钢的化学热处理课件.ppt

1 第十一章钢的化学热处理 2 11 1化学热处理概述 机械零件的失效和破坏 大多数都萌发在工件的表面层 特别在可能引起磨损 疲劳 金属腐蚀 氧化等条件下工作的零件 其表面层的性能就显得尤为重要 化学热处理的概念 钢的化学热处理 是将钢件置于特定的活性介质中加热保温 使一种或几种元素渗入钢件表层 从而改变钢件表层化学成分和组织 达到改进表面性能 满足技术要求的热处理过程 3 经化学热处理后的钢件 实质上可以认为是一种特殊复合材料 4 化学热处理的目的 在表面形成高硬层在钢件表面形成减磨 抗粘结薄膜在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜 提高零件的耐磨性提高零件的疲劳强度提高零件的抗蚀性提高零件的抗高温氧化性 提高零件的耐磨性 5 在表面形成高硬层 在表面形成减磨 抗粘结薄膜 在表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜 6 化学热处理方法表面硬化的优势 7 渗碳 渗氮 软氮化和碳氮共渗等方法 都可使钢零件在表面强化的同时 在零件表面形成残余压应力 有效地提高零件的疲劳强度 提高零件的疲劳强度 钢件渗铝 渗铬 渗硅后 与氧或腐蚀介质作用形成致密 稳定的Al2O3 Cr2O3 SiO2保护膜 提高抗蚀性及高温抗氧化性 提高零件的抗蚀性 提高零件的抗高温氧化性 例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能 8 化学热处理的分类 目前工业上广泛使用的化学热处理方法 就是在钢件表面渗入一种或多种元素 即渗入法 根据所渗入的元素 可以将化学热处理分为渗碳 渗氮 渗硫 渗硼 渗铝 渗钒 渗铬等 如果同时渗入两种以上的元素 则称之为共渗 如碳氮共渗 铬硅铝共渗等 钢中渗入的元素 可能溶入铁中形成固溶体 也可能与铁形成某种化合物 总之渗入的元素与基体金属之间具有相互作用 9 10 目前生产中最常用的化学热处理是渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗硼和渗铝等 化学热处理的基本过程 渗入法化学热处理的基本过程 11 11 2钢的渗碳 渗碳 就是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温 使其表层形成一个富碳层的热处理工艺 渗碳种类 最常用 常用 12 渗碳用钢 为低碳钢及低碳合金钢 如20 20Cr 20CrMnTi 20CrMnMo 18Cr2Ni4W等 渗碳的目的 13 气氛的主要组成物都是CO CO2 CH4 H2和H2O等5种气体 其中CO和CH4起渗碳作用 其余的起脱碳作用 渗碳原理 渗碳介质的分解 工业气体渗碳方法的主要类型 在炉中产生所需要的渗碳气氛 14 在渗碳炉中 与渗碳有关的最主要反应有如下四个 在所供应的原料气氛组成稳定的情况下 只要控制气氛中微量的CO2 H2O CH4或O2中的任何一个的含量 就可达到控制渗碳炉中碳势的目的 15 通常 生产中多采用露点仪来控制气氛中的H2O含量 因为气氛的露点与气氛中的含水量具有很好的对应关系 即含水量越高 露点就越高 16 生产中或者采用红外线仪来控制CO2的含量 17 或者采用氧探头来控制气氛中O2含量 无论采用上述哪种方法 都可以达到控制渗碳炉中渗碳气氛碳势的目的 在实际生产中 渗碳时间往往比较短 必须根据气氛种类 表面碳含量要求 渗碳温度和渗碳时间等因素确定出一个在不平衡情况下的合适碳势 才能真正保证渗碳工件所需的表面含碳量 同时还需采用多参数控制法来减少碳势控制的误差 18 工件表面必须清洁 炉气需要具有良好的循环 活性碳原子被吸收后 剩下的CO2 H2或H2O等脱碳气氛需要被及时排出 控制好分解和吸收两个阶段的速度 使之恰当配合 如果分解速度大于吸收速度 将在工件表面形成积碳 从而影响吸收速度 碳原子的吸收 要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收 必须满足以下条件 19 碳原子由表面向心部的扩散 是渗碳得以进行并获得一定深度渗层的条件 扩散的驱动力是工件表面与心部的碳浓度梯度 碳在铁中形成的是间隙式固溶体 其扩散系数比形成置换式固溶体的合金元素要大很多 碳在 Fe中的扩散系数为 可见 温度和碳浓度都影响碳的扩散系数 碳原子的扩散 20 间隙原子的扩散服从Fick第二定律 由该定律可以有下面一个关系式 因此 此式也就成为根据渗碳温度和渗层深度来确定渗碳时间的依据 式中 d 渗碳层的深度 渗层深度因子 与渗碳温度具有一定的关系t 扩散进行的时间 21 主要是通过对碳的扩散系数和渗层表面碳浓度的影响来实现的 通常地 Mn Cr Mo能略微增加渗层的深度 而W Ni Si等则减小渗层的深度 钢中合金元素对渗碳过程的影响 凡是碳化物形成元素如Ti Cr Mo W及含量大于1 的V Nb等 都增加渗层表面碳浓度 凡是非碳化物形成元素如Si Ni Al等 都降低渗层表面碳浓度 对表面碳浓度的影响 对渗层深度的影响 22 渗碳工艺参数 渗碳前 渗碳中 渗碳后 23 渗碳工艺参数 24 从统计资料看 一般渗碳件的表面碳含量可在0 6 1 1 之间变化 气氛碳势的选择与控制 确定最佳表面含碳量的依据 25 渗碳零件表面碳含量低 淬火后低温回火所得到的硬度低 耐磨性差 零件表面含碳量过高 渗碳层出现大量块状或网状的碳化物 使脆性增加 易在承受冲击负荷时剥落 因此 表面层含碳量最好在0 85 1 05 范围内 26 渗碳温度是渗碳工艺中最重要的一个因素 它影响着分解反应的平衡 碳的扩散 还影响着钢中的组织转变 由于奥氏体的溶碳能力较大 因此渗碳温度必须高于Ac3温度 渗碳温度 渗碳温度常用920 940 温度愈高 渗速愈快 渗层愈深 但温度过高会引起奥氏体晶粒长大 降低零件的力学性能 增加零件畸变 降低设备使用寿命 27 如 0 3 0 6mm 可选为880 10 0 6 0 8mm 可选用900 10 0 8 1 2mm或以上 选用920 10 通常渗碳的温度的选择视要求的渗层深度确定 有的要求深层渗碳或缩短渗碳周期 可采用1030 1050 但必需采用细晶粒钢 高温渗碳钢 或渗碳后再经循环热处理细化晶粒 28 式中 t 时间 h T 温度 K 对几种常用渗碳温度的层深计算公式可简化为 一般地 由于扩散缓慢 渗碳时间不需精确控制 渗层深度和渗碳温度确定后 所需的渗碳时间可根据Harris公式进行近似计算 渗碳时间 29 30 工艺参数的综合选择 由于各参数间相互影响较大 同时为了缩短渗碳的总时间 通常对各参数进行综合调节 31 固体渗碳和液体渗碳简介 固体渗碳是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中 用盖子和耐火泥封好 然后放在炉中加热至900 950 保温足够长时间 得到一定厚度的渗碳层 固体渗碳 固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与10 左右的碳酸盐 BaCO3或Na2CO3 的混合物 木炭提供渗碳所需要的活性碳原子 碳酸盐起催化作用 32 而加入的催渗剂在高温下会发生分解 放出的CO2与木炭发生反应生成大量的CO CO在钢件表面分解 从而提供活性碳原子 因渗碳箱中的氧气是有限的 因此通过2C O2 2CO来获得CO的量是有限的 33 固体渗碳的优缺点 适用于各种零件 尤其是小批量生产可使用各种普通加热炉 设备费用低渗后慢冷 工件硬度低 利于切削加工 不适于浅渗碳层零件生产 表面碳含量很难精确控制 渗碳后不能直接淬火 渗碳时间长 劳动条件差 34 液体渗碳 液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳 在无氰化物的盐浴中 渗碳的反应如下 35 由液体渗碳的以上反应可以看出 渗碳反应仍然是钢件表面的气相反应 原材料虽然无毒 但反应的结果仍然使盐浴中含有约0 5 的NaCN 盐浴还具有一定的渗氮功能 加热速度快生产效率高加热均匀便于直接淬火 易腐蚀工件碳势调整幅度小且不易控制劳动条件差等等 优点 缺点 36 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 上述组织显然不能满足要求 渗碳后必须进行热处理 即进行淬火和回火 对某些钢种还包括冷处理 渗碳后的热处理 37 工件渗碳后热处理的目的 渗碳后的淬火 38 原则上 过共析层的淬火温度应低于Accm亚共析层的淬火温度应高于Ac3 渗碳零件的淬火温度选择 如果Accm Ac3 就很容易选择一个淬火温度来同时满足这两者的要求 如果Accm Ac3 则很难两者同时兼顾 在这种情况下 要根据对零件的主要技术要求 钢件心部能否淬透 渗碳后零件的表面碳含量和所采用的淬火方法等 综合考虑而加以确定 要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求 39 直接淬火法 直接淬火 是指工件渗碳后 随炉降温或出炉预冷到760 860 后 直接淬火的热处理工艺 随炉降温或出炉预冷的目的 预冷的温度要根据零件的要求和钢的Ar1而定 40 减少加热和冷却的次数 提高生产效率 降低能耗及生产成本 还可减少零件变形及表面的氧化和脱碳 直接淬火的优点 适用于本质细晶粒钢制作的零件 不适用于本质粗晶粒钢制作的零件 另外 如果渗碳后表面碳浓度很高 则同样不适宜于采用直接淬火 因为预冷时碳化物一般沿奥氏体晶界呈网状析出 使脆性增大 直接淬火适用范围 41 重新加热淬火 工件在渗碳后冷却到A完全转变 可能转变成P或M等组织 接着重新将它加热到所希望的淬火温度 然后淬火 这种方法可以得到晶粒较细的组织 42 此外 也可以在二次加热淬火中间安排一次回火 在最后淬火加热之前可以进行一些切削加工 为了避免重复加热引起太大的变形 对于形状易于变形的工件 可规定进行一次或几次预热 43 二次加热淬火对于高温 980 1050 渗碳工件是必不可少的 因为高温渗碳后奥氏体晶粒粗大 故第一次淬火温度通常高于心部的Ac3 而第二次淬火温度在渗层的Ac1 Accm之间 经过二次淬火后 奥氏体晶粒可以得到充分细化 表层碳化物可变成粒状 残余奥氏体量减少 疲劳强度显著提高 但二次加热淬火的成本高 周期长 易脱碳变形 故极少采用 44 渗碳零件在淬火后 紧接着于150 250 之间进行回火处理 对于非合金钢 回火温度一般为150 l80 对于合金钢 回火温度一般为160 200 经过这种回火处理 可降低组织应力 并且在最外层保持有利的压应力 此外 回火改善了渗碳淬火零件的可磨削性 降低了磨削裂纹敏感性 在150 250 之间回火 硬度的最多降低5HRC 大多降低1 3HRC 回火 45 冷处理 目的在于减少或消除残A 从而适当提高渗碳层的硬度 冷处理既提高了生产成本 又增加了生产工序 目前除特殊渗碳工件外 一般都很少采用这道冷处理工序 46 渗碳层深度的测量 目前渗层深度的测量方法有 化学分析法 硬度测量法和金相法等 其中硬度法是目前应用最广泛的一种标准方法 渗碳层深度是渗碳零件的主要技术要求之一 渗层深度的两种定义 47 48 渗碳热处理的常见缺陷 常见缺陷 49 渗碳层出现内氧化 50 渗碳后钢的机械性能 硬度和耐磨性 钢件的表面硬度和耐磨性可显著提高 冲击韧性和断裂韧性 钢件的冲击韧性和断裂韧性都降低 并且表面碳含量越高 渗层越深 这两种性能降低越厉害 51 疲劳强度 表面碳含量越高 Ms点越低 表面M的量小于表层内部M的量 在表面层得到的残余压应力越大 它可以抵消相当部分由外加负载引起的拉应力 从而提高疲劳强度 一定层深的高硬度渗碳层 可以提高抵抗微裂纹的形成和扩展 从而提高疲劳强度 钢件经渗碳后 其疲劳强度显著提高 52 11 3钢的渗氮 渗氮工艺又叫氮化 它是将氮渗入钢件表面 以提高其硬度 耐磨性 疲劳强度和抗蚀性的一种化学处理方法 氮化的特点和分类 渗氮的特点 渗氮件的表面硬度可高达HRC70左右 并可保持到500 左右而不降低 而渗碳层淬火后其硬度在HRC60 62左右并在200 以上就急剧下降 由于渗氮层硬度高 其耐磨性也较高 高的硬度和耐磨性 53 由于渗氮后表面形成的氮化物薄膜 化学稳定性高而且致密 高的疲劳强度 氮化层内的残余压应力比渗碳层大 故氮化后可获得较高的疲劳强度 渗氮件的变形很小且规律性强 因为氮化后钢件不需其他任何热处理 良好的抗咬卡性能 由于氮化层的高硬度和高温硬度 良好的耐腐蚀性能 54 例如 38CrMoAl钢制压缩机活塞杆为获得0 4 0 6mm的渗氮层深度 气体渗氮保温时间需60h左右 处理时间长生产成本高氮化层较薄 0 3 0 6mm 氮化层脆性较大 55 渗氮的分类 Fe N相图和纯铁氮化层的组织 两个共析反应 56 相图中的各个相 N在 Fe的固溶体 N在 Fe的固溶体 N在Fe4N的固溶体 N含量很宽的化合物 N在Fe2N的固溶体 57 58 气体氮化原理 无水氨气 或氨气 氢气 或氨气 氮气 氨气的分解氮原子的吸收氮原子的扩散 整个氮化过程分为三个阶段 气体氮化时一般使用 59 氨气的分解 纯铁氮化时表面形成相与 NH3 H2 混合气平衡的条件 60 氮原子的吸收 活性氮原子只有一部分能立即被钢件表面吸收 而多数活性氮原子则很快相互结合成氮分子而逸出 61 氮原子的扩散 在气体氮化时 由于气氛中的氮势很容易超过生成 化合物所需要的氮量 因此在钢件表面极易生成一层 化合物 此时氮原子将溶于化合物层中并不断向内扩散 62 氮在铁中的扩散系数可用下式表示 由于N原子半径比C原子小 因而N原子的扩散系数比C大 与渗碳类似 氮化层的深度也随时间呈抛物线关系增加 63 合金元素的影响和氮化强化机理 氮化物形成元素和Al对氮化的影响最显著 合金元素一般都减少氮化层的深度 其中尤以Ti Al最为显著 Cr次之 钢中碳也会降低氮化层的深度 可能是由于由于钢中形成碳化物而阻碍了氮原子的扩散所致 64 合金元素对氮化层的硬度的影响更为显著 其中尤以Al Ti最为显著 Cr Mo次之 Ni由于不形成氮化物 对硬度几乎没有什么影响 但由于Ti在钢中将首先形成极稳定的碳化物 而对氮化层的硬度贡献很小 因此 工业用氮化钢大都含有Al Cr Mo 而不含Ti 65 Al Cr Mo等合金之所以能显著提高钢的氮化层硬度 是因为氮原子在向心部扩散时 在氮化层中依次发生 氮和合金元素的偏聚 形成所谓的G P区 Fe16N2型过渡氮化物的析出等 这些共格的偏聚区和过渡氮化物的析出 会引起硬度的强烈增高 上述过程与淬火 时效的过程几乎一样 66 氮化前的热处理 氮化零件的心部性能 由氮化前的热处理决定 因此 氮化前的热处理非常重要 时效强化 M相变强化 氮化后不需热处理 渗碳后必须淬火 同时也改变心部的性能 67 淬火温度 由钢的Ac3决定 淬火介质 由钢的淬透性决定 回火温度 由心部的硬度要求和对氮化层硬度的影响决定 氮化前的热处理一般都是 调质处理 一般情况下 为了保证心部组织的稳定性 避免氮化时心部性能发生变化 通常都使氮化前的回火温度比氮化温度高50 左右 68 氮化前的回火温度对氮化后的硬度梯度的影响 a 0 32C 3 0Cr 0 4Mo钢在510 氮化60h b 2 10C 12 0Cr 0 7W钢在510 氮化10h 一般地 回火温度低 不仅心部硬度高 且氮化层硬度也较高 因而有效渗层的深度也会有所提高 69 气体氮化工艺 氮化温度影响着氮化层的深度和硬度 氮化时间则主要影响层深 正确制订氮化工艺 关键在于选择好三个参数 氮化温度和时间的选择 70 60h 71 72 氮化前零件的回火温度 使氮化温度低于回火温度50 左右 氮化层深的要求 氮化层要求较深 氮化温度应高一些 金相组织的要求 氮化温度越高 越容易出现白层 Fe2N1 x Fe4N 和网状氮化物 氮化温度的选择 主要根据对零件表面硬度的要求而定 要求硬度高者 氮化温度应适当降低 在此前提下 还要考虑 氮化时间的选择 主要依据氮化的层深而定 73 也可以采取525 540 的两段氮化法 还可以采用低温 高温 低温 或低温 高温 高温等工艺 为了加快氮化速度并保证硬度要求 目前已经发展了各种分阶段氮化方法 例如 常用的氮化钢38CrMoAlA制成的气缸筒 要求渗层深0 5 0 8mm 硬度HRA 80时 可采用以下工艺 第一阶段 低温 510 5 50h 高氮势 加大扩散驱动力 第二阶段 高温 550 5 50h 低氮势 加快扩散和调整表面氮含量 74 对于不锈钢等高合金钢的氮化 由于N原子在这类钢中的扩散比较困难 往往不容易得到较深的渗层 因此 一般都采用较高的氮化温度 550 560 以提高氮化速度 气氛氮势的选择 氮化气氛氮势控制方法 75 氮化零件的检验和常见的缺陷 表面硬度的检验 氮化层一般较薄 要注意载荷的选择以防止压穿 通常选用HV10 kg 或表面洛氏硬度HRN15 Kg 如果表面硬度偏低 可能是表面氮浓度不足或渗前处理的回火温度过高所致 表面硬度渗层深度心部硬度金相组织变形量等 表面硬度 76 渗层深度的检验 仍然以硬度法最为精准 有效渗层深度 有的以硬度HRC50 HV550 的层深为准 有的以HV400为界 渗层深度 心部硬度 心部硬度的检验 硬度法 心部硬度超差 则往往是回火温度选取不当所致 77 产生金相组织不合格的原因 主要是气氛氮势过高 氮化温度过高 氮化前处理时发生表面脱碳或晶粒细化不够等 金相组织 78 与气体氮化相比 离子氮化具有以下优点 处理周期短 仅为气体氮化的2 3 1 3 可节约电能和氨气的消耗 零件的表面不易形成连续的白色脆性层 变形小 特别适合于形状复杂的精密零件 易于实现局部氮化和均匀氮化 适用于各种材料 不产生污染 劳动条件有所改善 离子氮化 离子氮化又称为辉光放电氮化或等离子氮化 离子氮化的特点 79 设备复杂且投资大 准确测定零件温度困难 对于大型炉 各类零件混合装炉时难以保证各处温度的一致性 离子氮化的原理 离子氮化是利用辉光放电这一物理现象对金属材料表面强化的氮化法 离子氮化的缺点 80 在低压的氮气或氨气等气氛中 作为阳极的炉体和作为阴极的被处理工件之间加以直流电压 使气体产生辉光放电 氮化炉 气体中的正离子向阴极移动 当接近工件表面时 由于工件表面数毫米处的急剧电压降而被强烈加速 正离子轰击工件表面 离子具有的动能转变为热能而加热被处理工件 同时一部分离子直接注入工件表面 2020 1 29 81 可编辑 82 与此同时 部分离子引起阴极溅射 从工件表面溅射出电子和原子 溅出的Fe原子和N原子相结合形成FeN FeN由于受到高温和离子轰击而很快地分解为低价氮化物而放出氮 一部分失去氮的Fe又被溅射到辉光等离子气体中与新的N原子结合 促进氮化 氮化炉 83 a 辉光点燃电压bc 正常辉光放电区cd 异常辉光放电区de 弧光放电区 84 离子氮化工艺 装炉时要注意热电偶的合理分布 装炉时 零件间隔必须足够大且均匀 装载过密往往会引起温度过高 对局部氮化的零件 可在不需要氮化的地方用外罩或塞子屏蔽 以免在该处引起辉光 零件氮化前必须经过彻底清洗 以免因油污 锈斑 挥发物等而引起电弧 损伤工件 85 在选择工艺参数时主要是确定温度 时间和气氛 然后改变或调节电参数和气压来满足温度等要求 86 气氛 国内多用纯氨 而国外多用分解氨 炉内气体压力在工作温度下一般维持在266 6 999 75Pa之间 氮化温度是最主要的参数 氮化钢 其它合金结构钢 其它高合金钢 不耐热锈钢 氮化时间 由氮化层深确定 520 540 480 520 480 540 550 580 87 实质上是以渗氮为主的低温氮碳共渗 钢在氮原子渗入的同时 还有少量的碳原子渗入 其处理结果与一般气体氮化相比 渗层硬度较氮化低 脆性较小 故称为软氮化 软氮化 气体软氮化液体软氮化固体软氮化 88 目前国内应用最广泛的是气体软氮化 它是在含有活性氮 碳原子的气氛中进行的低温氮碳共渗 尿素甲酰胺氨气三乙醇胺 共渗介质在软氮化温度下发生热分解反应 产生的活性氮 碳原子被工件表面吸收 通过扩散渗入工件表层 从而获得以氮为主的氮碳共渗层 89 钢经软氮化后 最外层可获得几微米至几十微米的白亮层 它由 Fe C N 相 Fe4N相和含氮的渗碳体Fe3 C N 所组成 次层为的扩散层 主要由 相和 相组成 常为2 3小时 因为超过2 5小时后随时间延长 氮化层深度增加很慢 气体软氮化温度 常用560 570 因该温度下氮化层硬度值最高 气体软氮化时间 气体软氮化层组织 90 处理温度低 时间短 工件变形小 不受钢种限制 碳钢 低合金钢 工模具钢 不锈钢 铸铁及铁基粉未冶金材料 均可进行软氮化处理 能显著地提高工件的疲劳强度 耐磨性和耐腐蚀性 在干摩擦条件下还具有抗擦伤和抗咬合等性能 由于软氮化层不存在脆性 相 故氮化层硬而具有一定的韧性 不容易剥落 软氮化已广泛应用于模具 量具 刀具 曲轴 齿轮 气缸套等耐磨工件的处理 气体软氮化的特点 91 11 4钢的其它化学热处理 氮碳共渗 就是软氮化 520 580 也就是铁素体氮碳共渗 碳氮共渗 处理温度相对较高 820 920 所以又称为奥氏体碳氮共渗 碳氮共渗 碳氮共渗是在奥氏体状态下 同时将碳 氮渗入工件表层 并以渗碳为主的化学热处理工艺 固体碳氮共渗液体碳氮共渗气体碳氮共渗 92 耐磨性较高渗层的回火抗力较高渗层的淬透性较高疲劳强度较高渗入速度较快 与渗碳相比 碳氮共渗具有下列优势 碳氮共渗工艺分为高温和中温两种 目前广泛应用的是中温气体碳氮共渗 中温碳氮共渗的温度为820 860 向密封的炉内通入煤油 氨气 93 保温时间主要取决于要求的渗层深度 一般零件的渗层深度为0 5 0 8mm 保温时间约为4 6h 碳氮共渗后表层碳的质量分数为0 7 1 0 氮的质量分数为0 15 0 5 渗硼 渗硼是使硼原子渗入工件表层以获得高硬度和高耐磨性的化学热处理工艺 硼在钢中的溶解度很小 主要是与铁和钢中某些合金元素形成硼化物 94 渗硼件的耐磨性高于渗氮和渗碳层 而且有较高的热稳定性和耐蚀性 渗硼层脆性较大 难以变形和加工 故工件应在渗硼前精加工 渗硼工艺主要用于中碳钢 中碳合金结构钢零件 也用于钛等有色金属和合金的表面强化 渗硼工艺已在承受磨损的模具 石油钻机的钻头 煤水泵零件 拖拉机履带板 在腐蚀介质或较高温度条件下工作的阀杆 阀座等上获得应用 渗硼方法有熔盐法 粉末法 膏剂法和气体法 95 渗硼的介质以硼砂为主 加有适量的还原剂 如碳化硅 铝粉 和活化剂 还可以添加少量氧化铬以降低渗层脆性 渗硼温度 一般为920 950 保温时间 3 5小时在硼砂为基的熔盐中 插入石墨或不锈钢电极作为阳极 以工件为阴极 通以直流电可实现电解渗硼 电解法渗硼的速率较高 渗硼温度可降低到800 以下 但坩埚寿命短 熔盐法 96 将碳化硼 冰晶石和氟化钙等破碎为粉末 调以粘结剂涂敷在工件表面 再装箱或置于还原性气氛中 加热进行渗硼 这种方法适用于单件 小批量工件渗硼 粉末法 埋入工件 加热到800 950 渗硼 应用较广 膏剂法 供硼剂活化剂填充剂 97 以具有腐蚀性的三氯化硼或剧毒的乙硼烷为渗剂 渗剂昂贵 故尚未用于生产 在气体渗硼基础上发展的离子渗硼 从实验成果看 可降低处理温度和渗剂消耗量 但尚未用于生产 处理温度较高畸变大熔盐渗硼件清洗较困难渗层较脆等 气体法 98 渗硫 是通过硫与金属工件表面反应而形成薄膜的化学热处理工艺 经过渗硫处理的工件 其硬度较低 但减摩作用良好 能防止因摩擦热和塑性变形而引起的擦伤和咬死 渗硫 渗铝 渗铝 是指使铝扩散渗入钢或合金表面 以提高渗件抗高温氧化性和抗热腐蚀能力的化学热处理工艺 99 渗铝处理可以在钢件表面形成一层铝含量约为50 wt 的铝铁化合物 或在镍基合金表面形成一层铝含量约为23 34 wt 的铝镍化合物 由于这层化合物的铝含量较高 在氧化时可以在渗件表面形成一层致密的Al2O3膜 从而使钢件得到保护 实践表明 渗铝后可使零件的抗氧化温度提高到950 1000 渗铝对提高零件的抗热腐蚀能力也有明显作用 100 第十二章钢的特种热处理 101 感应加热表面热处理火焰加热表面热处理电接触表面热处理激光热处理等 12 1表面热处理 钢的表面热处理 是使零件表面获得高的硬度和耐磨性 而心部仍然保持原来的优良的韧性和塑性的一类热处理方法 与化学热处理不同的是 它不改变零件表面的化学成分 而是依靠零件表层迅速加热到钢的临界点以上 并随之淬冷来达到强化表面的目的 102 感应加热淬火 与普通淬火相比 感应加热表面淬火具有以下六方面的主要特点 加热温度高 升温快 工件表层易得到细小的隐晶M 工件表层存在残余压应力 103 工件表面质量好 生产效率高 淬硬深易控制 易实现局部加热和连续加热 设备费用昂贵 并要配备专门的淬火机床 加热温度不易测定和控制 设备维护 调整和使用要求较高技术水平等 不足之处 104 感应线圈通以交流电时 就会在它的内部和周围产生与交流频率相同的交变磁场 若把工件置于感应磁场中 则其内部将产生感应电流并由于电阻的作用被加热 电磁感应 感应电流在工件表层密度最大 而心部几乎为零 这种现象称为集肤效应 表面效应 感应加热的基本原理 105 电流频率越高 感应电流透入深度越浅 加热层也越薄 因此 通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度 电流透入工件表层的深度主要与电流频率有关 可以看出 106 这时整个电流透入层的电流密度迅速降低 从而使表层加热速度变缓 导致温度沿断面的分布在表层较为平缓 这样既可以保证零件具有一定的淬硬层深 又不容易使表层过热 电阻率越大 导磁率越小 则电流透入的深度越大 107 感应加热表面淬火示意图 108 较大直径零件的穿透加热 大直径零件如轧辊 火车轮等的表面淬火 感应加热表面淬火的分类 200 300KHz 0 5 2 0mm 中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等 2500 800Hz 2 10mm 较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等 50Hz 10 15mm 109 高频感应加热表面淬火后的组织和性能 要弄清楚高频感应加热表面淬火后的组织 就必须首先了解高频感应加热时钢的相变特点 临界温度 Ac1和Ac3 升高 转变在一个较宽的温度范围内进行 加热速度越快 临界温度升高越厉害 快速加热时钢的相变特点 110 奥氏体晶粒细小 奥氏体成分不均匀 有时组织中还残存第二相 111 高频感应淬火后的组织 112 高频感应淬火后零件的机械性能 硬度 经高频淬火后 表面硬度比普通淬火提高2 3HRC 表层存在较大的压应力 M晶粒细小 高碳M在低碳M中弥散分布 较少的残A 原因 113 疲劳强度 高频淬火可有效提高零件的疲劳强度 通常小零件可提高2 3倍 大零件可提高20 30 这主要是淬硬层中马氏体的比容比原始组织大 在零件表层形成很大的残余压应力所致 淬硬层过浅 张力区接近表面 淬硬层过深 使表面的压应力下降 二者都不利于疲劳强度的提高 114 其它机械性能 综上所述 高频感应淬火后可以使零件获得许多优良的性能 高频感应加热表面淬火工艺的制订 为了满足对零件组织和性能的要求 感应加热表面淬火通常需要控制三个参数 加热温度 加热速度和淬硬层深度 高频感应淬火后 零件的静强度如抗弯曲强度和扭转强度皆有所提高 且随淬硬层深度的增大而增大 而塑性和韧性的变化则完全相反 115 生产上一般通过调控电参数来控制热参数 从而保证感应加热表面淬火的质量 感应加热表面淬火的上述三个工艺参数又与热参数和电参数密切相关 加热温度加热时间加热速度等 设备频率工件单位表面功率 单位表面功率取决于 阳极电压 阳极电流 槽路电压 栅极电流等 116 加热速度 高频感应加热时 临界温度随加热速度变化而变化 因此加热温度的选择必须考虑加热速度的影响 加热温度和加热速度的确定 加热温度是指工件的表面温度 选择时应考虑 加热速度 表面的硬度要求 淬硬层要求的组织 原始组织 117 表面的硬度要求 在一定的加热速度下 在某一温度范围内可以获得最高的表面硬度 因此所选取的加热温度应该落在此温度范围内 118 淬硬层要求的组织 在一定的加热速度下 在某一温度范围内可获得最理想的组织 一般最高硬度和最理想的组织所对应的加热温度是一致的 119 原始组织 原始组织愈不均匀 加热温度应愈高 因此粗片状P的加热温度应比细片状P高 正火组织的加热温度应比调质组织的高 淬硬层深度和电流频率的选择 然后根据淬硬层深度选取电流频率f 15000 x2 f 25000 x2 0 4 0 5 淬硬层深度的确定 应保证零件在允许磨损的深度内具有足够高的硬度和耐磨性 研究指出 淬硬层深度为零件半径的10 左右时 可在静强度 疲劳强度和塑性方面获得最佳效果 120 单位表面功率和加热时间的确定 单位表面功率直接决定加热速度 单位表面功率越大 加热速度越大 一般认为 单位表面功率为0 3 1 5kW cm2时较为合适 过大时加热时间太短而不易操作和控制 过小时加热时间太长而导致生产效率低 热损失大且有可能使淬硬层过深 生产中实际采用的原则为 当电流频率一定时 所要求的淬硬层愈深 则选用的单位表面功率就应愈小 而相应的加热时间应愈长 121 高频感应淬火的冷却 122 高频感应淬火后的回火 回火的目的 是减少内应力 并达到所要求的机械性能 回火的工艺 与普通淬火的回火一样 回火的方法 炉中加热回火 感应加热回火 以及利用心部余热进行的自回火等 感应加热淬火的关键技术之一是感应器的设计 在实际生产中 处理的零件是千变万化的 因此 必须有相应的感应器与之配套 123 万向节球 内孔 曲轴 齿轮 124 表面淬火一般适用于含碳0 4 0 5 的中碳钢和中碳低合金钢 如45 40Cr 40MnB等 这些钢经预先热处理后再表面淬火 心部有较高的综合机械性能 表面也有较高的硬度和耐磨性 另外 球墨铸铁也是适合于表面淬火的材料 感应加热适用的材料 125 12 2真空热处理 真空的基本知识 真空就是指压力比正常压力小 即负压 的任何气态空间 若将热处理的加热和冷却过程置于真空中进行 则称为真空热处理 真空通常分为四个级别 低真空 133 3 10 10 2 Pa 中真空 133 3 10 3 10 4 Pa 高真空 133 3 10 5 10 7 Pa 超高真空 133 3 10 8Pa以上 126 真空热处理的特异效果和伴生现象 表面保护作用表面净化作用脱脂作用脱气作用元素的蒸发现象真空加热油淬引起钢件渗碳 表面保护作用 可有效防止氧化和脱碳 127 表面净化作用 当真空中的氧分压小于氧化物的分解压力时 不但可以防止氧化 还可以使金属表面的氧化物发生分解去除而获得光亮的表面 实际真空处理时 尽管炉内氧分压远远高于分解压力 但仍然可以获得光亮的表面 128 脱脂作用 当工件表面只存在轻度油污时 可以允许真空热处理前免于进行专门的脱脂处理 脱气作用 在真空中 随气体分压的降低 气体在金属中的溶解度将减小 即真空度越高 脱气效果越好 元素的蒸发现象 在真空加热时 钢或合金中某些蒸气压高的合金元素往往从表面蒸发而脱去的现象 结果影响性能并引起工件之间的粘连 129 对于钢 真空加热时最易蒸发的元素是Cr和Mn 实践证明 在漏气率小于133 3 10 3L Pa s 真空度为1 333 13 33Pa的炉内加热 一般钢件都不会发生明显的氧化 脱碳和合金元素蒸发 130 真空加热油淬引起钢件渗碳 在高温真空加热时 对钢件表面的净化作用使得它处于活性状态 当赤热的工件与淬火油接触后 在油蒸气的包围下便发生渗碳过程 真空热处理的应用 钢的真空退火 其主要目的之一就是要求处理后工件表面达到一定的光亮度 真空退火时钢件的光亮度与真空度 退火温度和出炉温度有关 131 真空度越高 处理后工件的光亮度越高 出炉温度越高 光亮度越低 一般应控制在200 以下 132 钢的真空淬火及回火 蒸发量要小 不易引起炉内污染蒸气压要低 不影响真空效果在真空中的冷却性能要好 并在较大温度范围内不受影响光亮性和热稳定性要好 真空淬火最常用的冷却介质是真空淬火油 真空淬火油 133 真空淬火的光亮度和变形 从提高真空淬火的光亮度来看 希望真空度较高 但真空度高又会降低淬火油的冷却性能 为了兼顾光亮度和淬火油的冷却性能 通常采用在低气压下加热 在临淬火前通入高纯度的惰性气体或氮气以提高压力 随后进行淬火 真空淬火的变形一般要比普通淬火小 这与真空加热速度缓慢所引起的热应力小有关 真空回火 由于在600 以下加热缓慢 真空回火最好先进行排气和升温 而后立即通入惰性气体 以进行强制对流传热 最后再冷却 134 钢的真空渗碳 真空渗碳的特点 渗碳时间显著缩短 由于渗碳温度由普通渗碳时的920 930 提高到1030 1050 加之真空加热时的表面净化作用使表面处于活化状态 故大大加速了渗碳过程 渗碳质量好 渗碳层均匀 渗层中碳浓度梯度平缓 表面光洁 渗层深度易于精确控制 无反常组织和晶间氧化产生 作业条件好 基本上无污染 也无热辐射 缺点 设备投资大 成本高 周期式生产的产量低 135 真空渗碳的工艺 渗碳完毕后 通入氮气冷却到550 660 然后移入淬火室加热并淬火 136 真空热处理后钢的性能 由于真空热处理具有防止氧化 脱碳 并可脱气等良好作用 因而对钢件的机械性能带来有益的影响 主要表现在使强度有所提高 特别是使疲劳寿命和耐磨性等与钢件表面状态有关的性能得到提高 137 真空热处理时应注意的问题 由于真空加热依靠辐射传热 考虑到辐射传热的直射特点 工件在炉内的放置应尽量避免有 背阴 部分 以防止加热不均 在真空辐射加热升温过程中 工件的温度总是滞后于炉温 故应视工件的大小适当增加保温时间 注意防止真空加热时合金元素的蒸发和真空油淬时工件表层的渗碳 138 12 3形变热处理 形变热处理 是将压力加工与热处理相结合 对金属材料进行形变强化和相变强化的一种综合强化工艺 形变热处理不仅可以获得由单一强化方法难以达到的良好的强韧化效果 而且还可以大大简化工艺流程 从而带来较大的经济效益 形变热处理的分类与应用 按顺序 相变前 中 后形变 按温度 高温 低温形变 按相变 珠光体 贝氏体 马氏体和时效等 139 回火M的形变时效 P温加工 P冷形变 等温形变淬火 低温形变等温淬火 低温形变淬火 高温形变等温淬火 高温形变正火 控制轧制 高温形变淬火 140 形变热处理强韧化的机理 钢经过形变热处理后 能够获得良好的强韧性 是由其显微组织和亚结构的特点所决定的 形变热处理强韧化的机理大致可以归纳为 显微组织细化 位错密度和亚结构的变化以及碳化物的弥散强化作用 对于获得M组织的形变热处理 不论是高温形变淬火或低温形变淬火 均能使M显著细化 形变为M相变提供更多的形核率并阻止M片的长大 低温形变的细化效果要好于高温形变 显微组织细化 141 对于获得P组织的形变热处理 不论是形变等温处理或等温形变处理 均能得到极为细密的P 特别是后一工艺 使P中碳化物球化 并将F基体分割为许多等轴的亚晶粒 对于获得B组织的形变热处理 形变为B相变提供更多的形核率并阻止F相的共格长大 最终使B组织显著细化 对于获得M P B组织的形变热处理 显微组织细化对强度的影响顺序如下 P细化 B细化 M细化 142 位错密度和亚结构的变化 对于获得M组织的形变热处理 形变时在A中产生的大量位错被随后形成的M继承 因而使形变热处理M的位错密度比普通淬火M要高得多 形变淬火后的M中还存在比普通淬火M更多 更细微 由高密度位错构成的胞状亚结构 它们无疑对强度贡献显著 对于获得P组织的形变热处理 由于P转变的扩散性 位错对它基本上不存在任何强化作用 对于获得B组织的形变热处理 位错密度对它的影响介于M和P之间 143 碳化物的弥散强化作用 形变时产生的高密度位错为碳化物的形核提供了大量的有利部位 又加速了碳化物形成元素的置换扩散 同时在压力下还使碳在A中的溶解度显著下降 而碳化物在位错上的沉淀会对位错产生强烈的钉扎作用 导致在进一步形变时位错的迅速增殖 从而又为碳化物提供更多的沉淀部位 如此往复不已 最后便在A中析出大量细小的碳化物 由于碳化物的析出是在A形变过程中发生的 与A转变为何种组织无关 因而碳化物对形变热处理得到的M P B都具有相同的弥散强化效果 144 影响形变热处理强韧化效果的工艺因素 形变热处理的强韧化效果与采用何种形变热处理方法密切相关 奥氏体在高温下形变时将因位错密度的增加而引起加工硬化 同时又因为形变过程中的动态回复和动态多边化而引起软化 这两种强化和软化的作用决定着形变热处理的最终的强韧化效果 影响形变热处理强韧化效果的因素主要有 形变温度 形变量 形变后停留的时间等 145 形变温度 一般地 当形变量一定时 形变温度愈低 强化效果愈好 但塑性和韧性却有所下降 这是由于形变温度越高 越有利于回复 多边化甚至再结晶过程的发生和进行 形变量 低温形变淬火时 形变量越大 强化效果越显著 但塑性有所下降 为获得满意的强化效果 通常要求大于60 70 146 形变后淬火前的停留时间 低温形变淬火时 随着在略高于形变温度下停留时间延长 塑性将不断增高而强度略为下降 高温形变淬火时 情况比较复杂 性能与停留时间不是单调变化的 停留时间的选取非常重要 147 12 4钢的时效 钢或者合金经固溶处理后 其固溶体中的溶质元素将处于过饱和状态 时效就是金属材料的性能随时间而改变的现象 时效过程的一般原理 148 如果在室温或者某一高温下溶质原子仍具有一定的扩散能力 那么随着时间的延续 过饱和固溶体中的溶质元素将发生脱溶或析出 从而使钢或者合金的性能发生变化 如果这一过程发生在室温下 就称为自然时效 如果这一过程发生在某一高温下 就称为人工时效 149 溶质元素在固溶体中应具有一定的固溶度 并随温度的下降而减少 经高温固溶处理后 溶质元素处于过饱和状态 在较低温度下溶质原子仍具有一定的扩散能力 时效过程的本质 是一个由非平衡态向平衡态转化的