材料表面熱處理技術

1、第二章第二章 材料表面熱處理技術材料表面熱處理技術2.1 表面化學熱處理技術 2.1.1 基本原理 化學熱處理是在一定溫度下，在不同的活性介質(zhì)中，向鋼的表面滲入適當?shù)脑?，同時向鋼的內(nèi)部擴散，以獲得預期的組織和性能為目的的熱處理過程。滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲鉻、滲鋁等。 化學熱處理包括下述三個基本過程： （1）化學介質(zhì)的分解 在一定溫度下，化學介質(zhì)可發(fā)生化學分解反應，生成活性原子。通常，為了增加化學介質(zhì)的活性，還加入適量催化劑或滲劑，來加速反應過程，降低反應溫度，縮短反應時間。例如，固體滲碳時加入碳酸鹽，滲金屬時常用氯化銨作為催滲劑。此外，稀土元素的應用也具有很明顯的催滲效果。 例

2、如：NH3N + H（2） 活性原子的吸收 介質(zhì)分解生成活性原子，如C、N等，為鋼的表面所吸附，然后溶入基體金屬鐵的晶格中。碳、氮等原子半徑較小的非金屬元素容易溶入Fe中形成間隙固溶體，碳也可與鋼中強碳化合物元素直接形成碳化物。氮可溶于Fe中形成過飽和固溶體，然后再形成氮化物。 活性N原子基 體（3）原子的擴散 鋼表面吸收活性原子后，該種元素的濃度大大提高，形成了顯著的濃度梯度。在一定的溫度條件下，原子就能沿著濃度梯度下降的方向定向擴散，結(jié)果便能得到一定厚度的擴散層。 表征擴散過程速度的一個重要參數(shù)是擴散系數(shù)D。它的物理意義是，在濃度梯度為1的情況下，在單位時間內(nèi)，通過單位面積的擴散物質(zhì)量。擴

3、散系數(shù)越大，則擴散速度越快。影響擴散速度的主要因素是溫度和時間。 擴散系數(shù)和溫度的關系，可由下式表示：RTQAeD式中 D擴散系數(shù)；e自然對數(shù)之底；T熱力學溫度；A方程式參數(shù)；R氣體常數(shù)；Q擴散激活能。溫度越高，擴散系數(shù)越大。如碳在鐵中的擴散系數(shù)，當溫度自925增至1100時，會增加7倍以上；而鉻在鐵中的擴散系數(shù)，當從1150增至1300時會增大50倍以上。當溫度一定時，加熱時間越長，擴散層的厚度便越大，擴散層厚度與時間的關系為：式中 擴散層厚度時間；K常數(shù)。 k活性N原子基 體活性原子的吸附示意圖活性N原子基 體活性原子的擴散示意圖2.1.2 普通化學熱處理 滲氮：氮化就是向鋼件表面滲入氮的

4、工藝。其特點是： 1）氮化件表層硬度很高(10001100HV),且在600650溫度時保持不下降， 所以具有很高的耐磨性和熱硬性，心部具有足夠的強韌性。 2）表層形成壓應力，使疲勞強度大大提高。 3）氮化溫度低，零件變形小。 4）表面形成致密的化學穩(wěn)定性較高的層，耐蝕性好。 2.1.3 等離子體化學熱處理 在一般情況下，氣體是良好的絕緣體。但在一定的條件下，絕緣的氣體可因放電而成為良導體。在圖220所示的氣體放電管內(nèi)，氣體處于真空狀態(tài)，若逐漸增加電源電壓，記下電壓表及電流表的讀數(shù)，即可繪出氣體放電的全程伏安特性曲線（圖22，3） v ARE+- 圖22 氣體放電實驗 PABCMNSOIV1O

5、圖23 氣體放電的全程伏安特性曲線 電壓在OS段內(nèi)時，陰陽極只有微弱電流。當電壓增高到S點時，氣體由絕緣體變成良導體，電流急劇上升。S點的電壓稱點火電壓，用VS表示，陰極與陽極間出現(xiàn)悅目的輝光。這種現(xiàn)象叫做起輝。一旦起輝后，極間電壓即降落到M點，此時若增加電源電壓或減少限流電阻，則兩極間電壓保持不變，電流逐漸增大，輝光覆蓋面積逐漸擴大，直至覆蓋全部陰極。MN段為正常輝光放電區(qū)，到達N點后再增加電源電壓，則兩極間的電壓與電流都不斷增大。NO段為異常放電區(qū)。當極間輝光熄滅，陰極表面產(chǎn)生強烈的弧光放電。0點以后稱為弧光放電區(qū)。 點燃電壓可用下式表達：式中 V1爐內(nèi)氣體的電離電位；P爐內(nèi)氣體的壓強；d

6、陰極間的距離；C陰極材料常數(shù)，陰極材料發(fā)射二次電子的能力不同，C值也不同。在輝光放電時，陰陽極間存在著柔和的輝光。輝光放電形成大量的正離子，在電場力的作用下以極快的速度沖向作為陰極的工件表面，在工件表面發(fā)生復雜的物理和化學過程：熱交換：正離子具有很大的動能，大部分與工件（陰極）碰撞而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使工件升溫；濺射：高速正離子從工件表面轟擊出Fe、C、O等離子和二次電子，F(xiàn)e、C、O等原子在陰極附近參加復雜的化學反應，二次電子使放電持續(xù)進行；正離子注入陰極表面，向內(nèi)擴散或形成化合物；光輻射形成輝光。通過以上過程，使工件滲入所需元素，表面獲得所需滲層。 )ln(1PdCPdVVS（1）離子滲氮（離子

7、滲氮或離子軟滲氮）離子氮化的過程是： 工件經(jīng)清洗后置于爐內(nèi)陰極盤上（或掛在陰極吊具上），陰極接直流電源的負極，真空室殼接直流電源正極并接地，真空室壓強抽至6Pa左右，即沖入凈化氨，使壓強保持在1.3102Pa1.3 103Pa，由于減壓及其后的加熱作用氨被分解。 當在陰、陽極間加入高壓直流電，電壓升到約400V時，爐內(nèi)出現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象。這時爐內(nèi)氣體在高壓電場的作用下，被電離分解成N+、H+離子和電子。正離子轟擊工件表面，氮元素滲入工件表層，形成FeN、FeN2等化合物。含氮化合物層的形成，提高了零件表面的耐磨性、疲勞強度和抗腐蝕性能。離子氮化的溫度一般為500600。 離子滲氮的優(yōu)點是： 1）滲速快，離子滲氮45h即可得到0.3mm滲氮層，而氣體滲氮約需15h； 2）滲層具有一定的韌性，可通過控制工藝參數(shù)獲得韌性較好的單相化 合物層； 3）顯著提高零件表面硬度、耐磨性和疲勞強度及耐蝕性； 4）零件變形小、表面呈銀白色，質(zhì)量好，不需要再磨削加工； 5）節(jié)省電能，氣體消耗少。 專題專題 2Cr13不銹鋼的離子滲氮不銹鋼的離子滲氮工程應用技術工程應用技