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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. 关键是具有高能量的活性原子
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. 在一定温度下,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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