化学热处理的基本原理

化学热处理的基本原理
渗剂分解：
1．渗剂发生分解反应，反应物提供欲渗元素的活性原子过程
2．一般中性原子或分子，因化学活动力不够或体积太大无法渗入工件表面
3．只有具有较大能量的新生态活性原子，才能与金属表面的原子发生相互作用渗入工件表面，例如渗碳时2CO→CO2+〔C〕
4．分解反应的速度与外界的温度及催化剂作用有关
CH4→2H2+〔C〕 2NH3→3H2+2〔N〕
活性原子吸收：
1．活性原子先被吸附在工件表面，然后溶入金属基本的晶格中，并向内部扩散，即吸附扩散
2．活性原子首先与金属发生化学反应形成化合物，然后化合物溶解，渗入元素向金属内部扩散，即反应扩散
3．关键是具有活性原子
渗入元素扩散：
1．钢表面吸收活性原子后渗入元素的浓度大大提高，使表面和内部形成浓度差
2．在温度下，原子沿着浓度梯度下降的方向往工件内部扩散，形成扩散层
3．扩散层的特点是渗入元素在表面层的浓度高，离开表层越远，浓度越低
间隙式扩散：
1．原子在晶格点隈的间隙位置间跃迁，形成间隙固溶体。例如C、N、B在铁中按此方式扩散
2．间隙式扩散的另一种形式是Cr、Al、Si、V等原子渗入奥氏体中形成置换式固溶体
空位式扩散：
晶体中的空位存在使原子迁移，产生连续的空位运动，同时空位的迁移产生了原子扩散
温度对扩散的影响：
1．扩散系数随温度升高而急剧增大，温度升高，原子热振动能量大，同时，晶格空位密度增大，使扩散速度增加
C在奥氏体中扩散速度从850ºC→925 ºC，提高1.5倍；N在铁不体中扩散速度从500~550 ºC提高1倍
2．渗层浓度和温度成指数关系
浓度对扩散的影响：
1．渗入元素的浓度越高，表层与内部间的浓度差越大，浓度梯度则越大，使扩散系数增加，在相同扩散时间条件下，渗层深度越深
2．气体渗碳强渗阶段的大滴量或高碳势就是增加里外浓度差，有利扩散。该工艺比原工艺时间缩短30%~50%
对扩散时间影响：
扩散时间长，渗层深度加大，扩散时间和渗层深度是抛物线关系
晶体结构对扩散的影响：
1．若金属有同素异构转变（Fe、Ti），则同一元素在不同结构固溶体中扩散系数不同
2．在910ºC时，碳在γ- Fe中扩散比在α- Fe中扩散快得多
3．在600ºC时，氮在α- Fe中扩散系数是γ- Fe的2000倍
4．扩散与晶体中原子密排程度有关，γ- Fe原子密排系数为0.74，α- Fe为0.68
固溶体类型对扩散的影响：
碳、氮等原子在间隙式固溶体中扩散经在置换式固溶体中扩散快得多
合金元素对扩散的影响：
1．渗碳时，强碳化物形成元素W、Mo、Cr、V使扩散激活能提高，扩散系数减少，并增加表面碳浓度
2． Ni、Co等元素使碳在奥氏体中的扩散激光器活能降低，扩散系数增加，降低表面碳浓度
3．渗氮时，钢中碳和大多数合金元素（铝除外）均降低氮扩散系数
4． 800ºC以上碳、氮共渗时，氮的存在，使碳扩散加速显著
晶界对扩散影响：
1．晶界上晶体缺陷多，原子沿晶界扩散所需激活能量少，扩散速度比晶内快。合金钢渗碳时，碳化物首先沿奥氏体晶界或晶粒交界处成核，并沿晶界长大。渗碳后缓冷常沿奥氏体晶界析出网络状碳化物
2．晶粒粗大，在晶界上优先成核。晶粒细小时，晶界上的元素迅速向晶内溶解，晶界优先扩散不易觉察
变形及应力对扩散的影响：
塑性变形及应力，增加晶体结构缺陷，造成点阵畸变使扩散系数增大
催渗剂对扩散的影响：
1．渗碳时加NH4Cl、CCl4，使渗速加快
2．加海绵钛，加氧使渗氮速度加快

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