表面热处理

7.3 钢的 表面热处理以上谈到的是普通热处理的 “四把火 ”，它们在生产实践应用十分广泛，也有局限性。对于零件的表面及心部性能要求不同的情况下，如：表面高硬度、高耐磨（ 1）表硬里韧心部足够的塑韧性（ 2）表面要求具有良好的物理化学性能就只能采用：表面热处理途径有二改变钢的表层组织，不改变化学成份 表面淬火改变钢的表层化学成份 化学热处理7.3.1表面淬火一、感应加热表面淬火一、感应加热表面淬火二、火焰加热表面淬火1、感应加热的基本原理2、感应加热频率选用3、感应加热表面淬火的特点、感应加热表面淬火的特点提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。 使零件具有 “表硬里韧 ”的力学性能。7.3.1表面淬火*目的 ：是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。*表面淬火 :是一种 不改变钢表层化学成分 ,但 改变表层组织 的局 部热处理工艺。*工艺方法感应加热 ( 高、中、工频 )火焰加热电接触加热法等表面淬成 M硬 ； 心部保持正火或调质态 韧 。 1、感应加热的基本原理感应加热表面淬火示意图交流电 交变磁场 感应电流一、感应加热表面淬火一、感应加热表面淬火涡流 表层加热 淬火冷却集肤效应（ mm）感应表面淬火使采用电磁感应方法使零件表面迅速加热，然后迅速喷水冷却的一种热处理操作方法。*热源： “涡流 效应 ”产生的焦耳热。 因为涡流的 “集肤效应 ”*电流透入深度 :Q=0.24I2Rt 涡流产生的热量 Q：为什么只能表面加热？ I 涡流强度 ; R 材料电阻 ; t 时间水f 交流电频率 Hz 电流透入深度 mm高频 感应加热中频 感应加热工频 感应加热频率范围200300kHz110 kHz50Hz淬硬层深度0.52mm210mm1015mm应 用 举 例在摩擦条件下工作的零件，如小齿轮、小轴承受扭矩、压力 载荷 的大型零件 ，如冷轧辊等感应加热表面淬火的电流频率 承受扭矩、压力载荷的零件，如曲轴、大齿轮等2、感应加热电流频率选用式中： f 交流电频率 Hz 电流透入深度 mmv 电流透入深度：Q=0.24I2Rt式中： Q 涡流产生的热量I 涡流强度R 材料电阻t 时间v 涡流产生的热量 ：感应加热淬火机床 *预备热处理 正火 或 调质3、表面淬火用钢用钢 ： 中 C钢或中 C合金钢（ 0.4-0.5%C）淬火后表面硬 度 HRC 58-60a) 改善心部组织 ,以达到性能要求 使表层原始组织细化 ,在进行表面淬火时获得成分均匀的 M. 举例 ：机床齿轮 45下料 锻造 正火 加工齿形 高频淬火低温回火 磨齿 装配目的 :*钢件表面淬火后应进行低温回火或自回火。表层为 M细（隐晶 M），中心为原始组织具有 “表硬里韧 ”的性能。热处理 :3). 疲劳强度高 表层为残余压应力4). 可实现自动化、生产率高、成本降低4、感应加热表面淬火的特点、感应加热表面淬火的特点1). 淬火温度高 (Ac3+80 150 )， 加热速度快 、时间短 不易氧化、脱碳，变形小。2). M细 ，同一种材料，比普通淬火硬度提高23HRC， 且韧性好 ； * 不 足：设备较贵、复杂零件的感应器不易制造。应用氧气 -乙炔（或其它可燃气）火焰对工件表面进行加热，随之快速冷却的工艺。 这种方法可获得 2 6mm的淬透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。（ 26mm）1. 火焰加热表面淬火二、火焰加热表面淬火用氧乙炔焰快速加热零件表面，使其达到奥氏体化温度，并迅速喷水冷却，使其表层获得一定深度的淬硬层。 2. 火焰加热表面淬火 应用及其缺点应用： 中碳钢、中碳合金钢及铸铁件、小批生产， 或大工件的表面淬火。缺点： 加热不均匀，表面质量不高、生产率不高。*设备简单 , 操作方便 , 成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产3， 火焰加热表面淬火的特点三、电接触加热表面淬火 采用低电压、大电流，通过压紧在工件表面的 滚轮 与工件形成回路，靠接触电阻热实现快速加热，滚轮移去后即进行自激冷淬火。淬硬层 达 0.15-0.35mm，硬度均匀，且变形小，目前主要用于导轨的强化。 7.3.2 化学热处理一、化学热处理原理一、化学热处理原理二、钢的渗碳三、钢的渗氮四、钢的碳氮和氮碳共渗化学热处理一、化学热处理原理一、化学热处理原理定义：将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的一种热处理工艺。 活性原子从工件表层向内部的 扩散化学热处理的基本过程 :渗剂 分解 出活性原子 工件表面 吸收 活性原子一、什么是化学热处理？ 钢件和铸铁件非金属元素、金属元素C、 N、 O、 S、 B，与 Fe形成间隙固溶体和化合物，强化表面，提高表面的力性 与 Fe形成置换固溶体， Cr提高抗蚀性、 Al提高抗氧化性、 Si提高抗酸性能 7.3.2、 表面 化学热处理化学热处理 ： 就是把 工件 放在一定温度的化学介质中保温，让一些化学 元素 渗入工件的表层，改变表面的化学成分， 进而改变组织及性能的热处理工艺。 （ 1）工件有吸收这些元素的能力化学 热处理 应具备的条件：即：有溶解度或能形成化合物（ 2）渗入元素应具备活性 即：能产生活性原子“活性原子 ”是指那些在一定的化学反应中刚产生的，以原子状 态存在的元素。 2） .吸收 : 活性原子被 零件表面吸收和溶解。零件本身具有 吸收渗入原子的能力 即对渗入原子有一定的 溶解度 或能与之化合 , 形成化合物 。3） .扩散 : 活性原子由零件表面向内部扩散 , 形成一定的扩散层 （渗层）。1） .渗剂分解 :化学介质在高温下释放出待渗的 活性原子 。2CO CO2 + C分解吸收一扩散化学热处理的一般过程：在整个化学热处理进程中，上述三个基本过程是同时发生而又彼此密切相关的。三者互相配合，互相制约。 热处理工作者的任务就是合理控制各种工艺参数 (如 温度、渗剂、炉压与时间 等 )，调节好分解、吸收与扩散三者的关系，以获得理想的化学热处理速度和合理的渗层组织。 扩散层的组织 与渗入元素和基体金属所组成的相图有关。 如果渗入元素与基体金属可以无限互溶，则扩散层的组织只是单一的固溶体，表层与心部的差别只是浓度不同。如果渗入元素与基体金属之间组成有限固溶体，并能形成一系列的化合物时，情况就比较复杂，扩散层内常常有相变过程发生，伴随着化合物的形成。 适用钢种 ： 0.10 0.25 C 低碳钢、低碳合金钢二、钢的渗碳目的： 使钢件表层获得高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性。 1、定义： 将钢件置于渗碳介质中加热、保温，使活性 碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。气体渗碳固体渗碳液体渗碳目前广泛应用的是气体渗碳法。2、渗碳方法井式气体渗碳炉1）、气体渗碳 按 热源 分为 电加热炉 和 煤气加热炉 。煤油 风扇电机废气火焰炉盖电阻丝耐热罐工件炉体1）、气体渗碳方法 ： 滴注式渗碳介质： 苯、醇、煤油等液体工艺： 将工件装在密封的渗碳炉中，加热到 900 950 (常用930 )，向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成 CO、 CO2、 H2及CH4等气体组成的渗碳气氛。大型井式渗碳炉2）、 固体渗碳v常用的 渗碳剂 ： 木炭或骨炭等v常用的 催渗剂 ： 碳酸钡或碳酸钠v渗碳 工艺 ：工件 +渗碳剂密封装入渗碳箱中，加热至 900 950 保温。固体渗碳法示意图零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱3）、液体渗碳 设备： 内热式或外热式盐炉 液体渗碳（无毒 ） 盐浴的组成： 供碳剂 木碳粉、尿素 （ NH2） 2CO 基体盐 NaCl2+KCl（ 加热介质） 催渗剂 Na2CO3等将零件在盐浴中加热并渗碳3、渗碳后的组织（由表面至心部）：亚共析组织（ P F）4、渗碳后的组织过共析组织（ P Fe3C ） 共析组织（ P）（与渗入元素和基体金属所组成的相图有关）A1A3 AcmA+Fe3CA+F3、工艺 : 加热温度 为 900 950 ;渗碳时间 一般为 3 9小时 ;表面中心1%C0.2%CPP+F零 件P+Fe3CF + P少表面的含碳量最高：wc=1.0%左右，由表及里，含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。 渗碳层的 缓冷组织 渗碳层的组织过共析组织 (P+Fe3C ) 共析组织 (P) 过渡区亚共析组织 (P+F) 原始亚共析组织 (F+P) 渗碳层的 缓冷组织 （由表面至心部）： 渗碳后缓冷组织 （由表面至心部）：渗碳缓冷后的显微组织渗碳缓冷后的显微组织 过共析 P Fe3C共析（ P）亚共析（ P F）心部渗碳温度Ac3（ 心部）Ar3（ 心部）Ac1时间温度/淬火回火a） 预冷直接淬火 b） 一次淬火缓冷淬火回火c） 二次淬火缓冷淬火淬火回火1） .常用的淬火方法4、渗碳后的热处理 淬火低温回火（ 1）预冷直接淬火法 优点： 操作简便、生产效率高、成本低；减少加热和冷却次数，故减小工件的淬火变形及表面氧化脱碳。 应用： 本质细晶粒钢（如 20CrMnTi、 20MnVB 钢等）；载荷小、耐磨性要求较低的工件。渗碳 +预冷油淬清洗 回火装试样出试样（ 2）一次淬火法淬火温度选择： 应兼顾表面和心部的要求， 通常： 心部性能要求较高时： TH Ac3， 以 心部性能 表面性能要求较高时： TH Ac1， 以 表面性能 应用： 仅适用于本质细晶粒钢，如合金钢和不重要的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。渗碳后缓冷，