钢的化学热处理

5.1 基本原理
一、化学热处理的基本过程 通过界面反应渗剂分解，产生被渗元素的活性原子； 通过界面反应渗剂分解，产生被渗元素的活性原子； 活性原子被表面吸附； 活性原子被表面吸附； 活性原子由工件表面向内部扩散。 活性原子由工件表面向内部扩散。 例如： 例如： 渗碳时： 渗碳时：CH4＝2H2+[C] 渗氮时： 渗氮时：2NH3=3H2＋2[N]
（4）特点 优点：不需专门设备，工艺简单，适宜单件或小批量生产。 缺点：加热时间长，生产率低，劳动条件差，渗碳层深度以 及质量不易控制。 泥封 渗碳箱 盖 试棒 零件 渗碳剂
固体渗碳示意图
2、液体渗碳 （1）概念：工件在一定温度下的含碳活性盐浴中加热保温进行 概念： 渗碳的工艺。 渗碳的工艺。 （2）特点： 特点： 优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后直接淬火； 优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后直接淬火； 缺点：多数盐浴有毒。 缺点：多数盐浴有毒。 （3）渗碳液体组成 由三部分物质组成: 由三部分物质组成: 加热介质 NaCl、 NaCl、BaCl2 混合盐 NaCN,KCN， 603”渗碳剂等 100目木炭粉 渗碳剂等（ 目木炭粉， 渗碳介质 NaCN,KCN，“603 渗碳剂等（100目木炭粉，5 NaCl，10％KCl，15％ 20％（ ％（NH CO） ％NaCl，10％KCl，15％Na2CO3，20％（NH2)2CO） 催化剂 碳酸盐Na 碳酸盐Na2CO3、BaCO3
三、渗碳方法 1、固体渗碳 概念：将工件放入填充固体渗碳剂的密封箱中， （1）概念：将工件放入填充固体渗碳剂的密封箱中，在一定温 度下加热保温进行渗碳的工艺。 度下加热保温进行渗碳的工艺。 （2）固体渗碳剂组成 主要由两类物质组成: 主要由两类物质组成: 提供活性碳原子的供碳剂（木炭、焦炭） 提供活性碳原子的供碳剂（木炭、焦炭） 催渗剂，如碳酸钡， 催渗剂，如碳酸钡，碳酸钠 （3）渗碳工艺 渗碳温度： 渗碳温度： 900～930℃；（ Ti、 ；（含 Mo的钢 950～980℃） 的钢， 900～930℃；（含Ti、V、W、Mo的钢，950～980℃）。 保温时间:每小时渗0.1 0.1mm; 保温时间:每小时渗0.1mm; 生产中常用试棒来检验渗碳效果， 生产中常用试棒来检验渗碳效果，渗碳时间应通过试验进行修 正。
二、评定渗碳质量的主要技术指标： 评定渗碳质量的主要技术指标：
1、渗碳层的碳浓度：0.85－1.05％ 。 渗碳层的碳浓度：0.85－1.05％ 碳浓度低，则耐磨性不够，疲劳强度较低。 碳浓度低，则耐磨性不够，疲劳强度较低。 碳浓度过高渗层变脆，出现网状或块状化物， 碳浓度过高渗层变脆，出现网状或块状碳化物，则很容易剥落 影响使用寿命。 影响使用寿命。 渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求， 渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求，渗层的碳浓度梯度应平 衡下降。 衡下降。
BaCO3 ∆ BaO + CO2 →
界面反应 2CO = CO2 + [C ]
CO2 + C = 2CO
化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的反应有： 1）分解反应：如普通气体渗碳、渗氮时，
CH 4 = 2 H 3 + [C ]Fe中
2 NH 3 = 3H 3 + 2[ N ]Fe中
2）置换反应：渗金属时，
4、作用： 强化表面：表面硬度，耐磨性，疲劳极限，多次冲击韧性的 提高。如渗碳、渗氮等。 保护工件表面：提高工件的物理化学性能，耐高温，耐腐蚀。 如渗氮等。 5、特点： 最有效地改善钢件表面的化学成分，组织和性能，而且这种 改善是由表面向心部逐渐过渡，渗层与基体的结合是牢固的。 不受工件外形的限制，表面都可以获得分布均匀的渗层和淬 硬层。 经化学热处理后的工件大部分具有变形小，精度高，尺寸稳 定性好等特点。 大部分化学热处理，在提高表面机械性能的同时还可以提高 表面的耐腐蚀性，抗氧化，减磨，抗咬合，耐热等。
气体渗碳示意图
（3）渗剂 渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体（煤油，丙酮等），气体 渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体（煤油，丙酮等），气体 ）， 分解，析出活性碳原子，渗入工件表面。 分解，析出活性碳原子，渗入工件表面。 （4）分类 可分为滴注法渗碳，吸热式气氛渗碳等。 可分为滴注法渗碳，吸热式气氛渗碳等。 1）滴注式可控气氛渗碳： ）滴注式可控气氛渗碳： 同时向炉内滴入两种有机液体， 同时向炉内滴入两种有机液体，热裂分解为活性原子并渗入 工件表面。 工件表面。 一种液体（甲醇）产生的气体碳势较低，作为稀释气体； 一种液体（甲醇）产生的气体碳势较低，作为稀释气体； 另一种液体（如醋酸乙脂、煤油或丙酮） 另一种液体（如醋酸乙脂、煤油或丙酮）产生的气体碳势较 作为富化气。 高，作为富化气。 通过改变两种液体的滴入比例，就可以控制碳势。 通过改变两种液体的滴入比例，就可以控制碳势。
2）渗层深度与温度的关系 渗层深度与温度呈指数关 系，因而温度对深度的影 远比时间的影响强。 响，远比时间的影响强。 表面浓度愈高， 3）表面浓度愈高，相同扩 散时间条件下， 散时间条件下，渗层深度 愈深。 愈深。
δ = K 2e
2
Q − RT
（3）扩散层的组织结构
扩散层的组织结构可以根据基体金属与渗 入元素的合金状态图及扩散条件来确定。
显微硬度 HV
20MnSi 930℃渗碳10h后硬度
1）渗层深度与扩散时间的关系
δ = K1τ
2
说明渗层深度δ 说明渗层深度δ与时间 t 呈 抛物线关系； 抛物线关系； 即延长化学热处理时间， 即延长化学热处理时间，相邻 区域的浓度差减小， 区域的浓度差减小，扩散速度 逐渐降低； 逐渐降低； 随时间延长，扩散浓度的增加 随时间延长， 值也越来越少（先快后慢）。 值也越来越少（先快后慢）。
（2）影响渗层深度的因素： ）影响渗层深度的因素： 渗层指在钢的表面渗入某种元素后， 渗层指在钢的表面渗入某种元素后，从表面向内保 持该元素较高浓度的距离。 持该元素较高浓度的距离。
440 420 400 380 360 340 320 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 离表面的距离 mm
第五章
金属的化学热处理
概述
1、概念 将金属制件放在特定的活性介质中，加热保温使一种或几 将金属制件放在特定的活性介质中， 种元素渗入它的表层，改变其表面的化学成分和组织， 种元素渗入它的表层，改变其表面的化学成分和组织，以达 到改变表面性能，满足技术要求的热处理工艺总称。 到改变表面性能，满足技术要求的热处理工艺总称。 简单说是向钢的表面渗入某种元素的热处理工 艺。 注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。 注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。 2、目的 获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。 获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。 3、分类 以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。命名方法见表。 以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。命名方法见表。
基本化学反应： Na2CO3＋C→Na2O＋2CO 2CO↔CO2＋[C] 3[NH2]2CO+Na2CO3 → Na2CNO+4NH3+2CO2 2NaCNO →2NaCN+Na2CO3+CO+2[N] 渗碳温度一般为920～940℃，渗碳速度较快。
3、 气体渗碳 （1）概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热和保 温进行渗碳的工艺。 （2）特点： 操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件好。
2、化学催渗法 概念： 概念： 是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质， 是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进 渗剂的分解，去除表面钝化膜， 渗剂的分解，去除表面钝化膜，改善工件表面活化 状态，以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。 状态，以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。从 而提高渗入能力。 而提高渗入能力。 分类： 分类： A)卤化物催渗法； A)卤化物催渗法； 卤化物催渗法 B）提高渗剂活性的催渗方法。 提高渗剂活性的催渗方法。
2）渗层深度 ：为了提高工件的疲劳强度，渗碳层的 总浓度和工件断面之间有一个经验的比例关系：
轴类
δ = (0.1 ~ 0.2) R
δ = (0.2 ~ 0.3)m
齿轮
薄片零件
δ = (0.2 ~ 0.3)t
R－半径(mm)； m－模数(mm)； t －厚度(mm)。 一般情况，小截面工件渗层深度不大于工件截面的20％； 大截面工件渗层深度不大于2~3mm。
1、渗剂分解 渗剂一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗 剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。 渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。 催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的 物质。 例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠
Na2CO3 ∆ Na2O + CO2 →
MeCl x + Fe → FeCl3 + Me
3）还原反应：如渗金属时，
MeCl x + H 2 → HCl + Me
2、吸附过程及影响因素
固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理 吸附和化学吸附两类。 1）物理吸附：没有电子转移和化学键生成的吸附现象。 这种吸附能迅速达到平衡，并在较低温度下发生。 温度升高时吸附量下降，温度下降时吸附量又增加。 2）化学吸附：当气体（吸附质）与金属表面（吸附剂）接 触时二者以高速发生反应形成化学键，即发生电子交换， 组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。 化学吸附在低温时速度较小，随温度升高明显增大，这种 吸附可以使分子解离。
20MnSi 930℃渗 碳10h后硬度
分类： 分类： 按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、 按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗 碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。 气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。 渗碳的材料 含碳量为0.1－0.25％的低碳钢或合金钢。 含碳量为0.1－0.25％的低碳钢或合金钢。 0.1 如20、20CrMnTi、18CrMnTi等。 20、