revised第五章 热扩渗

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1、第五章热扩渗第一节定义、条件和过程定义：所谓热扩渗就是金属材料及热处理里讲的化学热处理，就是将金属工件防入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热、保温使介质中的活性原子被吸收、扩散渗入工件一定深度的表层，改变表层的化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺，叫热扩渗。目的：就是为了提高材料表层的机械性能，具体来说，就是提高耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性。种类：渗碳、氮化、渗硼、渗金属热扩渗时要使某种元素渗入工件表面，必须具备两个条件：(1)钢本身必须具有吸收渗入元素活性原子的能力，即该原子能溶入铁晶格中形成固溶体，在铁中有一定的溶解度，或与铁具有较强亲合力形成化合

2、物。(2)渗入元素的原子必须是具有化学活性的活性原子，即它是从某种化学介质中分解出来的，或经离子转化形成的，这样的活性原子处于高能状态，它能克服钢件表面铁原子的结合力而渗入工件表面。基本过程（形成机理）：(1)将工件加热到一定温度，使之有利于溶入活性原子或形成化合物。(2)利用化合物分解或者离子转化得到渗入元素活性原子。(3)活性原子吸附在钢件表面，溶入钢件表层，并在保温过程中，由表层向内扩散，形成一定层深的扩散层。扩散层的组织特征：扩散层的相组成和化学成分由合金系的相图确定。注意一点：二元合金的渗层一般不会出现两相共存区（由相律决定的）。渗层由浓度呈阶梯式跳跃分布

3、、相互毗邻的单相区组织构成。f=c-p+1C:组元数，p:相数，f:自由度。第二节热扩渗的分类按照加热温度高温>910℃中温720-910℃低温<720℃按照介质工作状态气体热扩渗液体热扩渗固体热扩渗第三节气体热扩渗一、气体渗碳目的：是通过向工件表层渗入碳原子，从而使表层具有高的含碳量，并经热处理后使表层具有高硬度、耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性。设备：主要有井式渗碳炉和连续渗碳炉，小批量的生产使用井式渗碳炉，大批量的生产就使用连续炉。CH4[C]+2H22CO[C]+CO2CO+H2[C]+H2O工艺参数：(1)温度和时间温度选择原则，即要使渗碳过

4、程以较快的速度进行，从钢本身来说，渗碳温度下应该能容纳较多的碳原子，从活性碳原子来说，扩散速率应较快，渗碳温度就应该在较高温度下进行，900-950℃。时间由渗层深度决定，井式炉大约是0.2mm/h,一般0.8-1.2mm,4-6h.(2)渗碳气氛（含碳量的控制)气氛是通过控制碳势来控制的。因为不同渗碳剂产生活性碳原子的能力是不同的。碳势就是在给定温度下，钢件表面含碳量与炉中气氛达到动平衡时，钢件表面的实际含碳量。渗碳用钢低碳钢和低碳合金钢。含碳量过高会降低心部组织的塑性和韧性。15，20，15Cr,20Cr,20CrMnTi,20CrNiMo碳势的控制通常可用低碳

5、钢箔(厚度<0.1mm)在含碳气氛中的平衡碳含量来表示。测量方法：假设炉气氛处于平衡条件下，按热力学分析得出的。H2+CO2+=H2O+CO2CO=[C]+CO2k2=[pco]2/acPco2，红外仪测CO2浓度CO+H2=[C]+H2Ok3=PH2*PCO/PH2Oac，测露点温度CO=[C]+1/2O2,k4=pCO/[pO2]1/2ac,氧探头，测氧电势渗碳后的热处理和组织性能渗碳后，钢件表层含碳量可达到0.9-1.25%。渗碳零件的一般工艺路线是：下料-锻造-正火-机加（粗）-渗碳-淬火+低温回火-机加（精）为了提高渗碳件的性能，渗碳后还要进行淬火并低温回

6、火。组织表层：细小的片状回火马氏体及少量渗碳体，HRC58-62心部：15，20，铁素体和珠光体HRC10-15，20CrMnTi低碳回火马氏体、铁素体、屈氏体HRC35-45。应用：汽车、拖拉机发动机、变速齿轮。二、气体氮化定义：向钢的表面渗入氮原子，形成坚硬化合物层的过程称为氮化。目的：是为了获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、红硬性和抗蚀性，与渗碳不同的是氮化是靠在表层形成氮化物来实现强化的。氮化原理：使用的渗剂是氨气。气体氮化时，将氨气通入加热到氮化温度的密闭氮化炉中，氨气（NH3）在450℃以上温度时与铁接触后分解：2NH33H2+2[N]。氮化温

7、度一般选择在500-570℃进行，在此温度下铁素体对氮有一定的溶解能力，α-Fe吸收活性氮原子，先形成氮在α-Fe中的固溶体，当氮含量超过α-Fe的溶解度时，便形成氮化物Fe4N和Fe2N。所以氮化后组织由里及表依次为：Fe2-3N(ε）-Fe4N（r’)-α-Fe(N)-心部组织。氮化层厚度一般在0.15-0.7mm范围内选择，氮化时间为10-100h.特点：(1)氮化件具有极高的硬度和耐磨性。由于在氮化后在表层形成极硬的氮化物，HV850以上，相当于HRC65-72,比渗碳淬火硬度高的多。因此氮化后无须进行淬火。(2)具有较高的红硬性，氮化物的高硬度可以保持