《金属热处理原理与工艺》课件 第10 章　表面与化学热处理

第十章表面与化学热处理主要内容10.1表面热处理10.2化学热处理10.3钢的氮化10.4钢的碳氮共渗◆定义：钢的表面热处理是使零件表面获得高的硬度和耐磨性，而心部仍保持原来较好的韧性和塑性的一类热处理方法。与化学热处理不同的是，它不改变零件表面的化学成分，而是依靠使零件表层迅速加热到临界点以上(心部仍处于临界点以下)，并随之淬冷来达到强化表面的目的。◆表面热处理的方法：感应加热表面热处理、火焰加热表面热处理、电接触加热表面热处理和激光热处理等。10.1表面热处理◆主要优点：①加热速度快、热效率高；②热处理质量高（零件无氧化和脱碳，淬火变形小）；③便于实现机械化和自动化，且产品质量稳定。1.感应加热基本原理◆感应加热时，零件是依靠在其自身中流通的感应电流(或称涡流)产生热量而被加热的。◆导体中通过交变电流时会产生“集肤”效应，使截面上电流的分布不均匀，即表层的电流密度大，而心部的电流密度小。10.1.1感应加热表面热处理集肤程度随电流频率的增高而增大J0—导体表面的电流密度（A/m2）x—至表面的距离（mm）Jx—距表面x处的电流密度（A/m2）c—光速（3×108m/s）μ—被加热材料的相对导磁率f—电流频率（Hz）ρ—被加热材料的电阻率（Ω·cm）交变电流在导体中的分布如果把从表面到Jx/J0=1/e≈0.37处的深度定义为电流的透入深度δ，则在此深度内电流所产生的热量约为全部热量的85—90％电流频率愈高，电流透入深度小，根据零件淬火层深度来选定频率。电阻率愈大，导磁率愈小，则电流透入深度愈大。当钢件从室温被加热到1000ºC时，则电阻率将增大10倍；当温度超过居里点(A2)后，相对导磁率将由室温的200－600降到1(高斯／奥斯特)，因此电流透入深度将急增。这时整个电流透入层中的密度即迅速下降，从而使表层加热速度变慢，并导致温度沿断面的分布在表层较为平缓。1)快速加热时钢的相变特点◆临界点(Ac1、Ac3)升高，转变在一个较宽的温度范围内完成◆奥氏体晶粒较细，淬火后得到隐针马氏体组织◆奥氏体成分不均匀，有时组织中还残存一些第二相。对于亚共析钢，淬硬层内可能有铁素体存在，这是高频感应加热淬火常见的缺陷。预备热处理（调质处理、或正火处理），以获得尽可能均匀的原始组织10.1.2高频感应加热表面淬火后的组织与性能2)高频感应淬火后的组织分为三个区：Ⅰ区：加热温度超过Ac3，淬火后可得到完全马氏体的组织；Ⅱ区：加热温度处于Ac1~Ac3之间的一层，淬火后得到M+F的两相混合组织；Ⅲ区：温度低于Ac1的一层，基本上仍保留着原始组织。高频感应淬火后45钢的组织和硬度◆过共析钢高频感应淬火，一般表层组织为马氏体十碳化物十一定量的残余奥氏体；过渡层组织为马氏体十碳化物十少量屈氏体(或索氏体)；心部组织为珠光体＋碳化物3)高频感应淬火后零件的机械性能◆硬度：高频感应加热时，加热层的冷速实际上与零件尺寸无关，其淬硬层的硬度取决于钢的成分(主要是含碳量)和所得的组织。经高频感应淬火后，表面硬度要比普通淬火后高2~3HRC，有人将此称为超硬度现象。◆疲劳强度：高频感应淬火后可以有效地提高零件的弯曲、扭转疲劳强度，通常小零件可提高2~3倍，大零件可提高20~30％。1)加热温度和加热速度加热速度：高频感应加热时临界温度随加热速度而变，因此加热温度的选择必须考虑加热速度的影响。表面的硬度要求：在一定的加热速度下，在某一个温度范围内加热淬火后可获得最高的硬度。所选加热温度应落在该温度范围内。淬硬层要求的组织：原始组织愈不均匀，加热温度应愈高。10.1.3高频感应表面淬火工艺2)淬硬层深度和电流频率◆当淬硬层深度选定后，应当选择合适的电流频率，使电流透入深度能保证得到要求的淬硬层深度。外廓不太复杂的零件，电流透入深度（δ）与所要求的淬硬层深度(x)之间应满足下列经验关系：δ／4﹤x﹤δ，一般认为：x=0.4~0.5δ时最为合适，所以：15000/x2﹤f﹤25000/x23)单位表面功率和加热时间◆单位表面功率指被加热零件单位表面上实际接受的功率，单位表面功率愈大，加热速度愈快。◆当电流频率一定时，如要求的淬硬层愈深，则所选用的单位表面功率就应愈小，而相应的加热时间应愈长。4)高频感应淬火的冷却喷射冷却：淬火介质不存在气膜期，零件的冷速非常高。常用淬火介质：水、油、乳化液等。5)高频感应淬火后的回火应当进行适当的回火，以减小内应力，并达到所要求的机械性能。10.1.4激光热处理激光的主要特性◆高方向性，可认为光束基本是平行的。◆高亮度性，从激光器发射出来的光束可以通过聚焦，使其会聚到一个极小的范围，因而可具有非常高的能量密度。◆高单色性，从激光器发出的光的频率范围非常窄，使其相干性非常好。◆激光热处理的原理和普通热处理相同，只不过其加热时间很短(在千分之几到十分之几秒范围)，区域也很小，仅一个点、一条线或一个小面。利用激光作热源能使金属表面的一个小部分迅速升温；◆自行激冷淬火；◆表面温度和热穿透深度都与激光照射持续时间的平方根成正比。◆激光热处理时参数控制：调节光斑尺寸、扫描速度和激光功率三个因素。激光热处理工艺及其优点◆激光热处理的优点①处理过程极快，故大气气氛对表面的影响一般较小；②热能是由光束传递给零件表面，属无接触加热，不会发生因接触引起的表面沾污；③采用特制望远镜头聚焦，焦深很长(可达100—150毫米)，零件表面在焦深范围内上下变动，对光能的吸收无影响，处理表面凹凸不平的零件来说是非常有利的；④因加热区域小且是扫描式的加热，故热处理变形小；⑤可进行局部表面合金化处理，激光照射涂层或镀层表面，超过熔点，形成一层薄的具有特殊性能的合金化表层；⑥易实现自动化，并可节约能量和改善劳动条件。化学热处理：将钢件在特定的介质中加热保温，以改变其表层的化学成分和组织，从而获得所需要的力学或化学性能的工艺的总称。场合：对零件的表面和心部有不同性能（力学性能、化学性能等）要求；例子：齿轮、轴、涡轮叶片；化学热处理方法：渗入法－－在零件表面渗入某种或某几种元素（共渗）→渗碳、渗氮、渗铝、渗硼、碳氮共渗、铬铝硅共渗等10.2化学热处理渗碳：将钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的热处理工艺。工艺种类：气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳气体渗碳优点：碳势可控、生产率高、劳动条件好、可以直接淬火，因此应用最广泛。10.2.1钢的渗碳气体渗碳过程分为3个阶段：分解、吸收、扩散。1）渗碳介质的分解两类气体渗碳方法：◆一类是用吸热式或放热式可控气氛作为载体气，再加入碳氢化合物气体(如甲烷、丙烷、天然气等)作为富化气以提高并调节气氛的碳势。◆另一类是将含碳有机液体直接滴入渗碳炉，在其中产生所需要的气氛10.2.1渗碳原理2）碳原子的吸收◆活性碳原子被钢件表面吸收的条件：增碳反应必须在钢件表面进行工件表面足够清洁活性碳原子被吸收后，剩下的CO2、H2或H2O要及时地被赶走控制分解与吸收两个阶段，使之在速度上恰当配合，避免积碳。3）碳原子的扩散◆碳原子由表面向心部的扩散是渗碳得以继续进行并获得一定渗层深度所必需的。◆扩散的驱动力是表面与心部的碳浓度差已知碳的原子半径为0.077nm，铁的原子半径为0.127nm，碳在铁中形成间隙式固溶体，故碳在铁中的扩散以间隙扩散的方式进行。碳的扩散系数比形成置换固溶体的合金元素如镍、铝等的要大得多。碳在γ-Fe中的扩散系数为：

4）钢中合金元素对渗碳过程的影响合金元素对表面碳浓度的影响:碳化物形成元素如Ti,Cr,Mo,W及含量大于1％的V,Nb等，都增加渗层表面碳浓度；凡非碳化物形成元素如Si,Ni,Al等都降低渗层表面碳浓度。当合金元素含量不大时，这种影响可以忽略。合金元素对渗层深度的影响：

Mn,Cr,Mo能略微增加渗层深度；

W,Ni,Si等则使渗层深度减小。合金元素是通过影响碳的扩散系数和表面碳浓度来影响碳的扩散速度的。例如镍，虽然它增大碳在钢中的扩散系数，但它同时又使表面碳浓度降低，而且后一种影响大于前者，所以总结果仍然是使渗碳层深度下降。工业上常用的钢种一般不仅含一种合金元素，因此要考虑各元素的综合影响。合金元素对渗层深度的影响1）工艺过程◆渗碳钢：含碳量一般在0.12～0.25％之间，保证较高塑性和韧性。◆切削加工零件在渗碳前要经过三氯乙烯蒸汽除油或汽油清洗或吹砂，以除去表面的油污、锈迹或其它脏物。◆局部渗碳的零件要在不渗处涂防渗膏或镀铜加以保护。◆零件在料筐或料盘内必须均匀放置，以保证加热和气流的均匀性，也就是渗碳的均匀性。◆渗碳过程中必须恰当地控制气氛碳势、温度和时间，以保证表面含碳量、渗层深度和较平缓的碳浓度梯度。◆渗碳后，根据炉型或采用直接淬火或重新加热后淬火和回火，以获得预期的性能。10.2.2气体渗碳工艺2）渗碳工艺参数的选择与控制气氛碳势的选择与控制：一般渗碳件表面含碳量在0.6～

1.1％间一般低合金渗碳钢，表面碳含量0.8～

1.0％；对于Ni,Cr含量较高的钢，表面碳含量再降低一些。控制气氛碳势的方法，目前最广泛使用的是红外线仪。控制系统应该对0.01～

0.02％的CO2含量的变化作出响应。渗碳温度的选择与控制：渗碳温度是渗碳工艺中极为重要的参数◆温度影响着分解反应的平衡：温度每降低10℃，将使气氛碳势增加大约0.08％；◆温度也影响着扩散速度：温度每提高100℃可使渗层深度增加一倍；◆温度还影响着钢中的组织转变：温度过高会使钢的晶粒长得很大，从而降低钢的韧性；渗碳时间的确定与控制：◆渗碳时间：影响渗层深度，同时也影响碳浓度梯度。◆渗碳时间与渗层深度的关系：

d—渗层深度（mm)t—渗碳时间（h）T—渗碳温度（K）3）工艺参数的综合选择◆由于各工艺参数间互相影响较大，同时也为了缩短渗碳的总时间◆整个渗碳过程分为四个阶段①升温阶段，是工件达到渗碳温度前的一段时间，用较低碳势；②高速渗碳阶段，在正常温度或更高温度和高于所需表面含碳量的碳势，时间较长；③扩散阶段，工件降到(或维持在)正常渗碳温度，碳势降到所需表面含碳量，时间较短；④预冷阶段，使温度降到淬火温度，便于直接淬火。高速渗碳和扩散阶段的工艺以使整个渗碳时间比一个阶段(或不分阶段)的渗碳缩短20-60％，还可以使碳浓度在近表面处变化平缓，从而得到较深的有效硬化层。◆渗碳后必须进行热处理—即淬火和回火◆成分分布：钢件经渗碳后，从表面到心部形成了碳浓度梯度◆渗碳后的缓冷组织：低淬透性钢(如碳钢)将得到珠光体型组织。在过共析成分区为珠光体十网状渗碳体；共析区为珠光体；亚共析成分区为珠光体十铁素体，不同含碳量的组织连续排列。◆渗碳的目的：表面高硬度和高耐磨性10.2.3.渗碳后的热处理(d)过渡区(a)(b)(c)20钢经930℃渗碳缓冷后的组织，400x，(a)表面→(d)过渡区◆渗碳件淬火温度选用原则：过共析钢的淬火温度应低于Accm，而亚共析钢的淬火温度应高于Ac3。Accm＞Ac3，容易选择淬火温度满足表面和心部的要求；如果Accm≤Ac3，则很难同时兼顾表面和心部的不同要求。实际上，直接淬火的温度通常是在820-850℃之间，这样的温度高于Ac1，接近于一般钢心部的Ac3，而略低于表层的Accm，可以满足两方面的要求。一次加热淬火：井式炉不方便直接淬火，多采用一次加热淬火法。二次加热淬火法对于高温(980～1050℃)渗碳的零件是不可缺少的。通常第一次淬火温度高于心部的Ac3，第二次淬火温度在渗层的Ac1～Accm之间。经过两次淬火，晶粒可以得到充分的细化，表层的碳化物会变成粒状，残余奥氏体也会适当减少。2）回火◆必须进行回火◆回火温度：150～190℃◆低温回火至少能消除部分内应力和使残余奥氏体趋于稳定。3）冷处理◆冷处理的作用是消除或减少残余奥氏体，从而适当提高渗层的硬度。◆冷处理生产成本高，又增加了工序，因此除特殊的渗碳零件外，很少采用。◆表面硬度偏低：原因可能是表面脱碳，或出现了非马氏体组织，或者是表层马氏体的回火抗力太低。◆渗层深度不足或不均匀：原因渗碳时间短，而深度不均匀则说明炉气循环不良或温度不均匀。◆金相组织不合格，例如渗层出现网状碳化物或大块状碳化物；晶粒粗大(表现为淬火后马氏体针粗大)；渗层残余奥氏体过多；心部铁素体过多等。10.2.4渗碳热处理常见缺陷解决办法：首先是不要采用过高的气氛碳势，从根本上防止生成网状碳化物；其次是采用细晶粒钢；第三可用一次重复加热淬火(当出现粗大晶粒或网状碳化物时)；第四可采用冰冷处理以消除残余奥氏体，第五可提高淬火温度以减少心部铁素体。◆渗碳层出现内氧化：选择性氧化（CO2,H2O,O2等造成）。◆零件变形超差：淬火内应力太大造成。◆心部硬度过高：心部含碳量太高造成。◆渗碳可以在多方面提高钢的机械性能◆渗碳并淬火后提高钢的硬度和耐磨性：随着表层含碳量的提高，渗碳淬火后钢的硬度自然会提高。表面硬度的提高对于抵抗均匀磨损或磨耗有直接的好处；此外，通过合理选择表面碳浓度、渗层的浓度梯度和渗层深度及恰当热处理的条件可以在表面层造成残余压应力以部分抵消最大应力值。因此渗碳也可以提高钢的接触疲劳强度。◆降低冲击韧性和断裂韧性：钢经渗碳后冲击韧性和断裂韧性都会降低，而且表面含碳量越高、渗层越深，则这两种性能降低得越多。10.2.6渗碳后钢的机械性能◆显著提高疲劳强度或疲劳寿命：这是因为在淬火时，高碳的渗层发生马氏体转变比心部晚，且其马氏体的比容比心部大得多，使表层产生较大的残余压应力，这种残余压应力可以抵消相当一部分由于外加负载在表层引起的拉应力，从而提高疲劳强度。渗层的高强度也使疲劳强度提高。表面碳含量超过0.8％时，由于表面层出现过多的残余奥氏体使表面硬度和表层压应力都下降。因此疲劳强度会下降。渗碳后二次淬火的试样具有最高的疲劳强度，一次淬火者次之，直接淬火者最低。10.3钢的渗氮1.渗氮的特点和分类◆渗氮是以氮渗入零件表面，从而提高其硬度、耐磨性和疲劳强度的一种化学热处理方法。◆渗氮后的性能特点高的硬度和耐磨性，氮化层的硬度非常高，HRC70以上，高硬度可保持到500℃；高的疲劳强度，原因是氮化层内残余压应力大；变形小而规律性强，原因是氮化温度低；较高的抗“咬卡”性能；较高的抗蚀性能，原因是ε化合物层的形成。◆氮化的主要缺点是处理时间长、生产成本高、氮化层较薄且脆性较大。◆氮化方法：普通氮化、离子氮化2.铁－氮相图和纯铁氮化层的组织◆两个共析反应在590℃、2.35%N处：γ→α＋Fe4N（γ'）在650℃、4.55%N处：ε→γ+γ'3.软氮化◆软氮化---铁素体氮碳共渗，是在液体氮化和低温液体氰化的基础上发展起来的。◆软氮化所使用的盐浴一般是40～50％NaCN＋30～40％Na2CO3＋20～25％KCl；或者是55～65％NaCN＋35～45％KCN。这种盐浴依靠自然氧化以获得氰酸根：◆通过上述反应就获得了活性的碳、氮原子。◆采用向上述盐浴中通入干燥空气或氧气的办法，使上述反应强化，从而发展了所谓液体软氮化或吹气氮化方法。◆气体软氮化方法50％NH3＋50％吸热式气氛20％NH3＋80％放热式气氛尿素热分解气2）软氮化处理后钢的组织和性能特点◆软氮化：在可以同时提供C、N原子的介质中于570±10℃处理0.5～5h。软氮化后的性能和使用特性◆软氮化可以大大提高零件的耐磨性和抗咬卡、抗擦伤的性能。软氮化之良好耐磨性来源于其化合物层的组织。该组织不仅耐磨性好、摩擦系数小，且