表面热处理与化学热处理.ppt

2020 3 25 1 48 表面工程 第三章表面热处理及化学热处理 2020 3 25 2 48 主要内容 3 1表面热处理3 2化学热处理 2020 3 25 3 48 3 1表面热处理 定义 仅对钢的表面加热 冷却而不改变其成分的热处理工艺 2020 3 25 4 48 3 1 1表面淬火技术的原理和特点 一 表面淬火技术的定义与分类 1 定义 采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3 亚共析钢 或Ac1 过共析钢 之上 快速冷却 发生马氏体相变 形成表面强化层的工艺 称表面淬火技术 2 分类 根据热源不同 可分为 感应加热火焰加热激光加热电子束加热 2020 3 25 5 48 3 适用范围碳含量在0 35 1 20 的中 高碳钢 基体相当于中碳钢的普通灰铁 球铁 可锻铸铁 合金铸铁 中碳钢与球铁最适合 2020 3 25 6 48 中碳钢最适合表面淬火的原因 中碳钢经预先热处理 正火或调质 后进行表面淬火 不但心部有较高综合力学性能 且表面有较高硬度和耐磨性 高碳钢表面淬火后 表面硬度和耐磨性虽高 但心部塑性与韧性较低 低碳钢表面强化效果不显著 2020 3 25 7 48 二 表面淬火技术与常规淬火技术的区别 加热速度高 钢的相变点温度大幅度提高 快速加热 奥氏体晶粒及亚结构显著细化 加热速度很高时 钢产生无扩散奥氏体相变 冷却速度比整体淬火快 硬度比普通淬火高 热源能量密度越高 加热速度越快 硬度越高 快速加热 渗碳体难以充分溶解 奥氏体成分不均匀 显微硬度不均匀 常需预先热处理 使碳化物或自由铁素体均匀 细小分布 2020 3 25 8 48 三 表面淬火层的组织与性能 1 组织沿试样横截面分三个区 淬硬区 过渡区 心部 1 淬硬区 全部马氏体 2 过渡区 马氏体 自由铁素体 3 心部 原始组织 2020 3 25 9 48 2 表面淬火层的性能硬度比普通淬火工艺高2 5HRC 耐磨性比普通淬火好 提高轴类零件的疲劳强度 缺口敏感性下降 2020 3 25 10 48 1 原理 工件放在有足够功律的输出的感应线圈中 在高频交流磁场作用下 产生很大感应电流 由于集肤效应而集中分布于工件表面 使受热区迅速加热到钢的相变临界温度之上 然后在冷却介质中快速冷却 使工件表层获得马氏体 3 1 1感应加热表面热处理 2020 3 25 11 48 高频 200 300KHz 0 5 2mm中频 2500 8000Hz 2 5mm工频 50Hz 10 15mm 碳钢 钢中电流透入深度 的计算简化公式 式中 f为电流频率 2020 3 25 12 48 过热度大 细小隐晶M组织 高2 3HRC 表层存在很大的残余压应力 无氧化 脱碳 工件变形很小 易于实现机械化与自动化 2 适用的钢种 中碳钢和中碳低合金钢 例 45 40Cr 40MnB先正火或调质 心部综合性能好 表面硬 50HRC 3 特点 最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时 称为隐晶马氏体 2020 3 25 13 48 缺点 设备较贵 易产生尖角效应 尖角棱边过热 形状复杂零件处理困难 2020 3 25 14 48 感应加热表面淬火实物及示意图 2020 3 25 15 48 3 1 2火焰加热表面热处理 火焰加热表面淬火示意图 原理 将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面 使其迅速加热到淬火温度 然后在淬火介质中冷却 2020 3 25 16 48 优点 设备简单 成本低 方法灵活 简便易行 缺点 生产率低 易过热 质量难控制 不均匀 应用 适于单件 小批量及大型零件局部表面淬火 燃料 乙炔 氧或煤气 氧 2020 3 25 17 48 激光器 冷水机组 数控加工机床 总控制台 3 1 3激光表面热处理 激光加工系统设备组成 2020 3 25 18 48 1 定义 激光快速扫描工件表面 表面薄层急剧升温到相变点以上 激光移开后 高温薄层在基底冷却下 进行自冷淬火 从而产生相变硬化 2020 3 25 19 48 2 影响淬硬层的主要因素 材料成分 淬硬性和淬透性 深度 硬度 如 钢 含碳量增加 马氏体含量增加 硬度高 工艺参数 淬火层宽度 光斑直径D淬硬层深度 功率P 光斑直径D 扫描速度V表面预处理状态 a 表面组织准备 细化b 表面黑化处理 通过对激光的吸收率 2020 3 25 20 48 生产率高 变形很小 局部表面 过热度大 50 200 硬度高 无介质 无污染 不接触 光能照到就能淬火 易于自动化 3 特点 2020 3 25 21 48 2020 3 25 22 48 2020 3 25 23 48 碳钢 20 35 40 45 T10 T12合金结构钢 40Cr 30CrMnSiA 40CrNiMoA 38CrNi3MoV合金工具钢 GCr15 9SiCr 9CrWMn CrWMn 4Cr5MoV1Si W302 W6Mo5Cr4V2 W18Cr4V M42 W9Mo3Cr4V R18 R6M5K5不锈钢 2Cr13铸铁 HT200 HT300 QT400 17 QT600 2硬质合金 YG8 YG20钛合金 TC4 铝合金 激光相变硬化已研究的材料 2020 3 25 24 48 火车缸套 轧辊 4 激光相变硬化应用 2020 3 25 25 48 柴油机缸套淬火 激光相变硬化应用 2020 3 25 26 48 抽油泵筒 激光相变硬化应用 2020 3 25 27 48 激光硬化区的表面形貌 2020 3 25 28 48 激光硬化区的横截面及深度 2020 3 25 29 48 激光相变区的金相组织 2020 3 25 30 48 硬化层的重叠 2020 3 25 31 48 搭接区的金相组织 2020 3 25 32 48 1 定义 将钢件置于一定温度的活性介质中保温 使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面 以改变钢件表层化学成分和组织的热处理工艺 渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗硼 渗铝 2 目的 提高耐磨性 耐蚀性 抗氧化性以及疲劳强度等 渗层的组织类型 固溶体 化合物 3 2化学热处理 2020 3 25 33 48 4 三个基本过程 介质的分解 形成活性原子 表面吸收和溶解 形成固溶体或化合物 原子扩散 形成一定的扩散层 3 方法气体法 应用最广液体法 熔融液体 热浸锌固体法 粉末 膏剂 渗硼等离子法 低真空中辉光放电产生的离子轰击表面 2020 3 25 34 48 1 渗碳 活性碳原子 C 渗入钢的表层 2 目的 增加表面C含量 淬火 低温回火 表面硬 心部韧 3 渗碳方法 气体 固体和液体渗碳 4 适合的钢种 低碳钢和低碳合金钢 如20 20Cr 20CrMnTi等 3 2 1渗碳 2020 3 25 35 48 5 工艺 900 950 1h 0 5mm 4h 1mm渗碳层厚度 从表面到过渡层的一半处 0 5 2 5mm 6 热处理 淬火 直接 一次和二次 低温回火 7 组织与性能 表层 高碳回火M 碳化物 A 心部 低碳回火M或F T性能 表面硬度高 58HRC 64HRC 耐磨性好 心部韧性好 硬度较低 疲劳强度高 表面压应力 2020 3 25 36 48 问题 缓冷组织 P 碳化物 P P F 原始组织 渗碳后的热处理示意图 2020 3 25 37 48 气体渗碳炉 2020 3 25 38 48 低碳钢缓冷后的显微组织 2020 3 25 39 48 2020 3 25 40 48 3 工艺 气体渗氮2NH3 3H2 2 N 200 以上 3 2 2渗氮 1 氮化 在一定温度下使活性氮原子 N 渗入工件表面 2 目的 提高表面硬度 耐磨性 疲劳强度 热硬性和耐蚀性等 2020 3 25 41 48 4 特点 氮化温度低500 600 时间长20 50h 厚度0 3 0 5mm催化剂 苯 苯胺 氯化胺等 0 3 3倍 氮化前钢件须调质处理 5 组织表层为白色 Fe2N 或 Fe4N 相中间为暗黑色含氮共析体 心部为回火S 2020 3 25 42 48 Fe N相图 2020 3 25 43 48 38CrMoAl钢氮化工艺曲线图 2020 3 25 44 48 6 性能 硬度高 1000HV 1100HV 很高的耐磨性和热硬性表面压应力 疲劳强度温度低 零件变形小耐蚀性好 7 氮化用钢 35CrAlA 38CrMoAlA 38CrWVAlA等 2020 3 25 45 48 3 2 3碳氮共渗 同时渗入碳氮 氰化 1 工艺 高温气