金属材料及热处理 课件 5钢的热处理-3

钢的热处理钢铁材料的表面热处理钢的淬透性

钢铁材料的表面热处理心部：硬度低韧性高在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。表面：硬度高，耐磨表面和心部性能要求不同的零件实例心部：塑，韧，耐冲击某些轴、齿轮、凸轮的机械性能表面：硬，耐磨，耐疲劳MF,P

在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。低碳钢：可满足心部要求，表面要求不能满足；高碳钢：可满足表面要求，心部要求不能满足；解决思路：化学热处理表面淬火选材低淬透性材料工艺只改变表层组织首先改变表层成分和组织，然后再淬火表面热处理钢的表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。火焰加热感应加热基本原理：集肤效应交流电频率↑集肤效应明显加热层薄淬硬层薄交流电频率↑↑涡流全部集中在最表层感应加热表面淬火1Inductionhardening

感应加热:利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法感应加热表面淬火示意图感应加热分为：①高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm②中频感应加热频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm。③工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度10-15mm各种感应器感应加热inductionheating感应加热自动生产过程高频感应淬火表面淬火用钢表面淬火一般采用中碳优质结构钢，如45钢。在表面淬火后即保证硬化层有足够的硬度和耐磨性，又无明显的脆性；同时心部能保持原有的强度和塑性、韧性。含碳量过高，表面硬化层易形成淬火裂纹，含碳量过低，硬度又显不足。硬化层要求较深时，可采用中碳合金结构钢。常用牌号：35、40、45、50；40Cr、40MnB等。锻造精机加工精磨感应加热表面淬火低温回火调质粗机加工正火或退火感应加热表面淬火零件的一般工艺路线为：

工艺路线：零件：工件整体正火或调质―局部表面淬火、低温回火组织：S+T或S回HRC25M回HRC58-62目的：保证心部强韧性――表面M强化――改善韧性工艺特点：①加热速度快，时间短表层为极细的隐晶M→硬度高、脆性低σ-1↑②变形小，不易氧化脱碳③易机械化、自动化④设备价贵，维修调整困难适用于：需淬硬层薄的中、小零件多用于：中碳钢、中碳合金钢分类高频(200~300KHz)超音频(20~40KHz)中频(2.5~8KHz)工频(50Hz)各种感应器火焰加热flameinduction火焰加热表面淬火2

将高温火焰喷向工件表面,使其迅速加热到淬火温度,然后以一定的淬火介质喷射于加热表面或将工件浸入冷却介质中进行冷却的淬火称为火焰加热淬火。

特点：操作简便设备简单，成本低，灵活性大；加热温度不易控制，淬火质量不稳定；主要用于单件、小批量生产的大型零件。火焰加热表面淬火

钢的化学热处理目的强化表面→↑表面HRC，耐磨性，σ-1心部塑韧保护表面→↑表面抗蚀性，耐热性基本过程分解--吸收--扩散常用方法渗碳渗氮碳氮共渗气体渗碳固体渗碳渗碳原理：钢件表面化学成分改变，依赖于介质中的活性元素在钢中的扩散。主要有：介质的分解、钢件表面的吸收、渗入元素向钢件内扩散达到一定深度。1.钢的渗碳GascarburizingSolidcarburizing渗碳用钢：低碳钢，含碳量低保证心部足够的塑韧性，并且有利于碳的渗入，提高表层含碳量，一般达到过共析钢的范围。渗碳钢一般应防止晶粒长大。常用牌号：15、20、20CrMnTi，20Cr等。工件表层心部成分(%C)0.85-1.050.1-0.25缓冷组织P+Fe3CⅡF+P淬火+低回M回

+Fe3C+（A残）M板条+（F+T）[合金钢]F+P[碳钢]硬度60HRC25HRC（200HB左右）渗碳组织20钢920℃渗碳后退火表层为共析层共析钢P组织次表层为亚共析层心部20钢亚共析组织45钢亚共析F+P20钢亚共析F+P渗碳层深度：共析层+1/2亚共析层=0.7+0.32=1.02mm20钢920℃渗碳后退火表层脱碳层：F呈柱状晶分布次表层为细片P20钢920℃渗碳+860℃淬火组织表层为针状MHRC58-62随着深度的增加，出现黑色、块状分布的T沿F晶界分布。渗层深度

——表层到过渡区的一半适用于：受冲击载荷的耐磨件低碳（合金）钢齿顶次层组织：针状M+A残余20钢齿轮剖面，磨抛后经硝酸酒精溶液深侵蚀显示齿顶到齿根全部渗碳淬硬层的分布情况齿顶表面处显微组织，基体为针状M+A残余其上分布呈断续网状的碳化物。HRC64渗碳后860℃淬火，180℃回火M回+CmⅡ（少量白色）+A’少该组织脆性较大使用时易发生崩落及断裂渗碳层的表面碳的质量分数最好在0.85%～1.05%范围内

低碳钢渗碳缓冷后的显微组织

零件种类渗碳层深度δ(mm)备注轴类(0.1～0.2)RR--半径(mm)齿轮(0.2～0.3)mm--模数薄片工件(0.2～0.3)tt--厚度(mm)典型零件渗碳层深度确定方法

渗碳层深度δ

是从表面层到半珠光体层的距离

渗碳件的热处理淬火加低温回火

渗碳件常用的淬火方法a)预冷直接淬火b)一次淬火法c)二次淬火法渗碳零件的一般工艺路线为：低温回火机械加工锻造正火渗碳淬火磨去碳机加工表面淬火与渗碳组织、性能比较表面热处理方法用钢组织性能表层心部表层心部表面淬火中碳钢45M回F+P耐磨性↑硬、强塑性韧性好综合性好渗碳淬火低回低碳钢20M回+Fe3C+A’（少）M板条或F+T（P）耐磨性↑↑硬、强一定强度而韧性好渗碳零件工艺路线（汽车齿轮，20）锻造→正火

→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削表面淬火工艺路线（曲轴，45）锻→退火→机加工→整体调质→轴颈表面淬火+低回

→磨渗碳工艺优点：表面硬度高、耐磨性好，表面压应力状态，疲劳强度高。渗碳工艺缺点：加热温度高，晶粒易于粗化。所以发展碳氮共渗等工艺。在一定温度（一般在Ac1）下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮。其目的在于提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀和热硬性。2.钢的渗氮3.碳氮共渗碳氮共渗是在一定温度下同时将碳、氮渗入工件表面层奥氏体并以渗碳为主的化学热处理工艺。生产中常采用气体碳氮共渗。NitridingMethod45钢渗硼组织45钢低温碳氮共渗组织

其他表面处理工艺电镀是将被镀金属制品作为阴极，通以直流电，使要镀的金属盐溶液的阳离子在工件表面上沉积出来形成电镀层。电镀实质上是一种电解过程。1.电镀和金属着色各种镀件所谓金属着色就是在金属表面形成一层很薄的、有化学耐腐蚀的基体金属化合物。经过抛光，这一薄层则显示出平滑和富有光泽。热碱中着色，颜色发蓝，称为发蓝。用硝酸、氧化铁和硫酸铜进行的发黑处理称为发黑。发黑的扳手和轮毂发蓝的剪刀以某种热源将喷涂材料（线材或粉材）加热，受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒，这些微粒以压缩空气为动力以一定的速度冲击并沉积在基体表面上，形成具有一定特性的喷涂层。热喷涂的特点：工艺灵活，热喷涂施工对象可以大到铁塔或桥梁，小到10毫米的内孔；可以是整体也可以是局部；可在真空下进行也可以室外作业。适应性强，涂层和基体材料非常广泛。可用作涂层材料的有金属及合金、塑料、陶瓷及复合材料等。被喷涂的工件可以是金属也可以是非金属材料。生产效率高，一般生产效率可达每小时数千克，有的工艺方法可达每小时50千克以上。根据不同的热源，可分为燃烧法和电热法。前者包括燃烧火焰喷涂、爆炸喷涂及高速火焰喷涂（HVOF）；后者包括电弧喷涂及等离子喷涂。2.热喷涂技术热喷涂过程三部曲

喷涂材料的溶化、雾化和涂层的形成。喷涂工艺对涂层产生重要影响的是喷涂过程即溶滴冲击基体表面时的温度和溶滴冲击表面的速度。等离子热喷涂过程喷涂材料的范围很广，可以是金属及其合金，自熔合金粉末，塑料、陶瓷材料和复合材料等。热喷涂锌丝LSQD8型拉式电弧喷涂机喷射粒子热喷涂作业热喷涂作业热喷涂工件电极轴（铜）隔离部等离子陶瓷热喷涂（耐摩损）

泵零件等离子陶瓷热喷涂（耐摩损）

挤出式螺丝HVOF热喷涂（耐摩损）拉线引导滚筒粉体式火焰热喷涂（耐摩损）DiskBrakepad等离子热喷涂（隔热）拉线机械用引导滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐摩损）

气相沉积是将含有形成沉积元素的气相物质输送到工件表面，在工件上形成沉积层的工艺方法。依据沉积反应的性质，可分为物理气相沉积和化学气相沉积。化学气相沉积（chemicalvapordeposition,CVD法）是利用气态物质在一定的温度下与固体表面上进行化学反应，并在其表面上生成固态沉积膜的过程。涂层可以是氧化物、碳化物、氮化物，也可以是多元化合物。通过基材、沉积材料和工艺的选择可获得许多特殊性能，在微电子学工艺、半导体光电技术、光纤通讯、超导技术、复合材料、装饰及防护涂层等领域得到广泛应用。3.气相沉积技术化学沉积中的工件沉积层ChemicalVaporDepositionsystem淬透性——钢材奥氏体化后淬火时获得马氏体的能力

钢的淬透性不同的钢种，淬成马氏体的能力不同。淬透性好的钢材，采用较低的冷速即能躲过C曲线的鼻子尖，而获得马氏体组织。这说明淬透性反应的是钢材本身的热处理性能。怎样表示淬透性大小？用规定条件下淬硬层深度h表示淬透性的大小；或在某种介质中可以完全淬透的最大断面直径D0，即临界淬透直径。淬硬层深度h：表面到半M组织的距离淬硬性与淬透性淬硬性——

钢淬火时的硬化能力用正常淬火条件下能达到的最高硬度表示概念区别：1.淬透性是钢本身的固有属性即钢材淬成马氏体的能力。由钢材的C曲线决定。2.淬硬性主要取决于M的含碳量3.实际淬硬层深度h与工件形状、大小、冷却介质、淬透性有关例：请比较T12和20CrMnTi两种钢的淬透性和淬硬性国家标准“结构钢末端淬透性试验法”顶端淬火法；JRC/d表示J：末端淬火法，d：距顶端距离，RC：该处的硬度。通过实验绘出硬度－水冷端距离关系曲线称为“端淬曲线”，由于化学成分波动，曲线有一波动范围，称为淬透性带。淬透性带宽表示工艺不稳定。淬透性与正确选材：

(a)

调质钢件：连杆、连杆螺栓等主要零件，工作时承受均匀的交变拉压应力，必修保证表面与心部组织、性能均匀一致，应采用淬透性较好的钢材，全截面淬透。例如连杆螺栓，10-15mm直径，要求淬火后心部马氏体达95％，应选用40Cr。活塞销连杆螺栓

(b)

弹簧零件必须全部淬透，若淬透性差，心部易出现铁素体组织，使疲劳强度下降。一般选65Mn、60Si2Mn等。

(c)

某些受弯曲和扭转的轴类零件，其表面受力大，心部受力较小，不需要沿截面全部淬透，即心部有一定的强度、韧性即可。可采用淬透性差一些的钢制造，零件有一定的淬硬层即可，如直径的1/2-1/3淬硬层即可。如机床主轴、曲轴等可采用45钢或球铁制造。选作作业：热处理新工艺请查找有关资料、文献，撰写600-800字的热处理新工艺简介附：参考文献目录3-5篇（文献名称、作者、期刊名称及年月）4月20日（周三）交，按照附加分计算。1.钢在加热时的转变本章总结Ac1A1Ar1Ac3A3Ar3AccmAcmArcmSPGQEFF+PPP+Fe3CⅡ

AF+AA+Fe3CⅡ

℃

C%2.钢在冷却时的三大转变4大热处理常规工艺和2种表面热处理工艺：3.热处理工艺工艺方法特点应用综合训练

一、理论部分（一）名词解释过冷奥氏体、残余奥氏体、索氏体、贝氏体、马氏体、残余奥氏体、回火马氏体、退火、正火、淬火、回火、调质、渗碳、淬透性、淬硬性、临界冷却速度、表面淬火、淬火临界直径；（二）填空1．下贝氏体是由

和碳化物组成的机械混合物，在光学显微镜下

。2．过冷奥氏体等温冷却转变图通常呈

，所以又称

。3．常用的淬火方法有-----、-----、-----、----等。4．中温回火主要用于处理

，回火后得到

。5．为了改善碳素工具钢的切削加工性，常用的热处理方法是------------------------；6．20、45、T12钢正常淬火后，硬度由大到小排列顺序是-------------------------------；7．随回火温度升高，淬火钢回火后的强度、硬度-------------------------；8．T12钢的正常淬火温度是-----------------℃,淬火后的组织是--------------------------------；9．珠光体、索氏体和托氏体的力学性能从大到小排列为--------------------------------------;10．感应加热表面淬火时，电流频率越高，加热层深度越

，淬火后工件淬硬层也就越

。11．用作表面淬火最适宜的钢种是

，其预先热处理一般为

。12．化学热处理一般包括三个过程，即

和

；13．根据渗碳剂的不同，渗碳方法可分为

、

、三种。14．渗碳层的表面碳的质量分数最好在

范围内，渗碳后采取

的热处理方法。15．离子渗氮是在一定真空度下，利用工件（阴极）和阳极之间产生的

进行的，故又称

。（三）简答1．什么是钢的热处理？热处理的目的是什么？它有哪些基本类型？2．热处理的实质是什么？什么样的材料才能热处理？3．指出AC1、AC3、ACCM等符号的含义？4．热处理加热的目的是什么？为什么要控制适当的加热温度和保温时间？5．试以共析钢为例，说明奥氏体等温转变曲线中各线、区的含义；6．简述过冷奥氏体在A1～Ms之间不同温度下等温时，转变产物的名称和性能；7．马氏体有几种形态？马氏体转变有哪些特点？马氏体的硬度主要取决于什么？8．退火和正火有什么区别？在实际生产中如何选择？9．说明下列零件的淬火及回火温度，并说明回火后获得的组织和硬度：(1)45钢小轴(要求有较好的综合力学性能)。(2)60钢弹簧(3)T12钢锉刀10．将直径8mm的45钢分别加热到700℃、760℃、840℃后水冷，问分别得到什么组织？11．钢的淬透性对钢的热处理有什么影响？影响淬透性的因素有哪些？12．淬火加热温度如何选