第四章 钢的热处理(3).ppt

1、4.7 钢的表面热处理 在生产中，有不少零件（如齿轮、凸轮、曲轴等）是在弯曲、扭转等循环载荷、冲击载荷以及摩擦条件下工作的，零件的表层承受着比心部更高的应力，而且表面还要不断地被磨损。 所以，这种零件的表层必须强化，使其具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部因为承受冲击载荷，应保持足够的塑韧性。 如果单从选材和采用普通热处理方法很难满足要求，解决方法是表面热处理，即钢的表面淬火和化学热处理。 4.7.1 表面淬火 表面淬火是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织的局部热处理方法。 通过快速加热，使钢的表层A化，在热量尚未充分传至中心时立即淬火冷却，使表层获得硬而耐磨的M组织，而心部仍然

2、保持原塑韧性较好的退火、正火或调质状态组织，从而达到表硬心韧的目的。 根据加热方法不同，表面淬火分：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束加热表面淬火等。,4.7.1.1 感应加热表面淬火 一、基本原理 把工件放入由空心铜管绕成的感应器中，感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，于是工件内就会产生频率相同，方向相反的感应电流，在工件内自成回路，即涡流。工件截面的电流密度分布不均，表层电流密度大，中心小，且感应器的电流频率越高，涡流集中的表面层越薄，此现象称为“集肤效应”。 由于钢本身有电阻，所以集中于工件表层的涡流可使表层迅速被加热至淬火温度，而心

3、部仍接近室温。随即喷水冷却后，达到表面淬火目的。 电流频率越高，集肤效应越明显，电流透入深度越薄。 在淬火温度状态下，频率f与透入深度之间的关系，可采用经验公式：,，其中，电流透入深度（加热深度），单位mm； f电流频率，Hz,二、感应加热表面淬火用钢及其应用 1感应加热表面淬火用钢 中碳钢和中碳低合金结构钢，如40，45，40Cr等。含碳量太高，增加了淬硬层的脆性，而心部的塑韧性低，同时增加了淬火开裂倾向；含碳量太低，降低了表面淬硬层硬度和耐磨性。表面淬火前都要预先进行正火（S）或调质处理（S回）；表面淬火后低温回火，得到M回。 2感应加热表面淬火的应用 根据对表面淬火淬硬深度的要求，常用的

4、有如下四种： （1）高频感应加热表面淬火 是应用最广泛的表面淬火法。 工作频率为701000KHz，淬硬深度0.5-2mm，主要用于淬硬层较薄的中、小型零件（如中、小模数齿轮）的表面淬火。 （2）中频感应加热表面淬火 工作频率50010000Hz，淬硬层一般210mm。主要用于要求淬硬层较深的较大尺寸的轴类零件及大中模数齿轮的表面淬火。 （3）工频感应加热表面淬火 工频50Hz，淬硬层1015mm以上。主要用于大直径零件，如轧辊、火车车轮等。 （4）超音频感应加热表面淬火 工作频率2040KHz，用于中小模数齿轮、花键轴、凸轮等。,三、感应加热表面淬火的特点 1优点： （1）加热速度快，一般几

5、秒到几十秒就可使工件达到淬火加热温度。 （2）加热速度快，时间短，A晶粒细小均匀，淬火后表层得到极细的M或隐晶M，使工件表层硬度比普通淬火高23HRC，且具有较低的脆性。 （3）仅表层M转变，所以表层产生残余压应力，提高疲劳强度1。 （4）表面不易氧化、脱碳，耐磨性好，且工件变形小。 （5）生产率高，适于大批量生产，且易实现机械化和自动化。 2缺点： 设备较贵，形状复杂件的感应器难制造，不适于单件生产。,4.7.2 火焰加热表面淬火 原理：采用氧乙炔混合气体的火焰直接加热工件表面，当达到奥氏体化要求时立即喷水冷却，从而获得要求的表面硬度和淬硬深度的表面淬火方法。一般淬硬深度26mm。 特点：设

6、备简单、成本低、灵活性大，适于单件、小批量生产的大型零件局部表面淬火的需要。 缺点：质量难控，易过热。,4.7.3 激光加热表面淬火 原理：采用激光束加热，使表层金属迅速加热而A化，内部仍呈冷态，移开光源，表面以极大速度冷却，获得M组织，产生自淬火（短时间加热到淬火温度，增加了过冷A的稳定性）。 特点：速度极快，变形小；可局部淬火；不需外部淬火介质,4.8 钢的化学热处理 4.8.1 概述 定义： 把钢件置于某种介质中，通过加热和保温，使介质分解析出某些元素，以活性原子的形式渗入工件表层，改变表层的化学成分，使表层具有与心部不同的组织和性能的热处理工艺。 特点：表层不仅有组织变化，而且有化学成

7、分的变化。 4.8.1.1 化学热处理的作用 1强化工件表面 提高表层某些力学性能，如表面硬度、耐磨性、疲劳强度等。 2保护工件表面 提高表面物化性能，如耐高温、耐蚀等。,4.8.1.2 化学热处理的种类 种类很多，但都是介质中某些元素的原子向钢中扩散的过程。 根据扩散元素的性质不同，可将化学热处理大致分为两大类： （1）扩散元素是非金属 它们能与基体金属形成间隙固溶体或特殊化合物，如渗C、N、B等。大多是提高工件的表面硬度和耐磨性。 （2）扩散元素是金属 能与基体金属形成置换固溶体或特殊化合物，如渗Cr,Al,V等。 渗Cr:提高耐磨、耐蚀、抗氧化性； 渗Al：提高工件抗高温氧化性及耐蚀性；

8、 渗V：提高耐磨性。 4.8.1.3 化学热处理的过程 分解：由介质中分解出渗入元素的活性原子； 吸收：工件表面吸收活性原子； 扩散：被工件表面吸收的原子，在一定温度下，由表面向内部扩散，形成一定厚度的扩散层。 目前，机制行业中，最常用的化学热处理有渗C、渗N和C、N共渗。,4.8.2 钢的渗C 把钢置于渗碳介质（渗碳剂）中，加热到适当温度，保温一定时间，使C原子渗入钢表层的过程。 4.8.2.1 渗碳的目的及用钢 目的：表面高硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部较高的强度和塑韧性。 用钢：Wc0.1%-0.3%的低碳钢或低合金钢。20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3、20MnVB。 4

9、.8.2.2 渗碳方法 根据采用的渗碳剂，渗碳方法分：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳三种。气体渗碳应用最广；国内应用较广的是滴注式气体渗碳。,把工件置于密封的加热炉中，通入渗碳剂，并加热到渗碳温度（900950，常用930），使工件在高温渗碳气氛中渗碳。炉内渗碳气氛主要由滴入炉内的煤油、丙酮、甲醇等有机液体在高温分解而成，主要由CO、CO2、H2、CH4等组成。这些气体在炉内发生如下反应： 首先，渗碳气氛高温分解出活性碳原子,随后，活性C被钢表面吸收而溶于高温A中，并向钢内部扩散而形成一定深度的渗C层。渗层深度主要取决于保温时间t。一定渗C温度下，t越长，渗碳层越厚。,渗碳层厚度，t保温时间，K

10、常数，可由实验确定。,对碳钢，渗碳层深度一般指从表面到含碳量为0.43%处的深度。另外，渗碳温度越高，扩散速度越快，相同时间渗层也越厚。但温度太高，会使A晶粒粗化。 一般机械零件的渗碳层厚度在0.5-2.0mm之间。,4.8.2.3 渗碳件的技术要求 渗C层的含碳量、渗碳层的深度与组织是决定渗碳质量的主要指标。 1、渗碳层的表面含碳量最好在含碳量0.85-1.05范围内。 含碳量过低淬、回火后得到含碳量较低的回火M，硬度低，耐磨性差，且疲劳强度也低。 含碳量过高渗碳层出现大量块状或网状的Fe3CII，从而导致渗层变脆，易剥落；同时表面淬火组织中Ar增加，表面硬度、耐磨性下降。 2、一定渗C层深

11、度（）范围内，随的增加，疲劳强度增加，耐磨性提高，抗弯强度提高；但超过一定值，随的增加，疲劳强度下降。 所以，渗碳层深度可用经验公式确定,轴类：,齿轮：,薄片工件：,其中，R为半径，m为模数，t为厚度。工件工作时磨损较小时，取小值；反之，则取大值。,3、若渗碳件上有不允许高硬度的部位（如，装配孔等），应在图纸上注明。可采用镀Cu防渗碳，或多留加工余量，渗碳后切去（淬火前）。,4.8.2.3 渗碳后的组织与热处理 1、渗碳后的组织 因为钢渗碳后，表层Wc=0.85%-1.05%，由表及里，Wc降低，心部为原始含碳量。所以，低碳钢渗碳缓冷至室温的组织变化为：表层过共析钢组织(P+Fe3CII)共析

12、钢组织（P）亚共析组织（P多+F少）原组织（P少+F多） 2、渗碳后的热处理 渗碳后表层组织为P+Fe3CII,未达到表硬耐磨的要求；所以渗碳后必须热处理，常采用如下三种热处理方法： （1）直接淬火法 工件渗碳完毕，出炉预冷至淬火温度淬火低回。 适用于本质细晶粒钢。 （2）一次淬火法 渗碳件出炉空冷后，再加热到淬火温度淬火低回，淬火温度应兼顾表层和心部，一般略高于心部的Ac3。 适用于本质细晶粒钢。,（3）二次淬火法 适用于本质粗晶粒钢。 第一次淬火是为细化心部组织和消除表层Fe3CII网，所以加热温度选在心部Ac3以上（850900）。 第二次淬火是为改善渗碳层的组织和性能细片状M和均布的碳

13、化物颗粒；所以加热温度在Ac1以上（约760800）。 二次淬火法可使表层和心部组织都细化，表层高硬度、耐磨，心部良好的塑韧性； 但两次高温加热变形严重，成本高，生产中较少用。 淬火后要进行低温回火，回火温度一般为180200。 淬火低温回火后的组织： 表层： 直接、一次淬火法：M回Ar少 二次淬火法：M回+ Fe3C粒+Ar少 心部： 碳钢（淬透性差，未淬透）：PF 低合金钢（淬透性好，淬透）：低碳M回；或M回+T,4.8.3 钢的渗N（N化） 是钢的表面渗入N原子的过程。 目的：提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性。 主要有：气体渗N、离子渗N。 4.8.3.1气体渗N（气体N化） 1、

14、渗N原理 在预先排除空气的井式炉中进行，把除油净化的工件放在密封的炉内加热，并通入NH3。 NH3在380以上分解出活性N原子。,N被钢表面吸收，形成固溶体和N化物。 气体渗N生产周期长，一般渗层深度0.4-0.6mm（不要超过0.6-0.7mm），约需4070h。 【课本0.3-0.5mm厚的N化层，一般需要2050h】,2. 渗N层组织及渗N用钢 (1) 纯铁渗N后，室温下渗N层组织中出现、等三种相，从表面往里依次为+ (2) 碳钢渗N缓冷后组织与纯铁基本相同，只是相为C和N的铁素体，和相是含碳的N化物。 (3) 合金钢中，经常采用含Al、Cr、Mo等合金元素的钢，称渗N用钢。可形成AlN

15、、CrN、MoN等N化物高度弥散分布于渗N层中，获得极高硬度和耐磨性。 国内外普通采用38CrMoAlA、35CrMo、18CrNiW等。 由于N化往往是工艺路线的最后一道工序，为保证心部良好的综合机械性能，N化前调质处理，获得S回。,3. 渗N的特点 优点：（1）钢经渗N后表面形成一层极硬的合金N化物，渗N层硬度一般可达9501200HV（相当于6872HRC）。不需淬火便具有很高的硬度和耐磨性，且600650不明显下降（红硬性）。 （2）钢的疲劳强度可提高1535。（渗N层体积增加，使表面产生残余压应力。） （3）渗N后钢具有很高的抗蚀能力。 渗层表面由致密的、抗蚀的N化物（相致密不易被腐

16、蚀）组成。 （4）渗N温度低，工件变形小。 渗N后不热处理，只需精磨或研磨、抛光即可。 缺点：工艺复杂、生产周期长、成本高。 所以，广泛用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴；要求变形很小且具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨零件（如阀门等）。 4. N化工艺路线 锻造正火（退火）粗加工调质精加工去应力粗磨N化精磨。,4.8.3.2离子渗N（气体N化） 1、基本原理 利用稀薄气体的辉光放电现象进行。 将工件置于专门的离子渗N炉（真空室）中，渗N前将炉内抽到一定真空度，通入NH3，以渗N工件为阴极，炉壁为阳极，通过高压直流电，NH3电离成N、H正离子及电子，这时工件表面形成一层紫色辉光。N离子以很大速度轰击工件表面，动能转化为热能，使工件表面温度升至所需渗N温度（450650）；同时N离子在阴极夺取电子，还原成N原子而渗入工件表面，并向内层扩散形成渗N层。 2、特点 优点：(1) 渗N速度快，周期短 (2) 渗N层质量高，韧性和疲劳强度高。 (3) 工件变形小 (4) 对材料的适应性强，渗碳钢、碳钢、合金钢、铸铁都可以。 不足：投资高，测温