化学热处理的质量控制优化方案

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：化学热处理后质量指标包括表面渗入原子浓度、层深、沿层深浓度分布和渗层组织等。这几个过程对化学热处理整体速度的影响不是等同的，一般取决于其中最慢的一个过程，这个过程称为化学热处理过程的“控制因子”。

化学热处理后质量指标包括表面渗入原子浓度、层深、沿层深浓度分布和渗层组织等。

1.影响化学热处理工件表面渗入元素浓度的因素

化学热处理后的工件的表面浓度主要取决于介质中渗入元素的化学势、加热温度和时间、工件的表面状态等因素。

1)介质中渗入元素的化学势

化学热处理可以看作是恒温、恒压过程，介质中某一组元之所以能够通过工件表面渗入工件内部，是因为该组元在介质中的化学势大于它在工件表面内的化学势。一旦该组元在介质中和在工件表面的化学势相等，过程就达到动态平衡。但介质中过高的化学势往往是不必要的，甚至是有害的，会引起渗层出现不正常的组织。例如，在过高的碳势下渗碳后，会使工件表面碳浓度太高，出现网状或粗块状碳化物，同时淬火后会出现过量的残余奥氏体使硬度低于正常值。介质中某元素的化学势取决于介质的组成和温度；工件表面上某元素的化学势则取决于其化学成分和温度。

2)处理温度

化学热处理中工件表面渗入元素浓度的改变是通过该元素的渗入实现的，同时渗入元素的活性原子又是通过介质在工件表面的催化作用下所进行的界面反应形成的，而温度对反应速率的影响很大。温度对渗入元素的原子由表面向心部的扩散也会产生影响。当由介质进入工件表面的渗入元素原子数量恒定时，扩散速度的大小会影响工件表面渗入元素的浓度。

3)工件的表面状态

工件表面是否有锈、油污、氧化膜，或是否进行过其他表面处理，即表面是否洁净或活化等都会影响表面对化学反应的催化或产生机械阻碍作用。

2.工艺参数对层深及渗入元素沿层深分布的影响

化学热处理过程中渗剂的分解、吸收和扩散三个基本过程既互相联系又彼此制约。这几个过程对化学热处理整体速度的影响不是等同的，一般取决于其中最慢的一个过程，这个过程称为化学热处理过程的“控制因子”。当“控制因子”不同时，对渗层厚度和浓度分布起决定性影响的工艺参数也不同。当界面反应是控制因素时，则表面浓度和层深主要受界面反应速度影响，而界面反应速度取决于介质的化学组分和介质中渗入元素的化学势。如果过程主要由扩散控制，则层深及浓度分布主要受渗入元素在工件中扩散速度的影响。扩散速度取决于渗入元素在工件中的扩散系数、处理温度和工件的几何形状等。

3.加速化学热处理的途径

1)适当提高工艺温度

物质的扩散系数与温度呈指数关系增长，然而温度的提高是受限制的，因为工艺温度的选择首先要满足产品的质量要求和设备的承受能力。例如，钢渗碳时，温度高，加之时间长，钢的晶粒粗大，使零件的脆性增大，渗碳后热处理工艺复杂，还会降低设备的使用寿命。

2)采用多元共渗工艺

目前生产中广泛使用共渗工艺，某些共渗工艺不仅可以提高渗层的形成速度，而且可以改善或提高渗层的性能。例如，氮碳共渗与单一渗氮比较，具有渗速快和渗层脆性小的优点；铬铝共渗与单一渗铬比较，具有渗速快和渗层厚且不易剥落的优点。

3)化学催渗

化学催渗法是在渗剂中加入催渗剂，促使渗剂分解，活化工件表面，提高渗入元素的渗入能力。例如，在渗氮时先向炉内添加少量的NH4Cl，其分解产物可清除零件表面的钝化膜，使零件表面活化。再如采用NH3进行气体渗氮时，向炉气中添加适量的氧气或空气，由于氧和氨分解气中的氢结合成水蒸气，有效地降低了氢气的分压或相对提高了炉气中活性氮原子的分压，即提高了渗氮炉气的活性，从而加速了渗氮过程。

4)物理催渗

物理催渗是工件放在特定的物理场中(如真空、等离子场、机械能、高频电磁场、高温、高压、电场、磁场、辐照、超声波等)进行化学热处理，可加速化学热处理过程，提高渗速。

例如，等离子态化学热处理，即利用等离子物理技术发展起来的辉光离子渗氮、渗碳、碳氮共渗等工艺，在提高渗速和渗层质量方面已获得良好的结果。

真空化学热处理是在真空作用下，工件表面净化，吸附于工件表面的活性原子浓度大为提高，从而增加了浓度梯度，提高了扩散速度。例如，真空渗碳提高生产率1～2倍，渗层深度可达7mm。

化学热处理的质量控制优化方案

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