第六章 表面改性技术-表面热处理

前言,热处理的概念通过对材料进行加热、保温、冷却的操作方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种工艺。,普通热处理：退火、正火、淬火、回火热处理表面淬火：火焰加热、感应加热、电接触加热、表面热处理激光加热、等离子体加热化学热处理：渗碳、氮化、渗V、渗B、渗Nb,热处理的分类,第二节表面热处理,承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。,一、表面淬火的概念,表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层的热处理方法。,表面淬火用钢的含碳量以0.40%-0.50%为宜(中碳钢),二、表面淬火的分类根据加热方式的不同，表面淬火可分为：感应加热表面淬火火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火激光加热表面淬火等离子体加热表面淬火工业上使用最多的是,1感应加热表面淬火通过使零件表面产生一定频率的感应电流，将零件表面迅速加热到淬火温度，然后迅速喷水冷却的一种表面淬火方法。,（1）感应加热的原理零件放在感应器（空心铜管绕成）中，感应器中通以中频或高频交流电（500-300000Hz）以产生交变磁场，于是零件表面就有感应产生同频率的感应电流。这种感应电流在零件表层电流密度很大，离开表层则很快衰减，零件内部感应电流几乎为零集肤效应，且频率越高，电流集中层越浅。,由于零件本身存在电阻，因此集中于表层的电流，可使零件表层迅速被加热，在几秒钟内升温到800-1000，而心部温度接近室温，经迅速喷水淬火冷却，使零件表层淬硬，心部仍保持较好的塑性、韧性。,（2）感应加热频率的选用感应电流集中层的厚度取决于电流频率，频率越高，集中层越薄，即淬透层越薄，因此可通过控制电流频率来控制淬硬层深度，非常方便。高频加热：100-500KHz，常用200-300KHz中频加热：500-10000Hz,常用2500-8000Hz工频加热：50Hz,.,（3）感应加热的方式同时加热：将欲淬硬的工件表面同时感应加热到奥氏体状态，然后冷却淬火。同时加热法生产效率高，设备功率足够大时应尽量采用。连续加热：采用感应器与工件作相对运动，使工件表面逐次得到加热，随后逐次冷却淬火。连续加热淬火后，硬化层分布均匀，感应器通用性大，大多采用连续加热法。,（4）感应加热表面淬火的特点优点：加热速度极大，使珠光体转变为奥氏体的转变温度升高，转变时间极短（不需保温），转变速度极快。淬火后，可使零件表层获得极细的“隐晶马氏体”组织，零件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高2-3HRC），较低的脆性，较高的疲劳强度。零件不易氧化、脱碳，且变形小。零件淬硬层深度易于控制，操作易实现自动化，生产率高。,缺点：设备投资大，只适用于外形简单的零件，形状复杂的零件，感应器不易制造。,（5）表面淬火的预热处理为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能，表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。,2火焰加热表面淬火,用氧-乙炔、氧-煤气混合气体燃烧产生的火焰，喷射在零件表面，使之快速升温，当温度达到淬火温度时，迅速喷水冷却，从而获得表面淬硬层的淬火方法。火焰加热表面淬火的淬硬层一般为26mm，若要获得更深的淬硬层，则会引起零件表面过热，且易淬裂。,优点：简单，不需特殊设备，操作灵活，尤适合局部表面淬火。缺点：生产效率低，淬火质量不稳定，表面易过热。,.,3盐炉加热表面淬火,将工件放入温度较高的盐浴中进行加热，以较快的速度，在较短时间内使其表面层温度超过高的临界点，然后冷却淬火的工艺，称为盐浴加热表面淬火。盐浴快速加热常用KCl+NaCl混合盐。盐浴的加热速度要比高频感应加热和火焰加热缓慢得多，所以淬硬层较深。并且由于常用浸液冷却，没有喷射冷却强烈，故淬火工件的表面硬度较低。,.,4电解液加热表面淬火,第三节化学热处理,表面淬火，钢材的合适含C量为0.40.5%。由于表层性能与心部性能矛盾“外硬内韧”，只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”，又兼顾了“内韧”，但“外硬”与“内韧”的水平都不高。,要解决这一问题，可以采用化学热处理的方法。化学热处理与物理热处理最大的区别是前者改变了钢的化学成分。,一、化学热处理及分类,1、化学热处理,将零件置于一定介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的特殊性能。,2、分类按渗入元素的不同，化学热处理分为：渗碳、氮化、碳氮共渗、渗金属（钒、铌）。,3、化学热处理进行的必要条件,a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解度，或具有与活性原子形成化合物的能力。b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散能力。,4、化学热处理的基本过程a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性原子的溶解度，提高活性原子扩散能力；同时介质在高温下分解，产生活性原子。b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在表层（扩散层）形成固溶体或化合物,二、钢的渗碳,1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。,2、渗碳目的：提高钢表层的含碳量，经热处理后，使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。,3、渗碳钢材：采用低碳钢，低碳合金钢（零件心部塑、韧性很好）如：15、20、20Cr、20CrMnTi,4、渗碳工艺的分类按所用渗碳介质的不同，分为：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、等离子体渗碳。,5、气体渗碳,a、原理：900950CH4C+2H22COC+CO2CO+H2C+H2O活性C溶入高温奥氏体（面心立方），然后向内部扩散。,.,井式气体渗碳电阻炉结构示意图1-风扇2-废气出口3-炉盖4-砂封5-电阻元件6-耐热罐7-工件8-炉体9-渗剂入口,b、影响渗碳过程的因素,加热温度加热温度越高，渗碳速度越大，扩散层厚度越大；但温度过高，会引起晶粒长大，零件变形严重。一般为Ac3+5080，即：900950。,保温时间保温时间越长，获得的渗碳层厚度越大，但达到一定厚度后，渗碳层的厚度随时间的延长变化不大。,c、渗碳后的热处理,零件渗碳后，应进行热处理“淬火+低温回火”,6、固体渗碳,采用固体渗碳剂：碳粒+碳酸盐,原理：900950BaCO3BaO+CO2C（碳粒）+CO22CO2COC+CO2,与气体渗碳相比，固体渗碳速度慢、生产率低，且质量不易控制；但设备简单，适用于小型零件。,三、钢的氮化（渗氮）,1、氮化是向钢的表层渗入氮原子的过程。2、氮化的目的：提高钢的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀性。3、氮化用钢：含有Al、Mo、V、Ti等合金元素的钢。最典型的:38CrMoAl，35CrMo，18CrNiW4、氮化组织：钢件表面形成一层陶瓷层AlN、MoN、VN、TiN。,5、气体氮化,原理：4006002NH33H2+2N活性N原子被钢吸收后，在表层形成氮化物。,氮化处理的特点a、氮化处理前零件先调质，保证心部具有良好的综合机械性能。氮化层很薄，氮化常作为零件加工的最后一道工序。b、零件氮化后，无需进行淬火，表层便具有很高的硬度和耐磨性。因为表层形成一层坚硬的氮化物（氮化物颗粒很细、均匀分布）。,c、零件氮化后，可显著提高疲劳强度。因为氮化层产生了较大的残余压应力，可显著降低疲劳载荷下产生的拉应力水平。d、氮化后零件具有较高的热硬性（600650仍有较高的硬度）e、氮化后零件具有良好的耐腐蚀性，因为表层形