材料热处理原理热处理工艺4表面课件

1、李老师：您好！近来身体还好吗？工作还顺利吗？转眼间，我已经工作了4个月有余了 ，在这段并不算长的时间里面，我的感受却很多。直到现在，我才真切地体会到老师所说的实践的重要性，我们所学的知识与现实确实差距太大了，感觉现在的自己就像一个什么也不会的小学生，即使每天拼命地学习、拼命地前进，也还是有太多不足的地方。(常识与专业知识）目前，我的工作主要是核电站建设中的工程管理，简单点说就是“监工”，嘿嘿。这工作还是给我挺大压力的，除了自身的业务过硬以外，与上游和下游的沟通交流也是门学问。每天都在头疼，怎么向设计部门催工程图，催不来图纸，工作就停滞不前；到了工地，和工人的关系的处理也是个问题，怎么样能让大家

2、严守质量的同时还能加快进度（心理学知识，尤其是认知心理学与动机心理学）老师，这段时间，我第一次如此严重地感受到自身能力的匮乏，您说，面对这种情况，应该如何解决呢？第1页，共56页。等温退火将奥氏体化后的钢快速冷却至稍低于Ar1的温度等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷至室温的热处理工艺。目的：与完全退火相同。但组织转变较易控制，能获得均匀的预期组织，对于奥氏体较稳定的合金钢，可大大缩短退火时间。如图3-2所示。工艺规范：加热温度与保温时间和完全退火相同，只是冷却方式不同。等温温度应根据要求的组织和性能，由被处理钢的C曲线来确定。等温温度距A1愈近，获得的珠光体组织愈粗，钢的硬度也愈低；反之，则硬

3、度愈高。第2页，共56页。图3-2 高速钢的等温退火与普通退火工艺曲线第3页，共56页。 正火将钢加热到Ac3或Accm以上适当温度，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。获得的组织：珠光体类组织（索氏体）目的：使钢的组织正常化。所以生产上将正火称为常化处理。工艺规范：加热温度： Ac3或Accm+3050加热时间：同完全退火冷却：空气中自然冷却，大件鼓风冷却第4页，共56页。等温正火=等温退火十多年前，高速风冷等温正火生产线开始在齿轮行业推广应用。锻坯经过等温正火后，不仅改善了材料的组织和性能，还减小了齿轮在渗碳淬火后的淬火变形。良好的应用效果使等温正火得到越来越广泛的应用。第5页，共5

4、6页。调质与正火的比较钢调质处理后的机械性能和正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也较好，见表3-2。调质渗碳体为粒状，正火渗碳体为片状。粒状组织对阻止断裂发展比片状有利。表3-2 45钢（20-40mm）调质和正火后的机械性能比较工艺机械性能组织b,MN/m2,%k,KJ/ m2HB正火调质700-800750-85012-2020-25500-800800-1200163-220210-250细片状珠光体+铁素体回火索氏体第6页，共56页。调质、正火、等温淬火与亚温淬火调质：只有在完全淬透得到马氏体组织的条件下，通过高温回火才能获得优良的性能。因此，不适合过大和形状复杂的零件。易变形和开裂

5、，工艺复杂。正火：工艺简单，经济，在零件性能要求不是很高时，多采用正火处理。等温淬火：在飞机和航天工业，为了减少零件变形，简化最终热处理操作，通常采用等温淬火来代替调质，同样可获得优良的性能。亚温淬火:将亚共析钢在Ac1Ac3之间的温度进行奥氏体化或形变，此时组织中保留部分铁素体，然后快速冷却淬火，最终组织为网状铁素体包围珠光体和马氏体力学性能特点是塑性好，强度和硬度高。第7页，共56页。钢亚温淬火组织抗拉强度MPa规定非比例延伸强度MPa延伸率%钢正火组织图3-13 亚温淬火与正火组织及性能比较第8页，共56页。（2）回火保温时间钢件淬火后应尽快回火，以防开裂。一般回火时间为13小时。或按经

6、验公式确定：th=Kh+AhD式中 th回火时间（min) Kh回火时间基数（min) Ah回火时间系数（min/ mm) D工件有效厚度（mm)回火条件300C以下300-450C450C以上气体盐浴气体盐浴气体盐浴Kh1201202015103Ah10.410.410.4第9页，共56页。（3）回火后的冷却一般在空气中冷却，特殊情况（产生回火脆性），缓冷或急冷。第10页，共56页。思考题在“淬火+低温回火”的热处理工艺中，淬火时要尽可能减少残余奥氏体，因为奥氏体是硬度低的塑性相，过多残余奥氏体的存在会使硬度不足。那么，能获得完全无残余奥氏体的的马氏体吗？为什么？由于马氏体是不稳定相，其中的

7、碳原子有自发析出的倾向，那么，在低温回火时，碳原子除了以/过度碳化物析出外，有没有可能扩散进入残余奥氏体中而使残余奥氏体变得更稳定（因为碳含量升高，Ms点降低）？试着查找这样的资料。第11页，共56页。3.2 表面加热热处理3.2.1 概述磨损是机械零件失效的主要形式之一，通过改变零件材料表面组织，提高其硬度，进而提高耐磨性，不但简单易行，效果好，而且成本低，具有很好的技术与经济综合效益。表面热处理：仅对钢的表面加热、冷却而获得表面硬化层的热处理工艺称为表面热处理。目的：提高材料的表面硬度，从而提高耐磨性。兼具提高耐疲劳性能。工艺种类（按加热方式）：火焰加热表面热处理感应加热表面热处理激光加热

8、表面热处理电子束加热表面热处理电接触加热表面热处理第12页，共56页。3.2.2 快速加热对表面淬火时相变的影响实现表面加热的关键是加热装置能提供高的热流密度。一般箱式电炉热流密度约为23W/cm,此时加热直径100mm的钢棒截面温差只有30，因此不能实现表面加热。 一般认为若加热装置能提供10W/cm的能量密度，则其加热速度远比一般加热炉中要大，此时在零件表层内的温度梯度很高，才能实现表面加热快速加热对表面淬火时相变的影响1.对相变临界点的影响提高加热速度将使Ac3、Accm、Ac1线升高。见图3-14和图3-15。第13页，共56页。图3-14 加热速度对Ac3、Accm的影响。图3-15

9、共析钢加热速度与Ac1的关系加热速度对Ac1s影响有限，但对Ac1f影响大第14页，共56页。2.对奥氏体晶粒度的影响 快速加热将使奥氏体的起始晶粒显著细化，形成极细的起始晶粒，并由于在较高速度加热下起始晶粒不易长大，从而使奥氏体晶粒细化。第15页，共56页。3.对奥氏体均匀化的影响 快速加热条件下形成的奥氏体，其含碳量依加热速度提高而偏离其平均成分，形成不均匀的奥氏体区.图3-16 T8钢在感应加热时奥氏体的成分与加热速度、原始组织及温度的关系 1-粒状珠光体，2000/S加热 2-粒状珠光体，150/S加热 3-淬火组织， 150/S加热 图3-17 T12钢加热时Fe3C溶解动力学曲线(

10、加热速度450/S)第16页，共56页。图3-18 加热速度对45钢不同原始组织下临界点的影响1-退火组织 2、3-自由铁素体转变成奥氏体温度范围4-Fe-Fe转变温度 5-淬火组织 6-调质组织原始组织对奥氏体均匀化有很大影响，见图3-18，因此表面淬火前正确选择预备热处理使碳化物或自由铁素体分布均匀细小，将有利于快速加热时这些相的溶解及奥氏体的均匀化。第17页，共56页。4.对过冷奥氏体转变的影响 由于在快速加热时形成的奥氏体其组织及成分不够均匀，将显著影响过冷奥氏体的转变产物与动力学特征。主要表现在：由于存在较多未溶碳化物及碳在奥氏体内的不均匀分布，所以降低了过冷奥氏体的稳定性，改变了马

11、氏体点（Ms、Mf）及马氏体组织形态。随着奥氏体含碳量的降低，Ms点升高，淬火钢中板条马氏体数量增多。5.对回火转变的影响 由于快速加热淬火的表层多为板条马氏体，并且马氏体成分又不均匀，在淬火过程中低碳马氏体区易发生自行回火，因此回火温度一般应比普通回火低。第18页，共56页。3.2.3 表面淬火后的组织与性能（1）1.表面淬火后的金相组织表面淬火层由淬硬层、过度层及毗邻的心部原始组织组成。图3-19为45钢在表面加热淬火后组织和硬度的分布。第区温度高于Ac3，全部为马氏体，称为全淬火层；第区为温度在Ac3Ac1之间，组织为马氏体+自由铁素体，称为过度层；第区加热温度低于Ac1,为原始组织。图

12、3-19表面淬火后组织和硬度分布示意图1-45钢，2-T8钢，-硬化层第19页，共56页。3.2.3 表面淬火后的组织与性能（2）2.表面淬火后有效硬化层深度的测定 传统上一般采用显微组织检验法，精度差。 新标准规定：表面淬火的有效硬化层深度（DS）是从零件表面到维氏硬度（HV）等于规定硬度值（极限硬度值，（HV）HL）的那一层之间的距离。 （HV）HL=0.8（HV）MS 式中（HV）MS为零件要求的最小表面硬度。第20页，共56页。图3-20 含碳量对高频淬火后硬度的影响3.表面淬火后的性能表面硬度：经高、中频加热和喷射冷却的零件，其表面硬度往往比普通淬火高25个HRC，见图3-20。这主

13、要与奥氏体晶粒细化和表层高压应力有关。第21页，共56页。图3-21 不同加热速度下CrWMn钢表面硬度与淬火温度的关系，加热速度/S当加热速度一定，在某一温度范围内可出现增硬现象，见图3-21。第22页，共56页。耐磨性 高、中频淬火后零件的耐磨性比普通淬火高，见图3-22。图3-22 普通淬火与高频淬火的磨损对比-炉中加热-高频加热1-淬火未回火2-淬火200回火3-淬火400回火第23页，共56页。疲劳强度 表面淬火显著地提高了零件的疲劳强度。 表3-5 40Cr钢不同处理工艺对缺口敏感性的影响 试样形式疲劳强度 -1/MPa调质调质+表面淬火20mm光滑试样20mm缺口试样450480

14、140630600第24页，共56页。图3-23 硬化层深度对疲劳断裂应力循环次数的影响含碳w（C）=0.74%，直径10mm疲劳强度与硬化层深度之间有最佳点。见图3-23。第25页，共56页。3.2.4 火焰加热表面热处理（1）火焰加热表面热处理，亦称火焰加热表面淬火，是用可燃气体燃烧产生的火焰快速加热钢件表面，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和淬硬层深度的表面热处理工艺。图3-24火焰加热表面淬火示意图第26页，共56页。3.2.4 火焰加热表面热处理（2）淬硬层厚度：通过调节喷嘴与工件的距离和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。一般在26 mm。表面淬火后一般需进行200

15、C左右的低温回火。钢的种类：中碳钢（35、40）及中碳合金结构钢(40Cr、65Mn）等。优点：设备简单，灵活性大，投资低，成本低。缺点：生产率低，质量控制困难，不易得到较薄（小于1mm）的淬硬层。应用：单件、小批量生产或其他方法处理不了的大件。第27页，共56页。3.2.5 感应加热表面热处理（1）利用电磁感应加热 原理，使工件表面 快速加热后急冷而 获得一定厚度表面 硬化层的热处理工 艺方法，也叫感应 加热表面淬火。图3-25感应加热表面淬火示意图第28页，共56页。感应加热的频率选用及淬透层深度 感应加热时，电流透入工件表层的深度（ mm），主要与电流频率（Hz）有关。对于碳钢，存在以下

16、的关系： =500/ 可见，电流频率越高，电流透入深度越浅，即淬透层越薄。因此，通过控制频率可以获得不同的淬硬层深度。感应加热一般分三类：a.高频电子管式加热装置:=200300KHz,淬硬层厚度0.52mm,用于在摩擦条件下工作的中小型零件，如小模数齿轮，小轴等。b.中频发电机或可控硅中频发生器：=25008000Hz,淬硬层厚度25mm，用于承受扭、压应力的中性零件，如大中模数齿轮、曲轴、磨床主轴等直径较大的轴类等。c.工频发电机： =50Hz，淬硬层厚度大于1015mm，大直径零件（大于300mm)。第29页，共56页。感应加热表面热处理的特点 ：高频感应加热时相变速度极快，一般只需几秒

17、或几十秒，与一般淬火相比，其组织和性能有以下特点：感应加热速度快，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80150C）下进行的，因此晶核多，且不易长大，淬火后组织为细隐晶马氏体，表面硬度比一般淬火高23HRC，脆性低。表层淬得马氏体后，由于体积膨胀在工件表层产生较大的残余压应力，显著提高了工件的疲劳强度。小尺寸工件可提高23倍，大尺寸可提高2030%。因加热快，无保温时间，所以工件氧化脱碳少。内部未加热，淬火变形小。加热温度和淬硬层深度容易控制，便于实现机械化和自动化。第30页，共56页。感应加热淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB等。这类钢经预先热处理（正火或调质

18、）后再进行表面淬火，心部保持较高的机械性能，而表面具有较高的硬度（大于50HRC）和耐磨性。高碳钢也可表面淬火，但主要用于冲击载荷较小的零件。感应加热表面淬火应用广泛，其产量可占机械零件总量的三分之一，适合大批量生产。缺点：设备较贵，维修、调整比较困难，形状复杂件处理也比较困难。第31页，共56页。第32页，共56页。3.2.6 激光加热表面热处理利用高功率密度的激光束扫描零件表面，将其迅速加热到相变点以上，然后依靠零件本身的传热，来实现快速冷却淬火。又称激光淬火。表面预处理：为克服固体金属表面对激光的高反射率，激光相变硬化前一般在工件表面预置吸收层，此过程称为黑化处理。采用的方法有：磷化法、

19、碳素法、油漆法、真空溅射钨等。参数：功率密度104W/cm2，单道扫描宽度220mm,扫描速度V=0.55.0cm/s 。如果速度过低，则冷速小，不能形成马氏体。硬化层深度：通常0.30.5mm，采用45千瓦的大功率激光器，能使硬化层达3mm。应用：主要用于在零件表面有选择地产生局部硬化带，以提高耐磨性和疲劳强度。第33页，共56页。与其他表面热处理相比的优点：硬化层质量优良，比常规淬火的表面硬度高1520%以上。（在激光束快速加热作用下，生成非常细小的且极不均匀的的奥氏体，经过快速冷却后，转变为极细小的马氏体）。零件变形小。（由于光子穿透金属的能力很差，只能使金属表面的一薄层的温度在微秒级（

20、10-6 10-12)内达到相变温度，并且加热是在表面上的一点（直径小于20mm），整个基体的温度在处理过程中可以不受影响。）第34页，共56页。能自冷淬火，不需要淬火介质。（激光加热一停止，被加热点的热向周围金属传导而降温冷却，冷却速度可达104 107/S)可对表面凸凹不平及形状复杂件进行淬火或局部淬火。(激光聚焦深度大，在75mm距离内的能量密度基本相同）易于实现自动化。热源洁净，无环境污染。缺点：设备贵，光电转换率低（小于15%），成本高，硬化层薄，只能取代部分热处理方式。第35页，共56页。3.2.7 电子束加热表面热处理原理与应用领域和激光相同。与激光相比的优缺点：项目电子束激光功

21、率可超过100KW目前最大20KW能量转换率达90%以上1015%预处理不需要需黑化设备简单复杂工作台一枪一台一枪多台投资及费用1/21/31条件真空空气中第36页，共56页。3.3 化学热处理3.3.1 概述将金属零件置于一定温度的活性元素介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，从而改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的工艺称为化学热处理。通过改变表面化学成分及随后的热处理，可以在同一材料的工件上，使心部和表面获得不同的组织和性能。例如，低碳钢渗碳并热处理后，在保持工件心部具有高的强韧性的同时，使表面具有很高的硬度和耐磨性以及耐蚀性的优良性能。分类：按渗入元素的不同，一般分

22、为渗碳、氮化、渗硼、渗金属（Al,Zn,Cr)等。如果同时渗入两种以上元素，则称之为共渗，如碳氮共渗、铬铝硅共渗等。作用：能有效地提高材料表面的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性以及疲劳强度等。使得用单一材料制作的零件，在表面和心部具有显著不同的两种性能。第37页，共56页。3.3.2 化学热处理的基本过程（原理）化学热处理的基本过程分为介质分解出活性原子、活性原子被金属表面吸收和吸收原子在金属内扩散三个阶段。（1）介质的分解：加热时含有渗入元素的介质首先分解，释放出欲渗入元素的活性原子。例如：渗碳 CH4=2H2+C（活性原子是指初生的，未结合成分子态的原子。）（2）表面吸收：分解出来的活性原子在金属

23、表面被吸收并溶解，超过溶解度时形成化合物。 活性原子被吸收的先决条件是活性原子能与基体金属形成固溶体或金属间化合物。（3）原子扩散 ：渗入元素的原子在浓度梯度的作用下，从金属表面向内部扩散，并与基体金属形成固溶体或化合物，达到一定厚度的渗层。 各个阶段都和温度有关。温度愈高，过程进行速度愈快，扩散层愈厚。但温度过高会引起奥氏体粗化，使基体金属变脆。所以，化学热处理是在选定合适的处理介质之后，最重要的是确定加热温度，而渗层厚度主要由保温时间来控制。第38页，共56页。3.3.3 常用的化学热处理方法及用途（1）渗碳：把钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入钢表面的工艺称为渗碳。目的：增加钢件表

24、层的碳含量，以提高硬度。方法：分固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，常用的是气体渗碳。例如，将钢件装在密封的渗碳炉中，加热到900950C，向炉内 通入渗碳气体，通过反应产生活性原子，使钢件表面渗碳。图3-26气体渗碳装置示意图第39页，共56页。渗碳工艺参数：包括渗碳温度和渗碳时间。 奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳加热到Ac3以上，一般900950C。 渗碳时间取决于要求的渗层厚度，一般要求渗层厚度在0.52mm，渗碳时间在39h。渗碳后的热处理：渗碳后要进行淬火和低温回火。渗碳的应用与性能：渗碳主要用于低碳钢，使钢件表面的含碳量大于1%，经过淬火和低温回火后，使表面硬度达到HRC6065以上，而

25、心部仍保持良好的韧性和塑性。与表面淬火相比，钢的的韧性（低碳）和硬度（表面碳含量高）都提高。用途：主要用于低碳钢制造的、同时受严重磨损和较大冲击载荷的零件，如汽车齿轮、离合器等。第40页，共56页。渗碳组织图3-27 低碳钢渗碳后缓冷的组织第41页，共56页。第42页，共56页。（2）氮化氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。目的：更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性及热硬性。氮化工艺：常用的也是气体氮化。 在500600C温度下，氨被加热分解出活性氮原子（2NH3=3H2+2N),N原子被钢吸收并溶入表面，在保温过程中向内扩散，形成渗氮层。渗氮时间一般为2050h，可形成0.30

26、.5mm的氮化层。氮化前钢件要先进行调质处理，以保证较高的强度和韧性。组织：最外层白色的(Fe4N)或(Fe23N)相氮化物薄层，中间是暗黑色含氮共析体+。见图3-28。第43页，共56页。渗氮组织图3-28 38CrMoAl钢氮化层的显微组织400第44页，共56页。氮化件的性能：钢件氮化后具有很高的硬度（HRC6973），并且在600650C下保持不下降。氮化造成表面压应力，使疲劳强度大大提高。氮化温度低，零件变形小。耐蚀性好，在水、过热蒸汽、碱液中稳定。氮化用钢及应用：氮化用钢：碳钢氮化时形成的氮化物不稳定，为此，常在氮化钢中加入Ti、AlV W、Mo、Cr Mn Fe。例如：35CrA

27、lA，38CrMoAlA，38CrWVAlA等。应用：用于耐磨性和精度都要求较高的零件。例如发动机汽缸、排气阀、精密机床轴、丝杆等。第45页，共56页。第46页，共56页。（3）渗金属渗金属工艺就是采用加热的方法，使一种或几种金属元素扩散渗入零件表面，形成表面合金层。这一表面层被称为渗层或扩散渗层。渗层具有不同于基体的成分和组织，可使零件表面获得特殊的性能，如抗高温氧化、耐腐蚀和耐磨损等性能。渗金属方法：粉末法、液体法、气体法、喷涂扩散法、料浆法等。粉末法最常用。第47页，共56页。粉末法渗金属的原理以渗铝为例：渗剂成分及工艺：铝铁合金粉40%80%， 0.5%2%NH4Cl (活化剂） ，余

28、为Al2O3。 温度8501050C，时间612h。 渗层深度：250600m。反应原理：NH4ClNH3+HCl6HCl+2Al2AlCl3+3H2在零件表面： AlCl3+FeFeCl3+Al图3-29 粉末法渗铝示意图第48页，共56页。常用的渗金属层及性能渗铝：用于提高铁基、镍基、钴基、钛基和铜合金的抗高温氧化和抗硫化物腐蚀性能。例如航空发动机叶片等。渗铬：提高钢和耐热合金的耐蚀性和抗氧化性，提高持久强度和疲劳强度，或用普通钢代替不锈钢。渗硅：提高铁基合金耐盐酸腐蚀性能，提高难熔金属（Mo，W，Nb)的抗高温氧化性（飞机、火箭、航天）。渗钒、铌、钛、铬：在钢表面形成碳化物层，具有极高的硬度，耐磨性好，耐酸腐蚀。各