15 钢的热处理（4 钢的表面淬火和化学热处理）

5.5钢的表面淬火5.6钢的化学热处理机械工程材料第五章钢的热处理热处理的定义和分类机械工程材料5.5钢的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。表面淬火加热方法：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。机械工程材料1感应加热表面淬火：

利用感应电流通过工件所产生的集肤效应和热效应，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。基本原理如图所示。1-工件2－加热感应圈（接高频电源）3－淬火喷水套123机械工程材料5.5钢的表面淬火感应电流透入工件表层的深度主要取决于电流频率。感应电流透入工件表层的深度δ（mm）与电流频率f（Hz）之间有如下关系：20℃冷态：800℃以上热态：机械工程材料5.5钢的表面淬火表5-4感应加热的种类、有效淬硬深度、主要特征和应用范围种类常用频率/kHz有效淬硬深度/mm主要特征和应用范围高频感应淬火200~3000.5~2.0适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸轴类零件中频感应淬火2.5~82~10适用于大、中模数齿轮和较大尺寸的轴类零件工频感应淬火0.0510~15适用于轧辊、火车车轮等大直径零件的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2~3HBS，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2~3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。感应加热表面淬火特点：缺点设备比较昂贵，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。机械工程材料5.5钢的表面淬火2火焰加热表面淬火：

火焰加热表面淬火是指利用氧－乙炔（或其他可燃气）火焰对零件表面直接加热，随之立即喷水冷却，以获得表面硬化效果的淬火方法，如图所示。机械工程材料5.5钢的表面淬火优点：设备简单，操作方便，成本低；适用于多品种、单件或小批量生产，对处理大型零件的表面有优势。缺点：生产效率低；淬火质量受操作者个人水平的影响较大，容易出现表面过热、过烧局部表面融化等缺陷；只适应于方便喷射的表面，不适应薄壁件。化学热处理

定义

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。化学热处理的基本过程１）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。２）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。３）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。机械工程材料5.6钢的化学热处理钢的渗碳定义

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。渗碳的方法根据采用渗碳剂的不同，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。渗碳的目的：提高工件的表面硬度和耐磨性。钢的渗碳机械工程材料5.6钢的化学热处理定义：工件在气体渗碳介质中进行渗碳的工艺。如图，将装挂好的工件装入密封的渗碳炉内，滴入煤油、丙酮或甲醇等渗碳剂并加热到900-950℃，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。渗碳炉示意图炉体工件耐热罐电阻丝砂封炉盖风扇电动机废气火焰9

煤油气体渗碳机械工程材料5.6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0.80-1.05％，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。气体渗碳低碳钢渗碳缓冷后的组织200×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0.10-0.15mm估算，或用试棒实测确定。机械工程材料5.6钢的化学热处理气体渗碳表层组织为回火马氏体和细粒状碳化物，硬度可高达58-64HRC；心部组织为低碳马氏体或珠光体型组织，硬度较低。渗碳淬火及低温回火后工件表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有良好的韧性。渗碳后的热处理-淬火及低温回火（a）直接淬火法（b）一次淬火法

（c）二次淬火法时间时间AcmA3A1时间渗碳温度160-180℃机械工程材料5.6钢的化学热处理渗氮定义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。渗氮用钢提高耐腐蚀性,用优质碳素结构钢,如20钢、30钢、40钢提高疲劳强度为主的渗氮,选用一般合金结构钢，如40Cr以提高耐磨性为主的渗氮，一般选用渗氮专用钢38CrMoAl钢的渗碳机械工程材料5.6钢的化学热处理图5-50渗碳后的热处理示意图2、氮化渗氮方法

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500-600℃的温度下分解，产生活性氮原子，分解反应如下：2NH3→3H2+2[N]

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。钢的渗碳机械工程材料5.6钢的化学热处理

碳氮共渗是指使工件表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。主要有液体和气体氰化两种。液体氰化有毒，很少应用。气体氰化又分高温和低温两种。低温气体氰化又称气体软氮化，其实质就是氮化，但比一般气体氮化处理时间短，氮化层有一定韧性，软氮化层较薄，仅为0.01-0.02mm。高温气体氰化以渗碳为主，工艺与气体渗碳相似，渗剂为煤油和氨气。氮的渗入使碳的渗入加快，从而使共渗温度降低，处理时间缩短。碳氮共渗机械工程材料5.6钢的化学热处理机械工程材料5.6钢的化学热处理表5-6表面淬火、渗碳、渗氮及碳氮共渗化学热处理工艺比较工艺方法表面淬火渗碳渗氮碳氮共渗工艺过程表面加热+低温回火渗碳+淬火+低温回火渗氮渗氮共渗+淬火+低温回火生产周期很短，几秒钟到几分钟长，3~9h很长，20~50h短，1~2h硬化层深度/mm0.5~70.5~20.3~0.50.2~0.5硬度/HRC58~6358~6365~70(950~