第4章 钢的化学热处理

《第4章 钢的化学热处理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第4章钢的化学热处理化学热处理是将工件在特定的介质中加热、保温，使介质中的某些元素渗入工件表层，以改变其表层化学成分和组织，获得与心部不同性能的热处理工艺。工业技术的发展，对机械零件提出了各式各样的要求。例如，发动机上的齿轮和轴，不仅要求齿面和轴颈的表面硬而耐磨，还必须能够传递很大的转矩和承受相当大的冲击负荷；在高温燃气下工作的涡轮叶片，不仅要求表面能抵抗高温氧化和热腐蚀，还必须有足够的高温强度等。这类零件对表面和心部性能要求不同，采用同一种材料并经过同一种热处理是难以达到要求的。而通过改变表面化学

2、成分和随后的热处理，就可以在同一种材料的工件上使表面和心部获得不同的性能，以满足上述的要求。化学热处理与一般热处理的区别在于：前者有表面化学成分的改变，而后者没有表面化学成分的变化。化学热处理后渗层与金属基体之间无明显的分界面，由表面向内部其成分、组织与性能是连续过渡的。4.1化学热处理的分类与基本过程一、化学热处理的分类由表4-1可见，依据所渗入元素的不同，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。渗入钢中的元素，可以溶人铁中形

3、成固溶体，也可以与铁形成化合物。表4-1按渗入元素分类的化学热处理渗入非金属元素渗入金属元素渗入金属、非金属元素单元多元单元多元CNSBC＋NN＋SN＋ON＋C＋SN＋C＋ON＋C＋BAlCrSiTiVZnCr＋AlCr＋SiSi＋AlCr＋Si＋AlTi＋CTi＋NCr＋CTi＋B根据渗入元素对钢表面性能的作用，又可分为提高渗层硬度及耐磨性的化学热处理（如渗碳、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（如渗硫、渗氮），使零件表面具有抗氧化、耐高温性能的化学热处理（如渗

4、硅、渗铬、渗铝）等。表4-2列出了常用化学热处理的特征。二、化学热处理的基本过程化学热处理过程分为分解、吸收和扩散三个基本过程。101分解是指零件周围介质中的渗剂分子发生分解，形成渗入元素的活性原子。例如CH42H2＋[C]，2NH33H2＋2[N]，其中[C]和[N]分别为活性碳原子和活性氮原子。所谓活性原子是指初生的、原子态（即未结合成分子）的原子，只有这种原子才能溶人金属中。表4-2常用化学热处理的特征化学热处理方法表层状态处理温度/℃层深范围/mm表层硬度HRc适用金属气体渗碳碳的扩散层82

5、0～9800.075~1.550~63低碳钢、低碳合金钢气体渗氮氮的扩散层480～5900.125~0.7550~70合金钢、氮化钢、不锈钢气体碳氮共渗扩散层，氮化物760～8700.075~0.7550~65低碳钢、低碳合金钢、不锈钢软氮化碳与氮的扩散层565～6750.0025~0.02540~60低碳钢渗硼硼的扩散层，硼化物400～11500.0125~0.05040~70合金钢、工具钢固体渗铝铝的扩散层870～9800.025~1.0<20低碳钢吸收是指活性原子被金属表面吸收的过程，其基本条

6、件是渗入元素可与基体金属形成一定溶解度的固溶体，否则吸收过程不能进行。例如，碳不能溶入铜中，如果在钢件表面镀一层铜，便可阻断钢对碳的吸收过程，防止钢件表面渗碳。扩散是指渗入原子在金属基体中由表面向内部的扩散，这是化学热处理得以不断进行并获得一定深度渗层的保证。从扩散的一般规律可知，要使扩散进行得快，必须要有大的驱动力（浓度梯度）和足够高的温度。渗入元素的原子被金属表面吸收、富集，造成表面与心部间的浓度梯度，在一定温度下，渗入原子就能在浓度梯度的驱动下向内部扩散。在化学热处理中，分解、吸收和扩散这三个

7、基本过程是相互联系和相互制约的。分解提供的活性原子太少，吸收后表面浓度不高，浓度梯度小，扩散速度低；分解的活性原子过多，吸收不了而形成分子态附着在金属表面，阻碍进一步吸收和扩散。金属表面吸收活性原子过多，原子来不及扩散，则造成浓度梯度陡峭，影响渗层性能。因此，保证三个基本过程的协调进行是成功实施化学热处理的关键。应当指出，分解、吸收和扩散对化学热处理总速度的影响不是等同的。通常介质中的化学反应有较高的速度，因此它往往不影响化学热处理总速度。在许多化学热处理过程中，吸收或扩散却往往是总速度的控制步骤。

8、本章仅对工业中应用最广泛的渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等进行讨论。三、渗层的组织结构与形成过程化学热处理渗层的组织结构首先取决于组成渗层的合金系的相图。如果渗入元素与基体元素间形成连续固溶体，这种渗入元素的扩散为纯扩散，在扩散温度下渗层为单相固溶体。如果渗入元素在基体金属中的溶解度有限，则在扩散温度下随着表面溶质浓度的增加会形成新相（一般形成某种化合物），这种扩散称为反应扩散或相变扩散。例如101第4章钢的化学热处理A-B二元合金相图如图4-1所示，在温度t