金属热处理工艺1-3

1、 材料科学与工程基础材料科学与工程基础 钢的热处理工艺钢的热处理工艺3 3钢的表面热处理钢的表面热处理 钢的表面热处理工艺钢的表面热处理工艺表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理工艺的核心工艺的核心: :使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧” 的力学性能。的力学性能。表面淬火齿轮表面淬火齿轮1.1.表面淬火表面淬火定义定义: :是一种不改变钢表层化学成是一种不改变钢表层化学成 分分, ,但但改变表层组织改变表层组织的局部热的局部热 处理工艺。处理工艺。工艺特征工艺特征: :通过快速加热使钢的通过快速加热使钢的表表 层奥氏体化层奥氏体化, ,然后急冷然后急冷, ,使表层使表层 形成形成马氏体组织

2、马氏体组织, ,而心部仍保而心部仍保 持原有组织不变。持原有组织不变。 表面淬火用钢表面淬火用钢: : 选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢。4040、4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB等。等。表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: : 感应加热感应加热( ( 高、中、工频高、中、工频 ) )、火、火 焰加热、激光加热、电子束加热法等。焰加热、激光加热、电子束加热法等。1.1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火1)1)感应加热的基本原理感应加热的基本原理: :电子感应电子感应-感应电流感应电流 - - 涡流涡流工件表面产生密度很高的感应电流，使之工件表面产生密度很高的感应电

3、流，使之迅速加热迅速加热到到奥氏体奥氏体状态，随后快速冷却获状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。得马氏体组织的淬火方法。感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图集肤集肤效应示意图效应示意图集肤效应集肤效应电流透入深度电流透入深度( ()与电流频率与电流频率( ( f f ) )的关系的关系: : = 500 / = 500 / f f （mmmm） 高频高频 801000kHz 0.52mm801000kHz 0.52mm中频中频 25008000Hz25008000Hz 36mm 36mm工频工频 50Hz 1015mm50Hz 1015mm2)2)工艺要求工艺要求: : * *

4、 表面淬火前表面淬火前, ,必须对零件进行必须对零件进行正火正火 或调质处理或调质处理, ,以保证零件有良好的以保证零件有良好的 基体。基体。 * * 表面淬火后表面淬火后, ,必须对零件进行必须对零件进行低温低温 回火处理回火处理, ,以降低淬火应力和脆性。以降低淬火应力和脆性。3)3)生产特点生产特点: : 淬火件的质量好淬火件的质量好; ; 工件变工件变 形小形小; ;不易氧化及脱碳不易氧化及脱碳; ;淬火层容易淬火层容易 控制控制; ;生产率高。设备投资大生产率高。设备投资大, ,不适不适 于复杂形状零件和小批量生产。于复杂形状零件和小批量生产。2.2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火

5、1)1)火焰加热表面淬火的基本方法火焰加热表面淬火的基本方法2)火焰加热表面淬火的特点火焰加热表面淬火的特点: :设备简单设备简单, , 操作方便操作方便, , 成本低。成本低。淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。 化学热处理化学热处理 定义定义: :将零件置于一定的化学介质将零件置于一定的化学介质 中中 , , 通过加热、保温通过加热、保温, ,使介质使介质 中一种或几种元素原子渗入中一种或几种元素原子渗入 工件表层工件表层, ,以改变钢表层的化以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。学成分和组织的热处理工艺。 1. 1.

6、化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程: :2)2)吸收吸收: : 活性原子被零件表面吸收和溶活性原子被零件表面吸收和溶 解。解。3)3)扩散扩散: : 活性原子由零件表面向内部扩活性原子由零件表面向内部扩 散散, , 形成一定的扩散层。形成一定的扩散层。1)1)分解分解: : 化学介质在高温下释放出待渗化学介质在高温下释放出待渗 的活性原子。的活性原子。 2CO CO2 +2CO CO2 +C C 2.2.化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件: :1)1)渗入元素的原子必须是渗入元素的原子必须是活性原子活性原子, , 而而 且具有较大的扩散能力。且具有较大的扩散能力。2)2)零件本身具

7、有吸收渗入原子的能力零件本身具有吸收渗入原子的能力, , 即对渗入原子有一定的溶解度或能即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合与之化合, , 形成化合物。形成化合物。3. 3. 化学热处理的种类化学热处理的种类: : 渗碳渗碳; ; 渗氮渗氮; ; 碳氮碳氮 共渗共渗; ; 渗硼渗硼; ; 渗铝渗铝; ; 渗硫渗硫; ; 渗硅渗硅; ; 渗铬等。渗铬等。1)1)钢的渗碳钢的渗碳 ( Carburize of steel )( Carburize of steel )定义定义: : 向钢的表面渗入向钢的表面渗入碳原子碳原子的过程。的过程。目的目的: : 获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零

8、件。性能的零件。用钢用钢: :低碳钢和低碳合金钢。低碳钢和低碳合金钢。方法方法: : 固体、气体、离子渗碳。固体、气体、离子渗碳。固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图工艺工艺: : 加热温度为加热温度为900900950;950; 渗碳时间一般为渗碳时间一般为3 39 9小时小时; ;渗碳后的组织渗碳后的组织: : 1%C1%CP+Fe3CP+Fe3C0.2%C0.2%C F + P F + P少少表面表面中心中心零零 件件P PP+FP+F20钢渗碳缓冷组织钢渗碳缓冷组织 ( 化染化染 ) 580 表层珠光体表

9、层珠光体 + 网状渗碳体网状渗碳体; 中层珠光体中层珠光体; 内层铁素体内层铁素体 + 珠光体珠光体渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺时间温度930850方案方案1方案方案2渗渗 碳碳淬火淬火加热加热渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺热处理后的组织热处理后的组织低碳低碳M回回+FM回回+Fe3C+A残残低低碳碳合金钢合金钢F+PM回回+Fe3C+A残残低碳钢低碳钢心部心部组织组织表层组织表层组织钢种钢种常用的钢种常用的钢种: 15: 15、2020、20Cr20Cr、20Mn220Mn2、 20CrMnTi20CrMnTi、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA等。等。20CrMnTi

10、钢渗碳层组织钢渗碳层组织 ( 化染化染 ) 320 渗碳体渗碳体( 白色块状白色块状 ) + 高碳高碳M( 兰色针状兰色针状 ) + 残余残余A( 棕黄色棕黄色 )2)2)钢的渗氮钢的渗氮定义定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。向钢的表面渗入氮原子的过程。目的目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。的零件。用钢用钢: 中碳合金钢。中碳合金钢。方法方法:气体渗氮。气体渗氮。工艺工艺:加热温度加热温度500600; 保温时间保温时间0.30.5mm/2050h。热处理特点热处理特点: 渗氮前需调质处理渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。渗氮后不需热处理。渗氮处理后的组织

11、渗氮处理后的组织 表层表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部心部 : S回回。常用的钢种常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢氮化王牌钢 ) 等。等。38 CrMoAl 气体渗氮层组织气体渗氮层组织 ( 化染化染 ) 650 黄色区黄色区 : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 红色区红色区 : ( Fe4N ) ;蓝蓝绿色区绿色区:含氮索氏体含氮索氏体 + 脉状氮化物脉状氮化物; 绿黄色区绿黄色区:索氏体基体。索氏体基体。 渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否处理后是否需要热处理需

12、要热处理处理时处理时间间 ( h )处理温度处理温度( )名称名称需要需要39900950渗碳渗碳不不需要需要2050500600渗氮渗氮热处理新技术热处理新技术可控气可控气氛热处氛热处理理真空热处真空热处理理形变热处形变热处理理化学热处化学热处理理电子束电子束表面淬表面淬火火激光热处激光热处理理热处理新技术热处理新技术热处理新技术简介热处理新技术简介1.可控气氛热处理可控气氛热处理 在炉气成分可控的热处理炉内进行的热处理称为在炉气成分可控的热处理炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。在热处理时实现无氧化加热是减少金可控气氛热处理。在热处理时实现无氧化加热是减少金属氧化损耗，保证制件表面质量的必

13、备条件。属氧化损耗，保证制件表面质量的必备条件。 正确控制热处理炉内的炉气成分，可为某种热处理正确控制热处理炉内的炉气成分，可为某种热处理过程提供元素的来源，金属零件和炉气通过界面反应，过程提供元素的来源，金属零件和炉气通过界面反应，其表面可以获得或失去某种元素。也可以对加热过程的其表面可以获得或失去某种元素。也可以对加热过程的工件提供保护。工件提供保护。 如可使零件不被氧化，不脱碳或不增碳，保证零件如可使零件不被氧化，不脱碳或不增碳，保证零件表面耐磨性和抗疲劳性。从而也可以减少零件热处理后表面耐磨性和抗疲劳性。从而也可以减少零件热处理后的机加工余量及表面的清理工作。缩短生产周期，节能的机加工

14、余量及表面的清理工作。缩短生产周期，节能、省时，提高经济效益。可控气氛热处理已成为最成熟、省时，提高经济效益。可控气氛热处理已成为最成熟的，在大批量生产条件下应用最普遍的热处理技术之一的，在大批量生产条件下应用最普遍的热处理技术之一。 2.真空热处理真空热处理 真空热处理是在真空热处理是在0.0133Pa0.0133Pa1.33Pa1.33Pa真空度的真空介质中对真空度的真空介质中对工件进行热处理的工艺。真空热处理具有无氧化、无脱碳、无工件进行热处理的工艺。真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化的特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、脱元素贫化的特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、

15、脱气，避免表面污染和氢脆；同时可以实现控制加热和冷却，减气，避免表面污染和氢脆；同时可以实现控制加热和冷却，减少热处理变形。提高材料性能；还具有便于自动化、柔性化和少热处理变形。提高材料性能；还具有便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点。近年已被广泛采用，并获得迅速发展。清洁热处理等优点。近年已被广泛采用，并获得迅速发展。 几乎全部热处理工艺均可以进行真空热处理，如退火、淬火几乎全部热处理工艺均可以进行真空热处理，如退火、淬火、回火、渗碳、氮化、渗金属等。而且淬火介质也由最初仅能、回火、渗碳、氮化、渗金属等。而且淬火介质也由最初仅能气淬，发展到现在的油淬、水淬、硝盐淬火等。气淬，发展到现在的油淬

16、、水淬、硝盐淬火等。 3.离子渗扩热处理离子渗扩热处理 离子渗扩热处理是离子渗扩热处理是利用阴极利用阴极( (工件工件) )和阳极间的辉光和阳极间的辉光放电产生的等离子体轰击工件，使工件表层的成分、组织放电产生的等离子体轰击工件，使工件表层的成分、组织及性能发生变化及性能发生变化的热处理工艺。离子渗碳的硬度、疲劳强的热处理工艺。离子渗碳的硬度、疲劳强度、耐磨性等力学性能比传统渗碳方法都高，而且渗碳速度、耐磨性等力学性能比传统渗碳方法都高，而且渗碳速度快，特别是对狭小缝隙和小孔能进行均匀的渗碳，渗碳度快，特别是对狭小缝隙和小孔能进行均匀的渗碳，渗碳层表面碳浓度和渗层深度容易控制，工件不易产生氧化

17、；层表面碳浓度和渗层深度容易控制，工件不易产生氧化；表面洁净，耗电省和无污染。根据同样的原理，离子轰击表面洁净，耗电省和无污染。根据同样的原理，离子轰击热处理还可以进行离子碳氮共渗、离子硫氮共渗、离子渗热处理还可以进行离子碳氮共渗、离子硫氮共渗、离子渗 金属等，所以在国内外具有很大的发展前途。金属等，所以在国内外具有很大的发展前途。缝纫机用氮化件缝纫机用氮化件经经氮化的机车曲轴氮化的机车曲轴p激光束能量密度高，加热/冷却快，加工时间短；p精确可控，可以实现对复杂形状合金部件的加工处理；p无污染，安全可靠，操作简单，效率高。 4.激光加热表面淬火激光加热表面淬火 5.形变热处理形变热处理 形变热处理是形变热处理是将形变强化与相变强化综合起来将形变强化与相变强化综合起来的一种复合强韧化的一种复合强韧化处理方法。从广义上来说，凡是将处理方法。从广义上来说，凡是将零件的成形工序与组织改善有效结合起来的工艺都叫零件的成形工序与组织改善有效结合起来的工艺都叫形变热处理。形变热处理。 形变热处理的强化机理是：奥氏体形变使位错密形变热处理的强化机理是：奥氏体形变使位错密度升高，由于动态回复形成稳定的亚结构，淬火后获度升高，由于动态回复形成稳定的亚结构，淬火后获得细小的马氏体，得细小的马氏体，板条马氏体数量增加，