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化学热处理

2016-10-21 13:41:18来源:互联网浏览: 评论:0

  化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构,以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层,特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件,表面层的性能尤为重要。经化学热处理后的钢件,实质上可以认为是一种特殊复合材料。心部为原始成分的钢,表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合,它比电镀等表面复护技术所获得的心、表部的结合要强得多。

  目的

  ①提高零件的耐磨性 采用钢件渗碳淬火法可获得高碳马氏体硬化表层;合金钢件用渗氮方法可获得合金氮化物的弥散硬化表层。用这两种方法获得的钢件表面硬度分别可达HRC58~62及HV800~1200。另一途径是在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜以改善摩擦条件,同样可提高耐磨性。例如,蒸汽处理表面产生四氧化三铁薄膜有抗粘结的作用;表面硫化获得硫化亚铁薄膜,可兼有减磨与抗粘结的作用。近年来发展起来的多元共渗工艺,如氧氮渗,硫氮共渗,碳氮硫氧硼五元共渗等,能同时形成高硬度的扩散层与抗粘或减磨薄膜,有效地提高零件的耐磨性,特别是抗粘结磨损性。

  ②提高零件的疲劳强度 渗碳、渗氮、软氮化和碳氮共渗等方法,都可使钢零件在表面强化的同时,在零件表面形成残余压应力,有效地提高零件的疲劳强度。

  ③提高零件的抗蚀性与抗高温氧化性 例如,渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能;钢件渗铝、渗铬、渗硅后,与氧或腐蚀介质作用形成致密、稳定的Al2O3、Cr2O3、SiO2保护膜,提高抗蚀性及高温抗氧化性。

  通常,钢件硬化的同时会带来脆化。用表面硬化方法提高表面硬度时,仍能保持心部处于较好的韧性状态,因此它比零件整体淬火硬化方法能更好地解决钢件硬化与其韧性的矛盾。化学热处理使钢件表层的化学成分与组织同时改变,因此它比高、中频电感应、火焰淬火等表面淬火硬化方法效果更好。如果渗入元素选择适当,可获得适应零件多种性能要求的表面层。

  类别

  化学热处理的方法繁多,多以渗入元素或形成的化合物来命名,例如渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、硫、氧、硼五元共渗,及碳(氮)化钛覆盖等。各种化学热处理的效用和适用钢种见表。

  化学热处理应根据零件的性能要求以及工艺的易行性与经济指标,合理地选用工艺类型。例如,渗碳与渗氮可提高零件的耐磨性;但渗碳是在高温(900~1000℃)下进行,在不太长的时间内(6~10小时)可获得可观的渗层,故一般要求硬化层较深(0.9~2.5mm)的耐磨零件多采用渗碳处理,既可满足性能要求,又较经济。当零件尺寸变形要求很严时,采用低温(500~600℃)进行的渗氮处理,可保证零件尺寸精度;但渗氮层增厚缓慢,渗氮时间常需十几甚至几十个小时,是一种不经济的方法。

  化学热处理的基本过程

  化学热处理包括三个基本过程,即①化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程;②活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程;③被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。

  化学热处理工艺

  化学热处理工艺包括渗剂的化学组成和配比,渗剂分解反应过程的控制和参数测定,渗入温度和时间,工件的准备,渗后的冷却规程及热处理,化学热处理后工件的清理以及装炉量等等。无论何种化学热处理工艺,若按其渗剂在化学热处理炉内的物理状态分类,则可分为固体渗、气体渗、液体渗、膏糊体渗、液体电解渗、等离子体渗和气相沉积等工艺。

  固体渗

  所用的渗剂是具有一定粒度的固态物质。它由供渗剂(如渗碳时的木炭)、催渗剂(如渗碳时的碳酸盐)及填料(如渗铝时的氧化铝粉)按一定配比组成。这种方法较简便,将工件埋入填满渗剂的铁箱内并密封,放入加热炉内加热保温至规定的时间即可,但质量不易控制,生产效率低。

  气体渗

  所用渗剂的原始状态可以是气体,也可以是液体(如渗碳时用煤油滴入炉内)。但在化学热处理炉内均为气态。对所用渗剂要求能易于分解为活性原子,经济,易于控制,无污染,渗层具有较好性能。很多情况下可用其他气体(如氢、氮或惰性气体)将渗剂载入炉内;例如渗硼时可用氢气将渗剂BCl3或B2H6载入炉内。等离子体渗法是气体渗的新发展,即辉光离子气渗法;最早应用于渗氮,后来被应用于渗碳、碳氮共渗、硫氮共渗等方面。气相沉积法也是一种气渗的新发展,主要应用于不易在金属内扩散的元素(如钛、钒等)。主要特点是气态原子沉积在钢件表面并与钢中的碳形成硬度极高的碳化物覆盖层,或与铁形成硼化物等。

  液体渗

  渗剂是熔融的盐类或其他化合物。它由供渗剂和中性盐组成。为了加速化学热处理过程进行,附加电解装置后成为电解液体渗。在硼砂盐浴炉内渗金属的处理法是近年发展起来的工艺,主要应用于钛、铬、钒等碳化物形成元素的渗入。

 

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