化學熱處理和表面淬火(I)

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1、化學熱處理與表面淬火河北工業(yè)大學教授材料科學系主任武建軍博士3鋼的化學熱處理和表面淬火定義：化學熱處理是將工件置于一定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，改變表面層的化學成分及顯微組織，從而使工件表層獲得所需特殊性能的熱處理工藝。根據(jù)滲入的元素來命名滲碳、氮化、碳氮共滲等可提高工件表面的硬度、耐磨性以及疲勞強度；滲氮、滲硅、滲鋁等用于提高工件的抗腐蝕性、抗氧化性，應(yīng)用最廣的化學熱處理是滲碳、氮化和碳氮共滲?；瘜W熱處理的基本過程－分解化學介質(zhì)在高溫下(分解或蒸發(fā))釋放出待滲的活性原子，例如2CO?CO2+〔C〕影響

2、因素：反應(yīng)溫度介質(zhì)濃度催化劑種類等化學熱處理的基本過程－吸收活性原子被零件表面吸附，進而溶解或反應(yīng)。根據(jù)作用力性質(zhì)，分為化學吸附和物理吸附。影響因素：溫度表面活性表面面積等化學熱處理的基本過程－擴散擴散是由于原子等微粒熱運動引起的物質(zhì)傳輸現(xiàn)象?；钚栽佑闪慵砻嫦騼?nèi)部擴散,形成一定深度的擴散層（固溶體，或化合物）擴散的阻力和條件擴散與原子熱運動相關(guān)，阻力就是周圍原子對運動原子的限制（擴散激活能），不是所有原子都可以移動的！阻力（和鍵能相關(guān)）大小不易改變因此必須在滿足以下條件才能實現(xiàn)（1）擴散原子能固溶；（2）具有驅(qū)動力：如濃度梯

3、度，溫度梯度。（3）溫度足夠高；（4）時間足夠長；加速化學熱處理的措施提高活性物質(zhì)的濃度提高溫度活化金屬表面，如凈化活化表面提高活性粒子的活性，如電場加速改變基體材料復(fù)合滲等擴散定律菲克（A.Fick）于1855年通過實驗獲得了關(guān)于穩(wěn)定態(tài)擴散的第一定律，其數(shù)學表達式為即在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散流量J與濃度梯度成正比，式中D為擴散系數(shù)，J為擴散通量，負號表示擴散方向與濃度梯度方向相反。影響擴散系數(shù)的因素溫度晶體結(jié)構(gòu)固溶體類型濃度晶體缺陷擴散方程的一個解純鐵滲碳時，在含碳量不變的氣氛中，C濃度分布的試驗結(jié)果與

4、計算結(jié)果符合很好拋物線規(guī)律應(yīng)用中，常以給定碳濃度值作為滲碳層的界限，然后確定在一定溫度下所需要的滲碳時間。對于一定界面C，為定值；即滲層厚度x符合式中K為比例系數(shù)，這個關(guān)系式常稱為拋物線時間規(guī)律。這一關(guān)系被廣泛地應(yīng)用于如鋼鐵滲碳、晶體管或集成電路生產(chǎn)等工藝。在一指定濃度C時，增加一倍擴散深度則需延長四倍的擴散時間。3.1鋼的滲碳目的：提高表面含碳量，從而提高表面硬度、強度、耐磨性舉例：軸承，拖拉機變速齒輪方法：氣體，離子，真空，固體等滲碳用鋼：低碳鋼或低碳合金鋼：20鋼、20Cr18CrMnTi、、20CrMnTi鋼等，考慮力學

5、性能、工藝性（尺寸與淬透性、晶粒長大）要求和成本等進行選擇常用溫度：900～950℃？滲碳件主要技術(shù)要求碳勢：~1%，根據(jù)性能要求而定碳濃度梯度：平緩，有利于滲層與基體的結(jié)合，減少剝落。對于一些零件甚至規(guī)定過共析層＋共析層的深度不超過60～70％滲層深度：主要取決于工件受力和設(shè)計壽命等因素，對于一些薄、小零件，滲層深度一般不超過截面尺寸的20％滲碳件的預(yù)備熱處理提高切削加工性（主要）為滲碳淬火作組織準備（次要）多采用正火處理氣體滲碳－滴注式介質(zhì)：煤油、醇、苯等液體工藝：將工件裝在密封的滲碳爐中，加熱到900～950℃(常用930

6、℃)，向爐內(nèi)滴入煤油、等有機液體，在高溫下分解成CO、CO2、H2及CH4等氣體組成的滲碳氣氛，在高溫下在工件表面進行反應(yīng)，生成活性碳原子，被表面吸收并向內(nèi)部擴散而形成一定深度的滲碳層。常用方法介質(zhì)選擇原則碳氧比大于1，必要條件目前，常采用兩種或以上介質(zhì)搭配，控制碳勢及成本安全性經(jīng)濟性：產(chǎn)氣量大碳當量大便宜，易得滴注式氣體滲碳工藝一般分為升溫排氣、滲碳（包括強滲和擴散），降溫冷卻幾個階段碳勢主要取決于液體種類、流量和溫度排氣階段：滴量大，快速換氣，防止零件氧化。>750℃開始甲醇，>900℃煤油。到溫后延續(xù)30－60分鐘滲碳階段

7、：正壓150～200Pa，用富碳滲劑滴量控制碳勢。兩段法滲層碳濃度梯度小，結(jié)合好，滲速較快降溫階段：降溫至出爐溫度滴注式氣體滲碳操作要點表面清潔；同一爐零件材料、技術(shù)要求相同；爐內(nèi)正壓，廢氣點燃；零件之間氣氛流通；經(jīng)常校對碳勢；嚴禁在750℃以下向爐內(nèi)滴入有機液體，防爆吸熱式氣氛滲碳將碳氫化合物氣體與空氣按一定比例混合后，在催化劑和加熱條件下進行吸熱反應(yīng)，得到碳勢較低的滲碳氣氛。富化氣多采用丙烷?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)富化氣流量實現(xiàn)爐氣碳勢的調(diào)節(jié)（一般）用于連續(xù)作業(yè)爐，常用即可連續(xù)式滲碳爐分為加熱、滲碳、擴散、冷卻四個區(qū)，可以對碳勢和溫度

8、進行分區(qū)控制氣體滲碳的優(yōu)點：生產(chǎn)率高，勞動條件好，滲碳過程容易控制，容易實現(xiàn)機械化、自動化，適用于大批量生產(chǎn)。離子滲碳與真空滲碳特點在低真空條件下滲碳可以采用較高的溫度（和電場加速），效率高滲層均勻，尤其是小孔節(jié)能節(jié)省滲劑，環(huán)境好固體滲碳傳統(tǒng)工藝滲碳工藝：工件