工程材料及热处理第三章材料的强化和处理

1、工程材料及热处理第三章 材料的强化和处理第三章材料的强化和处理是工程材料的研究和应用的重要问题之一。其作用在于：提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力获得一些特殊性能以满足各种各样使用条件下对材料的要求第三章3.1 钢铁材料的热处理 3.2 材料的表面技术3.3 热处理工艺的应用第三章3.1 钢铁材料的热处理 钢的热处理原理 钢的热处理工艺 3.2 材料的表面技术3.3 热处理工艺的应用第三章钢的热处理热处理是强化金属材料、提高产品质量和寿命的主要途径之一。绝大部分重要的机械零件，在制造过程中都必须进行热处理。定义：将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺。第三

2、章热处理的基本过程：加热、保温和冷却最基本的热处理曲线第三章 3.1.1 钢的热处理原理如图， 将钢实际加热时的相变点称为Ac1、Ac3、Accm、Ar1、Ar3、Arcm第三章 3.1.1 钢的热处理原理共析钢在加热至Ac1以上温度时，珠光体便逐渐转变成奥氏体，这一过程称为钢的奥氏体化。第三章 3.1.1 钢的热处理原理钢的奥氏体化，是通过四个过程完成的：奥氏体形核奥氏体晶核长大残余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化第三章 3.1.1 钢的热处理原理共析钢的奥氏体形成过程示意图第三章 3.1.1 钢的热处理原理奥氏体晶粒细小，则冷却后转变产物的晶粒也细小，其强度、塑性和韧性较好粗大的奥氏体晶粒冷

3、却后转变产物也粗大，其强度、塑性较差，特别是韧性显著降低。钢在加热时获得的奥氏体晶粒大小，直接影响到冷却后转变产物的晶粒大小和力学性能。因此，奥氏体晶粒的大小是评定热处理加热质量的主要指标之一第三章 3.1.1 钢的热处理原理奥氏体晶粒大小用奥氏体晶粒度来表示。国家标准将奥氏体标准晶粒度分为00，0，1，10等十二个等级通常认为，4级以下为粗晶粒，58级为细晶粒，8级以上为超细晶粒第三章 3.1.1 钢的热处理原理第三章 3.1.1 钢的热处理原理通常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的长大：合理选择加热温度和保温时间加热温度愈高，保温时间越长，则奥氏体晶粒长大的倾向愈大。特别是加热温度对其影响更大

4、。选用含有一定合金元素的钢大多数合金元素，如铬、钨、钼、钒、钛等，在钢中可以形成难溶于奥氏体的碳化物，分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒的长大。第三章 3.1.1 钢的热处理原理 钢在冷却时的组织转变钢的冷却方式和冷却速度不同，所得到的组织和性能也不同。等温冷却连续冷却钢的冷却方式有两种：第三章 3.1.1 钢的热处理原理等温冷却时以共析钢为例，把奥氏体化以后的试样分成若干组，分别冷却至不同温度下进行等温冷却，可以测得在不同温度下奥氏体开始转变和转变终了的时间点，绘在“温度时间”坐标图中，然后把开始转变的时间点和转变终了的时间点连接起来，即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线，简称TTT曲线，此曲线也

5、称为C曲线。第三章 3.1.1 钢的热处理原理等温冷却时第三章 3.1.1 钢的热处理原理由C曲线可知，共析钢过冷奥氏体的等温转变有三种类型。在A1550左右进行等温冷却，得到珠光体型组织。第一种类型第三章 3.1.1 钢的热处理原理根据珠光体中铁素体和渗碳体的片层大小和薄厚不同，分为粗珠光体（也称珠光体，以P表示）、细珠光体（也称索氏体，以S表示）和极细珠光体（也称托氏体，以T表示）三种。它们都是由铁素体和渗碳体构成的机械混合物，其硬度托氏体最高，索氏体次之，珠光体最低。第一种类型第三章 3.1.1 钢的热处理原理在550左右Ms（马氏体开始转变温度）间进行等温冷却，得到贝氏体型组织。第二种

6、类型第三章 3.1.1 钢的热处理原理贝氏体是含碳过饱和的铁素体和微小渗碳体颗粒组成的机械混合物。根据贝氏体的组织形态的不同，分为上贝氏体（以B上表示）和下贝氏体（以B下表示）两种。第二种类型第三章 3.1.1 钢的热处理原理上贝氏体的组织形态为羽毛状，下贝氏体的组织形态为针叶状。由于上贝氏体中渗碳体颗粒集中分布在铁素体边界，故强度低，塑性、韧性差，不太实用；而下贝氏体中的渗碳体颗粒比较均匀地分布在铁素体针叶中，故具有高的强度和较高的韧性，性能较好，实用性强，是生产中常采用等温淬火获得的组织。第二种类型第三章 3.1.1 钢的热处理原理在Ms温度以下冷却，得到马氏体组织。马氏体组织是碳在Fe中

7、的过饱和固溶体，用M表示。第三种类型第三章 3.1.1 钢的热处理原理马氏体型转变是在Ms以下连续冷却过程中高速进行的。马氏体开始转变的温度以Ms表示。随着温度的不断降低，马氏体数量不断增加，直至冷却到马氏体转变终了温度Mf结束。马氏体具有较高的强度和硬度，含碳量较低的马氏体（WC）具有良好的塑性和韧性，是一种强韧性很好的组织。第三种类型第三章 3.1.1 钢的热处理原理含碳量高的马氏体的塑性、韧性差。马氏体转变是强化钢铁材料的有效手段。但马氏体形成时要伴随体积膨胀，因而产生内应力，组织也不稳定。第三种类型第三章 3.1.1 钢的热处理原理连续冷却时第三章 3.1.1 钢的热处理原理连续冷却时

8、在实际生产中，钢一般是以一定的降温速度连续冷却的。测定连续冷却转变的曲线（称为CCT曲线）时，可把各组试样奥氏体化，选用若干不同的冷却速度进行冷却，然后测定各冷却速度下奥氏体转变的开始点（温度与时间）和终了点，并将其绘在“温度时间”坐标图中，最后把开始转变点和终了点连接起来便可得到该钢的CCT由线。第三章 3.1.1 钢的热处理原理共析钢的CCT曲线为便于应用，在很多钢的CCT曲线中，均标出了一系列冷却速度下转变终了时组织组成物所占体积分数和室温组织的平均硬度值。由CCT曲线可以看出，不同的冷却速度下可以得到不同的组织。第三章 3.1.1 钢的热处理原理冷却速度小于vc（称为下临界冷却速度）时

9、，得到珠光体型组织冷却速度大于vc（称为上临界冷却速度）时，得到马氏体组织冷却速度在vc 与vc之间时，得到珠光体与马氏体的混和组织。第三章 3.1.1 钢的热处理原理共析钢在连续冷却时，一般得不到贝氏体组织，这是因为从ab到Ms温度范围内冷却速度较快，达不到贝氏体转变所需的孕育时间所致，因此贝氏体转变被抑制了。第三章 3.1.1 钢的热处理原理钢的热处理多数是在连续冷却条件下进行的，因此连续冷却转变曲线对热处理生产有直接指导作用。应用CCT曲线可以制定钢的正确冷却工艺参数，可以估计淬火后钢的组织性能以及获得钢的临界淬火速度等。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺钢的热处理的基本工艺方法有：退火

10、正火淬火回火第三章 3.1.2 钢的热处理工艺退火的定义：将金属或合金加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的：调整硬度，便于切削加工消除或改善工件在铸、锻、焊等加工过程中所造成的成分不均匀或组织缺陷，以提高工件的工艺性能和使用性能。消除内应力或加工硬化，以防工件变形开裂。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺退火的方法完全退火球化退火均匀化退火去应力退火第三章 3.1.2 钢的热处理工艺完全退火一般是将钢加热至Ac3以上3050，将钢完全奥氏体化后进行缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。此法主要用于消除或改善亚共析钢的铸、锻件的内应力，降低硬度、提高韧度、均匀组织，为后

11、续加工做准备。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺球化退火球化退火是为使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。球化退火一般是将高碳钢（共析钢、过共析和高合金工具钢）加热至Ac以上2030，经保温后缓冷，以获得粒状珠光体的组织。具有粒状珠光体的高碳钢有以下优点：硬度较低，便于切削加工；减少淬火时过热和变形倾向；淬火后力学性能高，耐磨性好。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺均匀化退火均匀化退火是将钢加热至略低于固相线温度长时间保温，然后进行缓慢冷却，以达到化学成分和组织均匀化为目的的退火工艺。均匀化退火又称扩散退火。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺去应力退火去应力退火一般是把钢件加热至低于Ac 以下某

12、一温度，经保温后缓慢冷却。此工艺主要用于去除铸件、焊件以及塑性变形件中存在的内应力，以稳定组织或尺寸。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺正火正火是将钢材或钢件加热到Ac3（或Accm）以上3050，保温适当的时间后在静止的空气中冷却的热处理工艺。正火由于冷却速度比退火快，所以得到的组织是非平衡组织。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺正火主要有以下几方面的作用：）对于普通结构钢中的低碳钢、低碳合金钢工件，正火的目的是消除铸造和焊接过程引起的过热缺陷，细化晶粒、提高硬度、改善切削加工性。）对力学性能要求不高或尺寸较大的结构件，常用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度。）对中碳结构钢工件，正火可消

13、除成形工艺过程中产生的缺陷，保证合适的切削加工硬度，为后续热处理做好组织准备。）消除过共析钢网状二次渗碳体，为球化退火做组织准备。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺退火与正火都属于钢的预备热处理，它们的工艺及其作用有着许多相似之处。因此，在实际生产中有时两者可以相互替代第三章 3.1.2 钢的热处理工艺）从切削加工性考虑。一般情况下，钢的硬度在170260HBS范围内时，切削加工性能较好。各种碳钢退火和正火后的硬度范围，如图所示（图中阴影线部分为切削加工性能较好的硬度范围），由图可见，对于碳的质量分数小于的结构钢选用正火为宜；对于碳的质量分数大于 的结构钢选用完全退火为宜；而对于高碳工具钢应选

14、用球化退火作为预备热处理。在实际操作过程中，应从下几个方面考虑：第三章 3.1.2 钢的热处理工艺）从零件的结构形状考虑。对于形状复杂的零件或尺寸较大的大型钢件，若采用正火因冷却速度太快，可能产生较大内应力，导致变形和裂纹，宜采用退火。在实际操作过程中，应从下几个方面考虑：第三章 3.1.2 钢的热处理工艺）从经济性能考虑。因正火比退火的生产周期短，成本低，操作简单，故在可能条件下应尽量采用正火，以降低生产成本。在实际操作过程中，应从下几个方面考虑：第三章 3.1.2 钢的热处理工艺淬火淬火是将钢加热到Ac1或Ac3线以上3050温度，保温一定时间，然后进行快速冷却的一种热处理工艺。淬火的目的

15、是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺淬火工艺淬火加热温度的选择。碳钢的淬火加热温度可根据Fe-Fe3C相图来确定。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺适宜的淬火加热温度是：亚共析钢为Ac3+（30100）共析钢、过共析钢为Ac1+（30100） 合金钢的淬火加热温度可根据其相变点来选择，但由于大多数合金元素在钢中都有具有细化晶粒的作用，因此合金钢的淬火加热温度可以适当提高。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺加热保温时间的选择钢件的材料有效厚度加热介质装炉方式淬火加热的保温时间一般根据以下情况而定：第三章 3.1.2 钢的热处理工

16、艺加热保温时间的选择。一般按下列公式计算：KD式中：保温时间（min）；K：炉系数（通常取）；：加热系数（minmm）；D：钢件的有效厚度（mm）。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺工件有效厚度D是指加热时在钢件最快传热方向上的截面厚度，如图所示。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺淬火介质钢件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火介质，淬火介质应具有足够的冷却能力、良好的冷却性能和较宽的使用范围，同时还应具有不易老化、不腐蚀零件、不易燃、易清洗、无公害、价廉等特点。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺由碳钢的等温转变图可知，为避免珠光体转变，过冷奥氏体在犆曲线的鼻尖处并不需要快冷。理想淬火介质第三章

17、3.1.2 钢的热处理工艺钢件淬火时理想的冷却曲线如图所示，能使工件达到这种理想冷却曲线的淬火介质称为理想淬火介质。理想淬火介质目前常用的淬火介质：水、水溶性的盐类和碱类、矿物油第三章 3.1.2 钢的热处理工艺常用淬火介质的冷却特性第三章 3.1.2 钢的热处理工艺为保证钢件淬火后得到马氏体组织，淬火介质必须使钢件淬火冷却速度大于马氏体临界冷却速度。但过快的冷却速度会产生很大的淬火应力，引起钢件变形和开裂。因此在选择冷却介质时，必须保证：使钢件淬火后得到马氏体组织尽量减小淬火应力第三章 3.1.2 钢的热处理工艺淬火的主要方法把加热、保温后的工件直接投入到某一冷却介质中冷却到室温的淬火方法，

18、如图中曲线所示。此法在实际生产中常用，其冷却介质为油、水和NaO NaOH水溶液等。此法主要用于形状比较简单、不易变形和开裂的工件。单液淬火法第三章 3.1.2 钢的热处理工艺将工件加热奥氏体化后先浸入一种冷却能力强的介质，在钢件还未到达该淬火介质温度（Ms）之前即取出，马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却，如先水后油、先水后空气等，这种淬火方法称为双液淬火法，或双介质淬火法，如图中曲线所示。采用此法，既能得到马氏体组织，又能避免淬火过程中的变形和开裂。双液淬火法淬火的主要方法第三章 3.1.2 钢的热处理工艺工件加热奥氏体化后随之浸入温度稍高于钢的Ms点的液态介质（盐浴或碱浴炉）中，保温适当

19、时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺称为分级淬火法。此法也称马氏体分级淬火，如图中曲线所示。此法能较好地避免工件在淬火过程中的变形和开裂，适用于变形要求严、尺寸较小的工件。分级淬火法淬火的主要方法第三章 3.1.2 钢的热处理工艺工件加热奥氏体化后随之快冷到下贝氏体转变温度区间（稍高于Ms点）保温，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火方法称为等温淬火。此法也称贝氏体等温淬火，见图中曲线4。此法是为了获得性能较好的下贝氏体组织，适用于变形小、形状复杂精度高的工件。等温淬火法淬火的主要方法第三章 3.1.2 钢的热处理工艺钢的淬透性钢件在淬火时，截面上各处的冷却速度是

20、不同的。表面的冷却速度最大，越到中心冷却速度越小，如图（a）所示，如果钢件中心部分低于临界冷却速度，则心部将获得非马氏体组织，即钢件没有淬透，如图 （b） 所示。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性称为钢的淬透性，通常以钢在规定条件下淬火时获得淬硬深度的能力来衡量。所谓淬硬深度，就是从淬硬的工件表面量至规定硬度处的垂直距离。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺钢的淬透性大小常用临界直径表示。临界直径是指钢材在某种介质中淬火后，心部得到全部马氏体或50马氏体的最大直径，以Dc表示。钢的临界直径愈大，表示钢的淬透性愈高。但淬火介质不同，钢的临界直径不同，同

21、一成分的钢在水中淬火时的临界直径大于在油中的临界直径。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺图 不同直径的45钢在油中及水中淬火时的淬硬层深度第三章 3.1.2 钢的热处理工艺影响淬透性的因素： 钢的化学成分碳钢中含碳量越接近于共析成分，钢的淬透性越好。合金钢中绝大多数合金元素溶于奥氏体后，都能提高钢的淬透性。奥氏体化温度及保温时间适当提高钢的奥氏体化温度或延长保温时间，可使奥氏体晶粒更粗大，成分更均匀，增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺淬透性的实用意义若钢件被淬透，经回火后整个截面上的性能均匀一致若淬透性能差，钢件未被淬透，经淬火回火后钢件表里性能不一，心

22、部强度和韧度均较低淬透性对钢热处理后的力学性能有很大影响。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺对于多数的重要结构件，如发动机的连杆和连杆螺栓等，为获得良好的使用性能和最轻的结构重量，调质处理时都希望能淬透，需要选用淬透性足够的钢材对于形状复杂、截面变化较大的零件，为减少淬火应力和变形与裂纹，淬火时宜采用冷却较缓和的淬火介质，也需要选用淬透性较好的钢材对于焊接结构件，为避免在焊缝热影响区形成淬火组织，使焊件产生变形和裂纹，增加焊接工艺的复杂性，则不应选用淬透性较好的钢材。淬透性的实用意义第三章 3.1.2 钢的热处理工艺钢的回火钢件经淬火后虽然具有高的硬度和强度，但脆性较大，并存在有较大的淬火应力

23、，一般情况下必须经过适当的回火后才使用。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺回火的目的稳定组织，消除淬火应力，防止工件在以后的加工和使用过程中产生变形和裂纹。减少脆性，调整硬度，以满足各种工件对力学性能的不同要求。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺钢在回火时组织和性能的变化淬火钢在回火时的组织转变可分为：图淬火钢在回火时的组织和应力变化马氏体的分解残余奥氏体的转变碳化物类型的转变渗碳体的聚集长大第三章 3.1.2 钢的热处理工艺回火方法分为以下三类：低温回火（150250）。低温回火的目的是保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力，减少钢的脆性。低温回火时，淬火马氏体中的碳已经部分地从固溶体中

24、析出并形成了过渡碳化物，残余奥氏体也转变为由含碳过饱和的固溶体和弥散析出的过渡碳化物组成的复相组织，称为回火马氏体，其硬度一般为5864HBS。应用：刃具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件等。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺回火方法分为以下三类：中温回火（350500）中温回火的目的是获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。中温回火时，马氏体中过饱和的碳完全析出，马氏体转变为铁素体，此时的组织是在铁素体基体内分布着极细小的渗碳体颗粒，称为回火托氏体，其硬度一般为HBS。应用：主要用于弹性零件及热锻模具等。第三章 3.1.2 钢的热处理工艺回火方法分为以下三类：高温回火（5006

25、50）高温回火的目的是获得良好的综合力学性能。通常把钢件淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。高温回火时，渗碳体聚集长大而粗化，得到在铁素体基体上分布着细小球状渗碳体的组织称为回火索氏体，硬度一般为220330HBS。应用：各种重要的结构零件，如螺栓、连杆、齿轮及轴类等第三章 3.1.2 钢的热处理工艺回火工艺的选定：首先根据工件所要求的硬度范围确定回火温度然后再根据工件材料、尺寸、装炉量和加热方式因素确定回火时间，一般为h。回火时的冷却一般为空冷，某些具有高温回火脆性的合金钢在高温回火时必须快冷。第三章3.1 钢铁材料的热处理 3.2 材料的表面技术 3.2.1 表面淬火 气相沉积3.

26、3 热处理工艺的应用第三章 3.2 钢的表面技术表面技术：是利用各种物理或机械手段、化学手段，使金属获得特殊成分、组织结构和性能的表面，以提高金属使用寿命的技术，其目的是提高材料的耐蚀性或高温抗氧化性能，提高工件表面的耐磨、减磨、润滑及抗疲劳性能，赋予金属材料制品表面光泽、色彩、图纹等优美外观；修复磨损或腐蚀损坏的工件。第三章3.2.1 表面淬火材料的表面技术种类繁多，对于钢铁材料，生产中最为常用的是：表面淬火化学热处理气相沉积技术第三章 3.2.1 表面淬火钢的表面淬火的定义：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在心部组织尚未发生相变时，立即施以淬火冷却，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部

27、仍保持原来的塑性和韧性较好的退火、正火或调质状态组织。第三章 3.2.1 表面淬火表面淬火加热可采用：感应加热火焰加热激光加热目前生产中常用的是感应加热。第三章 3.2.1 表面淬火感应加热表面淬火：利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面迅速加热并进行快速冷却的淬火工艺，通常简称为感应淬火。第三章 3.2.1 表面淬火感应加热表面淬火的基本原理如图所示：加热淬火层间隙工件加热感应圈（接高频电源）淬火喷水套第三章 3.2.1 表面淬火将工件放入用空心紫铜管绕成的感应器内，给感应器通入一定频率的交流电，周围便存在同频率的感应电流（涡流）。由于感应电流的集肤效应（电流集中分布在工件表面）和热

28、效应，使工件表层迅速加热到淬火温度，而心部则仍处于相变点温度以下，随即快速冷却，从而达到表面淬火的目的。第三章 3.2.1 表面淬火加热速度快，加热时间短，淬火后组织为细隐晶马氏体，表面硬度比普通淬火高23HBS，且脆性较小显著提高了工件的疲劳强度（一般小尺寸零件可提高23倍，大尺寸零件可提高20%30%）加热时间短，工件氧化脱碳少，淬火变形也小淬硬层深度易于控制。生产率高，适于大批量生产。感应加热表面淬火具有如下特点：第三章 3.2.1 表面淬火缺点：感应加热表面淬火设备比较昂贵，零件形状复杂时感应器制造困难，因而不适于单件小批量生产。第三章 3.2.1 表面淬火感应加热表面淬火的应用主要用

29、于中碳钢和中碳合金结构钢制造的齿轮和轴类零件，它们经正火或调质（预先热处理）后再表面淬火，心部具有良好的综合力学性能，而表面具有较高的硬度和耐磨性。用高碳钢制造的、承受较小冲击或交变载荷的工具和量具，也可采用表面淬火。第三章 3.2.2 气相沉积气相沉积利用气相中的纯金属或化合物沉积于工件表面形成涂层，用以提高工件的耐磨性、耐蚀性，或获得某些特殊的物理化学性能的一种表面涂覆新技术。近年来，应用气相沉积方法将碳化物或氮化物涂于刃具、模具及各种耐磨结构零件表面上，获得几个微米厚的超硬涂层，具有很好的耐磨性、抗咬合性、抗氧化性和低的摩擦系数，大大提高了其使用寿命。第三章 3.2.2 气相沉积气相沉积

30、的方法化学气相沉积物理气相沉积第三章 3.2.2 气相沉积化学气相沉积化学气相沉积是在高温下将炉内抽成真空或通入氢气，再将反应气体导入，通过化学反应而在工件表面形成涂层的方法。第三章 3.2.2 气相沉积化学气相沉积的装置如图,以在钢件表面沉积TiC涂层为例，将反应气体TiCl4与气态或蒸发状态的碳氢化合物一起导入真空、高温的反应室内，用氢作为载体和稀释剂，就会发生化学反应生成TiC沉积在钢件表面。第三章 3.2.2 气相沉积优点：常用的化学涂层材料有具有很高的硬度（20004000HV）较低的摩擦系数优异的耐磨性良好的抗黏着能力和耐腐蚀能力第三章 3.2.2 气相沉积缺点：化学气相沉积温度高

31、，工件容易变形，处理过程中会产生有毒气体，必须注意通风及防污染处理。第三章 3.2.2 气相沉积应用：目前，化学涂层硬质合金涂层刀具、钢制工模具及耐磨机件均已得到广泛应用，其使用寿命比未涂层工件普遍提高310倍。第三章 3.2.2 气相沉积物理气相沉积物理气相沉积是通过真空蒸发、电离或溅射等过程，产生金属离子并沉积于工件表面形成金属涂层，或与反应气体化合形成化合物涂层的方法。第三章 3.2.2 气相沉积物理气相沉积的方法有：真空蒸镀离子镀真空溅射第三章 3.2.2 气相沉积真空蒸镀如图所示，在Pa或更高真空度的反应室中，将镀层材料加热成蒸发原子，使其在真空条件下撞击工件表面而形成沉积层。第三章

32、 3.2.2 气相沉积与化学气相沉积相比，物理气相沉积：沉积温度低于600沉积速度更快适用于钢铁材料和陶瓷、玻璃、塑料等非金属材料物理气相沉积应用十分广泛。目前，涂层主要有用于提高表面性能的和用于表面装饰两大类。第三章 3.2.2 气相沉积几个例子第三章 3.2.3 钢的化学热处理化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。第三章 3.2.3 钢的化学热处理化学热处理的基本过程）分解。化学介质在一定的温度下发生分解，产生能够渗入工件表面的活性原子。）吸收。吸收就是活性原子进入工件表面，溶入铁的晶格形成固溶体，或形成化合物

33、。）扩散。渗入的活性原子由表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散层。第三章 3.2.3 钢的化学热处理钢的渗碳渗碳是为了增加钢件表层的碳含量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳的目的是提高工件表面的硬度和耐磨性。第三章 3.2.3 钢的化学热处理渗碳的方法根据采用的渗碳剂不同，渗碳方法可分为：固体渗碳液体渗碳气体渗碳其中气体渗碳生产率高，渗碳过程容易控制，在生产中应用最广泛。第三章 3.2.3 钢的化学热处理气体渗碳气体渗碳就是工件在气体渗碳介质中进行渗碳的工艺。渗碳炉示意图如图所示，将装挂好的工件装入密封的渗碳炉内，滴入煤油、丙酮或甲醇等渗

34、碳剂并加热到900950，渗碳剂在高温下分解，产生的活性碳原子渗入工件表层并向内部扩散形成渗碳层，从而达到渗碳目的。第三章 3.2.3 钢的化学热处理气体渗碳的渗碳层深度主要取决于渗碳时间，生产中一般按每小时估算，或用试棒实测确定。第三章 3.2.3 钢的化学热处理渗碳后的组织 工件渗碳后，碳的质量分数从表面到心部逐渐减少，表面碳的质量分数可达，而心部为原来的低碳成分，从表面到心部的组织依次为过共析层、共析层、亚共析层，心部为原始组织。第三章 3.2.3 钢的化学热处理渗碳后的热处理工件渗碳后的热处理通常为淬火及低温回火。根据工件材料和性能要求的不同，渗碳后的淬火可采用直接淬火或一次淬火，如图

35、所示。工件经渗碳淬火及低温回火后，表层组织为回火马氏体和细粒状碳化物，表面硬度可高达5864HRC；心部组织为低碳马氏体或珠光体型组织，硬度较低。因此，工件经渗碳淬火及低温回火后表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有良好的韧性。第三章 3.2.3 钢的化学热处理图 渗碳工件的热处理工艺第三章 3.2.3 钢的化学热处理钢的渗氮渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。渗氮的目的提高表面的硬度、耐磨性以及疲劳强度和耐蚀性。第三章 3.2.3 钢的化学热处理渗氮用钢对于以提高耐腐蚀性为主的渗氮，可选用优质碳素结构钢，如20钢、30钢、40钢等；对于以提高疲劳强度为主的渗氮，可选用一

36、般合金结构钢，如40Cr等；而对于以提高耐磨性为主的渗氮，一般选用渗氮专用钢38CrMoALA第三章 3.2.3 钢的化学热处理渗氮方法常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮等。气体渗氮在专门的渗氮炉中进行，是利用氨在500600的温度下分解，产生活性氮原子，分解反应如下：2NH33H2+2N分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向内层扩散，形成一定深度的渗氮层。当达到要求的渗氮层深度后，工件随炉降温到200停止供氮，即可出炉空冷。为保证工件心部的力学性能，渗氮前工件应进行调质处理。第三章 3.2.3 钢的化学热处理渗氮的优点：渗氮后工件无需淬火便具有高的硬度、耐磨性和热硬性，良好的抗蚀性和高的疲劳强

37、度由于渗氮温度低，工件变形小第三章 3.2.3 钢的化学热处理渗氮的缺点渗氮的生产周期长，一般要得到0.300.50mm的渗氮层，气体渗氮时间约需要3050h成本较高渗氮层薄而脆，不能承受冲击。因此，渗氮主要用于要求表面高硬度，耐磨、耐蚀、耐高温的精密零件，如精密机床主轴、丝杆、镗杆、阀门等。第三章3.1 钢铁材料的热处理 3.2 材料的表面技术3.3 热处理工艺的应用热处理零件的结构工艺性 零件的热处理技术条件 第三章 3.3 热处理工艺的应用热处理在机械制造过程中的应用十分广泛，在机械零件的加工工序之间合理安排热处理工序是非常重要的。热处理工序应用正确与否，直接关系机械零件的使用性能、使用

38、寿命和制造成本。因此，在进行零件设计及制定加工工艺时，必须正确设计零件的结构形状、热处理技术条件和热处理工艺的工序位置。第三章 3.3.1 热处理零件的结构工艺性所谓零件的结构工艺性，是指所设计的零件结构在满足使用要求的前提下，实施制造的可行性和经济性，即制造零件结构的难易程度。零件的结构工艺性是评定零件结构优劣的主要指标之一。在设计需要热处理的零件时，则需要考虑热处理工艺对零件结构的要求。否则容易出现淬火变形甚至开裂等热处理缺陷。第三章 3.3.1 热处理零件的结构工艺性零件的结构形状对热处理质量影响较大。零件截面尺寸的变化，直接影响：淬火后的淬透层深度淬火应力在工件的分布对变形产生很大影响

39、零件几何形状对淬火变形与开裂的影响更为显著。第三章 3.3.1 热处理零件的结构工艺性在进行热处理零件的结构设计时一般应注意以下几点：避免截面厚薄相差悬殊，合理安排孔洞和键槽；避免尖角和棱角；尽量采用封闭、对称结构；采用组合结构。第三章 3.3.1 热处理零件的结构工艺性列举几种常见零件不正确的结构设计及其改进结构第三章 3.3.1 热处理零件的结构工艺性如果改进零件的结构形状后仍难达到热处理要求时，就应采取其他措施来防止和减少变形开裂等热处理缺陷。例如：合理安排工艺线路；修改工件热处理技术条件；根据热处理变形规律妥善安排冷热加工配合，调整变形和公差；预留一定加工余量；更换材料和改进热处理操作工艺方法等第三章 3.3.2 零件的热处理技术条件热处理技术条件的内容包括：热处理的方法及热处理后应达到的力学性能。对于一般零件只标出硬度值，对重要零件应标出强度、塑性、韧性指标或金相组织要求，对于化学热处理零件还应标注渗透层部位和渗层的深度。第三章 3.3.2 零件的热处理技术条件处理工艺代号标记规定如下：热处理工艺代号由基础分类工艺代号及附加分类工艺代号组成。在基础分类中按照工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热方法三个层次进行分类，均有相应代号对应，见下表。其中工艺类型分为整体热处