钢的表面热处理

1、第八章第八章 钢的表面热处理钢的表面热处理 主要内容主要内容： p 钢的表面淬火钢的表面淬火-感应加热表面淬火感应加热表面淬火 p 钢的化学热处理钢的化学热处理-渗碳、渗氮渗碳、渗氮 知识要点知识要点： 1.1.表面热处理的目的、分类；表面热处理的目的、分类； 2.2.感应加热表面淬火和渗碳感应加热表面淬火和渗碳热处理工艺；热处理工艺； 3.3.了解表面热处理的典型零件。了解表面热处理的典型零件。 第一节第一节 钢的表面淬火钢的表面淬火 u应用应用：适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，例如：适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，例如： 齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等 只

2、需表面淬硬的工件只需表面淬硬的工件 机床导轨等大型复杂工件机床导轨等大型复杂工件 只能表面淬硬的工件只能表面淬硬的工件 u表面淬火用钢表面淬火用钢：多用多用中碳碳钢、中碳合金钢中碳碳钢、中碳合金钢 u常用方法常用方法：感应加热、火焰加热、激光加热表面淬火：感应加热、火焰加热、激光加热表面淬火 u工艺特点工艺特点：工件表面化学成分不变，只改变表面组织和性能；：工件表面化学成分不变，只改变表面组织和性能； 表面与心部的成分一致，但组织不同。表面与心部的成分一致，但组织不同。 u工艺工艺： 表面表面有一定深有一定深 度的度的淬硬淬硬层层 工件工件表面表面 快速加热快速加热 a化化 热量未达到心部时热

3、量未达到心部时 迅速冷却迅速冷却 心部心部保持保持原组织原组织 u目的目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限； 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，心部在保持一定的强度、硬度的条件下， 具有足够的塑性、韧性。具有足够的塑性、韧性。 表硬里韧表硬里韧 一、感应加热表面淬火一、感应加热表面淬火 f 600500 工作原理：工作原理： 淬硬层深度淬硬层深度 （mm） 分类分类 高频感应加热高频感应加热 f =200300khz =0.52.0mm 中频感应加热中频感应加热 f =25008000hz =210mm 工频感应加热工频感应加热 f =50hz

4、=1015mm 特点特点（与普通淬火比较）（与普通淬火比较） 加热速度快，温度高，生产效率高加热速度快，温度高，生产效率高 a晶粒细小，获得隐晶马氏体，强度硬度晶粒细小，获得隐晶马氏体，强度硬度 脆性脆性 表面产生压应力，疲劳强度表面产生压应力，疲劳强度 氧化脱碳氧化脱碳 表面质量表面质量 耐磨性耐磨性 心部无相变，刚性心部无相变，刚性 变形变形 精度精度 自动化程度高，但设备昂贵，耗电量大自动化程度高，但设备昂贵，耗电量大 应用：大批量生产应用：大批量生产 感应加热表面淬火齿轮的截面图感应加热表面淬火齿轮的截面图 u 感应加热表面淬火的一般工艺路线：感应加热表面淬火的一般工艺路线： 锻造锻造

5、退火或正火退火或正火粗加工粗加工调质或正火调质或正火半精加工半精加工 降低淬火应力降低淬火应力 稳定表面组织稳定表面组织 t加 加=160200 强化表面，获得强化表面，获得m t加 加=ac33050 细化晶粒，提高心部综细化晶粒，提高心部综 合性能，为淬火做准备合性能，为淬火做准备 t加 加ac3(3050) 消除锻造应力；消除锻造应力； 调整硬度，便于机调整硬度，便于机 加工加工 感应加热表面淬火感应加热表面淬火低温回火低温回火精加工精加工 二、火焰加热表面淬火二、火焰加热表面淬火 工作原理工作原理 淬硬层深度淬硬层深度 =28mm 特点特点 简单、方便、成本低简单、方便、成本低 不易控

6、制质量不易控制质量 应用：单件、小批量生产应用：单件、小批量生产 火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图 第二节第二节 化学热处理化学热处理 u 定义定义： u 分类分类：按渗入元素种类分为按渗入元素种类分为 渗渗c、n、cn、 b、s、si、cr、al、 cral 、v、ti、nb、 u 目的目的：强化表面，并使工件表面具有某种特殊性能。如耐磨、耐腐蚀等。强化表面，并使工件表面具有某种特殊性能。如耐磨、耐腐蚀等。 u 特点特点： 可按零件心部要求选择材料，同时满足了表面和心部不同的性能要求；可按零件心部要求选择材料，同时满足了表面和心部不同的性能要求； 零件外形不受限制；零件外形不受限

7、制； 生产周期长，工艺复杂，成本高。生产周期长，工艺复杂，成本高。 u 基本过程基本过程： 分解：分解出渗入元素的活性原子；分解：分解出渗入元素的活性原子； 吸收：活性原子被工件表面吸附；吸收：活性原子被工件表面吸附； 扩散：渗入原子由工件表层向内扩散，形成具有一定深度渗层扩散：渗入原子由工件表层向内扩散，形成具有一定深度渗层。 钢件钢件活性介质活性介质 加热保温加热保温 活性原子渗活性原子渗 入工件表层入工件表层 表层的化学成分、表层的化学成分、 组织、性能改变组织、性能改变 例如：渗碳例如：渗碳 ch42h2+c 氮化氮化 2nh33h2+2n 定义定义：钢件：钢件 a化化 碳原子碳原子渗

8、入钢件表层的过程渗入钢件表层的过程。 目的目的：表面表面wc 硬度、耐磨性、疲劳强度硬度、耐磨性、疲劳强度 心部具有一定的强度以及较高的塑韧性心部具有一定的强度以及较高的塑韧性 用途用途：表面受严重磨损，并承受较大冲击载荷的零件。表面受严重磨损，并承受较大冲击载荷的零件。 要求表面硬度、耐磨性、疲劳强度高，心部良好的塑性、韧性要求表面硬度、耐磨性、疲劳强度高，心部良好的塑性、韧性 渗碳用钢渗碳用钢：低碳成分低碳成分的普通碳素钢、优质碳素结构钢、合金结构钢，的普通碳素钢、优质碳素结构钢、合金结构钢， 如如15、20、20cr、20crmnti、20mnvb （一般（一般 0.15 0.30%c，

9、渗碳后的表面达，渗碳后的表面达0.81.05c ） 渗碳方法渗碳方法（按渗剂的状态分）：（按渗剂的状态分）： 气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、电解液渗碳、离子渗碳等。气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、电解液渗碳、离子渗碳等。 v 钢的渗碳钢的渗碳 加热加热 在富在富c介质中保温介质中保温 淬火回火淬火回火 表硬里韧表硬里韧 l 气体渗碳气体渗碳 工艺参数的选择工艺参数的选择 渗碳温度：渗碳温度：900930（ac35080） 渗碳时间：取决于渗碳层的深度渗碳时间：取决于渗碳层的深度 （表（表8-1） 渗层表面含碳量渗层表面含碳量 ：wc 0.8%1.05% 渗碳缓冷后组织渗碳缓冷后组织（低碳钢）（低

10、碳钢）： 气体渗碳设备气体渗碳设备 井式渗碳炉（录像）井式渗碳炉（录像） ch4 c+2h 2co c+co2 co+ h2c+h2o 过程过程： 分解分解 吸附吸附 扩散扩散 气体渗碳基本过程（视频）气体渗碳基本过程（视频） 表面表面心部心部 pfe3c ppf 常用渗碳剂常用渗碳剂：煤油、苯、甲醇、丙酮、醋酸乙酯、天然气、煤气等煤油、苯、甲醇、丙酮、醋酸乙酯、天然气、煤气等 l 气体渗碳（续）气体渗碳（续） 举例举例：低碳低合金钢工件的气体渗碳工艺曲线，如图所示：低碳低合金钢工件的气体渗碳工艺曲线，如图所示： t 时间时间h 930 取中间试样取中间试样 0.5 赶气赶气保温保温 渗渗 碳

11、碳降降 温温 0 赶气赶气：使炉内气氛恢复：使炉内气氛恢复 到工艺要求到工艺要求 保温保温：使工件温度均匀，使工件温度均匀， 40min1h 温度温度：一般一般900940 时间时间：根据渗层厚度确定根据渗层厚度确定 渗剂渗剂：煤油、甲烷或丙酮煤油、甲烷或丙酮 l 气体渗碳（续）气体渗碳（续） 一般渗碳零件的工艺路线：一般渗碳零件的工艺路线： 锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火淬火+低温回火低温回火精加工精加工 渗碳零件的特点：渗碳零件的特点： 表层硬（表层硬（hrc 5862）、耐磨，心部韧性好；）、耐磨，心部韧性好； 渗层均匀；渗层均匀； 渗碳温度高、晶粒粗大，必须进行渗后处理；

12、渗碳温度高、晶粒粗大，必须进行渗后处理； 时间长，工艺复杂。时间长，工艺复杂。 渗碳层深度渗碳层深度：一般，：一般，=0.52.5mm 预备热处理预备热处理 最终热处理最终热处理 渗后处理：渗后处理：淬火低温回火，此时零件组织为：淬火低温回火，此时零件组织为： 表层：表层：m回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+a(少量少量) 心部：心部：m回回+f（淬透时）（淬透时） v 钢的渗氮（氮化）钢的渗氮（氮化） 氮化氮化是指向钢的表面是指向钢的表面渗入氮原子渗入氮原子的过程。的过程。 1. 氮化用钢氮化用钢： 含含cr、mo、al、ti、v的的中碳钢中碳钢。 常用钢种：常用钢种：38crmoal 2.

13、氮化温度氮化温度： 500570；氮化层厚度不超过；氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。 3. 常用氮化方法常用氮化方法 气体氮化法气体氮化法与气体渗碳法类似，与气体渗碳法类似，渗剂为氨渗剂为氨。 离子氮化法离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子是在电场作用下，使电离的氮离子 高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮 化时间短，氮化层脆性小。化时间短，氮化层脆性小。 井式气体氮化炉井式气体氮化炉 离子氮化炉（视频）离子氮化炉（视频） 4.渗渗氮的特点及应用氮的特点及应用 优点优点： l氮化件表面硬度高（氮化件表面硬度高（1000-2000hv），耐

14、磨性好），耐磨性好。比渗碳高。比渗碳高 l疲劳强度高疲劳强度高。由于表面为压应力状态。由于表面为压应力状态。 l工件变形小工件变形小。原因：氮化温度低，氮化后不需进行热处理。原因：氮化温度低，氮化后不需进行热处理。 l耐蚀性好耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。 缺点缺点： l工艺复杂，成本高，氮化层薄。工艺复杂，成本高，氮化层薄。 应用应用： l 用于要求冲击载荷小、耐磨性用于要求冲击载荷小、耐磨性 和精度都很高的零件。如：一和精度都很高的零件。如：一 些精密机床的主轴和丝杠、精些精密机床的主轴和丝杠、精 密齿轮、精密模具、仪表小轴、轻载齿轮、重要曲

15、轴等。密齿轮、精密模具、仪表小轴、轻载齿轮、重要曲轴等。 知识扩展知识扩展-表面处理新技术表面处理新技术 一、热喷涂技术一、热喷涂技术 将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压 气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为 热喷涂。热喷涂。 利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、 耐热性及绝缘性等。耐热性及绝缘性等。 广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技 术在内的几乎所有领域。术在内的几乎所有领域。 u热喷涂的

16、方法热喷涂的方法 火焰喷涂火焰喷涂 电弧喷涂电弧喷涂 等离子喷涂等离子喷涂 u热喷涂的特点及应用热喷涂的特点及应用 工艺灵活：热喷涂的对象小到工艺灵活：热喷涂的对象小到10mm的内孔的内孔, 大到大到 铁塔、桥梁铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂可整体喷涂，也可局部喷涂 基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属， 涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等 涂层可控涂层可控: 从几十从几十 m到几到几mm 生产效率高生产效率高 工件变形小：基体材料温度不超过工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺冷工艺) 二

17、、气相沉积技术二、气相沉积技术 气相沉积技术是指将含有沉积元素的气气相沉积技术是指将含有沉积元素的气 相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料 表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。 根据沉积过程的原理不同，气相沉积技根据沉积过程的原理不同，气相沉积技 术可分为两大类术可分为两大类: 物理气相沉积物理气相沉积( pvd ) 化学气相沉积化学气相沉积( cvd ) 1、物理气相沉积（、物理气相沉积（pvd） 指在指在真空条件真空条件下，用物理的方法，使材料下，用物理的方法，使材料 汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相汽化成原子、分

18、子或电离成离子，并通过气相 过程，在过程，在材料表面沉积一层薄膜材料表面沉积一层薄膜的技术。的技术。 主要方法主要方法: 真空蒸镀、溅射镀、离子镀真空蒸镀、溅射镀、离子镀 广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工 业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光 学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜 2、化学气相沉积、化学气相沉积(cvd) 化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基 体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜 的方法。的方法。 例如，气态的例如，气态的ticl4与与n2和和h2在受热钢的表面反在受热钢的