第05章 材料表面改性技术20091106

1、一、一、 定义定义:是一种不改变表层化学是一种不改变表层化学成分成分,但改变表层组织的局部热处但改变表层组织的局部热处理工艺。理工艺。二、二、 工艺特征工艺特征:通过快速加热使钢通过快速加热使钢的表层奥氏体化的表层奥氏体化,然后急冷然后急冷,使表层使表层 形成马氏体组织形成马氏体组织,而心部仍保而心部仍保 持不持不变。变。 三、表面淬火用钢三、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。40、45、40Cr、40MnB等。等。四、表面淬火加工的方法四、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 )淬火、淬火、火焰加热淬火火焰加热淬火、电接触加热淬火、电

2、接触加热淬火、激光淬激光淬火火等。等。1)感应加热的基本原理感应加热的基本原理:* 感应电流感应电流 - 涡流涡流* 集肤效应集肤效应*淬火层深度淬火层深度()与电流频率与电流频率( f )的关的关系系: = 500 / f （mm） 感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图集肤效应示意图2)工艺要求工艺要求: * 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。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*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。一、定义一、定义: 将零件置于一定的化学介质中将零件置于一定的化学介质中 , 通过加热、保温，使介质中一种或通过加热、保温，使介质中一种

4、或几种元素原子渗入工件表层，改变几种元素原子渗入工件表层，改变表层的化学成分和组织的热处理工表层的化学成分和组织的热处理工艺。艺。 二、二、 化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:2.吸收吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶解。活性原子被零件表面吸收和溶解。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.分分解解: 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 +C三、三、 化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件:1. 渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子

5、, 而而 且且具有较大的扩散能力具有较大的扩散能力。2. 零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的即对渗入原子有一定的溶解度溶解度或能或能 与之化合与之化合, 形成化合物形成化合物。四、四、 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; 渗渗铬等。铬等。1)定义定义: 向钢的向钢的表面渗入碳原子表面渗入碳原子的过程。的过程。2)目的目的: 获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧 性能的零件。性能的零件。渗层要求渗层要求（1）足够高）足够高%C，0.85-1.05；（；（2）

6、合适的渗层深度，合适的渗层深度，0.5-2.0mm；（；（3）渗层）渗层%C分布要平缓分布要平缓3)用钢用钢:低碳钢低碳钢和和低碳合金钢。低碳合金钢。 %C：0.1-0.25（保证心部足够的韧性）；（保证心部足够的韧性）；合金元素：合金元素：Cr，Mn（固溶强化，提高淬透（固溶强化，提高淬透性）；性）；Mo,W,V,Ti,B（细化晶粒，防止回火脆（细化晶粒，防止回火脆性性)4)方法方法: 固体、气体、固体、气体、液体渗碳。液体渗碳。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5)工艺工艺: 加热温度加热温度为为900950; 渗碳时间渗碳时间一般为一般为39小时小时;6)渗碳后的组织（

7、缓冷）渗碳后的组织（缓冷）: 1%CP+Fe3C0.2%C F + P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F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预冷预冷工件渗碳后必须进行淬火加低温回火处理才能使用。回火温度一般为160180。而淬火方法有三种，如图5-50所示。 直接淬火法：直接淬火法：是将工件自渗碳温度预冷到略高于心部A1温度后直接淬火。这种方法工艺简单，效率高，成本低，工件脱碳和变形倾向小。但由于渗碳温度高，奥氏体晶粒粗大，淬火后残余奥氏体量较多，使工件性能下降。直接淬火法只适用于本质细晶粒钢或性能要求较低的零件。 一次淬火法：一次淬火法：是指将工件渗碳缓冷后

8、重新加热淬火的方法。对于心部性能要求较高的零件，淬火温度应略高于心部的Ac3以使其晶粒细化，并获得低碳马氏体组织。对于表层性能要求较高的零件，淬火温度应选用Ac1+30-50，以使表层晶粒细化。 二次淬火法：对于力学性能要求很高或本质粗晶粒钢工件，应采用二次淬火法。第一次淬火的目的是为了改善心部组织并消除表层网状渗碳体，淬火温度为心部Ac3+3050。第二次淬火是为了细化表层组织，淬火温度为Ac1+30-50。这种方法的缺点是工艺复杂，成本高，效率低，工件变形和脱碳倾向大。上述三种淬火方法中，最常用的方法是将工件渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+3050淬火+低温回火。此时的组织，表层为高碳回火马

9、氏体+颗粒状碳化物+少量残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体+铁素体（淬透时）。 低碳低碳M回回+FM回回+Cm+A残残低碳低碳合金钢合金钢F+PM回回+Fe3C+A残残低碳钢低碳钢心部组织心部组织表层组织表层组织钢种钢种9)常用的钢种常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。等。1)定义定义:向钢的向钢的表面渗入氮原子表面渗入氮原子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧及抗蚀性能表硬里韧及抗蚀性能 的零件。的零件。3)用钢用钢:中碳合金钢。中碳合金钢。4)方法方法:气体气体渗氮，离子渗氮等。渗氮，离子渗氮等。5)工艺:加热温度50

10、0600; 保温时间0.30.5mm/2050h。6)热处理特点: 渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。8)常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢 ) 等。越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。出土于湖北江陵楚墓。 长长55.7厘米，厘米， 剑锷锋芒剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。犀利，锋能割断头发。 1)定义定义:向钢的向钢的表面同时渗入碳和氮原表面同时渗入碳和氮原 子子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)方法方法:固体碳氮共渗固体碳氮共渗气体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗液体碳氮共渗高温高温中温中温低温低温4)工艺工艺:合金结构钢合金结构钢HRC5360中温气体碳中温气体碳氮共渗氮共渗80086018以渗碳为主以渗碳为主0.50.8mm淬火淬火+低温回火低温回火合金工具钢合