金属处理工艺

1、2.4热处理工艺2.4.1热处理概述钢的热处理是钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。热处理工艺与其它工艺（切削加工、焊接、铸造、压力加工等）不同之处在于，其主要目的是通过改变钢的组织来达到改变材料的加工工艺性能和使用性能，而不是改变零件的形状和尺寸。通过热处理能提高产品质量，节约钢材。提高劳动生产率和产品的使用寿命。所以热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。由于热处理后钢材的性能不同，根据实际的要求可采用的不同的热处理方法，但各种热处理工艺过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成的。为简明表明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度-时间坐标绘出热处理工

2、艺曲线，如图2- 所示，曲线表示钢件在加热升温阶段，曲线表示钢件加热到规定温度后处于保温阶段，曲线表示钢件保温结束以后进行淬火冷却。热处理工艺曲线示意图根据加热和冷却方式的不同以及组织、性能变化的特点，钢的热处理工艺可分类如下：2.4.2退火与正火热处理工艺一般分为最终热处理和预先热处理。预先热处理是为了消除或改善前道工序引起的某些缺陷，为最终热处理做好准备，退火和正火是工件预先热处理的主要手段。有些工件经退火或正火后已满足要求，这些退火和正火就作为最终热处理。一、退火退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。1.退火的目的及分类退火的目的和分类退火的主要目的

3、是降低硬度，改善力学性能；消除组织缺陷，均匀化学成分；消除或减少内应力，稳定尺寸；为最终热处理做组织准备。退火的种类很多，通常根据退火加热温度可分为：2.常用退火工艺1)完全退火工艺 完全退火是将铁碳合金加热到完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。完全退火主要用于中、低碳钢的铸件、锻件、热轧钢材和焊接件。铸件冷凝过慢或锻轧件终锻、终轧温度过高，会引起奥氏体晶粒粗大，使钢材的塑性和韧性下降；焊接件焊后会引起过热引起组织粗化、内应力、硬度高等缺陷；这些都采用完全退火来消除和改善。因此，完全退火的目的是：降低硬度，改善加工性；细化组织，为下一步淬火做准备；增加塑性和韧性；消除内

4、应力。完全退火的工艺参数由加热温度、加热速度、保温时间和冷却速度等组成，其工艺要点如下：a.加热温度：一般情况下碳钢的完全退火温度选用Ac3（3050），合金钢选用Ac3（5090）。为了加快奥氏体化的过程，减少工艺时间，在生产中往往采用较高的温度，而对含有多种合金元素的合金钢，常采用更高的温度。常用钢的退火温度见表。常用钢的退火温度（）b.加热速度：形状简单的碳素结构钢或低合金钢可以随炉升温，不控制加热速度。但形状复杂或中、高合金钢则应控制加热速度，中、高合金钢因合金元素含量高，导热性差，所以升温不易过快，其加热速度一般控制在80100/h，低于600700时控制在3070/h。c.保温时间

5、：一般按有效截面厚度计算，实际生产中按1.52.5min/mm估算。保温时间的确定，应考虑钢的成分、工件的尺寸和形状、装炉量以及采用的加热炉特性等因素，合金钢的保温时间比碳钢长一些，工件越大，装炉量越多，保温时间也越长。d.冷却速度：在实际生产中，如冷却速度过慢，会造成工件过软；如冷却速度过快，会造成硬度偏高，一般情况下碳钢的冷却速度为100150/h，低合金钢冷却速度为50100/h，高合金钢为2070/h，工件随炉冷到500左右可出炉空冷，也可埋入砂、灰堆中或冷却坑中冷却。2）等温退火工艺 将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间的某一温度并

6、等温保持，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺，称为等温退火。等温退火主要用于过冷奥氏体比较稳定的合金结构钢，可以减少合金钢的退火时间。等温退火工艺参数的选择，下图为等温退火工艺曲线：等温退火工艺曲线a.退火温度：一般亚共析钢的退火温度为Ac3（3050），共析钢或过共析钢的退火温度为Ac3（2040）。b.等温温度和等温时间：在满足性能要求的前提下，尽量选用珠光体转变最快的速度。在实际生产中常用Ar1（2030）的温度进行等温，等温时间根据钢的种类和装炉量而定，一般合金钢常用34h，高合金钢可长一些。c.冷却方法：以加热温度较快地冷至Ar1以下温度等温，等温后在空气中进行冷

7、却或缓慢冷却。3）球化退火工艺 球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的一种退火工艺。主要用于共析钢和过共析钢，因为共析钢和过共析钢中存在大量的片状或细片状珠光体，硬度较高，切削加工困难，通过球化退火，硬度降低，易于加工。球化退火的主要目的是：得到球状珠光体，消除轻微网状渗碳体，为最终热处理作好组织准备；降低硬度，改善切削加工性；消除内应力，增加塑性和韧性。常用的球化退火工艺有3种（见图），即：常用球化退火工艺曲线示意图a.普通球化退火：将钢加热到稍高于Ac1温度（一般为Ac1以上2030），保温一定时间随后缓慢冷却到500以下空冷。常用球化退火工艺曲线见图a）。b.等温球化退火：实质上是共析钢和

8、过共析钢的等温退火，将钢加热到Ac1（2030）保温，再快冷到Ar1（2030），等温后冷却至500空冷。其工艺曲线见图b）。c.周期球化退火：将钢加热到Ac1（1020）保温，后快冷，在Ar1（2030）等温。其特点是反复循环数次后缓冷到小于500后空冷，有利于碳化物球化。一般用于共析或过共析钢中粗片状碳化物的球化，其工艺曲线见图c）。在选择工艺参数时应注意下列问题：a.加热温度：加热温度过高，易造成片状珠光体增多，硬度偏高；加热温度过低，造成碳化物溶解不充分，退火后得到片状和细粒状的碳化物，同样也使硬度偏高。b.保温时间：保温时间太长，造成碳化物过度溶解和奥氏体较为均匀化，会出现粗大的球状

9、碳化物；保温时间过短，造成碳化物溶解不够，会有片状碳化物出现。因此，在实际生产中应根据钢种、工件尺寸、装炉量、炉型等因素具体确定保温时间。c.冷却速度：冷却速度过快会使碳化物颗粒太细，降低硬度；冷却速度过慢，会出现粗大的球状碳化物，硬度过高。4）均匀化退火工艺 为了减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺，称为均匀化退火。均匀化退火主要应用于大型铸钢件和合金钢钢锭。大型铸钢件和合金钢钢锭在铸造过程中会产生化学成分不均匀。均匀化退火的目的是消除化学成分的不均匀性，减少偏析；消除内应力，改善加工性能。均匀化退火工艺参数的选择：a.

10、加热温度：加热温度一般为Ac3（或Acm）（150250）。根据经验，碳钢铸件一般为9501000；低合金钢铸件为10001050；高合金钢铸件为10501100；高合金钢锭为10001200。b.加热速度：加热速度一般控制在每小时100120/h。c.保温时间：通常按有效截面厚度23min/mm。d.冷却方法：随炉缓冷至500350后出炉空冷。均匀化退火由于加热温度高，保温时间长，必然会引起晶粒粗大，所以已成形的铸件在均匀化退火后应再进行正火或完全退火。而对于钢锭，由于轧制或锻压后还需进行退火或正火处理，故可省去。5）去应力退火工艺 去应力退火是为了去除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸

11、件内存在的残余应力而进行的退火。一般可在Ac1点以下加热，保温24h后，缓冷至200300再出炉空冷。去应力退火适用于铸件、焊接件、锻轧件及机械加工件。铸件及焊接件一般用500650，机械加工件则可用稍低些的温度。二、正火1.正火工艺正火是将钢加热到Ac3（或Acm）（150250），保温适当时间后，在静止空气中冷却的热处理工艺。正火的目的是：细化晶粒，并使组织均匀化；提高低碳钢工件的硬度和切削加工性能；消除切削加工后的硬化现象和去除内应力；消除过共析钢中的网状碳化物，为下一步热处理作好准备。正火的加热温度在实际生产中常常略高一些，以促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性。下表为常用钢材的正

12、火温度及正火后硬度。常用钢材的正火温度及正火后硬度正火的加热速度、保温时间与完全退火相似。冷却方式应根据钢的成分、工件的尺寸和形状以及正火的性能要求而确定。对于一般小件可在空气中冷却，大件可用吹风冷却或喷雾冷却。但对于一些高合金钢，空气冷却已超过其临界冷却速度，属于淬火而非正火。正火的冷却速度比退火要快，可得到细密的珠光体，钢的强度和硬度都比退火高。下表为45钢、40Cr钢退火、正火后的力学性能。45钢、40Cr钢退火、正火后的力学性能对照2.正火的应用正火与退火相比周期短，节约能源，操作简便，并可获得较好的力学性能。所以在满足工件性能要求的条件下，一般采用正火。下图为碳钢的硬度与热处理的关系

13、。图中阴影部分是适合一般切削加工的硬度范围。从图中可以看出，碳的质量分数c低于0.5%的碳钢，宜采用正火；碳质量分数c高于0.5%的碳钢，宜采用退火；高碳钢宜采用球化退火。碳钢的硬度与热处理的关系对于中碳以上的合金钢，一般可采用退火，这是因为合金元素使曲线右移，正火的冷却速度较快，使硬度过高，不适合机械加工。2.4.3淬火和回火一、淬火淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏作的组织的热处理工艺。这一过程的实质是完成从奥氏体向马氏体或贝氏作的转变。淬火的目的是为了提高钢的强度、硬度、耐磨性等力学性能，从而满足各种零件或工具的不同使用要求

14、。亦可以满足一些特殊的物理、化学性能要求，如提高不锈钢的耐蚀性、增加磁钢的永磁性等。1.加热介质由于淬火后的工件留有加工余量少，因此淬火加热时要求变形小，表面无氧化、脱碳，严格控制淬火加热介质，减少氧化脱碳使之保证工件淬火质量。因此，根据对工件的要求应选择适当的加热介质。常用加热介质有空气、熔盐、保护气氛、真空等。1）空气：箱式、井式等电阻炉的加热介质多为空气。加热温度越高，保温时间越长，氧化脱碳越严重。氧化从200时就开始发生。脱碳一般在600以上发生。常用的防止氧化脱碳方法有装箱法和涂料保护法。2）熔盐：采用盐浴炉加热，将工件浸入熔盐中，使工件不与氧气接触，具有加热速度快、氧化脱碳倾向小，

15、并可局部加热等优点。3）保护气氛：将制备的一定成分的气体通入加热炉中，可保护工件不被氧化脱碳，并得到光亮的表面，这种气体介质称为保护气氛。保护气氛常用的有吸热式气氛、放热式气氛、滴注式气氛以及氨分解气氛。4）真空：将工件置于真空炉加热，由于真空炉中气体稀薄，压力低于大气压，炉气的氧化性与脱碳性气体极小，可达到保护工件不氧化脱碳。真空处理具有如下许多优点：不氧化、不脱碳，可实现光亮淬火；工件变形小；工件表面光亮；无污染，劳动条件好。2.加热规范1）随炉升温：加热缓慢，截面温差小，用于大型铸锻件及高合金或复杂件；2）到温入炉：加热速度较快，截面温差较大，多用于一般碳钢锻件的退火、正火及低合金钢中小

16、件的淬火和回火；3）高温入炉：比规定淬火温度高出50100入炉，加热速度快、截面温差大，可用于中碳钢及低合金钢锻件的正火、退火；4）分段加热：即分段预热，可以缩短高温加热时间，减少热应力，用于大型及高合金钢件的退火、正火、淬火等3.淬火加热温度的确定钢的化学成分是确定淬火加热温度的主要因素，碳钢的淬火加热温度可用FeFeC3相图来选择，下图所示为碳钢的淬火温度范围。碳钢的淬火温度范围1）亚共析钢淬火温度的确定 亚共析钢的淬火温度为Ac3（3050），淬火时要完全奥氏体化，淬火后得到细小均匀的马氏体。如果温度过高则产生晶粒粗大，使钢变脆，温度过低则形成不均匀组织，产生软点。2）共折钢和过共析钢淬

17、火温度的确定 共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1（3050）。过共折钢淬火加热至Ac1Acm之间，其组织为奥氏体(部分未溶解细粒状渗碳体)，淬火后奥氏体转变为马氏体，而粒状渗碳体保留下来，提高了硬度和耐磨性。如温度过高，渗碳体全部溶解，淬火后，残余奥氏体增多，硬度偏低，则性能变差。对于合金钢，可以根据其临界点来确定淬火加热温度，但考虑到合金钢的合金碳化物很难溶解，所以淬火加热温度均高一些。一般低合金钢淬火加热温度常选用临界温度以上70100，而中、高合金钢的加热温度更高。除了上述根据钢的临界点选择淬火温度的原则外，对于同一化学成分的钢，由于工件的形状与尺寸，淬火冷却介质及淬火方法，钢的原始组织

18、等不同，加热温度也不同。所以，在实际生产中必须考虑各种因素来确定淬火加热温度。4.淬火加热时间的确定淬火加热时间包括工件加热到淬火温度所需的升温时间和使工件烧透及奥氏体均匀化所需的保温时间，一般来说，在满足工件各项技术要求的前提下，应尽量缩短加热时间，以提高生产效率，节约能源。工件的加热时间同以下几个因素有关：1）钢的成分 随着钢中碳或合金元素的增加，钢的导热性降低，应延长加热时间。2）工件尺寸及装炉量 工件尺寸越大，装炉量越多，则加热时间越长。#加热设备空气电阻炉加热速度比盐浴炉慢，相应加热时间应长一些。3）装炉状况 工件在炉中的置放间隙大，加热时间短；置放的越密，加热时间越长。4）炉温 提

19、高炉温可缩短加热时间。工件可在淬火温度入炉，亦也可将炉温升到高于正常淬火温度50100入炉。目前，生产中常根据工件的有效厚度来确定加热时间，其经验公式如下：tKD式中t淬火加热时间（min）；加热系数（min/mm）；D工件的有效厚度（mm）；K排料系数。常见钢的加热系数工件的有效厚度是指能够保证零件得到良好加热条件的厚度。下图所示为不同形状工件有效厚度的计算图。不同形状工件有效厚度D的计算图工件在炉中的放置对加热时间有一定的影响，下表为工件装炉位置与排料系数K值。工件装炉位置与排料系数K值5.淬火冷却1）冷却介质 淬火冷却是淬火工艺的关键工序之一。淬火冷却应保证得到马氏体组织。这就要求淬火冷

20、却介质有足够的冷却速度。但过快的冷却速度会引起过大的淬火应力。以致工件变形、开裂。所以淬火介质的冷却速度又不能过快，在满足能获得马氏体的条件下，应使冷却速度尽可能低。在生产中，常用的淬火介质有水及水溶液、油类、熔盐、熔碱等。a.水及水溶液：水是应用比较广泛的淬火冷却介质。因为它便宜、安全、无污染，而且具有较高的冷却能力，所以常用于形状简单，尺寸较大的中碳钢零件。但水并不是理想的介质。工件淬火时，水在需要快冷的550650“鼻尖”区域，处于蒸汽膜阶段，冷却速度较慢，而在200300需要缓慢冷的马氏体转变区，却处于沸腾阶段，冷却速度很快，产生极大的淬火应力，使工件易变形、开裂。而且，水的温度对冷却

21、能力影响很大，水温的提高会使冷却能力急剧下降。为了克服这些缺点，工件淬入水后要不停地运动，破坏工件表面蒸汽膜的形成，同时水温控制在40以下，还必须不断补充新水。另外，冷却水要保持清洁，否则也会降低冷却能力。水中加入食盐（NaCl）或碱类就形成了盐或碱的水溶液。工件淬入后，盐或碱的颗粒在工件表面再结晶析出，并发生爆裂，破坏了蒸汽膜，提高了高温区的冷却能力。质量分数为10的氯化钠水溶液在550650范围的冷却能力比清水提高近10倍，而在低温时与清水的冷却速度接近，工件淬火后可得到高而均匀的硬度，还可减少变形，开裂的倾向。因此，工业上大多用氯化钠水溶液。b.油类：油也是一种应用较广泛的冷却介质。油在

22、高温阶段（550650）的冷却能力比水小，故常用于淬透性较高的合金钢或尺寸较小的碳钢零件。随着油温的升高，油会变稀而增加流动性冷却能力增强，改善了淬火效果。但是油温太高又易着火，所以使用时一般把油温控制在80以下，不宜超过100120。油还存在老化问题，须采用澄清、过滤及更换新油等方法，以维持其冷却能力。油的最大优点是在200300马氏体转变区冷却非常缓慢，减少了工件的变形和开裂倾向。另外，用油淬火的工件，淬火后需清洗干净。常用的淬火油是全损耗系统油，现在又开发出快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、高温淬火油等品种。c.盐浴和碱浴：盐浴（碱浴）是指盐类（碱类）加热溶化后的液体介质。盐浴和碱浴的

23、冷却能力介于水、油之间，主要用于复杂形状的碳素钢、碳素工具钢以及合金工具钢小件的淬火。碱浴和盐浴可加入一定比例的水，可使溶点降低，增加冷却速度，但水不能太多，一般控制在26。2）淬火冷却方法 工件淬火时，既要保证组织和性能，又要减少变形和开裂等缺陷，因此，除了正确地进行加热、合理地选择淬火介质外，也要选择合适的冷却方法。冷却方法按照特点分为单液淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火和自回火淬火等。a.单液淬火：将工件加热至淬火温度并保温后，放入单一淬火介质中，冷却至150100时取出或冷至室温。这种方法主要用于形状简单的碳钢和合金钢工件，也可用于局部淬硬的工件。单液淬火冷却介质主要是水和油。单液

24、淬火的优点是操作简便，易实现机械化和自动化，但由于水和油的冷却性能不太理想，其使用范围有很大的局限性。b.双介质淬火：将工件加热奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质，在钢件还未到达该淬火介质温度之前取出马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却，如先水后油、先水后空气等。这样可以减少马氏体转变而产生的内应力，防止工件变形和开裂。这种方法常用来处理形状较复杂的工件，如碳素工具钢中的钻头、铰刀等。双介质淬火一般对碳钢采用水淬油冷，合金钢采用油淬空冷。合金钢或高速钢用油淬火时，从油中取出如见闪光，则冷却时间不足，如无闪光冒青烟，则时间刚好。c.分级淬火：分级淬火是将奥氏体化的工件，随后淬入温度稍高于或稍

25、低于钢的Ms的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当时间，待工件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火。分级淬火由于在Ms点附近保温，随后空冷工件截面几乎同时形成马氏体组织，减少了淬火应力和变形。适用于处理尺寸不大，形状较复杂的碳钢及低合金钢工件。d.等温淬火：工件加热到奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变温度区间（260400）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。等温淬火后得到的是贝氏体组织，贝氏体综合力学性能较高，同时内应力较小，所以工件不易变形、开裂，而且淬火后的碳钢和低合金钢不需回火处理。这种方法适用于处理要求变形小、韧性和强度高、尺寸不大的工件。二、回火回火是指钢件

26、淬硬后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温，获得较稳定组织及所需力学性能的热处理工艺，回火的目的如下：降低应力和脆性，防止断裂；获得良好的综合力学性能；防止工件变形、稳定工件尺寸；改善加工性能。按回火温度不同，回火可分为低温回火、中温回火、高温回火三类。1）低温回火 回火温度一般150250，低温回火的目的是降低应力，减少脆性和变形；得到回火马氏体组织，使工件保持高硬度和高耐磨性。一般用于渗碳及碳氮共渗件，碳素、合金钢量具和刃具，以及滚动轴承钢零件。低温回火后的硬度一般为HRC5564。2）中温回火 回火温度为300500，中温回火的目的是提高工件的冲击韧度，使工件具

27、有高弹性和屈服强度，获得回火屈氏体组织。一般用于处理弹簧、发条、锻模及抗冲击工具。中温回火后的硬度为HRC3545。3）高温回火 回火温度为500650，习惯上将淬火加高温回火称为调质处理。回火的目的是获得良好综合力学性能的回火索氏体组织，使工件具有较低的硬度、强度和较高的塑性韧性。一般用于处理连杆、轴类、螺钉等结构零件。另外，还可作为表面淬火、渗氮的预先热处理。高温回火硬度一般为HRC3545。在生产中，通常按照钢的回火硬度要求来选择回火温度。回火温度与硬度的关系曲线可在热处理及有关手册中查到。一般情况下，淬火温度高，工件尺寸小，宜取上限回火温度，反之则取下限温度。回火时间的基本原则保证工件

28、能透烧和组织转变充分，以及应力得到消除。钢的硬度随着回火时间的延长而下降。在确定回火时间时，还应考虑合金元素的影响，合金元素使钢的导热性变差，因此合金钢的回火时间应长一些。实际生产中，一般采用空气中缓慢冷却。但为消除含铬、锰、镍等元素的合金钢的回火脆性，应采用在水中或油中快冷。2.4.4表面热处理对于承受弯曲、扭转等交变载荷及冲击载荷并在摩擦条件下工作的零件，如齿轮、轴类、轧辊等，不但要求表面有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，还要求零件心部有足够的塑性和韧性，以便零件的表面和心部实现良好的性能配合。普通的热处理方法不能满足这些性能要求，生产上常用表面淬火的方法。表面淬火的方法是将工件表层金属

29、迅速加热至相变点以上，而心部未被加热，然后迅速冷却，是零件表层获得马氏体而心部仍为原是组织的“外硬内韧”状态。表面淬火的材料一般含碳量在0.40.5之间。为了保证心部较好的塑性和韧性，在表面淬火前进行正火或调质处理。表面淬火的方法主要有感应加热、火焰加热、电解液加热、电接触加热、脉冲加热、激光加热、电子束加热等。不同表面淬火及化学热处理性能的对比一、感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使工件表面迅速加热至奥氏体状态，然后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。当感应圈中通过一定频率交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。感应圈内工件在

30、交变磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称为涡流。此涡流将电能变为热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布由表面至心部呈现指数规律衰减。因此，涡流主要分布于工件表面，工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫集肤效应。感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用纯铜管制做，内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或浸水冷却，实现表面淬火工艺。感应加热电流透入工件表面的深度与感应电流的频率有关，如下式所示：式中感应电流透入深度（mm）f电流频率（Hz）可以看出，电流频率愈高，感应

31、电流透入工件表面的深度愈浅。根据零件尺寸及硬化层深度的要求选择不同的电流频率，感应加热可分为三类。感应加热淬火分类及应用分类工作电流频率淬硬层深（mm）特性及应用范围高频加热200300KHz0.52.5主要用于中小模数（m=1.58）及中小尺寸的轴类零件表面加热淬火中频加热50010000Hz210主要用于大中模数的齿轮、花健轴表面轮廓淬火和曲轴、凸轮轴等工频加热50Hz1015主要用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、车轮、大型模具等表面淬火感应加热淬火的优点是加热速度快，加热时间只需几秒或几十秒，生产率高。而且工件表面氧化脱碳少，变形小，工件表面质量高。奥氏体在较大的过热度下进行

32、转变，转变速度快，晶粒细小，淬火后获得细小隐针马氏体，表面硬度比一般淬火硬度高HRC23，耐磨性好，而且脆性小。此外，由于表面层存在较大残余压应力，可提高工件疲劳强度。淬火加热温度及淬火层深度容易控制，便于实现机械化和自动化。其缺点是设备昂贵，调整和维修较复杂。二、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是用乙炔氧或其他可燃气体燃烧时形成的高温火焰将工件表面加热到相变温度以上，然后立即喷水淬火冷却的方法。火焰加热淬火的淬硬层深度可通过调整喷嘴到工件表面的距离、改变喷嘴移动速度来控制，距离越近、速度越慢，淬硬层深度越深。其深度一般为28mm。火焰表面淬火零件的材料常用中碳钢及中碳合金结构钢，还可以用于灰

33、铸铁、合金铸铁进行表面淬火，例如车床床身导轨表面淬火。火焰表面淬火方法设备简单，操作方便，成本的，适用于单件、小批量生产的大型零件和需要局部淬火及外形复杂的工具和零件，如大型的轴类、大模数齿轮和大型工装模具等。但火焰表面淬火容易过热，淬火质量不稳定，限制了它在工业生产中的广泛适用。现代化大规模生产中采用专用火焰加热淬火机床能有效地稳定淬火质量，进行大批量连续生产。火焰加热表面淬火示意图2.4.5化学热处理钢的化学热处理是将金属或合金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表层，以改变其化学其化学成分、组织和性能的热处理工艺。它与表面淬火不同，表面淬火是通过改变表面层组织的办法来改

34、变表面层的性能，而化学热处理是用改变工件表层成分的办法来改变工件表面的组织和性能。化学热处理的分类根据渗入元素分类渗入非金属单元渗：C、N、B等多元共渗：CN、ON等深入金属Al、Cr、Ti、V等AlSi、AlCr、AlV等根据渗入元素对工件表面性能的作用分类提高渗碳层强度及耐磨性（渗：C、N、V等）提高抗氧化、耐高温性能（渗：Al、Cr等）提高抗咬合、抗擦伤性能（渗：S、P等）提高抗腐蚀性能（渗：N、Si、Zn等）根据介质的物理状态固体法液体法气体法一、渗碳为了增加工件表面的含碳量及一定的碳浓度梯度，将工件在渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳处理是机械制造中应用最广泛

35、的一种化学热处理工艺。渗碳处理广泛用于表层要求高硬度、高的耐磨性及疲劳强度，而心部要求一定强度和高韧性，能承受高的冲击韧性的零件，如汽车主轴、齿轮、轴承等。根据渗碳剂使用的不同状态，渗碳法可分为：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳和特殊渗碳法四大类。1.渗碳用钢渗碳用钢的含碳量一般在0.150.25%之间，为了提高心部强度，可以提高到0.30一般要求不高的渗碳件，多用碳素钢来制造。由于碳素钢淬透性差，心部强度低，淬火变形开裂变形倾向大，渗碳时晶粒容易长大。因此，对于工件横截面较大、形状复杂，表面耐磨性、疲劳强度、心部机械性能要求高的零件，多用合金渗碳钢来制造。合金渗碳钢中的合金元素主要有Cr、Ni、

36、Mn、W、Mo、Ti、V、B等。加入合金元素的主要作用是为了提高渗碳钢的淬透性，Ti、V等还可以阻止渗碳温度下长时间保温，奥氏体晶粒的长大。2.渗碳介质和渗碳基本原理气体渗碳常用的渗碳介质有两类：一类是吸热式或放热式可控气氛，几年来多使用氮基气体作为载体气，另外再加入某种碳氢化合物（如天然气、液化石油气、城市煤气等）作为富化气用以提高并调节气氛的碳势，气体介质直接通入渗碳炉中进行渗碳；另一种是含碳有机液体介质，直接滴入高温气体渗碳炉中，在高温下进行分解产生出渗碳气体。在渗碳温度下(920)渗碳过程包括三个基本过程：一是由介质（甲醇、煤油、异丙醇）分解出活性原子。如分解产生的一氧化碳和甲烷分解出

37、活性碳原子：2COCO2+CCH42H2+C二是活性碳原子被工件表面吸收。三是被吸收碳原子向工件内部扩散。渗碳过程由分解、吸收、扩散三个过程组成，三个过程又是同时发生的，全部过程存在着复杂物理化学反应。3.渗碳前的预备处理1）正火 锻造后的齿轮锻坯应进行正火，正火温度一般为890950，保温时间根据锻坯有效尺寸、装炉情况及炉型而定，锻坯出炉后不应堆放冷却，而应散开空冷或喷雾冷却。对于某些合金结构钢，当采用正火加回火工艺时，正火温度略高于渗碳温度，回火温度为600680。2）等温退火 对于高精度齿轮，为增加预处理组织均匀性，可采用等温退火工艺。3）去应力处理 对要求高的齿轮以及模数大于14的齿轮

38、，齿形粗加工后应进行去应力退火处理或在600680进行高温回火。4.渗碳处理前的准备工作1）探伤对可靠度要求高的齿轮应进行超声波或磁粉探伤检验，其技术指标可按国家标准或各行业规定。2）表面清理待渗碳的齿轮及吊装夹具均应进行清理或置于450550炉内气化脱脂，除去表面油污、铁屑及其他有害杂物。3）防渗措施对齿轮不需渗碳的部位，可以采用防渗涂料涂敷表面。防渗涂料应附着牢固，渗碳处理后应易脱落，且对齿轮表面质量无有害影响。也可采用镀铜或预留加工量等防渗措施。4）吊装夹具根据处理设备类型及齿轮的结构特点设计吊装夹具。原则：夹具的结构、尺寸应保证其在高温状态下具有足够的刚性。吊装夹具经多次使用后不应对齿

39、轮有较大的畸变影响，必要时必须及时更换。夹具应保证在处理过程中齿轮各部位加热、冷却均匀，渗碳气氛流动均匀，并使生产操作安全方便。5）随炉试样随炉试样材料应与被处理齿轮材料相同，其形状尺寸应能代表齿轮实际处理情况。仿形试样或齿形试样，应至少含有3个轮齿。齿根以下截面厚度等于齿根圆齿厚的二分之一，或根据齿轮模数选取，一般应大于10mm；齿宽为齿根圆齿厚的23倍。6）渗碳原料的选用根据热处理设备的类型、渗碳原料的特性及供应状况选择。滴注式气体渗碳炉可采用专用渗碳油、煤油、丙酮、异丙醇、醋酸乙酯、甲苯等任一种作渗碳剂，用甲醇作稀释剂。可控气氛渗碳时，吸热式气氛原料气为天然气和液化石油气。5.气体渗碳法

40、气体渗碳法是将工件放入密封的渗碳炉内，使工件在930高温的渗碳气氛中进行渗碳。通入的有机物液体（甲醇、煤油、异丙醇）在高温下分解，产生活性碳原子，并被加热到奥氏体状态的工件表面吸收，而后向钢内部扩散。渗碳时最主要的工艺参数是加热温度和保温时间。加热温度愈高，渗碳速度就愈快，且扩散层的厚度也愈深。1）渗碳工艺规范a.装炉 将准备就绪的齿轮和随炉试样安放在吊装夹具上。对于中、小模数的薄壁齿轮应采用挂装或托垫形式的夹具，对带有花键孔的齿轮应支承合理。齿轮装在夹具上时，轮齿之间不得有搭接，且轮齿工作面之间应留有足够间隙。井式气体渗碳炉的中检试样可在齿轮装炉后或排气结束后放入试样孔。b.排气 齿轮装炉后

41、，温度达750以上的大量滴入甲醇，达850后再通入渗碳剂当采用井式气体渗碳炉处理易畸变和可靠度要求高的齿轮以及装炉量较大时，应采取分段均温加热方式，同时通入氮气开始排气，炉温升至750后滴入甲醇。当炉温达到设定的渗碳温度，且炉气碳势达0.8时，即为排气结束，转入强渗阶段。c.渗碳温度和时间 渗碳温度一般为890930。渗碳时间根据钢材特性、渗层深度要求、渗碳温度、渗碳原料特性、炉型等条件决定。气体渗碳典型工艺d.扩散 对于要求渗层梯度平缓的齿轮，强渗后应进行扩散。但当要求有效硬化层深度小于1mm时，可不进行扩散。当使用井式气体渗碳炉时，在强渗阶段后期取出中检试样，检验渗层深度，根据技术要求适时

42、转入扩散阶段。从强渗阶段转入扩散阶段时，一般温度不变，并应合理调整渗碳原料的比例及用量，必要时可通入能快速降低炉内碳热的气体，如氮气等。当使用井式气体渗碳炉时，在扩散阶段末期检查中检试样，根据要求的渗层深度及表面含碳量确定实际扩散时间。e.碳势控制原则 强渗期碳势控制：一般情况下，在不出现炭黑及工件表面碳化物级别允许的前提下，在强渗期炉内应具有最高碳势，以获得最快的渗速。扩散期碳势控制：一般以工件表层达到设计要求的碳浓度确定炉内碳势。当有微机控制时，应能根据齿轮渗层碳浓度分布的设计要求进行自动测控。f.降温处理 根据材料及工艺要求，渗碳后采用不同的降温处理。需直接淬火的齿轮，可在渗碳炉内降温至

43、840880保温0.51h后投入淬火介质中冷却；需重要加热淬火的齿轮，在渗碳炉内降温至820880保温适当时间后移至冷却装置中冷却，并应采取防氧化脱碳措施，齿轮冷至350以下方可空冷；当齿面有较大加工留量时可采用空冷；镍铬含量较高的材料，冷至150250后进行高温回火。2）淬火工艺规范a.直接淬火 齿轮经过气体渗碳后在渗碳炉内降温至840880保温0.51h，然后投入淬火介质中冷却。用井式气体渗碳炉处理的齿轮，出炉后应尽快投入淬火介质内，以避免表面产生异常组织。b.一次加热淬火 一般加热温度为820860。对用连续式气体渗碳炉或密封箱式炉渗碳的齿轮，为细化晶粒在冷却装置中冷至600后，再重新加

44、热至淬火温度。（a）直接淬火（b）一次加热淬火（c）二次加热淬火图2- 淬火工艺图c.二次加热淬火 第一次淬火加热温度为860880，保温后淬火冷却，待工时冷至室温后再进行第二次淬火，其第二次加热温度为780800，冷却方法同前。3）清洗烘干 齿轮及吊装夹具经淬火冷却至适当温度后方可进行清洗烘干。4）回火工艺规范 齿轮清洗后应及时低温回火，一般间隔不超过4h。根据图样技术要求的硬度及钢种确定回火温度，一般为160220，回火时间为24h。对于高镍铬钢大型齿轮要充分回火，一般为1020h。对于高精度齿轮，磨齿后应进行去应力回火，温度为140160，保温时间不少于2h。5）冷处理 一般齿轮不采用冷

45、处理。对于精度和可靠度要求高的齿轮，当渗碳表层组织中有过多残余奥氏体，且最终硬度要求58HRC以上时方进行冷处理。齿轮在冷处理前后均应进行低温回火处理，以免产生显微裂纹。冷处理温度为7080，时间为2h，大齿轮适当延长时间。齿轮经冷处理后应使其温度回升到室温，再进行低温回火，但间隔不得超过4h。6）喷砂或喷丸 热处理后齿轮按要求进行喷砂清理或喷丸强化。目的：清除表面氧化皮；表面形成压应力提高疲劳寿命。二、渗氮在一定的温度下（一般在Ac1一下）使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮。钢件经渗氮后可获得高的表面硬度（HV10001200）、高的耐磨性、高的疲劳强度、红硬性级高的耐蚀性，并

46、且热处理变形小。渗氮可分为气体渗氮、液体渗氮和离子渗碳等。目前工业中应用最广泛的是气体渗氮法，它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成渗氮层，同时向心部扩散。氨的分解反应如下：2NH33H2+2N渗氮工件的加工工艺路线如下：锻造退火粗加工调质半精加工去应力退火精加工去应力退火粗磨渗氮（精磨）。1.渗氮用钢渗氮齿轮常用钢2.渗氮工艺1）等温渗氮 等温渗氮温度较低、氮化物分散度较大，表面硬度高（HV=10002000），变形小，脆性低。但周期长、深层浅、成本高。适用于要求硬度高、形状复杂、尺寸精密、渗层浅的零件。等温渗氮工艺曲线2）二段氮化 与等温氮化相比，二段氮化所得表面硬度

47、稍低，变形稍有增大。但渗氮速度快，适用于要求渗氮层较深批量较大的零件。二段氮化工艺曲线3）三段渗氮 三段氮化能进一步提高渗速，但硬度、脆性、变形等均较等温氮化差。三段渗氮工艺曲线生产中根据实际的技术要求选择合适的渗氮工艺。下表为常用钢的渗氮工艺。常用钢在氨中渗氮的工艺参数3.渗氮层的质量检测1）外观和变形 正常渗氮中的表面应为银灰色而无光泽，不应有局部亮点（区）存在。一般发亮表明该处未渗氮。渗氮处理产生变形倾向最小。渗氮件的变形检查与其它工序的变形检查没有本质的不同，只是渗氮件的表面粗糙度细，留磨量小，有的工件甚至不再精磨，所以要求测量渗氮变形要更加仔细、精确。2）渗氮层组织 正常的金相组织由

48、表及里依次为心部。在生产实践中，若白亮层是单一的相，它并不脆，若白亮层为相，则随着相的增加、脆性加大。只要脆性合格，仍判定为合格。在紧靠白亮层的区域内，有时出现针状、鱼骨状、网状或脉状白色氮化物，若少量出现脆性不大，若出现粗大、连续的氮化物时，脆性必然超标，甚至发生渗氮层的剥落。按GB/T11354-1989钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验规定，渗氮层组织中氮化物12级合格，疏松12级合格。3）渗氮层硬度 由于渗氮层薄硬度高，所以对表面硬度的检查一般都采用维氏硬度计（HV）或者表面洛氏硬度计（HRN），若对渗氮层中的化合物层测定硬度或在试验中要测定渗层的硬度分布，测绘硬度曲线时，应使用显微

49、硬度计（HM）。4）渗氮层脆性 根据GB/T 11354-1989钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验中规定，脆性分为5级，可直接依据维氏硬度计压头的压痕形状来评定。规定12级合格。5）渗氮层深度 在GB/T 11354-1989钢铁零件渗氮层深度测量和金相组织检验中规定：采用维氏硬度计，试验力为2.94N（0.3kgf）从试样表面测至比基体硬度高50HV处的垂直距离为渗氮层深度。当用不同测量方法对渗氮层深度值有争议时，以硬度法作为仲裁方法。2.5表面处理工艺表面处理是应用物理、化学、机械等方法改变固体材料表面成分或组织结构,获得所需要的性能,以提高产品的可靠性或延长使用寿命的各种技术的总称。

50、表面处理在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法，目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。2.5.1热喷涂一、技术原理及特点热喷涂是采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。主要分类如下图：图1-1 热喷涂的分类热喷涂工艺流程包括基体表面预处理、热喷涂、后处理、精加工等过程。 二、热喷涂技术的应用1.喷涂耐腐蚀涂层采用热喷涂技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层，如锌、铝、不锈钢、镍合金、蒙耐尔合金、青铜以及氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。2.喷涂耐磨涂层如在汽轮机转子、密封

51、轴颈、活塞环、主动齿轮轴颈等滑动磨损部位，喷涂各种铁基或镍基耐磨合金涂层，或氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层和镍基或钴基碳化钨涂层。3.喷涂耐高温涂层4.喷涂功能涂层图4- 为热喷涂工艺流程图。图1-2 热喷涂工艺流程图2.5.2电镀技术电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。电镀的目的是改善基体材料的外观，赋予材料表面的各种物理化学性能，如耐蚀性、装饰性、耐磨性、钎焊性以及导电、磁、光学性能等。电镀具有工艺设备简单、操作方便、加工成本低、操作温度低等特点，是表面工程技

52、术中最常用的方法之一。不同溶液和工艺参数下得到的镀层，性能和用途也不同。按镀层的性能可将其分为：（1）防护性镀层在大气或其它环境下，可延缓基体金属发生腐蚀的镀层。如：钢铁基体上的锌和锌合金镀层、镉镀层等。防护装饰性镀层在大气环境中，既可减缓基体金属的腐蚀，又起到装饰作用的镀层。（2）功能性镀层能明显改善基体金属的某些特性的镀层，包括耐磨镀层，如镀硬铬；减摩镀层，如铅锡合金等；导电镀层，如银、金等；导磁镀层，如镍铁合金、镍钴合金、镍磷合金等；钎焊性镀层，如锡铅合金、锡铈合金等；其它功能性镀层还有吸热镀层、反光镀层、防渗镀层、抗氧化镀层、耐酸镀层等。为了达到预期的使用目的，任一电镀层都必须满足如下

53、三个基本条件：第一，与基体金属结合牢固，附着力好；第二，镀层完整，结晶细致，孔隙少；第三，镀层厚度分布均匀。此外，对单一镀种和不同镀种组合的镀层，我国已制订与国际接轨的相应技术标准。镀层的质量应满足零件在不同环境下使用的技术要求。电镀层的质量主要体现在它的物理化学性能、组织结构和表面特征等。镀层质量主要取决于镀层金属自身的性能，但镀液的组成、电镀规范、基体金属的特征及前处理工艺等也有较大影响。2.5.3激光合金化一、激光合金化的原理与特性激光合金化是金属材料表面局部改性处理的一种新方法，它利用高能密度激光束使添加的合金元素与基体材料表面薄层同时熔化、混合，在很短的时间内形成厚的表面合金。利用该

54、技术可使廉价的普通材料表面获得优异的耐磨、耐腐蚀、耐热等性能，以取代昂贵的整体合金；可改善不锈钢、铝合金和钛合金的耐磨性能；亦可制备传统冶金方法无法得到的某些特种材料，如超导合金、表面金属玻璃等。与普通电弧表面硬化和等离子喷涂相比，激光合金化有下列优越性：1）激光辐射能量高度集中，可通过空气进行远距离传播；2）是一种快速处理方法，有效利用能量；3）能准确地控制功率密度与加热速度，从而变形小。而电弧硬化与等离子喷涂采用的是不均匀加热和冷却，在急冷过程中有热冲击，造成变形和开裂，随后往往需要校直和打磨加工；4）能使难以接近的和局部的区域合金化，而且利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。基于上述特点，激光合金化在金属加工工业中逐渐获得各种应用。迄今适合于激光合金化的基材有普通碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、钛合金、铝合金，合金化元素包括Gr、Ni、W、Ti、Mn、B、V、Co、Mo。2.5.4激光熔覆激光溶覆是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。可以根据工件的工况要求，熔覆各种（设计）成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。通过激光熔覆，可在低熔点材料上熔覆一层