化學熱處理是利用化學反應、有時兼用物理方法改變鋼件表層化學成分及組織結構,以便得到比均質材料更好的技術經濟效益的金屬熱處理工藝。
由于機械零件的失效和破壞大多數都萌發在表面層,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。
經化學熱處理后的鋼件,實質上可以認為是一種特殊復合材料。
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合,它比電鍍等表面復護技術所獲得的心、表部的結合要強得多。
化學熱處理的目的
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HRC58~62及HV800~1200。另一途徑是在鋼件表面形成減磨、抗粘結薄膜以改善摩擦條件,同樣可提高耐磨性。例如,蒸汽處理表面產生四氧化三鐵薄膜有抗粘結的作用;表面硫化獲得硫化亞鐵薄膜,可兼有減磨與抗粘結的作用。近年來發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,能同時形成高硬度的擴散層與抗粘或減磨薄膜,有效地提高零件的耐磨性,特別是抗粘結磨損性。
②提高零件的疲勞強度 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化的同時,在零件表面形成殘余壓應力,有效地提高零件的疲勞強度。
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,與氧或腐蝕介質作用形成致密、穩定的Al2O3、Cr2O3、SiO2保護膜,提高抗蝕性及高溫抗氧化性。
通常,鋼件硬化的同時會帶來脆化。用表面硬化方法提高表面硬度時,仍能保持心部處于較好的韌性狀態,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。化學熱處理使鋼件表層的化學成分與組織同時改變,因此它比高、中頻電感應、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,可獲得適應零件多種性能要求的表面層。
化學熱處理的分類
化學熱處理的方法繁多,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。各種化學熱處理的效用和適用鋼種見表。
化學熱處理應根據零件的性能要求以及工藝的易行性與經濟指標,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℃)下進行,在不太長的時間內(6~10小時)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,又較經濟。當零件尺寸變形要求很嚴時,采用低溫(500~600℃)進行的滲氮處理,可保證零件尺寸精度;但滲氮層增厚緩慢,滲氮時間常需十幾甚至幾十個小時,是一種不經濟的方法。
化學熱處理的基本過程
化學熱處理包括三個基本過程,即①化學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部擴散的擴散過程。
化學熱處理的分解過程
綜述
化學滲劑是含有被滲元素的物質。被滲元素以分子狀態存在,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不能作滲劑使用。例如普通滲氮時不用氮而用氨,因為氨極易分解出活性氮原子【N】:
2NH→3H2+2【N】
根據化學反應熱力學,分解反應產物的自由能必須低于反應物的自由能,分解反應才可能發生。但僅滿足
化學熱處理的吸收過程
工件表面對周圍的氣體分子、離子或活性原子具有吸附能力,這種表面的物理或化學作用稱為固體吸附效應(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陣內,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,則形成相應的金屬間化合物(見合金相),這些過程稱為吸收過程。
化學熱處理的擴散過程
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動下,被滲原子將從表面向心部擴散。在固態晶體中原子的擴散速率遠低于滲劑的分解和吸收過程的速率,所以擴散過程往往是化學熱處理的主要控制因素。這就是說強化擴散過程是強化化學熱處理生產過程的主要方向。由擴散方程(見金屬中的擴散)可知,提高溫度,增大滲入元素在金屬中的擴散常數,減小其擴散激活能的因素均可加速擴散過程。由于化學熱處理的三個過程是相互聯系的,在某些具體條件下分解與吸收兩個過程也有可能成為主要控制因素。
形成規律
對一定的滲入溫度,在緩慢冷卻的情況下,滲層組織的形成,遵循合金相圖的規律;在化學熱處理后進行淬火的情況,則要考慮淬火組織的特點。但不論何種情況,滲層均可當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。
以比較簡單的滲碳層為例。經滲碳后,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,滲碳層為高碳奧氏體,心部為低碳奧氏體。總之,整個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律變化。碳濃度超過共析濃度的最表層將會沿奧氏體晶界析出滲碳體,其組織相當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,其組織相當于相應碳濃度的亞共析鋼的退火組織。通常滲碳后需重新加熱進行淬火及低溫回火,這時各層的組織則是相應碳濃度的鋼的淬火及低溫回火組織。再以復雜的滲氮為例。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行的。這是由于:①氮在體心立方點陣的鐵素體中的擴散系數D媘比在面心立方點陣的奧氏體中的擴散系數D姱大得多,例如在600℃時,D媘為1428×10-11cm2/s,而D姱則只有0.70×10-11cm2/s;②在這個溫度范圍鋼件表面具有更好的吸附氮的能力;③超過580℃時,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反應發生的擴散過程,稱為反應擴散。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,當表面氮濃度超過氮在α-Fe中的溶解度時,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γ┡相的氮濃度超過氮在γ┡相中的最高溶解度時,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元素的氮化物,可以獲得更高的硬度。
處理工藝介紹
化學熱處理工藝包括滲劑的化學組成和配比,滲劑分解反應過程的控制和參數測定,滲入溫度和時間,工件的準備,滲后的冷卻規程及熱處理,化學熱處理后工件的清理以及裝爐量等等。無論何種化學熱處理工藝,若按其滲劑在化學熱處理爐內的物理狀態分類,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物質。它由供滲劑(如滲碳時的木炭)、催滲劑(如滲碳時的碳酸鹽)及填料(如滲鋁時的氧化鋁粉)按一定配比組成。這種方法較簡便,將工件埋入填滿滲劑的鐵箱內并密封,放入加熱爐內加熱保溫至規定的時間即可,但質量不易控制,生產效率低。
氣體滲
所用滲劑的原始狀態可以是氣體,也可以是液體(如滲碳時用煤油滴入爐內)。但在化學熱處理爐內均為氣態。對所用滲劑要求能易于分解為活性原子,經濟,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;例如滲硼時可用氫氣將滲劑BCl3或B2H6載入爐內。等離子體滲法是氣體滲的新發展,即輝光離子氣滲法;最早應用于滲氮,后來被應用于滲碳、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展,主要應用于不易在金屬內擴散的元素(如鈦、釩等)。主要特點是氣態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。為了加速化學熱處理過程進行,附加電解裝置后成為電解液體滲。在硼砂鹽浴爐內滲金屬的處理法是近年發展起來的工藝,主要應用于鈦、鉻、釩等碳化物形成元素的滲入。
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