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1、第五章 钢铁热处理5-7 钢的表面淬火 表面淬火 不改变表层化学成分，只改变表层 组织结构。 即：利用快速加热将 表层A化后进行淬火。 目 的 提高表面强、硬度，耐磨性及疲劳 极限，保持心部良好的塑韧性。,一、感应加热表面淬火 1原理: 交变磁场 感应电流 工件电阻 加热，集肤效应 表面加热 快速冷却,感应淬火频率的选用电流频率越高，感应电流透入深度越浅，加热层也越薄。因此，通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度。根据零件表面有效淬硬层深度选择合适的频率，分高频、中频和工频。 感应加热的工艺参数根据组织性能的要求，需控制其加热温度、加热速度和淬硬层深度，而这三个热参数有需通过控制设备
2、的电参数（电流频率、单位表面功率）和加热时间来保证。,2分类 高频、 中频 、 工频 等。,感应加热分为： 高频感应加热 频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm, 中频感应加热 频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm。, 工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度10-15 mm,3特 点 加热速度快： 几秒几十秒。 加热时实际晶粒度小，淬火得到极细马氏体， 硬度脆性 加热层深度易控制 ，可实现自动化批量生产。 不易氧化、脱碳、变形小。 工艺易控制，但设备成本高。,汽车曲轴,4工艺路线 （用料 0.4 - 0.5%c的中碳钢、中碳低合金钢, 如：45、40Cr等） 锻造
3、 退火 或 正火 粗加工 调质 精加工 表面淬火 低温回火（ 粗磨 时效 精磨 ） 感应加热表面淬火对工件的原始组织有一定的要求。一般铸铁件的组织应是珠光体基体和细小均匀分布的石墨；钢件应预先进行正火或调质处理。,二、火焰加热 火焰加热淬火是利用氧乙炔或煤气氧等）火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却。 淬硬层深度一般为26mm。,火焰淬火特点 优点：操作简便，设备简单，成本低，灵活性大； 缺点：加热温度不易控制，工件表面易过热， 淬火质量不稳定。 火焰淬火适用范围 单件、小批生产以及大型零件（如大模数齿轮、大型 轴类等）的表面淬火。,火焰加热: 利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但
4、质量不易控制。激光热处理: 利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,激光表面淬火利用高能量密度（104108W/cm2）的激光对工件表面进行加热的方法。激光加热时，因其过程极短，无需考虑大气介质的影响，没有氧化脱碳现象，淬火表面光亮洁净；又由于加热层是靠自急冷淬火，无需特殊的冷却设备；加热快、区域小，因而工件的变形极小。,激光加热导光系统原理示意图,1.工艺参数：光斑尺寸、扫描速度、激光功率等。2.激光淬火淬硬深度0.30. 5mm，硬度比普通淬火硬度高 15%20%。3.激光淬火后，表面具有4000MPa的残余压应力，有利于疲劳 强度提高。4.激光淬火精确的局部加热，
5、可以解决工件拐角、沟槽、盲孔、 深孔内壁等其他热处理方法很难解决的强化问题。5.激光淬火前，需对淬火表面进行黑化处理，即在被加热的表 面涂一层吸光涂层，以提高激光的吸收率。6.已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。,激光表面淬火的特点：,5-8 钢的化学热处理 化学热处理 将工件置于特定的介质中加热和保温， 使介质中的活性原子渗入工件表层， 从而通过改变表层的化学成分和组织 来改变其性能。 分类 渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、 渗铬、渗铝等。,一、钢的渗碳 （包括： 气体、固体渗碳） 渗碳 低碳钢在高碳介质中加热、保温，以获得高碳表层的热处理工艺。 目的 提高表面硬度，耐磨性，
6、心部保持一定的强度和良好的塑韧性。 如齿轮、轴类、链条、套筒、活塞销。,1渗碳工艺 钢 种 0.1- 0.25%c的低碳钢和低碳合金钢。 如：15、 20、 20Cr、 20CrMnTi、 20CrMnMo 、 18CrMnTi 。 加热温度 Ac3 以上，一般为900950 。 加热时间 根据所需渗层厚度决定。 （一般经现场试验测定） 渗层厚度（Dp）：轴类： Dp = (0.1 0.2)R 齿轮： Dp = (0.1 0.2)m 薄片： Dp = (0.1 0.2)t (R、m、t分别代表轴半径、齿轮模数、零件厚度）,常用钢号及用途低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的
7、活塞销、凸轮轴等。,柴油机凸轮轴,20Cr活塞销,中淬透性钢：20CrMnTi 用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA 用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,增压柴油机曲轴,汽车变速箱齿轮,固体渗碳法示意图,2. 渗碳方法：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。,气体渗碳法示意图,可控气氛渗碳炉,渗碳炉,3. 渗碳件的技术条件： 渗碳层的表面含碳量最好在 0.85 - 1.05 %c 含碳量太低：得不到高碳马氏体，硬度低、 耐磨性差。 含碳量太高：渗碳层会出现大量块状或网状 渗碳体，渗层变脆，易剥落。,4渗碳后的淬火 直接淬火 奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变
8、形大。(如：图a 、图b ) 只适用于细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。 一次淬火 加热温度Ac3以上（心部性能好） 或 Ac1以上（表面性能好） 二次淬火 Ac3以上（改善心部性能）+ Ac1以上 （改善表面性能）,5. 渗碳的特点 生产效率高、质量易 控制、可实现生产自 动化。工业生产应用 极为广泛。 6加工工艺路线 锻造 正火 切削加工 渗碳 淬火 低温回火 精磨。,经渗碳的机车从动齿轮,7. 渗碳后的组织 外层过共析层、中间共析层、心部是原始组织。 渗碳层深度确定：从表面到含碳量为0.4%c处。测定 时按50%F + 50%P 量时确定。 退火态：,20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 )
9、580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体,20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 ),8.渗碳热处理后的常见缺陷渗碳件的质量检查项目 渗碳钢原材料检查、渗层质量检查（渗层深度、渗层碳浓度、碳化物、残余奥氏体及马氏体级别等)、渗碳件心部铁素体级别的评定、渗层和心部硬度的检查、渗碳件变形量的检查。渗碳件的常见缺陷 渗层厚度不合要求（太浅或太厚、渗层薄厚不均、过共析与共析层厚度过大或过小）、渗层组织不合要求（碳化物过多呈大块状或网状分布、残余奥氏体量过多、内氧化、脱碳、表层出现铁
10、素体）、硬度超差（表层硬度偏低或不均、心部硬度偏低或偏高）、变形过量。,心部组织,真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点： 表面质量好, 渗碳速度快。,真空渗碳炉,越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。 长55.7厘米， 剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。,二、氮化 工件表面渗入氮原子，以提高硬度、耐磨性， 疲劳强度和耐蚀性。 特点 ： 1.表面硬度高（可达10002000 Hv 即 69HRC以上 ） 2.高的热硬性（在550600 时仍保持很高的硬度） 3.氮化温度低、工件变形极小。 4.氮化前调质处理、保证心部的强度。氮化后无须淬火 5.工艺时间长
11、且渗层薄（一般为0.3 0.5mm）。,氮化的特点及应用氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。,工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。 耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。, 材料： 含Cr、 Mo、 Al等合金元素 的中碳合金钢。 常用：38CrMoAlA 应用： 广泛用于高速传动的精密齿轮； 高精度机床主轴；以及要求变 形小且具有抗蚀能力的零件：阀门。,井式气体氮化炉,38 CrMoAl 气体渗
12、氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 红色区 : ( Fe4N ) ;蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。,38CrMoAl氮化层,38CrMoAl氮化层硬度, 氮化件加工工艺： 锻造 退火 粗加工 调质处理 半精加工 去应力退火 粗磨 氮化 精磨。 目前现代工业生产中较多采用离子氮化（即在一定真空度下， 用工件和阳极之间产生的辉光放电现象进行的。所以也称为 辉光”离子氮化）。 其特点：渗氮速度快、生产周期短，38CrMoAlA为例：渗层要 求0.5mm，气体渗氮50h 以上，离子氮化1520h； 对材料的适应性强
13、：渗碳用钢、合金钢、铸铁都可以。,气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。,离子氮化炉,渗碳与渗氮的工艺特点,三. 碳氮共渗 同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学 热处理工艺，也称为氰化。 中温气体碳氮共渗：（渗碳为主） 常用温度：820 860 时 间： 根据要求2 8h 渗 层： 0.3 0.8 mm 材 料：低碳、中碳钢和中碳合金钢。 应用：用于提高结构件（如：齿轮、蜗轮、蜗杆、轴类件） 的硬度、耐磨性和抗疲劳性。, 低温气体碳氮共渗：（即：软氮化） （渗氮为主） 常用温度：560 57
14、0 时 间：2 3h 渗 层：0.01 0.02 mm 材料：不限制钢种：碳钢、合金钢、工具钢、不锈钢、铸铁 应用：目前软氮化由于渗层脆性小，不易剥落，已广泛应用 于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等 耐磨件的处理。但由于渗层较薄，仅有0.010.02mm， 不宜用于重载工作的工件。,在气体介质中对工件同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺称为气体氮碳共渗。与渗氮相比，渗层硬度较低，脆性较小，故称软氮化。氮碳共渗温度530570，应比回火温度低510 ，或与之相同。渗剂：通氨滴醇、尿素分解等。,井式渗碳炉,三、三束表面改性技术,三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称
15、“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。,5-9 热处理与机械零件设计制造的关系一、热处理对零件结构形状的要求 1. 避免尖角、棱角 2. 避免零件截面尺寸相差悬殊 3. 采用对称、封闭结构 4. 采用组合结构二、热处理对切削加工工艺的要求 1. 合理安排冷热加工工序 2. 预留加工余量 3. 减小加工表面粗糙度三、热处理技术条件的标注,在设计淬火零件的结构、形状及尺寸时，应掌握以下原则在零件设计过程中，要在尖角、棱角地方倒角。因为尖角、棱角部分是淬火时应力最为集中地方，往往成为淬火裂纹的起点。,避免工件尖角,设计时要避免厚薄悬殊，使淬火后薄处变形直径增大。设计时还要考虑零件对称，零件形状不对称，淬火后零件椭园度变大，为此开一个工艺孔可减少椭园度。,本章重点 1. 奥氏体晶粒长大的影响因素及控制方法。 2. 奥氏体等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态 、性能间的关系。 3. 奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。 4. 四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。,
