表面淬火、化学热处理

钢的表面淬火,钢表面淬火是通过快速加热使钢件表层迅速奥氏体化，不等热量传至钢件中心就立即快冷淬火的热处理工艺。表面淬火只将钢件表层淬成硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持原来塑性、韧性较好的正火、调质状态组织。表面淬火方法：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、电解加热表面淬火等。,钢的表面淬火,一、感应加热表面淬火感应加热表面淬火是将钢件放入用空心铜管绕成的线圈内，线圈内通入一定频率的交流电，使线圈内产生交变磁场，靠电磁感应在钢件中产生同频率的感应电流。因集肤效应使感应电流只集中在钢件表层，表层电流密度很大，而钢件心部电流密度很小。钢有电阻，靠电阻热将钢件表层迅速（几秒）加热到淬火温度，而心部仍接近室温。立即喷水或浸油冷却，使钢件表层淬硬。感应加热表面淬火时，电流频率愈高，集肤效应愈强，感应加热的深度愈浅。按感应电流频率高低，感应加热表面淬火可分为三种：1、高频淬火常用电流频率为200300KHz，钢件淬硬深度0.52mm，用于中小模数齿轮，小尺寸轴类零件。2、中频淬火常用频率为25008000Hz，淬硬深度210mm，适用于大中模数齿轮，尺寸较大的轴类零件。3、工频淬火电流频率为50Hz，淬硬深度1020mm，适用于大尺寸零件，如火车车轮，较大尺寸的轴类零件等。,钢的表面淬火,感应加热表面淬火适用的钢材：中碳钢或中碳合金钢，如40、45、40Cr、40MnB等。如果钢材含碳量过低，影响钢件表面硬度和耐磨性；含碳量过高，影响钢件心部的塑性和韧性，使钢件不耐冲击。此外，对在较小冲击载荷和交变载荷下工作的用高碳工具钢、低合金工具钢和铸铁等制造的工具、量具和冷硬轧辊等工件，也可用感应加热表面淬火来强化其表面。为了保证表面淬火件心部有良好的力学性能，在表面淬火前，应进行调质或正火处理。此外，工件表面淬火后应及时进行低温回火，以减小淬火内应力。感应加热表面淬火的深度，一般零件的淬硬深度达半径的1/10即可达到硬度、耐疲劳性和韧性的良好配合。,第八节钢的表面淬火,感应加热表面淬火的特点：1、加热速度很快（几秒钟），相变温度高（Ac3+100200），为870950。2、表面形成极细的马氏体，硬度高（比普通淬火高23HRC）脆性小，疲劳强度高（可提高2030%）。3、工件表面不易氧化、脱碳，变形也小。4、工件淬硬层深度易于控制，易于机械化、自动化，生产率高。但感应加热设备较贵，安装、调试、维修比较复杂，形状复杂的零件感应线圈不好制造，不适合单件生产。,钢的表面淬火,二、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火一般利用氧乙炔火焰或氧煤气火焰将工件表层迅速加热到淬火温度，立即喷水冷却，如图。淬硬深度一般可达26mm。适用于单件小批生产及大型零件的表面淬火或局部淬火。这种方法的优点是设备简单、成本低、灵活性大。缺点是加热温度不易控制，易过热，淬硬质量不稳定。,钢的表面淬火,三、激光加热表面淬火激光加热表面淬火是用激光束扫描工件表面，使工件表面立即达到淬火温度，激光束离开后靠工件本身散热造成急速冷却而达到淬火目的。激光淬火，淬硬层深度一般为0.30.5mm,淬应层为极细的马氏体组织,硬度高,耐磨性好。比普通淬火低温回火可提高50%，而且能对形状复杂的工件的拐角、沟槽、盲孔底部或深孔侧壁进行淬火。,钢的化学热处理,化学热处理是将工件放在特殊介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入钢件表层，改变表层的化学成分、组织，使工件表层具有与心部不同的机械性能或特殊的物理、化学性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理除改变表层的组织，还改变表层的化学成分，所以性能提高的幅度大。通过化学热处理可显著提高钢件表层的硬度、耐磨性和疲劳、提高抗氧化性和耐腐蚀性等。化学热处理不受工件形状限制，一般均能沿工件轮廓形成均匀的渗层。这对对提高工件的性能极为有利。但化学热处理工艺较复杂，生产周期较长，成本较高。,钢的化学热处理,各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的：1、分解由介质中分解出预渗入元素的活性原子；2、吸收工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种，即活性原子由钢的表面进入铁的晶格而形成固溶体，或与钢中的某种元素形成化合物。3、扩散已被工件表面吸收的原子，在一定温度下，由表层往里迁移，形成一定厚度的渗层。加热温度越高，原子的扩散越快，渗层的厚度越大，整个化学热处理过程就进行的越快。在温度确定后，渗层厚度则由保温时间来控制。,钢的化学热处理,化学热处理种类很多，常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铬、渗铝等。一、钢的渗碳渗碳是将低碳钢件置于渗碳介质中加热、保温，使介质中产生的活性碳原子渗入工件表层，增加表层含碳量的热处理工艺。渗碳后要进行淬火和低温回火处理，这样处理后能大幅度提高工件表层的硬度和耐诺性，而心部仍有良好的塑性和韧性。渗碳主要用于承受较大冲击和严重磨损条件下工作的零件，如高速齿轮、活塞销、摩擦片、套筒等。,钢的化学热处理,（一）渗碳方法1、气体渗碳这是把钢件放入密闭的气体渗碳炉中，加热至900950保温，向炉内滴入煤油、丙酮、甲醇等，使其在高温下分解，产生活性碳原子：CH42H2+C活性碳原子被工件表面吸收，并向内扩散，形成一定厚度（0.52.5mm)的渗碳层。气体渗碳生产率高（渗碳速度平均0.20.5mm/h)，劳条件好,渗碳质量好控制,便于直接淬火。但设备投资较大,多用于批量生产。,钢的化学热处理,（一）渗碳方法2、固体渗碳是将工件置于渗碳箱中,周围填满固体渗碳剂,用泥密封后放入炉中加热保温进行渗碳.固体渗碳剂由木炭粒(主渗剂),和BaCO3或Na2CO3(催渗剂)混合而成.固体渗碳操作简单,设备费用低,但生产率低(0.1mm/h)，耗能大，质量不易控制。适用于小厂的单件小批生产。,钢的化学热处理,（二）渗碳用钢、渗碳层含碳量及渗碳层厚度渗碳处理最适于含碳量在0.10.25%的低碳钢或低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi等。经渗碳及热处理后，心部有一定的强度和交稿的塑性及韧性。若含碳量高时，心部的韧性低。经渗碳后，表层含碳量一般控制在0.851.05%范围。若含碳量偏低，会降低表层的硬度和耐磨性；而含碳量过高时，会使渗层变脆。低碳钢件渗碳后缓冷下来的组织为，表层为珠光体+网状二次渗摊体，心部为铁素体+少量珠光体，中间为过渡区。一般规定中表层到过渡区的一半处的厚度为渗碳层厚度。具体零件的渗碳层厚度应根据工件工作条件及尺寸确定，太薄易造成疲劳剥落，太厚抗冲击能力差。一般为0.52.5mm。,钢的化学热处理,（三）渗碳后的热处理及组织工件渗碳后必须进行适当的热处理：淬火低温回火。渗碳后的淬火方法常用的是下面两种：1、直接淬火法是将工件从渗碳炉中取出，先预冷到略高于心部的Ar3温度（约850，防止铁素体析出）立即淬入水中或油中。预冷可减小淬火温差，降低应力变形，可使表层析出一些渗碳体，降低奥氏体含碳量，减少残余奥氏体，提高工件表层的硬度。直接淬火法不用再加热，使操作简化，提高生产率，降低成本。但淬火后马氏体较粗，残余奥氏体较多，工件变形较大。直接淬火法只适用于本质细晶粒钢或性能要求不高的零件。,钢的化学热处理,2、一次淬火法渗碳后先出炉空冷至室温，然后再从新加热到淬火温度进行一次淬火。对工件心部性能要求较高的合金钢件，如齿轮，淬火温度应略高于心部的Ac3点，使心部完全奥氏体化，以细化晶粒。对受载荷不大、主要是表面耐磨的零件，如活塞销，淬火温度略高于AC1,使表晶粒细小，有较多的未渗碳体。一次淬火也是使用于本质细晶粒钢。渗碳后的低温回火温度为150250。一定要进行低温回火。,钢的化学热处理,经渗碳淬火低温回火后的组织：低碳钢件经渗碳、淬火、低温回火后的组织，表层为细小片状回火马氏体+少量渗碳体和残余奥氏体，硬度一般为5864HRC，耐磨性很好。心部的组织决定于钢的淬透性。若未淬透（常为15、20钢），组织为铁素体和珠光体（或索氏体），硬度一般为1015HRC；若淬透了（如20CrMnTi),组织中至少有50%以上的回火马氏体，其余为铁素体或屈氏体，硬度一般为3545HRC。,钢的化学热处理,二、钢的渗氮渗氮是将钢件放入含氮介质中加热（550570）、保温，使介质中的活性氮原子渗入钢件的表层的热处理工艺。（一）气体渗氮是将钢件放入专用的气体渗氮炉中，加热到550570保温，通入氨气，氨在200以上发生分解：2NH32N+3H2产生的活性氮原子被工件表面吸收，并向内部扩散，经2050h可形成一定厚度（0.20.7mm)的渗氮层。渗氮用钢材：一般多为含Cr、Mo、Al等元素的合金钢，如38CrMoAl。Cr、Mo、A等元素极易与氮形成硬度极高、高度弥散（颗粒细小、分布均匀），而且非常稳定的氮化物，如CrN、MoN、AlN，可提高氮化效果。工件氮化缓冷下来表面就具有很高的硬度（7075HRC）和耐磨性。为保证工件心部有良好的力学性能，在氮化前要进行调质处理。,钢的化学热处理,（一）气体渗氮与渗碳相比，渗氮有以下特点：1、工件表面硬度高，达11001200HV，耐磨性很好，还有很高的热硬性（600仍有65HRC以上）。2、工件的疲劳强度高。3、工件的变形小。4、工件有很高的耐腐蚀性。渗氮的缺点是生产周期长，约50h，成本较高，另外渗氮层较脆，不耐冲击。主要用于耐磨性和精度均要求很高的零件或要求耐热、耐磨及耐蚀的零件。例如高精度机床丝杠，镗床主轴，精密传动齿轮，螺杆泵的螺杆等。,钢的化学热处理,（二）离子渗氮这是目前一种较先进的工艺。基本原理是将工件放入低真空度容器内，通入氮气或氮、氢混合气体，保持气压在（110）133.32Pa，以真空容器为阳极，工件为阴极,在两极间加400700V直流电压，使电离后的氮的正离子高速冲击工件（阴极），动能转化为热能，使工件表层升温达500700的渗氮温度，使其渗入工件表层，并向内扩散形成渗氮层。离子渗氮的优点是：处理时间短，1520h,为气体渗氮的1/21/5。渗氮层质量好，脆性低，节能，无公害，操作条件好。离子渗氮的缺点是：形状复杂或截面相差悬殊的零件难于达到相同的硬度和深度。教材上还介绍了两种碳、氮共渗工艺及特点，此外还有渗硼、渗硫及硫氮共渗等。化学热处理种类很多，各具不同特点和应用范围。,Q235钢低温气体多元共渗,材料牌号Q235放大倍数100处理状态6203h多元共渗多元共渗金相组织化合物层+过渡区含氮固溶体+基体,45钢低温气体多元共渗组织分析,材料牌号45钢放大倍数500处理状态5803h多元共渗金相组织化合物层（白）+珠光体+铁素体,铸铁材料低温气体多元共渗组织分析,材料牌号QT700-2放大倍数500处理状态5804h多元共渗金相组织化合物层+铁素体基体+球状石墨,热处理技术新进展,随着工业生产和科学技术的发展，热处理技术得到很大发展，出现了许多新的热处理工艺方法。除了前面讲过的激光加热表面淬火，离子渗氮外，还有：形变热处理，奥