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化學熱處理的基本原理

查看：1763 　發稿日期：2016-01-13 17:08:33

化學熱處理的基本原理
滲劑分解：
1．滲劑發生分解反應，反應物提供欲滲元素的活性原子過程
2．一般中性原子或分子，因化學活動力不夠或體積太大無法滲入工件表面
3．只有具有較大能量的新生態活性原子，才能與金屬表面的原子發生相互作用滲入工件表面，例如滲碳時2CO→CO2+〔C〕
4．分解反應的速度與外界的溫度及催化劑作用有關
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，然后溶入金屬基本的晶格中，并向內部擴散，即吸附擴散
2．活性原子首先與金屬發生化學反應形成化合物，然后化合物溶解，滲入元素向金屬內部擴散，即反應擴散
3．關鍵是具有高能量的活性原子
滲入元素擴散：
1．鋼表面吸收活性原子后滲入元素的濃度大大提高，使表面和內部形成濃度差
2．在一定溫度下，原子沿著濃度梯度下降的方向往工件內部擴散，形成擴散層
3．擴散層的特點是滲入元素在表面層的濃度高，離開表層越遠，濃度越低
間隙式擴散：
1．原子在晶格點隈的間隙位置間躍遷，形成間隙固溶體。例如C、N、B在鐵中按此方式擴散
2．間隙式擴散的另一種形式是Cr、Al、Si、V等原子滲入奧氏體中形成置換式固溶體
空位式擴散：
晶體中的空位存在使原子遷移，產生連續的空位運動，同時空位的遷移產生了原子擴散
溫度對擴散的影響：
1．擴散系數隨溫度升高而急劇增大，溫度升高，原子熱振動能量大，同時，晶格空位密度增大，使擴散速度增加
C在奧氏體中擴散速度從850oC→925 oC，提高1.5倍；N在鐵不體中擴散速度從500~550 oC提高1倍
2．滲層濃度和溫度成指數關系
濃度對擴散的影響：
1．滲入元素的濃度越高，表層與內部間的濃度差越大，濃度梯度則越大，使擴散系數增加，在相同擴散時間條件下，滲層深度越深
2．氣體滲碳強滲階段的大滴量或高碳勢就是增加里外濃度差，有利擴散。該工藝比原工藝時間縮短30%~50%
對擴散時間影響：
擴散時間長，滲層深度加大，擴散時間和滲層深度是拋物線關系
晶體結構對擴散的影響：
1．若金屬有同素異構轉變（Fe、Ti），則同一元素在不同結構固溶體中擴散系數不同
2．在910oC時，碳在γ- Fe中擴散比在α- Fe中擴散快得多
3．在600oC時，氮在α- Fe中擴散系數是γ- Fe的2000倍
4．擴散與晶體中原子密排程度有關，γ- Fe原子密排系數為0.74，α- Fe為0.68
固溶體類型對擴散的影響：
碳、氮等原子在間隙式固溶體中擴散經在置換式固溶體中擴散快得多
合金元素對擴散的影響：
1．滲碳時，強碳化物形成元素W、Mo、Cr、V使擴散激活能提高，擴散系數減少，并增加表面碳濃度
2． Ni、Co等元素使碳在奧氏體中的擴散激光器活能降低，擴散系數增加，降低表面碳濃度
3．滲氮時，鋼中碳和大多數合金元素（鋁除外）均降低氮擴散系數
4． 800oC以上碳、氮共滲時，氮的存在，使碳擴散加速顯著
晶界對擴散影響：
1．晶界上晶體缺陷多，原子沿晶界擴散所需激活能量少，擴散速度比晶內快。合金鋼滲碳時，碳化物首先沿奧氏體晶界或晶粒交界處成核，并沿晶界長大。滲碳后緩冷常沿奧氏體晶界析出網絡狀碳化物
2．晶粒粗大，在晶界上優先成核。晶粒細小時，晶界上的元素迅速向晶內溶解，晶界優先擴散不易覺察
變形及應力對擴散的影響：
塑性變形及應力，增加晶體結構缺陷，造成點陣畸變使擴散系數增大
催滲劑對擴散的影響：
1．滲碳時加NH4Cl、CCl4，使滲速加快
2．加海綿鈦，加氧使滲氮速度加快

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