钢的热处理.pptVIP

工程材料机械制造基础-,第五章钢的热处理,第六章钢的热处理(heattreatmentofsteel),概述钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺机械制造过程中的热处理,第一节概述,1.热处理的定义:,2.热处理的主要目的:改变钢的性能。,3.热处理的应用范围:整个制造业。,4.热处理的分类,热处理,普通热处理,表面热处理,退火;正火;淬火;回火;,表面淬火,化学热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,渗碳;渗氮;碳氮共渗;,第二节钢在加热时的组织转变,转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,钢在热处理的第一道工序是加热。本章讲述钢在加热时其结构有什么变化其理论的基础同素异构就是使钢的晶格出现同素异构,现以共析钢为例：从fefe3c状态图看出，共析钢在273（a1线）以下时为p;在a1线以上温度时则为a.当a1为极其缓慢加热或冷却时，p与a共同存在平衡关系。但实际上是不可能的，加热和冷却并不缓慢，而实际加热时的各临界点为：ac1、ac3、accm线，冷却分别为ar1、ar3、arcm。,一.转变温度(transformationtemperature),所以，要把钢由pa,必须将钢加热到ac1以上（727）；当加热到ac1以上时，a的形成也是通过生核及成长过程来实现的，简单地，有以下4个步骤：见图示：1.自f与fe3c的交界面处，开始形成a晶核并成长，图(a)（b）；2.因为fe3c无论是结晶或其他形式，含c量都与a差别极大，所以，由fe3c向a转变时，必须落后于f向a转变，当p中的f,奥氏体的形成,a,a形核,a长大,残余fe3c溶解,a均匀化,全部转变为a，图示（b）的情况结束，晶粒长大；3.当f完成转变后，落后的那部分fe3c继续向a溶解；4.在刚形成的a晶粒中，由于fe3c的碳原子扩散需要一段时间，才能得到均匀的a.由此可见，金属从一种晶体转变到另一种晶体，需要一个“扩散”过程-保温,三.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,一)奥氏体晶粒度:1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930以下,随温度升高,晶粒长大的程度。,钢的本质晶粒度示意图,二)奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。,2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。,晶粒长大带来的问题：,冷却后机械性能的降低；冲击韧性的变坏；淬火时会产生裂纹；解决的办法1.加热按fefe3c状态图对加热的温度范围进行加热；2.选择含有阻止a长大化学成分的合金钢,第三节钢在冷却时的组织转变,钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变,一.钢在热处理时的冷却方式,热处理的加热和保温的主要目的是为了使钢获得细而均匀的a氏体晶粒；另一方面，冷却是让获得的晶粒在室温下得到保持，因此，冷却方式和冷却速度对a的转变有很大的影响，是一个关键的工艺。a的冷却方法大致有两种;连续冷却：把a连续从高温冷至室温，包括炉冷、空冷、水冷、由冷等。,等温冷却：将a迅速从高温冷却到某一温度，保留一段时间，再冷却到室温。由于热处理的冷却过程大多数并不是极其缓慢进行的，得到的是不平衡的组织，这时f-fe3c状态图的变化规律是不适用的，因此需要了解不同冷却条件下组织转变的规律过冷a转变图又称ttt图（时间、温度、转变的英文缩写）或c曲线,二.过冷奥氏体的等温冷却转变,一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线-ttt曲线(c曲线),t-timet-temperaturet-transformation,共析碳钢ttt曲线建立过程示意图,a1,二)共析碳钢ttt曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,a向产物转变开始线,a向产物转变终止线,a+产物区,产物区,a1550;高温转变区;扩散型转变;p转变区。,550230;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(b)转变区;,230-50;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(m)转变区。,根据c曲线可知：a再a1与ms线之间的不同范围内等温，分解得到组织形态与力学性能是不同的，分为三种情况：1.p转变又称高温转变，是过冷a在a1550范围内等温分解为f和fe3c的机械混合物的转变。,（1）形成当a过冷到a1线以下时，a产生了变化在晶界处产生了fe3c晶核，长大使其两侧a的含量下降，当fe3c长大时使到原有的a的c含量达到f时在fe3c两侧形成f的晶核，当f长大时（cmax0.006）向周围的a排出多余的c原子增加了两侧a的c含量，促进了fe3c片的形成，如此反复，,形成，f与fe3c层片相间的混合组织，与此同时，在晶界其他部位又可能产生新的晶核（fe3c小片），并不断交替生核长大，直到各种不同取向的p晶团（群）彼此相遇，a全部转变为p。由此可见，p的形成，包含两个不同的过程：通过c的扩散而使成分产生改变，即由含c量0.8（0.77）的a含c量极高的fe3c和含c量极低的f转变；,2.b转变（中温转变）,过冷a在550ms点等温时，转变温度稍低，这时只有c原子的扩散，铁原子不扩散，出现半扩散状态，f中析出短片fe3c或极细的碳化物。,力学性质,上b呈羽毛状，f较宽，fe3c较粗大，强度低，塑性和韧性差；下b呈针叶状，f呈针叶状，fe3c呈颗粒或薄片，有优良的力学性能。,三)转变产物的组织与性能,1.珠光体型(p)转变(a1550):,a1650:p;525hrc;片间距为0.60.7m(500)。,650600:细片状p-索氏体(s);片间距为0.20.4m(1000);2536hrc。,600550:极细片状p-屈氏体(t);片间距为0.2m(电镜);3540hrc。,珠光体形貌像,索氏体形貌像,屈氏体形貌像,三)转变产物的组织与性能,2.贝氏体型(b)转变(550230):,550350:b上;4045hrc;,上贝氏体组织金相图,三)转变产物的组织与性能,2.贝氏体型(b)转变(550230):,350230:b下;5060hrc;,下贝氏体组织金相图,三)转变产物的组织与性能,3.马氏体型(m)转变(230-50):,1)定义:马氏体是一种碳在fe中的过饱和固溶体。,2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(fe、c原子均不扩散),m与原a的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,qm=f(t),3.m转变（低温转变）,早在战国时代，人们已经使用淬火的方法提高剑的硬度，但为什么通过此法可以实现钢的硬度，人们并不认识，直到19世纪，一个叫adolpbmarlens的德国冶金学家解释为钢的晶体得到改变，出现晶体饱和。为了纪念marlens，法国一个叫osmond建议将钢淬火所得的硬度称“马氏体”。,m是c原子在-fe中过饱和固溶体,在低温时，已加热的从转变的晶体是不稳定的，这种在c原子不能发生扩散随情况下，转变为：-fe(c)-fe(c),以共析钢为例,加热后，得到a，含c量0.77由wc=0.77m,这时c的含量也0.77但：常温下f、-fe的饱和c含量仅为0.006%,由于这时的m含c量比这个数值还要多，故称为饱和了的-fe。,3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。,m转变是在低温下进行的一种转变，对于钢来说，此时不仅铁原子不能扩散，c原子也难以扩散，所以，m转变具有一系列不同于p转变的特性。1.m是非扩散型的转变m是在相当低的温度范围内进行的，并且转变极快，所以转变前后c的浓度没有多少变化，a与m的成分基本一致，仅是晶格改组；,2.m转变是在一个温度范围内进行的，生成m晶核生长速度极快；所以，在冷却时，在某一温度下停留，只是形成一定数量的m，只要连续不断地降低温度，转变才能进行，m的数量才会增多。3.m转变具有不完全性，m不能转变到底，或多或少总有一些未转变的a被保留，要采取一些技术手段才能去掉。,m的机械性能,m的主要特性是具有高硬度，它的硬度随钢的c含量增加而升高。理由：m是经处理后得到的，处理后，钢中还有其他组织（fe3c、残余a等）；m的塑性主要取决于m的亚结构类型低cm；挛生m等。,由于钢中m的比容大，a的比容少，因此当am时，钢必然产生体积上的膨胀，引起内应力，这是零件淬火处理时出现裂纹和变形的原因之一,奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,4)马氏体的组织形态:板条状-低碳马氏体(0.2%c);3050hrc;=917%。,低碳板条状马氏体组织金相图,4)马氏体的组织形态:针、片状-高碳马氏体(1%c);66hrc左右;1%。,高碳针片状马氏体组织金相图,5)马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳浓度。,亚共析钢的ttt曲线,p+f,s+f,t,b,m+a残,过共析钢的ttt曲线,p+fe3c,s+fe3c,t,b,m+a残,四)影响ttt曲线形状与位置的因素,1.奥氏体中含碳量的影响:,2.奥氏体中含合金元素的影响:除co、al(2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起:,3.加热温度和保温时间的影响:加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使ttt曲线向右移。,三.过冷奥氏体的连续冷却转变,一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线-cct曲线,c-continuousc-coolingt-transformation,一)共析碳钢cct曲线建立过程示意图,pf,ps,a+p,k,ms,mf,二)共析碳钢ttt曲线与cct曲线的比较,三)在连续冷却过程中ttt曲线的应用,v1=5.5/s:炉冷;p,v2=20/s:空冷;s,v3=33/s:油冷;t+m+a残,v4138/s:水冷;m+a残,第四节钢的普通热处理工艺,第四节钢的普通热处理工艺,预备热处理:退火;正火,最终热处理:淬火;回火,一般零件生产的工艺路线:,一.钢的退火(annealingofsteel),一)定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后随炉冷却。,二)目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,三)种类,退火,重结晶退火,低温退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化退火,等温球化退火,完全退火,加热到ac3以上2030，保温，缓冷至600以下，再空冷，得到接近平衡状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、铸件，使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能。过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。,球化退火,使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。将工件加热到ac1以上2030保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳,扩散退火(均匀化退火),将钢加热到略低于固相线温度，长时间保温，随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。,去应力退火,为消除形变加工、锻造、焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。铸钢件的温度为600650，铸铁件为500550，保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生变化，只消除内应力，减少变形，稳定尺寸。,四)工艺参数:,四)工艺参数:,五)热处理后的组织:原始组织,共析钢球化退火组织(化染)700,t10钢球化退火组织(化染)500,二.钢的正火(normalizingofsteel),一)定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后在空气中冷却。,二)目的:消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,三)工艺参数:,四)工艺参数:,四)热处理后的组织:s(wc=0.61.4%)s+f(wc0.6%),五)应用范围:1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的fe3c。2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。,三.钢的淬火(quenchingofsteel),一)定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)。,二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。,三)工艺参数:,钢在淬火时组织和性能的变化,钢在淬火时的冷却速度钢的临界冷却速度则：a被冷却到ms线（ms230）以下得到m。在钢的淬火冷却过程中，自ms点开始，随温度的下降，m的转变量越来越多，但当温度再降低时，m就不会增加。说明在极大的过冷度下，原子不能扩散，a便无法以扩散的形式转变，只能以“无扩散”形式的方法转变为过饱和的固溶体。,因为fe的含碳量呈饱和状态，从而使原来的体心立方晶格被撑长，变成了歪曲的体心立方晶格。晶格的变形部位从体心立方晶格承受力低的空间塞，出现了自我硬化，增加了变形的抗力，变成具有高的硬度，同时，也引起了内应力的增加。,则：过冷速度越大，m就越多；硬度越大，内应力就越大从上述原理看：钢的淬火会出现残余的a。,钢的淬火工艺,淬火是各种热处理中最复杂的一种工艺原因：1.冷却速度快，容易造成变形及开裂；2.冷却速度慢，达不到硬度；3.零件的复杂造成变形及开裂。,淬火工艺的三要素,加热温度目的：获得细及均匀的m。各种钢的淬火温度主要依靠其组织和类型及临界点；亚共析钢，适宜的淬火温度一般ac3以上3050；过共析钢，适宜的淬火温度一般ac1以上3050；合金钢，可以参照上述的加热温度，除少数的合金元素，如mn等，大多数的合金元素可以使晶粒细化，如稍微加温，可以获得中等的a,但可使合金元素充分溶解和均匀，达到均匀组织的合金钢,五)淬火加热时间()的选择:,=kd,淬火加热中的氧化和脱碳,一般的加热炉，与钢加热接触的介质是空气，在加热过程中，钢件与介质相互作用，在钢的表面产生氧化皮的现象，其化学反应：2fec2feofeco2feoco2feh2ofech4,钢的脱碳就是钢件表面层中的碳粉被烧掉的现象，主要反应式：2fer（c）o2fe2co；fer（c）co2fe2co；fer（c）2h2fech4；氧化和脱碳主要是介质中有co2和o2以及水蒸气等的情况出现。清洁；去氧化皮；涂保护剂；加入脱氧剂；使用保护气氛等,六）淬火冷却介质,淬火要求是得到m,要得到较多的m,要求冷却速度要快，在临界速度下加快冷却速度，则易使钢变形与开裂。根据碳钢的a等温曲线：要淬火得到m,其实并不需要整个冷却过程都要快速冷却，关键在于c曲线的拐弯部分（即在650550）的范围需要快速冷却，在淬火温度到650以及400以下时，并不需要快速冷却，特别是在300200时，尤其不应冷却太快，避免开裂。,水它在650550范围内的冷却速度很大（约600/s），但在300200时的冷却速度仍然很快（270/s），所以有变形的可能；通常的方法是在水中加入盐或碱，但只能增加它在650550范围内的冷却速度而不能减弱300200时的冷却速度。,油（矿物油）在300200时的冷却速度比较慢，但在650550范围内的冷却能力不够，只能用于一些合金钢，而且价格贵，易燃，不易清洁。近年来，初步试验成功硝盐水及水玻璃两种溶液，其冷却能力介于水与油之间，但仍要进一步研究。,理想淬火冷却介质,2.常用的淬火冷却介质,七)常用的淬火方法,钢的淬火方法,由于淬火的冷却介质不能完全满足淬火质量的要求；所以，要使用工艺的方法加以解决。,1.单液淬火法,将加热的工件放进一种淬火介质中冷却到室温的操作方法。特点：操作简单，淬火时出现工件表面与心部的温差太大，内应力大；用水冷工件易变形；用油冷，工件的硬度可能达不到要求。适用于形状简单的工件。,2.双液淬火法,将加热的工件放进水中冷却到ms点时从水中取出立即放在油中（空气中）冷却到室温的操作方法。特点：可以在650550的温度中获得快的冷却速度，而在300200获得稍慢的冷却速度；但是，必须恰到好处；也没有改变表面与心部的温差大的问题。,3.分级淬火法,为了改变工件在淬火时表面与心部温差的问题所采取的一种措施。方法是首先把加热工件放在温度稍高于ms点的盐浴（或碱）中，稍加停留,使工件各部分温度浴盐浴的温度基本一致时取出空冷。特点：可以对形状复杂的工件进行处理，对防止裂纹有效；冷却速度不大，适用于小工件。,4.等温淬火法,方法是首先把加热工件放在温度稍高于ms点的盐浴（或碱）中，等温保温（保温足够的时间）,使工件在保温过程中产生下b转变后取出空冷。特点：1.由于得到下b，所以，对于形状复杂，而且要求高硬度和高冲击韧性的工件、模具有利；2.适应处理尺寸较小的零件,4.冷处理法,将淬火钢冷却到室温后继续冷却到7080的淬火方法。特点：可以使残余的a转变为m.使工件的尺寸稳定；硬度和耐磨性提高,三)工艺参数:,四)热处理后的组织:,m+fe3c+a残,ac1+3050,过共析钢,m+a残,ac1+3050,共析钢,m+a残,ac3+3050,亚共析钢wc0.5%,m,ac3+3050,亚共析钢wc0.5%,八)钢的淬硬性(hardeningofsteel),1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。,2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。,九)钢的淬透性(hardenabilityofsteel),1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。,2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界淬火冷却速度vk的大小,vk越大,钢的淬透性越小。,钢的淬透性,钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬（透）层深度的能力，它是钢材本身固有的特性。当淬火时，工件由于表面冷却快，心部冷却慢，所以淬火后，表面与心部可能得到不同的组织。冷却快m；冷却速度小于临界速度的m+t,甚至f、ffe3c,显然：工件若要从表面到内得到单一的m，钢的心部的冷却速度要大于临界淬火的冷却速度。为方便起见，需要测量，规定淬透层深度是由零件的表层到半m区（50m50非m）的距离。1.淬透性与淬硬性的区别淬透性:是指钢接受淬火的能力；淬硬性:是指钢在淬火后能够获得的最高硬度；,如：高碳钢：其淬硬性很高，但淬透性很低；低碳钢：其淬硬性不高，但淬透性很高；2.淬透性对钢性能的影响淬透性低的钢材其心部的0.2和ah较低；淬透性高的钢材，其机械性能沿截面均匀分布；,未淬透的钢从表面心部的回火组织为s,故0.2和ah下降；淬透的钢回火后从表面到心部为均一的回火s,ffe3c呈球状分布，所以性能比较一致。大多数的重要零件都希望淬透，例如：承受拉力和压力的零件（锻模、螺栓等）承受弹性变形的零件（弹簧等）,但对仅需要表面耐磨，工作中受冲击的零件，则可选用淬透性比较低的钢材。,3.在设计中如何考虑钢的淬透性,（1）根据工件的工作条件确定对钢淬透性的要求例：对车刀、钻头等工具，往往要磨刀后继续使用，就需要从表到里均要硬和耐磨全部淬硬；对于轴，承受弯曲、扭转应力，应力集中在外层，所以心部不需要那么高的硬度，淬透层为半径的1/21/3就足够。,3.在进行强度设计时，查手册时，注意各种钢的数据用多大的试样测量；4.对碳钢，设计尺寸较大的工件时，用碳钢的调质处理还不如用正火更经济。如：45钢调质后b0.61mpa正火后b0.60mpa5.在安排工艺路线时，也应考虑淬透性，应粗车后再淬火。,工件淬硬层与冷却速度的关系,3.淬硬性与淬透性之间的关系:,4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,四.钢的回火(temperingofsteel),一)定义:把淬火后的零件重新加温到a1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。,二)目的:消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。,淬火钢在回火时的组织转变,淬火钢在回火时，发生体积变化，m发生转变时表现出体积要缩少，残余a转变时，体积会增大，因此根据淬火钢在回火过程中的体积变化，分为四个阶段：,1.m分解（100200）,淬火m是含c量饱和的固溶体，在100200时，不断析出极细小的c化物，易极薄的小片分布在m的基体上，使固溶体含c量下降，m的正方度c/a也下降，残余内应力则下降。,2.残余a分解（200300）,在这个阶段，残余a分解为饱和的固溶体和化合物的机械混合体（一般认为是回火m或b下），与此同时，m继续分解出片状碳化物，使c/a进一步下降，残余内应力进一步降低。,回火马氏体组织金相图,3.碳化物的转变，回火屈氏体的形成（350450）,到350时，m分解结束，相转变为f，淬火应力基本消除，m分解出的极薄碳化物转变为稳定，c/a接近于1，固溶体的碳含量接近正常。转变稳定的fe3c以细颗粒状分布在f的基体上（回火屈氏体）。钢的塑性和韧性提高。,回火屈氏体组织金相图,4.fe3c聚集长大和f再结晶（大于500650）,温度升高，fe3c聚集长大，f再结晶，f和fe3c成为混合物（回火索氏体s）。与回火屈氏体相比，它的硬度、强度较低，而塑性、韧性较高；组织中fe3c颗粒较粗。,回火索氏体组织金相图,三)工艺参数,淬火+高温回火=调质处理,淬火+高温回火=调质处理,第五节钢的表面热处理工艺,表面淬火化学热处理,工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。,一.表面淬火(surfacehardening),一)定义: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。,二)工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。,三)表面淬火用钢:,选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40cr、40mnb等。,四)表面淬火加工的方法:感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法等。,1.感应加热表面淬火,1)感应加热的基本原理:,*感应电流-涡流,*集肤效应,感应加热表面淬火,指基有极短于感应电流在工件内部自成回路，分布方法上的“集肤效应”，使工件表面的时间加热。感应电流透入零件表层的深度主要取决于电流频率（f），频率越高，电流投入零件表面的深度（）越浅，即渗透层越薄，淬火层深度()与电流频率(f)的关系:=500/f1/2（mm）,由此可见：可以根据钢的淬透层深度来选择合适的频率，按频率高低区分感应加热淬火大致分为三类：高频：f100200khz，使用电子管式高频设备获得（200300khz）适用于淬透层深度0.52mm的小工件,中频：f50010000khz，使用中频发电机（25008000khz）使用于淬透层深度210mm的工件，一般处理大齿轮、轴等。工频：f50hz，使用工频设备，使用于淬透层深度1020mm的工件，一般处理重型机械中的大型零件，如冷扎辊等,超音频：f2060khz，适用于淬透层深度2.53.5mm的有凹凸形状的工件，如：花键等,感应加热表面淬火后的组织与性能,感应加热表面淬火不能改变零件的化学成分，其加热分三个区域：1区：完全淬透区零件的表面加热温度高于ac1，由于加热速度极快，所以淬火表面获得非常细小的针状m组织。,2区：过渡区加热温度在ac3ac1之间，淬火后得到m未溶f.3区:心部组织加热温度低于ac1,没有产生相变，一般保持原始组织。,感应加热表面淬火的技术条件及工艺路线,零件表面淬透层的性能，除与选用的钢材有关外，也与合理采用淬透层深度有关：1.增加淬透层可延长零件表明层的耐磨寿命，但脆性也增加，故要综合考虑：a.一般淬透层深度为半径的1/10左右时，可以达到强度、疲劳性能和韧性的最好配合；b.对于直径小于1020mm的零件，可采用较深的淬透深度，一般为半径的1/5；c.大型齿轮（m大于58）采用高、中频单齿淬火能够收到沿齿轮分布的淬透层。,d.中小模数的齿轮（m小于5），往往整个齿轮全部淬硬，但这样会使心部韧性差，不能承受冲击，所以，常常采用低淬透性钢高频淬火来改善齿轮的淬硬层分布。,2.对感应加热表面淬火的零件，其设计技术条件应注明表面淬火硬度、淬透层深度、表面淬火区域及心部硬度等。3.表面淬火前应进行一次预热处理，如调质、正火等，目的是为了加速感应加热中a的合金化和均匀化，淬火时能得到均一的高硬度，同时改善心部的硬度和切削中的粗糙度。,锻造退（正）火粗加工调质感应加热表面淬火低温回火精加工,2)工艺要求:*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。,3)生产特点:淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。,2.火焰加热表面淬火,1)火焰加热表面淬火的基本方法,火焰加热表面淬火,指使用乙炔氧或煤气氧的混合气体等可燃性气体燃烧火焰，喷射在零件的表面上，加热到淬火温度后立即喷水或喷乳化剂冷却的方法。优点：设备简单，成本低，使用简便。缺点：加热温度不易控制。适用：中碳钢（35，40）；合金中碳钢；单件小批及大型零件,2)火焰加热表面淬火的特点:,*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。,二.化学热处理(chemicalheattreatment),一)定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。,渗入的化学成分不同，钢表面的性能不同：,渗碳、碳与氮共渗（氰化）提高耐磨性；渗氮提高表面硬度、耐磨和耐腐蚀；渗硫提高减摩擦性；渗硅提高耐热抗氧化性；渗硼特别硬，高耐磨耐腐蚀。,化学热处理是对钢加入某种元素，其原理：,不论渗何种化学成分，均是以原子扩散过程，分为三个过程：分解过程吸收过程扩散过程,扩散可以通过多种方法进行间隙式扩散空位迁移式扩散,二)化学热处理的基本过程:,2.吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。,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。,三)化学热处理进行的条件:,1.渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。,2.零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。,四)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。,1.钢的渗碳(carburizeofsteel),1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。,2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。,3)用钢:,低碳钢和低碳合金钢。,4)方法:固体、气体、液体渗碳。,渗碳就是向钢的表面渗入碳原子的过程目的：使零件表面具有高的耐磨性和疲劳强度工艺特点：将碳的质量为0.150.25的低碳钢、低合金钢（15、20、20cr、20crmnti、20mn2tib等）零件放在渗碳介质中加热到900950，使原子渗入到钢的表面层，随之淬火并低温回火，使零件表面与心部具有不同成分、组织和性能。,渗碳的材料：气体、固体、液体,固体渗碳固体渗碳剂主要由木炭及催渗作用的碳酸盐组成，其活性碳原子是依靠木炭在渗碳箱内与剩余空气中的氧发生反应而生成co2.2co2co2coco2c,固体渗碳法示意图,因为：固体渗碳时渗碳箱内的o2有限，所以：单纯用木炭渗碳的效果很差，故：一般加入质量分数为215的baco3、naco3作为催化剂，可以加速co的生成，增加气相中co的浓度。特点：生产效率较低，劳动条件差，质量不易控制。但不必专门设备，适应性大，成本低。,适用：单个大件或小批量零件的生产，最适合具有小孔零件的生产,气体渗碳,是一种在特制的渗碳炉中通入具有活性气体渗碳剂，加热后，使渗碳剂渗入零件表面的方法。气体渗碳剂有：有机液体：煤油；丙酮；乙醇等；滴入加热炉中分解成活性的碳原子被零件吸收。,气体渗碳法示意图,气体介质：液化石油气；城市煤气等；直接进入炉中分解为活性碳原子。特点：生产率高；劳动条件好，质量易控制，一般的渗碳时间仅为39h。,工艺综述,1.加热到900950,大于该温度，有利于原子扩散，但不利于a细化；小于该温度，渗碳层不够。2.表面碳浓度0.81.1,大于该比例，零件表面形成fe3c，脆性增大，淬火后残余a的数量增加，对高碳钢应取下限.3.钢的渗碳层厚度0.81.5mm，大于该厚度，经不起冲击破坏；小于该厚度，易引起表面层疲劳剥落，一般要查表。,渗碳后的热处理工艺,淬火,渗碳后的热处理工艺,4.热处理方式：,一次淬火：零件淬火后出炉空冷（缓冷），在加热，水或油冷淬火，最后在回火。缓冷的目的，以避免fe3c沿晶界呈网状析出，为重新加热作准备。特点：避免了淬火组织的长大。适用：对要求表面处理得到的组织较严格的零件,两次淬火：对要求淬火不能达到表面与心部的强化效果的零件，采用二次淬火，其工艺如图所示。目的：第一次软化心部，消除表层的网状碳化物；第二次强化表面，欲得到细针m和粒状fe3c组织。但，成本高，变形氧化，脱碳倾向大,5)工艺:加热温度为900950;渗碳时间一般为39小时;,6)渗碳后的组织:,渗碳处理后的组织和性能,1.渗碳后缓冷的组织由于表面向心部的c浓度逐渐降低，所以缓慢冷却后，从表面到心部的组织依次为：p网状fe3c组成过共析层p组成的共析层fp组成的亚共析层，接近心部fp心部为原始组织。,2.缓冷后的淬火组织表面向心部的组织为：m少量c化物残余am残余ammpf（心部）或低碳m(合金钢),20钢渗碳缓冷组织(化染)580表层珠光体+网状渗碳体;中层珠光体;内层铁素体+珠光体,8)热处理后的组织,低碳m回+f,m回+cm+a残,低碳合金钢,f+p,m回+fe3c+a残,低碳钢,9)常用的钢种:15、20、20cr、20mn2、20crmnti、18cr2ni4wa等。,20crmnti钢渗碳层组织(化染)320渗碳体(白色块状)+高碳m(兰色针状)+残余a(棕黄色),渗碳热处理后的性能,表面硬度：低碳钢、低合金钢hrc5864心部：hrc1015中、高合金钢hrc5660心部：视淬透性而定,2.钢的渗氮(nitridationofsteel),1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。,2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。,3)用钢:,中碳合金钢。,4)方法:气体渗氮。,钢的渗氮,将氮渗入钢的表面的过程。目的：提高钢表面硬度、耐磨性、疲劳强度、红硬性、耐腐蚀性适合：压铸模、冷挤压模、挤压凸轮、高速凸轮、变速齿轮等。氮化材料：氨气,气体氮化,利用氨气在加热时分解出活性氮原子被钢零件的表面吸收，并向心部扩散形成氮化层。2nh33h22n工艺：根据氮化的目的不同，调节温度、时间、氨气的分解量（分解程度）合炉内的气体压力来实现。,常用的方法：温度：500600氮化层：0.400.50mm时间：4070h结束后在200停止供氨，零件出炉,氮化后钢零件的性能,氮和很多合金元素都可以形成氮化物如：grn、mon、ain等这些n化物本身的硬度很高（hrc70）1.采用上述的合金元素氮化后的合金，可以得到十分细的合金氮化物弥散分布在-fe的基体上，另一方面，由