3．5 表面热处理与化学热处理（课件）-高一《金属加工与实训--基础常识》同步教学（高教版第三版）

表面化学热处理 金属加工基础与实训 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 CONTENT 目 录 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