第10章 特种热处理

第十章特种热处理§1表面热处理

一、感应加热表面热处理1、目的：提高表面硬度、疲劳强度2、工序：中碳或中碳合金钢（通常）→预备热处理（调质或正火）→表面感应加热淬火→低温回火→三层组织（表层→过渡区→心部）3、原理电磁感应：工件产生涡流→与线圈中交流电频率相同、大小相等、方向相反→电能转换为热能集肤效应：电流密度表面高→表层加热;频率↑→效应↑透热深度δδ

：Jx/Jo≈0.37内的深度，产生85~90%热量，此处为δ℃↑→电阻率↑、导磁率↓→δ↑℃大于居里点后，导磁率=1，δ↑、但加热层电流密度Jx↓→不容易过热电阻率在800~900℃，基本不变，∴

δ主要与f有关频率f↑→δ↓4、分类高频

100-500KHz淬硬深度

0.5-2mm中频500-8000Hz淬硬深度3.5-20mm工频

50Hz淬硬深度50mm大型工件5、特点相变临界温度提高加热速度快（组织细、成分不均匀）表面质量好（变形小、氧化脱碳少）自动化性能好感应器设计复杂6、组织与性能（1）淬火组织例1：45钢正火预备热处理→感应加热→由

表及里→完全A、半A+F、Ac1以下→淬火后相应的组织为→？例2：45钢调质预备热处理→感应加热→由表及里→完全A、半A+F、Ac1以下粗化的回火S、原始回火S→淬火后相应的组织为→？；硬度？例3：过共析钢（2）性能（过渡区窄好）硬度比整体淬火高→耐磨性高（比渗碳效果差）

高硬度原因可能是：表面残余压应力；细晶；脱碳少；冷速快→残余A少疲劳强度比渗碳效果好原因：残余压应力；隐晶静强度高综上所述提高疲劳强度→选择感应加热提高表面耐磨性→选择渗碳7、工艺参数（1）温度（热参数）：依据材料成分、加热速度确定加热速度↑→Ac1↑、Ac3↑→温度↑→参考图10-3，一般为Ac3+120~180℃由设备功率确定加热速度后，温度合适→组织正常原始组织粗、不均匀

→温度↑

（2）时间经验观色法光电高温计测温单位功率大，加热速度快，时间短通常由时间控制加热温度金相组织M针长度评估颜色温度颜色温度颜色温度淡黄220蓝黑300黄色850~950暗黄245黑色470白色1200~1300赤褐265暗红550~600灰白色1350紫色285红色700~800

根据颜色判定工件的加热温度

光学高温计根据物体发光亮度原理实现测温。物体发光亮度一般不受表面质量和介质的影响，经验估计误差在10℃内。（3）单位表面功率ΔPΔP→加热时工件单位表面实际能得到的功率，由设备电源功率控制△P

↑→加热速度

↑加热速度

太快→难控制加热速度太低→效率低，过渡区宽→性能差∴△P=0.3~1.5vkW/cm2为适宜设备功率不够→连续加热；否则→整体加热（4）加热速度加热速度不是常数，初期材料铁磁性→加热速度快→超过居里温度→加热速度慢居里温度后，为了使表面A化→必须加大设备功率→控制加热速度（5）淬硬层深度x与频率f淬硬层深度

x：根据经验→工件半径的10%左右→性能最佳由x确定透入深度δ→再选择f→根据f选购设备（设备确定后，f不可以调节）为保证淬硬层温度均匀，δ>x，δ过大，电效率低，故一般取x=(0.4~0.5)δ最佳性能时→

x与f关系为：f=60000/x2（6）冷却浸液冷却喷射冷却：自喷；分离式喷射（7）回火炉内回火感应回火：大件，加热层大于淬硬层自回火，AR多、硬度低小结根据X确定f→买设备→功率→加热速度→加热时间根据加热速度、材料成分、原始组织粗细→加热温度由加热时间控制加热温度8、检测表层、心部硬度表层、心部组织层深、分布合理9、感应器设计(1)作用及用材紫铜或电解铜→电能转换为磁能（换能器）（2）设计理论集肤效应：实现表面加热环状效应圆环状线圈截面→环内侧电流密度大→对加热内孔工件不利。f↑→效果↑所以，感应器最好设计为长方形截面邻近效应

：两导体相距很近时→磁场相互作用→磁力线重新分布两导体内电流方向相反→内侧电流密度高（比如感应加热线圈与工件）两导体内电流方向相同→外侧电流密度高以上效果随频率↑→明显尖角效应工件尖角、棱边、凸起部分→磁力线密集→容易过热→设计时应加大间隙（3）感应器尺寸截面形状：长方形→避免环状效应高度短工件：感应器高度h1小于工件高度h2→避免尖角效应h1

=h2-2s（s为间隙）长工件：h1大于感应区长度5~20%→弥补轴向散热线圈壁厚大于透入深度δ→保证线圈的力学性能。线圈与工件的间隙s影响加热质量、线圈寿命、效率，参考相关资料S大→加热时间长→层深大；S小→容易击穿线圈一般单匝导磁体：中频用硅钢片；高频用铁氧体材料制作。收集开口处的散磁→

实现内孔加热。磁屏蔽：铜环（抗磁材料）→反向磁场→削弱铁磁材料→导磁好→漏磁表面淬火用材中碳球铁低淬透性钢限制或降低合金元素，降低淬透性加入Ti，细化晶粒二、激光表面淬火目的：同表面感应淬火激光：大于X射线，小于无线电波，原子从高能向低能跃迁辐射产生与金属的作用激光照射在材料表面，材料吸收光子能量→产生热量因光子穿透金属的能力低→光热转换仅在表面→表面淬火分类固体激光；液体激光；气体激光；半导体激光，实用的是固体和气体激光。CO2气体激光器特点：功率大、效率高、可以连续工作，容易被物质吸收；也可以用Ar、He气体设备：激活媒质→CO2激发装置光学谐振腔：由激光腔体（

光学振荡）

和反光镜组成1、激光的产生

在激发光或电作用下→处于高能阶激活媒质CO2被激发→跃迁到低能阶→发射1个光子（与入射光子的传播方向、频率、波长相同）→2个光子在谐振腔内转播→在轴向两端的2个反光镜作用下往返振荡→激发其他CO2媒质→获得更大的增益→持续进行→形成激光→与工件表面电子、声子的能量交换→升温2、激光特性高方向性：基本平行，发散角小高亮度性：聚焦→能量高高单色性：频率窄，相干性好

三者相互关联3、激光加热金属光斑小、集束光强度高（点、线、面扫描加热）热能几乎全部被金属吸收，为了避免表面过热、熔化，最高温度<1200，最大硬化层深度为表面至900℃处功率密度高、时间短→层浅除吸收的激光外，还有一部分反射（影响吸收）激光前黑化处理：氧化、磷化、涂石墨→表面粗糙、无光→减少反射→有利表面加热利用反射率→实现选择性图案硬化4、工艺参数：功率密度F；束斑直径D；扫描速度V，根据经验控制表面温度和深度F↑、时间短→淬硬层↓F一定时，V↑→淬硬层↓，硬度↑光斑面积、扫描速度一定→功率↑→淬硬层↑表面温度、透入深度与时间的平方根成正比自行淬火5、热处理特点速度极快→3~5

×103℃/s→

细晶、氧化少表面无接触加热、无冷却介质→无污染形状复杂的工件容易淬火→适用性强（盲孔）束斑加热→区域小→

变形小可以进行表面局部合金化涂、镀（结合力好、合金层均匀）自动化容易烧伤眼底6、组织、性能（与感应加热比）淬硬层→三层M超细化→性能更优冲击加热碳化物容易溶解→碳化物超细化淬硬层中位错密度高层浅硬度（比普通淬火高

15%）疲劳性能高

（表面残余压应力大）§2真空热处理一、简介1、真空：负压+任何气态空间2、真空度：负压程度。负压程度↓→真空度↑3、炉气：加保护气(惰性气体)→排除杂质气体，即：残存炉气工件、炉体释放气体密封件、油挥发气体外界气体4、真空热处理：加热、冷却均在真空状态下进行4、特点变形小（原因不详）→不用留加工余量和校直工件性能好、寿命长（脱碳、氧化、腐蚀少）节省能源设备使用绝热、热容小的隔热材料（石墨毡、陶瓷纤维）→散热少、热效率高真空中炉气少→出、装炉带走的热损失少无热处理以后的精加工污染少、无公害（无废气）设备成本高

综上所述：具有高质量、低能耗、无公害优势，适宜一般热处理无法满足要求的工件二、真空热处理的特异效果和伴生现象1、表面保护

在极稀薄气体中→工件界面的氧化、还原、脱碳、增碳反应→弱→化学活性极低2、表面净化残存氧气少→氧分压低→金属氧化物容易分解→清洁、性能↑另外，石墨加热元件、油蒸气提供的碳与残存的氧气作用→氧分压进一步降低→氧化物容易分解→净化意义适合精密工件的热处理增加化学热处理的渗速、渗层均匀3、脱脂

机加工油污→分解→排气清除4、脱气高真空度→工件内气体体积迅速↑→溶解气体释放气体的溶解度与其分压的平方根成正比现象：炉气压小于合金蒸汽压→加热后→合金逸出表面→工件之间、工件与夹具之间粘连危害：尺寸精度降低；合金贫化；设备绝缘性降低、寿命下降措施选择合适的真空度→炉气压大于金属蒸汽压用高纯度惰性气体调节真空度影响因素温度高→容易Mn、Cr最容易发生5、合金蒸发6、真空加热油淬火引起工件渗碳现象：淬火后工件表面增碳。原因：真空加热→表面净化→活性状态→油蒸汽→表面渗碳措施浸油前→在中性气体中对流冷却→降低温度→再淬火淬油前→油上方处于低压→降低气体密度淬油前→工件稍微氧化→减轻中性气体淬火（氮气、Ar）三、应

用1、真空退火目的：表面达到一定的光亮度效果取决于钢种（高Cr钢容易形成氧化膜→光亮度差）真空度高→好出炉温度高→差工艺：参照普通退火2、真空淬火、回火淬火工艺同普通淬火变形小于普通淬火（随炉升温、气淬均匀）低压→淬火效果差（所以淬前通氮气）回火：排气、升温→通惰性气体（600℃以下对流传热）真空淬火油蒸发少→污染小蒸汽压低→真空效果好冷却能力在较大的真空度范围内不受影响热稳定性好→抗老化真空度对淬火油有影响，在临界压力以上使用3、真空渗碳（1）特点（与普通渗碳比）时间短（高温+净化作用）质量好：层深均匀、表面光洁、无内氧化、浓度梯度平缓劳动条件好：无污染、散热小（2）介质甲烷、丙烷→反应→[C]实际上，先过量渗碳→再扩散调整（3）工艺排气、升温

材料脱气、净化→真空度降低渗碳：真空度恢复，1030~1050℃渗碳，数分钟→渗碳气体进入→真空度下降→停止供碳→扩散→恢复真空度→循环间歇渗碳淬火：渗毕→炉内冷却室→通氮气、冷却到550~660℃→再加热重新A化淬火（通氮气加压→提高油的冷却能力）只有富化气甲烷或丙烷、无载气工艺参数经验控制温度高→渗速快；时间短→晶粒与普通渗碳相当渗碳时间短→浓度梯度平缓间歇通入渗剂→渗碳气氛流动性好→渗层深度均匀4、真空热处理后钢的性能强度提高疲劳性能寿命高耐磨性高5、注意事项背阴处防止加热不均匀辐射加热温度滞后于炉温→保温时间增加防止合金蒸发；淬油时增碳§3形变热处理特点：压力加工+热处理→形变强化、相变强化→提高材料的强韧性，简化工艺流程。两工艺可以同时、也可以分别进行。形变方式：锻、轧、挤压、冷拔……相变方式：F/P、B、M、时效沉淀硬化一、分类1、按照相变与形变顺序相变前形变：a）、b）、c）、d）、e）图相变中形变：f）图相变后形变：2、按照形变温度高温形变热处理：A状态下形变→余热淬火、正火中温形变热处理：低温形变热处理：A化后→速冷到最大孕育期温度→形变3、按照相变类型：P形变；B形变；M形变；时效二、工艺1、相变前形变（1）高温形变热处理淬火：Ac3以上形变→淬火→适当回火正火：Ac3以上形变→空冷或控冷→形成→F+S或B。例如：控轧控冷→终轧Ar3附近或两相区+足够大变形量+控冷细化F和第二相→强韧性提高等温淬火：Ac3以上形变→B区等温（2）低温形变热处理淬火：A化后→速冷到500~600℃（亚稳定区）→形变→淬火高硬度、强度（与普通淬火比较）高硬度，可保持到600℃随C%、变形%↑→强度↑等温淬火：A化后→速冷到500~600℃（亚稳定区）→形变→B区淬火2、相变中形变热处理（1）等温形变热处理Ac3以上A化→速冷到Ac1下P或B区→相变+形变（2）M相变+形变（Md~Ms）奥氏体不锈钢：室温形变→A加工硬化+诱发部分M形成+M的加工硬化→强度提高变塑钢（TRIP钢）原理：Ms低于室温（室温A状态）→

使用时诱发M→材料高强度、超塑性工艺：1120℃固溶→室温为A→450℃形变(A强化)→冷处理(产生少量M)。升至室温形变→又诱发一部分M（提高塑性）、同时A进一步

加工硬化→提高材料强韧性→回火组织：A+少量M3、相变后形变（1）P冷变形例如：钢丝A化→Pb浴等温→细S→冷拔→F形变强化+细小碳化物→强度提高（2）P温加工例如：轴承钢退火态（P或S）→加热700~750℃（两相区）形变→缓冷球化→快速球化、质量好）（3）回火M形变时效回火M少量变形→位错密度增加+C钉扎→强度提高→再次回火ε固熔→强化C钉扎作用三、形变热处理强、韧化机制1、组织细化变形%大→M细化↑低温形变淬火→增加形核部位+各种形变缺陷阻碍M长大→M细化↑高温形变淬火→A晶粒拉长→限制M生长→细化↑P等温形变处理→碳化物形态转变为细粒P形变强化效果最好，B次之，M效果一般2、位错密度增加、亚结构细化A位错密度被M继承亚结构胞状、位错墙更细→强、韧性提高对M强化作用大，B强化作用一般，P无作用3、碳化物弥散强化高位错→碳化物弥散析出+形变时碳化物使位错增殖→强度提高碳化物析出→M中碳%降低→塑性提高四、影响强韧化的因素1、形变温度动态再结晶→软化；形变→硬化形变%一定时，温度低→强度高、塑性降低2、变形%低温形变淬火：变形%大→强化效果好；塑性略低高温形变淬火：合金元素使再结晶延缓→变形%大→合金钢强化效果主导；普通钢反之。3、形变后、淬火前的停留时间低温形变淬火：A形变后→加热到略高于形变温度保温→A多边化→淬火回火后→塑性大幅度提高、强度略降高温形变淬火：形变温度高于再结晶温度→回复、多边化、再结晶相继发生→性能随之非单调变化§4钢的时效一、时效过程的机理1、时效：材料性能随时间变化的现象2、工艺：固溶快冷→过饱和固溶体→室温或加热→溶质脱溶或析出3、类型：自然时效；人工时效4、时效条件溶质在固溶体中有一定溶解度，并随温度下降处于过饱和态溶质在较低温度下仍有扩散能力最后形成平衡相，非共格，固溶度小。与基体相之间浓度差最大。再形成多种亚稳定过渡相，与基体结构不同，可能半共格或完全共格5、过程先形成亚稳定偏聚区（共格G-P区或柯氏气团），固溶度最大，与基体相之间浓度差最小。6、规律以上三阶段有各自的固溶度曲线。析出顺序：G-P区→介稳定过渡相→平衡相原因：G-P区共格、界面能小→容易形核G-P区与基体浓度差小加热超过G-P区溶解度曲线→直接形成过渡相，无G-P区。G-P区加热→超过溶解度曲线→溶解→回归到时效前过时效二、影响因素1、时效温度、时间温度作用大，时间次要