.25%)。渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深。
表面硬度可达HRC58～63﹐心部硬度为HRC30～42。渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命。
渗碳零件的材料
渗氮
一、渗氮概述
渗氮是指在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。
渗氮的目的是为了提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。
齿轮的破坏
一、渗氮概述
渗氮与渗碳相比具有以下特点：
1.渗氮层具有很高的硬度和耐磨性
渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁﹐一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物﹐特别是氮化铝﹑氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度和很高的弥散度﹐因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度﹑耐磨性。
2.渗氮层具有渗碳层所没有的耐蚀性
这些氮化物还具有很高的热稳定性，因此渗氮层具有渗碳层所没有的耐蚀性。
一、渗氮概述
3.渗氮比渗碳温度低，工件变形小
（1）渗氮工件的工艺路线：
锻造→退火（或正火）→机械粗加工→调质→机械精加工→去应力退火→粗磨→渗氮→精磨或研磨→装配
（2）渗氮的应用：
一般用于承受轻﹑中等载荷的耐磨﹑耐疲劳要求﹐或有一定耐热﹑耐腐蚀要求的中碳合金钢机器零件﹐以及各种切削刀具﹑冷作和热作模具等。
二、渗氮方法
工件在气体介质中进行渗氮称为气体渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中﹐通以流动的氨气并加热﹐保温较长时间后﹐氨气热分解產生活性氮原子﹐不断吸附到工件表面﹐并扩散渗入工件表层内﹐从而改变表层的化学成分和组织﹐获得优良的表面性能。
1. 气体渗氮
二、渗氮方法
气体渗氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480～520℃之间,氨气分解率为15～30%,保温时间近80小时。
这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。
气体渗氮炉
二、渗氮方法
一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。它适用于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。
渗氮层及HV测痕 渗氮层中致密的针状氮化物（白色）
二、渗氮方法
正常的气体渗氮工件，表面呈银灰色。有时，由于氧化也可能呈蓝色或黄色，但一般不影响使用。
二、渗氮方法
又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮的正离子以高速向工件表面轰击。
离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度（一般为450~650℃）。并使氮离子在阴极上夺取电子后还原成氮原子而渗入工件表面，然后经过扩散形成渗氮层。
2. 离子渗氮
二、渗氮方法
离子渗氮炉
工件的摆放
二、渗氮方法
与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是：
可适当缩短渗氮周期；
渗氮层脆性小；
可节约能源和氨的消耗量；
对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；
离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮；
渗层厚度和组织可以控制。
离子渗氮发展迅速，已用于机床丝杆、齿轮、模具等工件。
碳氮共渗
一、碳氮共渗概述
碳氮共渗是指在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺。习惯上碳氮共渗又称作氰化。
它在一定程度上克服了渗氮层硬度虽高但渗层较浅，而渗碳层虽硬化深度大，但表面硬度较低的缺点。
氮碳共渗后的组织：热处理（油淬）后表层组织为含碳、氮的马氏体及呈均匀化分布的细小碳氮化合物。
一、碳氮共渗概述
氮碳共渗后的性能：氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合。
氮碳共渗的特点：氮碳共渗不仅能提高工件的疲劳寿命、耐磨性、抗腐蚀和抗咬合能力，而且使用设备简单，投资少，易操作，时间短和工件畸变小，有时还能给工件以美观的外表。
低温氮碳共渗又称软氮化,使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。
二、碳氮共渗方法
氮碳共渗方法有气体法和液体法（盐浴法），气体法最常用。
气体碳氮共渗介质是渗碳剂和渗氮剂的混合气，例如滴煤油(或乙醇、丙酮)、通氨；吸热或放热型气体中酌加高碳势富化气并通氨；三乙醇胺或溶入尿素的醇连续滴注。[C]、[N]原子的产生机制除与渗碳、渗氮相同外，还有共渗剂之间的合成和分解：
CO+NH3→HCN+H2O
CH4+NH3→HCN+3H2
2HCN→2[C]+2[N]+H2
二、碳氮共渗方法
碳氮共渗并淬火、回火后的组织为含氮马氏体、碳氮化合物和残余奥氏体。深0.6～1.0mm的碳氮共渗层的强度、耐磨性与深1.0～1.5mm的渗碳层相当。为减少变形，中等载荷齿轮等可用低于870℃的碳氮共渗代替930℃进行的渗碳。
随着稀土催渗(碳稀土共渗)和可部分取代浅层渗碳与碳氮共渗的氮碳共渗或硫氮碳共渗(见多元共渗)的推广，碳氮共渗的应用面有变窄趋势。
三、碳氮共渗工艺
低温气体碳氮共渗和中温气体碳氮共渗的工艺要点
渗硼
一、渗硼概述
渗硼是在一定温度下一定介质中使硼原子渗入工件表层的化学热处理工艺。
渗硼层有优异的耐磨性、较好的耐蚀性和抗高温氧化性。
模具经渗硼后，其表面渗硼后硬度很高，达HV1200～2000，它不仅耐磨性好，而且还具有良好的红硬性、抗高温氧化性以及在硫酸、盐酸和碱中良好的抗蚀性。实践证明，渗硼是一种提高模具使用寿命的有效方法。
渗硼处理方法有气体法、盐浴法、电解盐浴法和固体法。
二、常用的渗硼方法
目前，固体渗硼方法应用广泛，这种方法所用设备和操作都较简单，便于推广，特别适合于中小型工厂及修理车间应用。固体渗硼有下列三种方法：
二、常用的渗硼方法
它由硼铁或民B4C、KBF4或NH4Cl等、SiC或Al2O3按一定比例混合而成。KBF4作活化剂，SiC作填充剂。
装箱密封，加热到850～1000℃，保温3～8小时。这种工艺的特点是操作简单，可在一般箱式炉中进行加热，重复使用时，只需加活化剂。使用后渗剂结块，粘结工件、需清洗。
1. 粉沫渗硼剂渗硼
二、常用的渗硼方法
它由硼铁或民B4C、KBF4、SiC等粉末靠粘结剂包聚成20～80目颗粒，在装箱密封以后，加热到850～950℃，保温3～8小时。
这种方法操作简单，可在一般箱式炉中加热，重复使用性能好，使用后渗剂松散，不粘结工件、不必清洗。
2. 粒状渗硼剂渗硼
二、常用的渗硼方法
将B4C、NaF（或CaF2）、Na2SiF6等胶水作粘结剂制成膏状，涂在工件表面，用高频加热到1150～1165℃2～3分钟；或在保护气氛下加热920～950℃。
这种方法渗剂用量小，成本低。
3. 膏状渗硼剂渗硼
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