五、化学热处理

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1、第五章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。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成分和随后的热处理，就可以在同一种材料的

2、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。5.1化学热处理的分类与基本过程一、化学热处理的分类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，可以溶人铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物。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。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。吸收是

3、指活性原子被金属表面吸收的过程，其基本条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。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。三、渗层的组织结构与形成过程渗层的组织结构首先取决于组成渗层的合金系的相图。。纯扩散：如果渗入元素与基体元素间形成连续

4、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。反应扩散：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。5.2钢的渗碳一、渗碳的目的、分类及应用1、定义：钢在渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。2、目的：渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。3、分类：根据所用渗碳剂在渗碳

5、过程中聚集状态的不同，渗碳方法可以分为a）固体渗碳法、b)液体渗碳法及c)气体渗碳法三种。二、炉气反应与碳势控制1、炉气反应：2CO[C]＋CO2+QCH4[C]＋2H2-QCO＋H2[C]＋H2OCO[C]＋1/2O2渗碳气氛：CO和CH4脱碳气氛：H2、CO2、H2O、O2等。气氛中的N2为中性气体整个气氛的渗碳能力取决于这些组分的综合作用，而不只是哪一个单组分的作用。2、碳势控制：碳势是表征含碳气氛改变工件表面含碳量能力的参数。三、渗碳工艺1、渗碳钢：渗碳钢中Wc一般在0.12-0.25％之间，其所含主要合金元素一般是铬、

6、锰、镍、钼、钨、钛等。典型钢种为20CrMnTi。2、渗碳温度：首先，温度影响分解反应的平衡，从而影响碳势。其次，温度也影响碳的扩散速度和渗层深度。第三，温度还影响钢中的组织，温度过高会使钢的晶粒粗大。目前，生产中的渗碳温度一般为920-930C。对于薄层渗碳，温度可降低到880-900C，这主要是为了便于控制渗层深度；而对于深层渗碳（大于5mm），温度往往提高到980-1000C，这主要是为了缩短渗碳时间。3、渗碳时间渗碳时间主要取决于渗层的深度要求。渗层深度确定之后，可根据气氛碳势、渗碳温度、渗碳钢成分等确定所需渗碳时

7、间。4、分段渗碳工艺参数为了缩短渗碳的总时间，节省能源，降低消耗，通常在生产中将渗碳过程分为不同阶段，而在不同阶段中对各参数进行综合调节。最典型的做法是将整个渗碳过程分为四个阶段。第一阶段升温排气阶段。是工件达到渗碳温度前的一段时间，用较低碳势。第二阶段强渗阶段。在正常温度或更高温度下，用高于所需表面碳含量的碳势，时间较长。第三阶段扩散阶段。工件降到（或维持在）正常渗碳温度，碳势降到所需表面碳含量，时间较短。第四阶段降温预冷阶段。使温度降到淬火温度，便于直接淬火。图4-820CFMnTi钢拖拉机油泵齿轮在RJJ-90炉中气体渗碳

8、的工艺曲线I煤油125±5滴II煤油50～55滴III煤油20～25滴IV煤油20～25滴V煤抽20～25滴均温30120240930℃温度/℃时间/minIIIIIIIVV放气15min淬油上区860℃下区850℃试棒层深0.6~0.7mm试棒层深1.1~1.