化學(xué)熱處理是利用化學(xué)反應(yīng)、有時(shí)兼用物理方法改變鋼件表層化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu),以便得到比均質(zhì)材料更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的金屬熱處理工藝。
由于機(jī)械零件的失效和破壞大多數(shù)都萌發(fā)在表面層,特別在可能引起磨損、疲勞、金屬腐蝕、氧化等條件下工作的零件,表面層的性能尤為重要。
經(jīng)化學(xué)熱處理后的鋼件,實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是一種特殊復(fù)合材料。
心部為原始成分的鋼,表層則是滲入了合金元素的材料。
心部與表層之間是緊密的晶體型結(jié)合,它比電鍍等表面復(fù)護(hù)技術(shù)所獲得的心、表部的結(jié)合要強(qiáng)得多。
化學(xué)熱處理的目的
①提高零件的耐磨性 采用鋼件滲碳淬火法可獲得高碳馬氏體硬化表層;合金鋼件用滲氮方法可獲得合金氮
化物的彌散硬化表層。用這兩種方法獲得的鋼件表面硬度分別可達(dá)HRC58~62及HV800~1200。另一途徑是在鋼件表面形成減磨、抗粘結(jié)薄膜以改善摩擦條件,同樣可提高耐磨性。例如,蒸汽處理表面產(chǎn)生四氧化三鐵薄膜有抗粘結(jié)的作用;表面硫化獲得硫化亞鐵薄膜,可兼有減磨與抗粘結(jié)的作用。近年來發(fā)展起來的多元共滲工藝,如氧氮滲,硫氮共滲,碳氮硫氧硼五元共滲等,能同時(shí)形成高硬度的擴(kuò)散層與抗粘或減磨薄膜,有效地提高零件的耐磨性,特別是抗粘結(jié)磨損性。
②提高零件的疲勞強(qiáng)度 滲碳、滲氮、軟氮化和碳氮共滲等方法,都可使鋼零件在表面強(qiáng)化的同時(shí),在零件表面形成殘余壓應(yīng)力,有效地提高零件的疲勞強(qiáng)度。
③提高零件的抗蝕性與抗高溫氧化性 例如,滲氮可提高零件抗大氣腐蝕性能;鋼件滲鋁、滲鉻、滲硅后,與氧或腐蝕介質(zhì)作用形成致密、穩(wěn)定的Al2O3、Cr2O3、SiO2保護(hù)膜,提高抗蝕性及高溫抗氧化性。
通常,鋼件硬化的同時(shí)會(huì)帶來脆化。用表面硬化方法提高表面硬度時(shí),仍能保持心部處于較好的韌性狀態(tài),因此它比零件整體淬火硬化方法能更好地解決鋼件硬化與其韌性的矛盾。化學(xué)熱處理使鋼件表層的化學(xué)成分與組織同時(shí)改變,因此它比高、中頻電感應(yīng)、火焰淬火等表面淬火硬化方法效果更好。如果滲入元素選擇適當(dāng),可獲得適應(yīng)零件多種性能要求的表面層。
化學(xué)熱處理的分類
化學(xué)熱處理的方法繁多,多以滲入元素或形成的化合物來命名,例如滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲鋁、滲
鉻、滲硅、碳氮共滲、氧氮化、硫氰共滲和碳、氮、硫、氧、硼五元共滲,及碳(氮)化鈦覆蓋等。各種化學(xué)熱處理的效用和適用鋼種見表。
化學(xué)熱處理應(yīng)根據(jù)零件的性能要求以及工藝的易行性與經(jīng)濟(jì)指標(biāo),合理地選用工藝類型。例如,滲碳與滲氮可提高零件的耐磨性;但滲碳是在高溫(900~1000℃)下進(jìn)行,在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)(6~10小時(shí))可獲得可觀的滲層,故一般要求硬化層較深(0.9~2.5mm)的耐磨零件多采用滲碳處理,既可滿足性能要求,又較經(jīng)濟(jì)。當(dāng)零件尺寸變形要求很嚴(yán)時(shí),采用低溫(500~600℃)進(jìn)行的滲氮處理,可保證零件尺寸精度;但滲氮層增厚緩慢,滲氮時(shí)間常需十幾甚至幾十個(gè)小時(shí),是一種不經(jīng)濟(jì)的方法。
化學(xué)熱處理的基本過程
化學(xué)熱處理包括三個(gè)基本過程,即①化學(xué)滲劑分解為活性原子或離子的分解過程;②活性原子或離子被鋼件表面吸收和固溶的吸收過程;③被滲元素原子不斷向內(nèi)部擴(kuò)散的擴(kuò)散過程。
化學(xué)熱處理的分解過程
綜述
化學(xué)滲劑是含有被滲元素的物質(zhì)。被滲元素以分子狀態(tài)存在,它必須分解為活性原子或離子才可能被鋼件表面吸收及固溶,很難分解為活性原子或離子的物質(zhì)不能作滲劑使用。例如普通滲氮時(shí)不用氮而用氨,因?yàn)榘睒O易分解出活性氮原子【N】:
2NH→3H2+2【N】
根據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué),分解反應(yīng)產(chǎn)物的自由能必須低于反應(yīng)物的自由能,分解反應(yīng)才可能發(fā)生。但僅滿足
化學(xué)熱處理的吸收過程
工件表面對(duì)周圍的氣體分子、離子或活性原子具有吸附能力,這種表面的物理或化學(xué)作用稱為固體吸附效應(yīng)(見晶體表面。氣體分子或者被鋼件表面吸附,并且由于鐵的催化作用而使其加速分解為活性原子;或者先分解為活性原子或離子,再被鋼件表面吸附。以上兩種情況何者為主,視工藝而定。被吸附的活性原子或離子在鋼件表面溶入鐵的晶體點(diǎn)陣內(nèi),形成固溶體;如果被滲元素的濃度超過了該元素在鐵中的固溶度,則形成相應(yīng)的金屬間化合物(見合金相),這些過程稱為吸收過程。
化學(xué)熱處理的擴(kuò)散過程
滲入元素的活性原子或離子被鋼件表面吸收和溶解,必然不斷提高表面的被滲元素的濃度,形成心部與表面的濃度梯度。在心、表部之間濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下,被滲原子將從表面向心部擴(kuò)散。在固態(tài)晶體中原子的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)低于滲劑的分解和吸收過程的速率,所以擴(kuò)散過程往往是化學(xué)熱處理的主要控制因素。這就是說強(qiáng)化擴(kuò)散過程是強(qiáng)化化學(xué)熱處理生產(chǎn)過程的主要方向。由擴(kuò)散方程(見金屬中的擴(kuò)散)可知,提高溫度,增大滲入元素在金屬中的擴(kuò)散常數(shù),減小其擴(kuò)散激活能的因素均可加速擴(kuò)散過程。由于化學(xué)熱處理的三個(gè)過程是相互聯(lián)系的,在某些具體條件下分解與吸收兩個(gè)過程也有可能成為主要控制因素。
形成規(guī)律
對(duì)一定的滲入溫度,在緩慢冷卻的情況下,滲層組織的形成,遵循合金相圖的規(guī)律;在化學(xué)熱處理后進(jìn)行淬火的情況,則要考慮淬火組織的特點(diǎn)。但不論何種情況,滲層均可當(dāng)作含有較高滲入元素濃度的材料來考慮,需要注意的是滲入元素的濃度是有梯度的。
以比較簡(jiǎn)單的滲碳層為例。經(jīng)滲碳后,表面碳濃度一般約為0.9~1.2%;其濃度變化曲線如圖1所示。在滲碳溫度(920℃)時(shí),滲碳層為高碳奧氏體,心部為低碳奧氏體。總之,整個(gè)截面是單相奧氏體組織。如果緩慢冷卻到室溫,那么其組織基本上遵循鐵碳平衡圖的規(guī)律變化。碳濃度超過共析濃度的最表層將會(huì)沿奧氏體晶界析出滲碳體,其組織相當(dāng)于過共析鋼的退火組織;碳濃度為共析濃度的次表層,其組織相當(dāng)于共析鋼的退火組織;碳濃度從共析濃度降至心部濃度的過渡層,其組織相當(dāng)于相應(yīng)碳濃度的亞共析鋼的退火組織。通常滲碳后需重新加熱進(jìn)行淬火及低溫回火,這時(shí)各層的組織則是相應(yīng)碳濃度的鋼的淬火及低溫回火組織。再以復(fù)雜的滲氮為例。滲氮溫度較低,在520~580℃范圍。從鐵氮合金相圖(圖2)可以看到,滲氮是在鐵素體相中進(jìn)行的。這是由于:①氮在體心立方點(diǎn)陣的鐵素體中的擴(kuò)散系數(shù)D媘比在面心立方點(diǎn)陣的奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)D姱大得多,例如在600℃時(shí),D媘為1428×10-11cm2/s,而D姱則只有0.70×10-11cm2/s;②在這個(gè)溫度范圍鋼件表面具有更好的吸附氮的能力;③超過580℃時(shí),滲氮層硬度將顯著降低。由于氮在鐵素體中的溶解度很小,滲氮過程中表面的氮濃度很快就會(huì)超過其溶解度而形成鐵氮金屬間化合物。這種在滲入溫度就有形成新相的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的擴(kuò)散過程,稱為反應(yīng)擴(kuò)散。從鐵氮合金相圖可知,鐵與氮可以形成以下幾種相:α為N溶解在α-Fe中的間隙固溶體(即含氮鐵素體);γ為N溶解在γ-Fe中的間隙固溶體(即含氮奧氏體);γ┡為Fe4N 金屬間化合物;ε為Fe2~3N金屬間化合物;ζ為Fe2N金屬間化合物。在滲氮過程中,當(dāng)表面氮濃度超過氮在α-Fe中的溶解度時(shí),就形成γ┡相(Fe4N),繼而γ┡相的層厚增加,γ┡相的氮濃度也增加。當(dāng)γ┡相的氮濃度超過氮在γ┡相中的最高溶解度時(shí),就形成ε相(Fe2~3N),繼而ε相的層厚增加,ε相的氮濃度也增加。此時(shí)從表及里的組織依次為:ε→γ┡→α(圖3a)。氮濃度變化的曲線具有濃度突變特征(圖3b)。如果滲氮后緩慢冷卻至室溫,那么由于溶解度隨溫度變化而變化,所以可在ε相中析出γ┡相,α相中析出γ┡相,此時(shí)的滲氮層組織由表及里將依次為:ε→ε+γ┡→γ┡→α+γ┡(圖3c)。滲氮后不需重新加熱淬火就能獲得極高的表層硬度。如果鋼中含有鋁、鉻、鉬等其他與氮的親和力更大的合金元素,那么滲氮層就存在相應(yīng)元素的氮化物,可以獲得更高的硬度。
處理工藝介紹
化學(xué)熱處理工藝包括滲劑的化學(xué)組成和配比,滲劑分解反應(yīng)過程的控制和參數(shù)測(cè)定,滲入溫度和時(shí)間,工件的準(zhǔn)備,滲后的冷卻規(guī)程及熱處理,化學(xué)熱處理后工件的清理以及裝爐量等等。無論何種化學(xué)熱處理工藝,若按其滲劑在化學(xué)熱處理爐內(nèi)的物理狀態(tài)分類,則可分為固體滲、氣體滲、液體滲、膏糊體滲、液體電解滲、等離子體滲和氣相沉積等工藝。
固體滲
所用的滲劑是具有一定粒度的固態(tài)物質(zhì)。它由供滲劑(如滲碳時(shí)的木炭)、催滲劑(如滲碳時(shí)的碳酸鹽)及填料(如滲鋁時(shí)的氧化鋁粉)按一定配比組成。這種方法較簡(jiǎn)便,將工件埋入填滿滲劑的鐵箱內(nèi)并密封,放入加熱爐內(nèi)加熱保溫至規(guī)定的時(shí)間即可,但質(zhì)量不易控制,生產(chǎn)效率低。
氣體滲
所用滲劑的原始狀態(tài)可以是氣體,也可以是液體(如滲碳時(shí)用煤油滴入爐內(nèi))。但在化學(xué)熱處理爐內(nèi)均為氣態(tài)。對(duì)所用滲劑要求能易于分解為活性原子,經(jīng)濟(jì),易于控制,無污染,滲層具有較好性能。很多情況下可用其他氣體(如氫、氮或惰性氣體)將滲劑載入爐內(nèi);例如滲硼時(shí)可用氫氣將滲劑BCl3或B2H6載入爐內(nèi)。等離子體滲法是氣體滲的新發(fā)展,即輝光離子氣滲法;最早應(yīng)用于滲氮,后來被應(yīng)用于滲碳、碳氮共滲、硫氮共滲等方面。氣相沉積法也是一種氣滲的新發(fā)展,主要應(yīng)用于不易在金屬內(nèi)擴(kuò)散的元素(如鈦、釩等)。主要特點(diǎn)是氣態(tài)原子沉積在鋼件表面并與鋼中的碳形成硬度極高的碳化物覆蓋層,或與鐵形成硼化物等。
液體滲
滲劑是熔融的鹽類或其他化合物。它由供滲劑和中性鹽組成。為了加速化學(xué)熱處理過程進(jìn)行,附加電解裝置后成為電解液體滲。在硼砂鹽浴爐內(nèi)滲金屬的處理法是近年發(fā)展起來的工藝,主要應(yīng)用于鈦、鉻、釩等碳化物形成元素的滲入。
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