钢的化学热处理公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第五章第五章 钢化学热处理钢化学热处理5.1 概述概述何为化学热处理？何为化学热处理？工业上有哪些应用？工业上有哪些应用？它处理哪些问题？它处理哪些问题？强化表面强化表面,保护零件表面保护零件表面 将零件放在特定介质中加热、保温、以将零件放在特定介质中加热、保温、以改变其改变其表层化学成份和组织表层化学成份和组织，从而取得所需力学或化，从而取得所需力学或化学性能工艺总称。学性能工艺总称。表面和心部性能要求不同零件第1页第1页第十章第十章 钢化学热处理钢化学热处理10.1 概述概述化学热处理长处？化学热处理长处？能有效改进钢表面成份、组织和性能能有效改进钢表面成份、组织和性能 不受工件形状限制不受工件形状限制 第2页第2页第十章第十章 钢化学热处理钢化学热处理化学热处理基本过程化学热处理基本过程 三个过程：三个过程：渗剂渗剂分解分解零件表面对活性原子零件表面对活性原子吸取吸取活性原子从零件表面向内部活性原子从零件表面向内部扩散扩散第3页第3页1、分解、分解渗剂分解，析出活性渗入原子。渗剂分解，析出活性渗入原子。如：如：2CO CO2+CCH4 C+2H2 2NH3 2N+3H2化学热处理基本过程化学热处理基本过程要加快分解反应：应升高温度，加大反应物浓度，加入催渗剂。要加快分解反应：应升高温度，加大反应物浓度，加入催渗剂。第4页第4页2、吸取、吸取活性原子克服表面能垒进入金属表面，形成固溶体或化合物。活性原子克服表面能垒进入金属表面，形成固溶体或化合物。化学热处理基本过程化学热处理基本过程溶解溶解化合化合 吸取能力与钢表面活性相关，表面缺点多（位错、晶吸取能力与钢表面活性相关，表面缺点多（位错、晶界露头），粗糙，洁净无污染则表面活性高，吸附力界露头），粗糙，洁净无污染则表面活性高，吸附力强，可增进化学热处理。强，可增进化学热处理。第5页第5页3 3、扩散、扩散活性原子被吸取后，造成表面内部浓度差，活性原子被吸取后，造成表面内部浓度差，引起渗入原子向内扩散。引起渗入原子向内扩散。整个化学热处理速度取决于扩散速度整个化学热处理速度取决于扩散速度(1)(1)活性原子扩散宏观规律活性原子扩散宏观规律服从服从 Fick Fick第一定律第一定律 Fick Fick第二定律第二定律化学热处理基本过程化学热处理基本过程扩散层厚度扩散层厚度与温度关系：与温度关系：扩散层厚度扩散层厚度与时间关系：与时间关系：A，a试验系数试验系数温度影响远不小于时间温度影响远不小于时间第6页第6页 （2 2）扩散层形成规律（渗剂）扩散层形成规律（渗剂B B向金属向金属A A扩散为例）扩散为例）T T1 1CmCmCminCminA AT/T/CmaxCmax1 12 23 34 4CmCmCminCminCmaxCmaxAnBmAnBm由表至里距离由表至里距离化学热处理基本过程化学热处理基本过程AnBmAnBmAnBmAnBm表面表面AAnBmAnBmAAnBmAnBmAAnBmAnBmT1温度下扩散层组织改变过程温度下扩散层组织改变过程第7页第7页第8页第8页5.2 5.2 钢渗碳钢渗碳基本思绪基本思绪：在在FeCFeC相图中，相图中，-Fe-Fe中碳最大溶解中碳最大溶解度度0.02%0.02%，而，而-Fe-Fe中碳最大溶解度达到中碳最大溶解度达到2.11%2.11%，相差，相差100100倍，希望在高温下渗碳，低温倍，希望在高温下渗碳，低温淬火，以期取得最高强度和最大表面硬度淬火，以期取得最高强度和最大表面硬度。第9页第9页 一、渗碳用钢一、渗碳用钢 低碳钢和低碳合金钢（碳含量低碳钢和低碳合金钢（碳含量0.1%0.1%0.25%)0.25%)低淬透性、低强度低淬透性、低强度 15 15、2020、2525 中档强度，淬透性中档强度，淬透性 20Cr 20Cr、20Mn220Mn2、20MnV20MnV 高强度，淬透性高强度，淬透性 20CrMnTi20CrMnTi、20CrMnMo等。等。超高强度超高强度 20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA 5.2 5.2 钢渗碳钢渗碳第10页第10页5.2 5.2 钢渗碳钢渗碳（1 1）渗碳温度拟定）渗碳温度拟定 在奥氏体化温度范围内，在奥氏体化温度范围内，920930920930（增进扩散），（增进扩散），小零件温度低些。小零件温度低些。（2 2）渗碳时间）渗碳时间 渗层深度渗层深度=(802.6*t=(802.6*t1/21/2)/10)/10(3720/T)(3720/T)（3 3）渗碳前处理）渗碳前处理 非渗碳表面非渗碳表面预保护（涂料、镀铜，加大加工余量）预保护（涂料、镀铜，加大加工余量）渗碳表面渗碳表面清洁，不能有裂纹等清洁，不能有裂纹等二、渗碳主要工艺参数二、渗碳主要工艺参数第11页第11页三、渗碳后热处理三、渗碳后热处理 钢铁通过渗碳处理后，表面碳含量即使很高，但钢铁通过渗碳处理后，表面碳含量即使很高，但其硬度不高，只有通过热处理后，使其转变成马氏体，其硬度不高，只有通过热处理后，使其转变成马氏体，才干取得较高硬度和耐磨性能。才干取得较高硬度和耐磨性能。直接淬火直接淬火+低温回火低温回火 一次淬火一次淬火+低温回火低温回火 二次淬火二次淬火+低温回火低温回火 分级淬火分级淬火+低温回火低温回火5.2 5.2 钢渗碳钢渗碳淬火淬火+低温回火。低温回火。难点：淬火温度选择，需同时满足表面和心部要求难点：淬火温度选择，需同时满足表面和心部要求第12页第12页（1 1）直接淬火法）直接淬火法淬火淬火+低温回火。低温回火。0T回火回火淬火淬火820 850180 200t(h)加热加热3 9h 930渗碳渗碳直接淬火工艺直接淬火工艺预冷预冷预冷作用：减少变形预冷作用：减少变形 减少减少A中含碳量中含碳量第13页第13页第14页第14页淬火淬火+低温回火。低温回火。（2 2）一次淬火法）一次淬火法渗碳缓冷后重新加热淬火渗碳缓冷后重新加热淬火第15页第15页四、渗层组织四、渗层组织 P+FeP+Fe3 3C CF+PF+P少少P PP+FP+F表表面面中中心心零零 件件1%C0.2%C渗碳时组织：渗碳时组织：A缓冷后组织：缓冷后组织：过共析过共析共析共析亚共析亚共析心部心部淬火后组织：淬火后组织：高碳高碳M+Fe3 C+Ar 低碳低碳M +F（少许）（少许）硬度：硬度：高高 低低5.2 5.2 钢渗碳钢渗碳抱负渗层组织：隐针抱负渗层组织：隐针M+弥散细小弥散细小Fe3 C+少许均匀少许均匀Ar 第16页第16页 1%C P+Fe3C0.2%C F+P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F第17页第17页渗层厚度渗层厚度：普通：普通0.52mm质量检查质量检查：渗层深度：渗层深度 硬度硬度 金相组织金相组织第18页第18页五、常见渗碳办法五、常见渗碳办法 气体渗碳气体渗碳 液体渗碳液体渗碳 固体渗碳固体渗碳 高频渗碳高频渗碳 真空渗碳真空渗碳 电解渗碳电解渗碳 流态床渗碳流态床渗碳5.2 5.2 钢渗碳钢渗碳第19页第19页 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图第20页第20页 固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱第21页第21页定义定义:将将N N渗入钢件表面，以提升其硬度、耐磨性渗入钢件表面，以提升其硬度、耐磨性 和疲劳强度一个化学热处理办法。和疲劳强度一个化学热处理办法。长处长处:高硬度，耐磨性高硬度，耐磨性 高红硬性高红硬性 高抗咬和性高抗咬和性 高疲劳强度高疲劳强度 高抗蚀性高抗蚀性 工件变形小工件变形小惯用工艺：惯用工艺：气体渗氮、液体氮化、气体渗氮、液体氮化、软氮化（氮碳共渗）软氮化（氮碳共渗）离子氮化离子氮化5.3 钢氮化钢氮化缺点缺点:生产周期长生产周期长 成本高成本高 渗层薄渗层薄 不能承受高接触应力不能承受高接触应力 和冲击载荷和冲击载荷第22页第22页5.3 钢氮化钢氮化 氮化层强化机理氮化层强化机理氮化强化与渗碳强化区别氮化强化与渗碳强化区别 渗碳强化渗碳强化:先渗碳后淬火取得相变高碳马氏体强化相先渗碳后淬火取得相变高碳马氏体强化相 氮化强化氮化强化:合金氮化物时效强化，氮化后不必热处理合金氮化物时效强化，氮化后不必热处理N N化强化机理化强化机理 1 1）N N和和MeMe元素原子偏聚形成元素原子偏聚形成G-PG-P区，引起强烈畸变。区，引起强烈畸变。2 2）过渡型氮化物析出；）过渡型氮化物析出；3 3）稳定合金氮化物含有弥散强化效果。）稳定合金氮化物含有弥散强化效果。强化效果与合金元素有很大关系，形成合金氮化物越强化效果与合金元素有很大关系，形成合金氮化物越稳定，其强化效果越好，稳定，其强化效果越好，AlAl、CrCr、MoMo能强烈提升氮化能强烈提升氮化层硬度，氮化王牌钢层硬度，氮化王牌钢38CrMoAlA38CrMoAlAn氮化与渗碳如何确保零件心部韧性？氮化与渗碳如何确保零件心部韧性？渗碳：心部低碳渗后热处理渗碳：心部低碳渗后热处理 氮化：渗前调质处理氮化：渗前调质处理第23页第23页第24页第24页5.3 钢氮化钢氮化氮化工艺氮化工艺氮化钢主要为中碳调质钢氮化钢主要为中碳调质钢,有有38CrMoAlA,40Cr38CrMoAlA,40Cr等等.氮化前热处理氮化前热处理 进行进行调质处理调质处理,使心部取得回火索氏体组织。使心部取得回火索氏体组织。非氮化面防护非氮化面防护 镀锡、涂料（水玻璃镀锡、涂料（水玻璃+石墨）石墨）氮化温度和时间拟定氮化温度和时间拟定 氮化温度普通在氮化温度普通在480570480570左右。左右。第25页第25页5.3 钢氮化钢氮化氮化层组织氮化层组织从表面至心部金相组织为：从表面至心部金相组织为：表面表面:回火索氏体回火索氏体+氮化物（普通要磨削清除、脆性氮化物（普通要磨削清除、脆性大、不可用）大、不可用）氮化层氮化层:回火索氏体回火索氏体+、氮化物氮化物 （工作层）（工作层）心部心部:回火索氏体回火索氏体注注：钢氮化热处理能够有和马氏体同样转变，但普通不：钢氮化热处理能够有和马氏体同样转变，但普通不这样用。这样用。第26页第26页氮化层组织氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度第27页第27页 渗碳与渗氮工艺特点渗碳与渗氮工艺特点不需要不需要2050500600渗氮渗氮需要需要39920930渗碳渗碳处理后是否需要热处理后是否需要热处理处理处理时间处理时间(h)处理温度处理温度()名称名称问题：试从工艺及强化机理及强化效果角度比较渗碳和渗氮工艺。问题：试从工艺及强化机理及强化效果角度比较渗碳和渗氮工艺。第28页第28页10.3 钢氮化钢氮化离子氮化炉离子氮化炉离子氮化离子氮化含氮气体在直流电场作用下，产含氮气体在直流电场作用下，产生辉光放电作用，使氮离子化渗生辉光放电作用，使氮离子化渗入金属表面入金属表面第29页第29页10.3 钢氮化钢氮化软氮化（低温氮碳共渗）软氮化（低温氮碳共渗）在钢件表面渗入氮原子在钢件表面渗入氮原子同时尚有少许碳原子渗入同时尚有少许碳原子渗入离子氮化炉离子氮化炉第30页第30页渗硼渗硼 超高硬度超高硬度1400HV渗铝渗铝 主要用于抗高温氧化和防腐主要用于抗高温氧化和防腐第31页第31页复习思考题：复习思考题：1、20钢工件，渗碳热处理后空冷，随后进行正常淬火、回钢工件，渗碳热处理后空冷，随后进行正常淬火、回火处理，试分析工件在渗碳空冷后及淬火回火后，由表火处理，试分析工件在渗碳空冷后及淬火回火后，由表面到心部组织。面到心部组织。2、试比较钢经渗碳和氮化后渗层强化机理。、试比较钢经渗碳和氮化后渗层强化机理。3、氮化前需进行什么热处理，为何？、氮化前需进行什么热处理，为何？第32页第32页