热处理原理与工艺 教学课件 ppt 作者 侯旭明 第十二、三章教案.doc

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1、第十二章化学热处理基础化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理。通过化学热处理，在提高表面强度、硬度、耐磨性的同时，还可以在很大程度上改变表层的物理和化学性质，提高零部件的抗氧化性和耐腐蚀性。依据渗入元素的不同，可将化学热处理分为渗碳、渗氮、渗硼、渗铝等。如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如碳氮共渗、铬铝硅共渗等。根据渗入元素对钢表面性能的作用，可分为提高渗层硬度及耐磨性的化学热处理（渗碳、渗氮、渗硼、渗钒、渗铬）；改善零件间抗咬合性及提高抗擦伤性的化学热处理（渗硫、渗氮）；使零件表面具有抗氧

2、化、耐高温性能的化学热处理（渗硅、渗铬、渗铝）等。常用化学热处理方法及其作用如表12-1。化学热处理过程中，渗入元素的活性原子是由渗剂提供的。所谓活性原子，是指在化学反应中刚生成的，它以原子状态存在，性质活泼，能为工件表面所吸收，或与金属表面某种元素化合。渗剂是指在给的温度下能产生一种或几种活性原子，并能渗入工件的表层以改变其化学成分、组织结构和性能的化学热处理工艺所使用的物质。渗剂可分为固体渗剂、液体渗剂和气体渗剂。固体渗剂如木炭、焦炭等；液体渗剂如煤油、丙酮等；气体渗剂如天然气、液化石油气等。第一节化学热处理基本过程化学热处理通常由反应（分解）、吸收、扩散三个基本过程组成

3、。三个过程互相联系又相互制约。一、渗剂的化学反应在一定温度下，工件周围的渗剂将发生一系列化学反应（多为分解反应），产生活性原子。如渗碳时，活性碳原子[C]通常由CO、CH4等分解获得，而CO、CH4来源于渗剂中一系列化学反应：如气体渗碳时，依靠煤油、丙酮等渗剂热分解而产生CO、CH4等。CO、CH4的分解反应如下：2CO←→CO2+[C]CH4←→2H2+[C]渗氮时，活性氮原子[N]来源于渗氮剂的分解，如气体渗氮时的氨气分解，反应式如下：2NH3←→3H2+2[N]二、活性原子在工件表面的吸收吸收是指活性原子被工件表面吸附并溶解的过程。化学反应产生的活性原子首先为工件表面所

4、吸附，然后陆续溶入基体金属内。其溶入基体金属的基本条件是渗入元素在基体金属中有一定溶解度，否则原子不能进入基体晶格。吸附过程的发生，是由于工件表面原子的位能和内部原子的位能有差别，在金属内部各原子间的作用力呈平衡状态，而处于表面层的原子只与里层原子间有作用力，表面存在着尚未被平衡的剩余引力，如图12-1所示。当周围介质的分子或原子，运动到金属表面原子的引力范围之内时，就会被金属表面所吸附。三、扩散渗入元素的原子进入基体金属后，表面浓度提高，表面和内部之间出现浓度差。在一定温度下，渗入元素原子从表面高浓度区向内部低浓度区扩散，形成一定深度的渗层。渗层浓度由表及里浓度逐渐下降。渗

5、层深度和扩散时间的关系可用下式表示：δ∝式中δ——渗层深度；τ——扩散时间；D——扩散系数。由上式可见，温度一定时，扩散时间越长，渗层越深，但随着时间延长，渗层增厚的速度变慢，即渗层深度的增加与扩散时间呈抛物线关系。图12-2为这种抛物线关系在渗碳中的体现。四、化学热处理过程的控制因素化学热处理中，渗剂分解、吸收、扩散三个基本过程互相联系又彼此制约。在一般情况下，化学热处理的分解和吸收过程较容易进行，而渗入元素在基体金属中的扩散速度很慢，因此扩散往往成为控制化学热处理速度的主要因素。在化学热处理过程中某一特定阶段，分解和吸收也能成为化学热处理速度的控制因素，但控制时间一般较短

6、暂。五、加速化学热处理过程的途径1．化学催渗法化学催渗法主要有提高渗剂活性催渗法和卤化物催渗法两种。1）提高渗剂活性催渗法利用催化剂的催化作用或降低介质气氛中生成物的气体分压，均能提高渗剂活性。2）卤化物催渗法卤化物催渗法即在化学热处理时，与渗剂同时加入氟、氯等化合物。通过化合物对工件表面的洁净作用，改变工件表面活化状态，使其吸附能力增强。2．物理催渗法利用物理方法加速化学热处理过程的基本方法有以下几种：1）高温化学热处理2）高压化学热处理3）低压化学热处理此外还可通过高频加热、弹性震荡等方式加快化学热处理过程，可参见有关资料。第二节渗层组织形成规律一、渗层组织与相图的关系讲

7、图12-3二、影响渗层各相区厚度的因素由菲克第一定律可知，多相扩散层中，如果某相渗入元素的扩散系数较大，且该相层中的浓度梯度较大，则扩散通量较大，即扩散进入该相层的原子数较多。在一定扩散温度下，如果渗入元素在各相层的扩散系数基本相同，则在相图中单相区较宽的相层成长较快，相应其厚度较大。相反，在相图中单相区窄的相层其厚度较薄，以致在观察时很难使这些相层显露出来。本章小结略本章重要名词：渗剂、活性原子、纯扩散、反应扩散练习题：一（1~4），二（1、2）第十三章渗碳渗碳是为提高工件表层的含碳量并在其中形成一定