第3章钢的热处理工艺与实践.ppt

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1、第3章 钢的热处理工艺与实践,熟练掌握钢的普通热处理工艺特点及应用；掌握钢的化学热处理；了解钢的表面热处理；熟悉各种常用热处理工艺，加深对热处理原理的理解,热处理的分类,热处理,普 通热处理,表 面热处理,退火;正火;淬火;回火;,表面淬火,化 学 热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,渗碳;渗氮;碳氮共渗;,钢的普通热处理工艺,预备热处理:退火;正火,最终热处理:淬火;回火,一般零件生产的工艺路线:,3.1 钢的退火与正火,机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预,备热处理机加工最终热处理。退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。,一、退火,将钢加热至适当温度

2、保温，然后缓慢冷却(炉冷)的热处理工艺叫做退火。1、退火目的,调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。消除内应力，防止加工中变形。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,2.种类,退火,重结晶退 火,低温退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化 退 火,等温球化 退 火,3.1.1 第一类退火,进行第一类退火的目的，可以是：使钢的成分均匀化；进行再结晶，降低硬度；消除残余应力等。进行第一类退火的加热温度，可能高于相变温度（A1和A3临界点），也可能低于相变温度，这要取决于进行退火的目的。第一类退火中包括：均匀化退火（扩

3、散退火）；再结晶退火；高温回火；消除残余应力退火。,1.均匀化退火（扩散退火）为了降低树枝偏析，晶内偏析，合金钢铸锭要进行扩散退火。偏析（成分的不均匀性）的存在，钢锭在压力加工时，有可能产生脆性断裂，性能的各向异性，产生层状断口，白点（细小裂纹）等缺陷。扩散退火的加热温度是11001200,扩散退火将得到粗大的晶粒，要在随后钢锭的压力加工中或随后的热处理过程中再消除这种缺陷。,2 再结晶退火 先将迸行过冷塑性变形的钢加热到高于再结晶开始温度，在这个温度下保温，随后冷却，这种处理过程称为“再结晶退火”。再结晶退火经常用于冷变形工序之间，是为了消除冷作硬化的一种中间工序。,3.为了降低硬度的高温回

4、火（高温软化）高温回火通常指的是淬火后的一道工序，它不是退火。在冶金厂，为了降低硬度，轧制型材要迸行650700 的高温回火。对高合金钢来说，实际上不存在珠光体，高温回火是唯一能够降低其硬度的热处理方法。,4 消除残余应力退火 消除应力退火用于铸件，焊接件，切削加工后的零件等，在进行前一道工序的过程中，在零件中由于不均匀的冷却，不均匀的塑性变形等产生了残余应力。,3.1.2第二类退火工艺1.完全退火,将工件加热到Ac3+3050保温后缓冷的退火工艺，主要用于亚共析钢.,2.等温退火亚共析钢加热到Ac3+3050,共析、过共析钢加热到Ac1+3050，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相

5、变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢.,高速钢等温退火与普通退火的比较,3.球化退火（不完全退火）球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。,它是将工件加热到Ac1+30-50 保温后缓冷，或者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。主要用于共析、过共析钢。,球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体,用P球表示。,球状珠光体,对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状.,3.1.3正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢 加热到

6、Accm+30 50保温 后空冷的工艺。正火比退火冷却速度大。1、正火后的组织：0.6%C时，组织为F+S；0.6%C时，组织为S。,正火温度,正火,2、正火的目的 对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。,普通件最终热处理。要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火.,3.2 钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速,度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺.淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能.,真空淬火炉,3.2.1淬火温度,1、碳钢 亚共析钢,

7、淬火温度为Ac3+30-50。预备热处理组织为退火或正火组织。,亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A。,在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。,亚温淬火组织为F+M，强硬度低，但塑韧性好.,共析钢淬火温度为Ac1+30-50；淬火组织为M+A。,过共析钢淬火温度:Ac1+30-50.温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织:M+Fe3C颗粒+A。(预备组织为P球),T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,2、合金钢由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢

8、淬火温度比碳钢高。亚共析钢淬火温度为Ac3+50100。共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50100。,钢坯加热,M+Fe3CII+A残,Ac1+3050,过共析钢,M+A残,Ac1+3050,共析钢,M+A残,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,M,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,过共析钢 M+Fe3CII+A，硬度大。A中C%M 脆性，残余A%淬火温度低 M细小，淬火应力小。,热处理后的组织,总加热时间等于热透到最终温度的时间加上在这个温度下等温的时间。在实践中，经常使用经验数据，电炉加热时，亚共析钢工件的截面或壁厚每1mm采用4575秒，而在盐炉加热则采用1520秒。,3.2

9、.2 钢奥氏体化的加热时间,3.2.3淬火介质,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小,内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。常用淬火介质是水和油.水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。,冷却速度：盐水 水 盐浴 油,油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.,常用的淬火冷却介质,3.2.4 钢的淬透性与淬硬性,网带式淬火炉,淬透性是钢的主要热处理性能

10、。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。,1.淬透性的概念(Hardenability of steel),M量和硬度随深度的变化,淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。,淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。,2.影响淬透性的因素,钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高。Vk取决于C曲线的位置，C 曲线越靠右，Vk越小。,因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素.即除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。,1.定义：是指钢在淬火后所能达到的最

11、高硬度，即硬化能力.,2.影响钢的淬硬性的因素：主要取决于 马氏体的含碳量。,3.钢的淬硬性(Hardening of steel),工件淬硬层与冷却速度的关系,4.淬透性与淬硬层深度的关系,同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。,5.淬硬性与淬透性之间的关系,钢经淬火时，由于工件表面和心部不能均匀的冷却所产生的内应力称为“热应力”由于工件整体内发生马氏体转变所引起的体积增大和不均匀性而引起的内应力称为“组织应力”。,3.2.5 淬火内应力,

12、如果内应力的大小大于金属本身的强度，并且在金属的塑性比较低的情况下，内应力就不能以塑性变形的形式减小，这就要引起裂纹的形成，在表面上的拉应力更加危险，因为拉应力能够形成裂纹，并降低钢的疲劳极限，拉应力主要是由组织应力产生的，因此，就需要尽量减小这种拉应力。淬火温度愈高，所产生的拉应力就愈大，在马氏体转变的温度范围内，冷却速度愈快，所产生的拉应力也愈大。这样，为了减小组织应力，希望在马氏体转变的温度范围内慢冷，和淬火的加热温度不能过高。因此，在淬火的实际操作中就采取了一些具体的措施。,3.2.6 淬火方法 1.单液淬火 所谓单液淬火，即在一种冷却剂中冷却到室温（图3.6）。这种淬火方法适用于碳钢

13、和合金钢制造的几何形状简单的零件。碳钢可用水作为淬火介质，尺寸较小的碳钢零件和合金钢零件则用油作为淬火介质。对一些几何形状复杂的零件，为了减小变形，避免裂纹的产生，就得采用其它的淬火操作方法。,3.2.6淬火方法,采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。1、单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。,2、双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷.优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状,复杂的碳钢件及大型合金钢件。,3、分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均

14、匀后再取出缓冷。,可减少内应力，用于小尺寸工件。,盐浴炉,4、等温淬火法将工件在稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.适用于形状复杂及要求较高的小型件。,5.局部淬火法 为了避免工件其它部分产生变形或开裂，即可用局部淬火 6.冷处理把淬火冷却得到室温以下（如-7080）的热处理。,不同冷却条件下的转变产物,等温退火,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),淬火,P,P,均匀A,细A,？,？,？,3.3 钢的回火,回火是指将淬火钢

15、加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。回火的目的1、减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂.,2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,螺杆表面的淬火裂纹,3、稳定尺寸。淬火M和A都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用,回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,3.3.1、回火种类,根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。,淬火加高温回火的热处理称作调质处理，

16、简称调质.,钢经淬火之后得到马氏体组织，具有最高硬度。由于钢的硬度主要取决于钢中的含碳量，而合金元素对钢的硬度影响不大。不同含碳量的碳钢经淬火后，所得到的最高硬度见图3.7。,3.3.2 钢的回火曲线,图3.7各种碳钢的回火曲线1-15；2-20；3-25；4-35；5-40；6-45；7-50；8-60；9-T7、T8；10-T9、T11、T13,含碳量0.15%的15号钢，通常不作为淬火钢使用，但在20世纪的60年代前后，开始采用薄截面尺寸的15号钢小零件进行淬火。淬火温度通常采用900，盐水或碱性水溶液中冷却，淬火后最高硬度可达到38HRC。含碳量0.45的45号钢淬火后最高硬度可达到5

17、5HRC。含碳量0.60%的60号钢淬火后的最高硬度可达到60HRC以上。含碳量大于0.60以上的碳钢，淬火后由于残余奥氏体的存在，其宏观硬度是马氏体硬度和残余奥氏体硬度的平均值。马氏体中的含碳量愈高，其硬度值也就愈大。残余奥氏体是软相，淬火后钢中残余奥氏体愈多，其硬度值要愈低。,回火温度与硬度呈反比关系，其基本规律是随着回火温度的升高。硬度要降低，那么，在回火温度和硬度的坐标中就可以得到我们所说的“回火曲线”。每一种钢都有一条自己所固有的回火曲线。从回火曲线中能够比较更客观地反映出每一种钢的变化规律，并把这种规律很方便地运用到回火的实践中，这就要在找出它们之间变化规律的同时，还要找出他们之间

18、的变化特点。,这种过程的第一个特点是温度与硬度的变化中，两者之间所得到的结果往往偏差很大，（高硬度的零件，每次测量的硬度值能较接近，低硬度时，就可能偏差较大）。这是由于钢的含碳量本身就存在一个含碳量范围，另外，在回火的过程中，炉膛温度的准确性，补偿导线，热电偶和温度测量仪表的准确性，这些因素都直接影响到热处理的结果。硬度计的准确性，测量硬度的操作者本身的素质，这些都要直接影响到所测定硬度值的正确性。出现偏差是正常的，它并不影响到回火过程中温度与硬度直接变化规律的客观存在。如果我们把回火曲线用一条折线的形式来表示，就是为了对回火过程中不可避免的误差所引起的硬度值偏差的一种补偿。为了叙述方便起见，

19、把几种有代表性的钢的回火曲线（折线）表示在图3.8中。,图3.8不同淬火钢的回火曲线1-40；2-40Cr；3-4Cr13,从回火曲线中可以看出，不管是碳钢，还是合金钢，在一条回火曲线上都存在着两个不同转变速度的阶段，即低温阶段与高温阶段。由低温阶段到高温阶段的开始温度不同，它取决于钢的化学成分。对碳钢来说，这个开始转变温度在250左右，对合金钢来说，这个开始转变温度与合金元素的含量有关，随着合金元素含量的增多，开始转变温度就推移到更高的温度，所以各种合金钢的开始转变温度并不相同。,从回火曲线中还可以看到这样一个特点，即高碳钢和一些合金钢（含碳化物形成元素的钢），在由低温转变阶段到高温转变阶段

20、之间出现硬度升高（二次硬度）使残余奥氏体转变为马氏体。出现二次硬度的温度也和钢的化学成分有关。对碳钢来说在100左右，对1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13等高鉻钢在400450的范围内，对W18Cr4V高速钢来说在560回火时出现硬度的最高值。低温回火阶段，硬度降低不多（45HRC）,高温回火阶段，则随着回火温度的升高，硬度急剧地按直线（可以看成是一条近似的实际直线）下降。,如果能够总结出一个最简单的计算方法，使进行回火的实际操作者便于掌握，对热处理的生产是有用的。通过多种钢回火曲线的建立，可以总结出这样一个近似的回火温度的计算公式：即 T回C-K*HRC 式中，T回所要计算的回火

21、温度 C常数，每一种钢的常数是一定的，它取决于钢的化学成分 K系数，其具体含义是每下降1HRC需要升高几的温度 HRC零件所要求的硬度范围，取其中间值 在建立回火曲线的基础上，可以求出各种钢的常数C。各种碳钢的常数C如表3-1所示。,表3-1 碳钢相应常数表,从表3.1可以看出，常数C与钢中的含碳量有关，随着钢中含碳量的增多，常数C的数值就增大，这种增大也不是按比例的增大，而是随着钢中含碳量的增多，其差值就愈来愈小。每种合金钢的常数C也不相同，如表3-2所示，一些高合金钢的常数C如表3-3所示。,表3-2 合金钢相应常数表,表3-3 高合金钢相应常数表,对碳钢来说，回火曲线的高温阶段，斜率接近

22、一样。这样，对所有的碳钢来说，K=12，即每降低1HRC的硬度需升高12的温度。对一些合金钢来说，K=10。对一些高合金钢来说，K=8。我们知道了，所有钢的低温阶段硬度都降低不多（45HRC）。高温阶段硬度与回火温度之间的变化规律都可以用t回C-KHRC这个公式进行计算。例如，一个45号钢的零件，要求2832 HRC的硬度，需在什么温度下进行回火。把45号钢的常数C和系数K代入公式，即t回870-12/HRC30 HRC510。这种硬度要求用510回火即可。这里，在计算时，可取其硬度要求的中间值。,进行回火时，首先得确定选用多少温度进行回火。回火温度的选择是回火过程中一个十分重要的环节。若回火

23、温度选择不当（偏高或偏低），就得不到预想的结果。若回火温度偏低，回火后的硬度就会偏高，就需要再提高回火温度进行第二次回火；若回火温度偏高，回火后的硬度就会偏低，则需要重新淬火和再降低温度回火。要得到所需要的硬度，就需要选择恰当的回火温度。用热处理的方法强化零件，淬火达到最高硬度（强度），而进行恰当的回火才能消除内应力，得到所要求的结构强度。,3.3.3 回火温度的选择,回火温度是根据零件的硬度（强度）要求而确定的，它与零件的尺寸大小和几何形状无关，而与零件的化学成分有关。相应的回火温度下得到相应的硬度值，回火温度的选择可用计算公式进行计算。对零件的硬度要求通常在45HRC的范围。回火温度一般是

24、在20的范围内变化。,从炉子到达所需要的回火温度后，到零件的出炉，这段时间称为“保温时间”。保温是为了保证零件能够烧透，使零件的表面层和心部都能进行转变结束。保温时间的长短与零件的几何形状无关，而与零件的尺寸大小和化学成分有关。小零件需要较短的保温时间，大零件就需要较长的保温时间。所谓小零件，大零件是指零件截面尺寸的大小。碳钢需要较短的保温时间，而合金钢则需要较长的时间。保温时间与回火温度有关，低温回火需要较长的保温时间，高温回火即需要较短的保温时间。保温时间与加热方式有关，即与采用的加热设备有关。通常是按照表3-4所示方法计算保温时间的。,3.3.4 保温时间的确定,表3-4 不同加热设备中

25、各回火温度下的保温时间表,合金钢，特别是高合金钢比碳钢需要较长的保温时间。从保证回火后性能要求考虑，回火的保温时间宁长勿短，但也不能过长。过长，就必然拖长生产周期，消耗能源，影响生产效率，同时又会加剧零件表面的氧化与脱碳，对质量又不利。所谓条件厚度，就是零件的实际厚度乘上形状系数。,通常采用油炉，烘箱，坩锅硝盐炉，坩锅式碱槽，立式空气循环电炉，箱式电炉回火。,3.3.5 加热设备的选择,零件回火后，可采用水冷，油冷或空气中冷却。从避免内应力的产生来说，零件回火后应该缓慢冷却，以避免由于冷却速度快而重新产生内应力和变形。碳钢零件回火后，一般都是放在静止（不作人工强制空气流通）空气中冷却。但对某些

26、合金钢，如铬钢，铬锰钢，铬锰硅钢，硅锰钢等，在400600回火后，在慢冷（炉冷或空气中冷却）条件下，要产生第二类回火脆性，为了避免第二类回火脆性的产生，这种钢在高温回火后，应该在水中或油中冷却。,3.3.6 冷却介质的选择,3.3.7 光亮回火 伴随着热处理过程所同时发生的氧化与脱碳过程是不可避免的，但也是可以避免的。通常对小而薄的零件，如螺栓，卡箍等零件采用盐浴炉加热淬火。盐浴炉避免了淬火加热过程中所形成的氧化，然后用碱浴炉进行回火，这样的回火后就可以得到光亮的表面。零件热处理前可以加工到最终使用尺寸，不需要留余量。,这个工艺过程是：盐浴炉加热淬火后，零件进行除油，并放到高于60的热水中清洗

27、，随后把零件放入低于150的温度的烘箱中烘干10分钟左后。然后按热处理要求的加热温度和保温时间放入碱浴炉中进行回火。从碱浴炉中取出后要立即放入高于60的热水中进行冷却，避免在冷却过程中发生氧化作用，这就可以得到光亮的表面。然后再继续清洗掉零件表面上的碱，并放入25NaNO2水溶液中钝化25分钟，随后在100150的烘箱中烘干1030分钟，就可以得到光亮的零件表面。,光亮回火所采用的坩锅炉碱浴的化学成分是：NaOH 40Na2CO3 40NaCl 20 碱槽要经常脱氧，一般是每小时加入不小于30克的K4Fe（CN）6，当零件光亮时可延长脱氧时间或减少K4Fe（CN）6的加入量。用碱槽进行光亮回火

28、是有条件的，这个条件就是零件的有效厚度或直径要小于20mm，大尺寸的零件不能进行光亮回火；另外，碱槽光亮回火的使用温度的下限不低于450，低于这个温度碱熔化不了，上限不能高于650。,5.3 钢的表面强化处理1.钢的表面热处理,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。,表面淬火目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。,轴的感应加热表面淬火,1、表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳钢。含碳量过低

29、，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；铸铁 提高其表面耐磨性。,2、预备热处理工艺：对于结构钢为调质或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。目的:为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织。,3、表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。4、表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。,感应加热表面淬火示意图,5、表面淬火常用加热方法 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。,高频感应加热表面淬火,感应加热分为：高频感应加热 频率为250

30、-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,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。,激光表面热处理,2 钢的化学热处理,化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使,介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入

31、的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。,一、化学热处理的基本过程,1、介质(渗剂)的分解:分解的同时释放出活性原子。如：渗碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N2、工件表面的吸收:活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。3、原子向内部扩散。,氮化扩散层,二、钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,1、渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。2、渗碳用钢,为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,经渗碳的机车从动齿轮,气体渗碳法示意图,3、渗碳方法 气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气

32、体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点:质量好,效率高；,缺点:渗层成分与深度不易控制。,固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。,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,4、渗碳温度：为900-950。渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为0.5-2mm。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3C;心部为F+P;中间为过渡区。,5、渗碳后的热处理淬火+低温回火,回火

33、温度为160-180。淬火方法有：预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。,渗碳后的热处理示意图,一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。,渗碳后的热处理示意图,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)心部：M回+F（淬透时）,三、钢的氮化,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。1、氮化用钢,井式气体氮化炉,为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。2、氮化温度为500-570氮化

34、层厚度不超过0.6-0.7mm。,3、常用氮化方法气体氮化法与离子氮化法。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,离子氮化法,4、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。,3 表面处理新技术,

35、近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。,全方位离子注入与沉积设备,一、热喷涂技术,将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。,利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。,等离子热喷涂,1、涂层的结构热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构，粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要,热喷涂层组织,是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结合

36、及化学键结合。,2、热喷涂方法常用的热喷涂方法有：火焰喷涂:多用氧-乙炔火焰作为热源。电弧喷涂:丝状喷涂材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法 等离子喷涂:是一种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。,3、热喷涂的特点及应用工艺灵活：热喷涂的对象小到10mm的内孔,大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等,涂层可控:从几十m到几mm生产效率高工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺),涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层),由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满足

37、特殊功能的需要。,热喷涂,二、气相沉积技术,气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。,根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。,物理气相沉积TiAl靶,1、物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，,使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。,磁控溅射镀膜设备,真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。,溅射镀是在真空下通过辉光放电

38、来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。,离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒,多弧离子镀膜机,子一起沉积到工件表面成膜的方法。,物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等,离子镀产品,领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。,2、化学气相沉积(CVD)化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体,CVD设备,表面相互作用而在基体表面形

39、成金属或化合物薄膜的方法。例如，气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。,化学气相沉积,由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。,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“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。,进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从而获

40、得所需要的特殊性能。束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。,由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面,离子束溅射系统,1、激光束表面改性技术激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短时间内将工件表面快速加热或融化,而心部温度基本不变;当激,光辐射停止后，由于散热速度快，又会产生“自激冷”。激光表面改性技术主要应用于以下几方面:,CO2激光器,激光表面淬火（激光相变硬化）激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高1520%）、耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。,激光表面合金化预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷到工

41、件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜与基,体材料表层融合在一起并迅速凝固，从而形成成分与结构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层。已成功用于发动机阀座和活塞环、涡轮叶片等零件的性能和寿命的改善。,激光合金化热剪断刀,电子束表面改性技术是以在电场中高速移动的电子作为载能体,电子束的能量密度最高可达109W/cm2。除所使用的热源不同,外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。,电子束表面改性装置,2、电子束表面改性技术,与激光束表面改性技术相比，电子束表面改性技术还具有以下特点:由于电子束具有更高的能量密度，,所以加热的尺寸范

42、围和深度更大。设备投资较低，操作较方便（无需象激光束处理那样在处理之前进行“黑化”）。因需要真空条件，故零件的尺寸受到限制。,电子束物理气相沉积,3、离子注入表面改性技术离子注入是指在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。,离子注入的特点是：可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；注入温度可控，不氧化、不变形；注入层厚度可控，注入元素分布均匀；,注入层与基体结合牢固，无明显界面；可同时注入多种元素，也可获得两层或两层以上性能不同的复合层。,离子注入机,通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医,疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。,离子注入处理的铣刀片,