机械加工常见热处理工艺解读

1、渗碳渗碳热处理渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或 低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900-950摄氏度的单相奥氏痴匚一祺温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。相似的还有低温 渗氮处理。这是金属材料 常见的一种 热处理工艺，它可以使渗过碳的 工件表面 获得很高的硬度，提高其耐磨程度。概述渗碳(carburizing/carburization )是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层,再经过 淬火和低温回火，使工件的表面层 具有高硬度和耐磨性,而工件的 中心部分仍然

2、保持着低碳钢的韧性和 塑性。渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳 合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后，钢件表面的 化学成分可接近高碳钢。 工件渗碳后还要经过淬火，以得到高的 表面硬度、高的耐磨性和疲 劳强度，并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性，使工件能承受冲击载荷。 渗碳工艺广泛用于 飞机、汽车和拖拉机等的机械零件，如 齿轮、轴、凸轮轴等。渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用 固体渗碳介质渗碳。液体和 气体渗 破是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代，连续式气体 渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(9601100 C)气体渗碳得到发展。

3、 至70年代，出现了 真空渗碳和离子渗碳。分类按含碳介质的不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、和 圆氮共渗(氧化)。气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂（甲烷、乙烷等）或液体渗剂 （煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表 面层的一种渗碳操作工艺。固体渗碳是将工件和固体渗碳剂（木炭加促进剂组成）一起装在密闭的渗碳箱中，将 箱放入加热炉中加热到渗碳温度，并保温一定时间，使活性碳原子渗人工件表面的一种最早的渗碳方法。液体渗碳是利用液体介质进行渗碳，常用的液体渗碳介质有： 碳化硅，603”渗碳剂等。碳氮共渗（氧化）又分为气体碳氮共渗、液体碳

4、氮共渗、固体碳氮共渗。原理渗碳与其他化学热处理一样,也包含3个基本过程。分解渗碳介质的分解产生活性碳原子。吸附活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中,使奥氏体中含碳量增加。扩散表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差，表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩 散速度主要取决于温度，同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。渗碳零件的材料 一般选用低碳钢或低碳合金钢（含碳量小於0.25%）。渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火 后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物，心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织，但应避免出现 铁素体。一

5、般渗碳层深度范围为0.81.2毫米，深度渗碳时可达 2毫米或更深。 表面硬度可达 HRC5863，心部硬度为 HRC3042。渗碳淬火后，工件表面产生压缩内 应力，对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度、冲击韧性和耐磨性，借以延长零件的使用寿命。渗碳工艺流程1、 直接淬火低温回火组织及性能特点：不能细化钢的晶粒。工件淬火变形较大，合金钢渗碳件表面残余奥 氏体量较多，表面硬度较低适用范围：操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于 气体渗碳和液体渗碳工艺。2、预冷直接淬火、低温回火淬火温度800-850 C。组织及性能特点：可以减少工件淬火变形，渗层中残余

6、奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。适用范围：操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的 各种工具。3、 一次加热淬火，低温回火淬火温度820-850 C或780-810 C。组织及性能特点：对心部强度要求较高者，采用 820-850 C淬火，心部为低碳 M,表面要求硬度高者，采用 780-810 C淬火可以细化晶粒。适用范围：适用于固体渗碳后的碳钢和 低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。4、渗碳高温回火，一次加热淬火，低温回火淬火温度840-860 C 。组织及性能特点：高温回火使M和残

7、余A分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后残余A减少。适用范围：主要用于 Cr-Ni合金渗碳工件5、 二次淬火低温回火组织及性能特点：第一次淬火(或正火)，可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织( 850-870 C),第二次淬火主要改善渗层组织，对心部性能要求不高时可在材料的Ac1 Ac3之间淬火，对心部性能要求高时要在Ac3以上淬火。适用范围：主要用于对力学性能要求很高的重要渗碳件，特别是对粗晶粒钢。但在渗 碳后需经过两次高温加热，使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂。6、二次淬火冷处理低温回火组织及性能特点：高于 Ac1或Ac3 （心部）的温度淬火，高合金表

8、层残余A较多，经冷处理（-70C/-80C）促使A转变从而提高表面硬度和耐磨性。适用范围：主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件。7、渗碳后感应加热淬火低温回火组织及性能特点：可以细化渗层及靠近渗层处的组织。淬火变形小，不允许硬化的部 位不需预先防渗。适用范围：各种齿轮和轴类工艺新发展渗碳工艺是一个十分古老的工艺，在中国，最早可上溯到2000年以前。起先是用固体渗碳介质渗碳。在20世纪出现液体和气体渗碳并得到广泛应用。后来又出现了真空渗碳和 离子渗碳。到现在，渗碳工艺仍然具有非常重要的实用价值，原因就在于它的合理的设计思想，即让钢材表层接受各类负荷（磨损、疲劳、机械负载及化学腐蚀）最多的地

9、方，通过渗 入碳等元素达到高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳强度及耐蚀性,而不必通过昂贵的合金化或其它复杂工艺手段对整个材料进行处理。这不仅能用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的高合金钢，而且能够保持心部有低碳钢淬火后的强韧性，使工件能承受冲击载荷。因 此，完全符合节能、降耗，可持续发展的方向。近年来，出现了高浓度渗碳工艺，与传统工艺在完全奥氏体区（温度在900950 C,渗碳后表面碳质量分数为 0.85%1.05% ）进行渗碳不同，它是在Ac1Accm之间的不均匀 奥氏体状态下进行，其渗层表面碳浓度可高达 2%4%。其结果可获得细小颗粒碳化物均匀、 弥散分布的渗层。其渗碳温度降至800 c86

10、0 C温度范围，可实现一般钢材渗碳后直接淬火；由于高浓度渗碳层含有很高数量（20%50%）的弥散分布的碳化物，故显示出比普通渗碳更优异的耐磨性、耐蚀性，更高的接触与弯曲疲劳强度，较高的冲击韧度、较低的脆性及较好的回火稳定性。该工艺还具有适用性广、对设备无特殊要求等优点，具有较高的经济效益和实用价值，近年来在国内外获得竞相研究与开发。为了防止渗碳过程中奥氏体晶粒的粗化，一般都在钢材中添加适量的钛，通过形成碳 氮化钛粒子钉扎晶界而阻止晶粒长大。国家标准规定渗碳钢中钛添加量为0.040.08wt% 。然而，最近有研究工作表明，当钛含量超过0.032% ,就会在渗碳钢冶炼铸锭凝固时析出氮化钛。这种氮化

11、钛尺寸达到微米数量级，起不到阻止奥氏体晶粒长大的作用，反而由于这种呈立方体的粒子的尖角效应以及与基体组织的不连续性而成为微裂纹的策源地和裂纹扩展的中继站，严重损害钢材的韧塑性。工作还表明，将钛含量降至0.020.032% ,仍然能够同样有效地起到控制奥氏体晶粒长大的作用，而又可避免有害氮化钛粒子的形成，因此是值得推荐的合理的选择范围。常见缺陷及其防止（一）碳浓度过高L产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬

12、火 时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。2.防止的方法不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时晶粒 粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。严格控制炉温均匀性，不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意。固体渗碳时，渗碳剂要新、旧配比使用。催渗剂最好采用47%的BaCO3 ,不使用Na2CO3作催渗齐I。（二）碳浓度过低L产生的原因及危害：温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。最理 想的碳浓度为0.9 1.0%之间，低于0.8%C ,零件容易磨损。2.防止的方法：渗碳温度一般采用920 940 C ,渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延

13、长渗碳时 间；渗碳温度过高会引起晶粒粗大。催渗剂（BaCO3）的用量不应低于4%。（三）渗碳后表面局部贫碳：L产生的原因及危害：固体渗碳时，木炭颗粒过大或夹杂有石块等杂质，或催渗剂与 木炭拌得不均匀，或工件所接触都会引起局部无碳或贫碳。工件表面的污物也可以引起贫碳。2.防止的方法固体渗碳剂一定要按比例配制，搅拌均匀。装炉的工件注意不要有接触。固体渗碳时要将渗碳剂捣实，勿使渗碳过塌而使工件接触。却除表面的污物。（四）渗碳浓度加剧过渡L产生的原因及危害：渗碳浓度突然过渡就是表面与中心的碳浓度变化加剧，不是由 高到低的均匀过渡，而是突然过渡。产生此缺陷的原因是渗碳剂作用很强烈（如新配制的木炭，旧渗碳

14、剂加得很少），同时钢中有 Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成强烈，而 造成表面高浓度，中心低浓度，并无过渡层。产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。2.防止的方法：渗碳剂新旧按规定配比制，使渗碳缓和。用BaCO3作催渗剂较好，因为Na2CO3比较急剧。（五）磨加工时产生回火及裂纹L产生的原因：渗碳层经磨削加工后表面引起软化的现象，称之为磨加工产生的回火。 这是由于磨削时加工进给量太快，砂轮硬度和粒度或转速选择不当，或磨削过程中冷却不充分，都易产生此类缺陷。 这是因为磨削时的热量使表面软化的缘故。磨削时产生回火缺陷则零件耐磨性降低。表面产生六角形

15、裂纹。这是因为用硬质砂轮表面受到过份磨削，而发热所致。也与热 处理回火不足，残余内应力过大有关。用酸浸蚀后，凡是有缺陷部位呈黑色，可与没有缺陷 处区别开来。这是磨削时产生热量回火。使马使体转变为屈氏体组织的缘故。其实，裂纹在磨削后肉眼即可看见。2.防止的方法：淬火后必须经过充分回火或多次回火，消除内应力。采用4060粒度的软质或中质氧化铝砂轮，磨削进给量不过大。磨削时先开冷却液，并注意磨削过程中的充分冷却渗碳钢的化学成分特点渗碳钢的含碳量一般都在0.15-0.25%范围内,对于重载的渗碳体，可以提高到0.25-0.30%碳素渗碳钢中，用得最多的是15和20钢，它们经渗碳和热处理后表面硬度可达

16、56-62HRC 。但由于淬透性较低，只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零 件，如轴套、链条等.(2)合金元素在渗碳钢中的彳用是提高淬透性，细化晶粒，强化固溶体，影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织.在渗碳钢中通常加入的合金元素有镒、铭、馍、铝、鸨、钮、硼等 .低 合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB 等淇渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等.中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV 等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧 性，主要用以制造截面较大、承载较重、受

17、力复杂的零件，如航空发动机的齿轮、轴等.固体渗碳；液体渗碳；气体渗碳-渗碳温度为900-950C,表面层 w(碳)为0.8-1.2%,层 深为 0.5-2.0mm.渗碳后的热处理一渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材 料.渗碳只能改变工件表面的含碳量，而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现.渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火.淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织.低温回火温度为150-200C.渗碳零件注意事项(1)渗碳前的预处理正火-目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织，使表面粗糙度变细，消除材料流线不合理状态.正

18、火工艺；ffi 860-980C空冷、179-217HBS.(2)渗碳后需进行机械加工的工件，硬度不应高于30HRC.(3)对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件，薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工(4)不得用镀锌的方法防渗碳.氮化处理经氮化处理后的工件氮化处理是指一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。经氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。氮化处理又称为扩散渗氮。气体渗氮在 1923年左右，由德国人Fry首度研究发展并加以工业化。由于经本法处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温，其应用范围逐渐扩大。例如钻

19、头、螺丝攻、挤压模、压铸 模、锻压机用锻造模、螺杆、连杆、曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等均有使用。二、氮化用钢简介传统的合金钢料中之铝、铭、钮及铝元素对渗氮甚有帮助。这些元素在渗氮温度中， 与初生态的氮原子接触时， 就生成安定的氮化物。尤其是锂元素，不仅作为生成氮化物元素， 亦作为降低在渗氮温度时所发生的脆性。其他合金钢中的元素，如馍、铜、硅、镒等，对渗 氮特性并无多大的帮助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有0.851.5%铝的渗氮结果最佳。在含铭的铭钢而言，如果有足够的含量，亦可得到很好的效果。但没有含合金的碳钢，因其

20、生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。一般常用的渗氮钢有六种如下：(1)含铝元素的低合金钢(标准渗氮钢)(2)含铭元素的中碳低合金钢SAE 4100 , 4300 , 5100 , 6100 , 8600, 8700 , 9800系。(3)热作模具钢(含约 5%之铭) SAE H11(SKD - 61) H12 , H13(4)肥粒铁及麻田散铁系不锈钢SAE 400系(5)奥氏体系不锈钢 SAE 300系(6)析出硬化型不锈钢17 - 4PH , 17 -7PH , A - 286等含铝的标准渗氮钢，在氮化后虽可得到很高的硬度及高耐磨的表层，但其硬化层亦很 脆。相反的，含铭的低合金钢硬

21、度较低，但硬化层即比较有韧性，其表面亦有相当的耐磨性及耐束心性。因此选用材料时，宜注意材料之特征，充分利用其优点，俾符合零件之功能。至于工具钢如 H11 (SKD61 ) D2 (SKD -11),即有高表面硬度及 高心部强度。三、氮化处理技术流程：1、渗氮前的零件表面清洗大部分零件，可以使用气体去油法去油后立刻渗氮。部分零件也需要用汽油清洗比较好，但在渗氮前之最后加工方法若采用抛光、研磨、磨光等，即可能产生阻碍渗氮的表面层，致使渗氮后，氮化层不均匀或发生弯曲等缺陷。此时宜采用下列二种方法之一去除表面层。第一种方法在渗氮前首先以气体去油。然后使用氧化铝粉将表面作abrasive cleanin

22、g 。第二种方法即将表面加以磷酸皮膜处理(phosphate coating )。2、渗氮炉的排除空气将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至150 C以前须作炉内排除空气工作。排除炉内的主要功用是防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理 物及支架的表面氧化。其所使用的气体即有氨气及氮气二种。排除炉内空气的要领如下：被处理零件装妥后将炉盖封好，开始通无水氨气，其流量尽量可能多。将加热炉之自动温度控制设定在150 c并开始加热(注意炉温不能高于150 C)。炉中之空气排除至10%以下，或排出之气体含 90%以上之NH3时，再将炉温升高至 渗氮温度。3、氨的分解率渗

23、氮是铺及其他合金元素与初生态的氮接触而进行，但初生态氮的产生，即因氨气与 加热中的钢料接触时钢料本身成为触媒而促进氨之分解。虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般皆采用1530%的分解率，并按渗氮所需厚度至少保持410小时，处理温度即保持在 520 c左右。4、冷却大部份的工业用渗氮炉皆具有热交换机，以期在渗氮工作完成后加以急速冷却加热炉及被处理零件。即渗氮完成后，将加热电源关闭，使炉温降低约50C,然后将氨的流量增加一倍后开始启开热交换机。 此时须注意观察接在排气管上玻璃瓶中， 是否有气泡溢出， 以 确认炉内之正压。等候导入炉中的氨气安定后， 即可减少氨的流量至保持炉中正压为止。 当 炉

24、温下降至150 c以下时，即使用前面所述之排除炉内气体法，导入空气或氮气后方可启开四、气体氮化技术：气体氮化系于1923年由德国AF ry所发表，将工件置于炉内，利NH3气直接输进500 - 550 c的氮化炉内，保持20100小时，使 NH3气分解为原子状态的（N）气与（H）气而 进行渗氮处理，在使钢的表面产生耐磨、耐腐蚀之化合物层为主要目的，其厚度约为0.02 小0.02m/m ,其性质极硬 Hv 10001200,又极脆，NH3之分解率视流量的大小与温度的高 低而有所改变，流量愈大则分解度愈低，流量愈小则分解率愈高， 温度愈高分解率愈高，温度愈低分解率亦愈低，NH3气在570 c时经热分

25、解如下：NH3 一NFe + 3/2 H2经分解出来的N,随而扩散进入钢的表面形成。相的 Fe2 - 3N气体渗氮，一般缺点为 硬化层薄而氮化处理时间长。气体氮化因分解 NH3进行渗氮效率低，故一般均固定选用适用于氮化之钢种，如含有 Al, Cr, Mo等氮化元素，否则氮化几无法进行， 一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645 及SKD61以强韧化处理又称调质因Al, Cr, Mo等皆为提高变态点温度之元素，故淬火温度高，回火温度亦较普通之构造用合金钢高，此乃在氮化温度长时间加热之间，发生回火脆性，故预先施以调质强韧化处理。NH3气体氮化，因为时间长表面粗糙，硬而较脆不易研磨， 而

26、且时间长不经济，用于塑胶射出形机的送料管及螺旋杆的氮化。五、液体氮化技术：液体软氮化主要不同是在氮化层里之有Fe3N e相，Fe4Nr相存在而不含Fe2N E相氮化物，E相化合物硬脆在氮化处理上是不良于韧性的氮化物，液体软氮化的方法是将被处理工 件，先除锈，脱脂，预热后再置于氮化增期内， 增期内是以TF -1为主盐剂，被加温到560 600 c处理数分至数小时，依工件所受外力负荷大小，而决定氮化层深度，在处理中，必须 在塔期底部通入一支空气管以一定量之空气氮化盐剂分解为CN或CNO ,渗透扩散至工作表面，使工件表面最外层化合物 89%wt的N及少量的C及扩散层，氮原子扩散入 a - Fe 基地

27、中使钢件更具耐疲劳性，氮化期间由于CNO之分解消耗，所以不断要在68小时处理 中化验盐剂成份，以便调整空气量或加入新的盐剂。液体软氮化处理用的材料为铁金属，氮化后的表面硬度以含有Al, Cr, Mo, Ti元素者硬度较高，而其含金量愈多而氮化深度愈浅，如炭素钢 Hv 350650,不锈钢Hv 1000 1200 ,氮化钢 Hv 800 1100。液体软氮化适用于耐磨及耐疲劳等汽车零件，缝衣机、照相机等如气缸套处理，气门 阀处理、活塞筒处理及不易变形的模具处。采用液体软氮化的国家，西欧各国、美国、苏俄、日本。六、离子氮化技术：此一方法为将一工件放置于氮化炉内，预先将炉内抽成真空达10-210-3

28、 Torr ( mm Hg)后导入N2气体或N2 + H2之混合气体，调整炉内达110 Torr,将炉体接上阳极，工件接 上阴极，两极间通以数百伏之直流电压，此时炉内之N2气体则发生光辉放电成正离子，向工作表面移动，在瞬间阴极电压急剧下降，使正离子以高速冲向阴极表面，将动能转变为气能，使得工件表面温度得以上升，因氮离子的冲击后将工件表面打出Fe.C.O.等元素飞溅出来与氮离子结合成FeN ,由此氮化铁逐渐被吸附在工件上而产生氮化作用，离子氮化在基本上是采用氮气，但若添加碳化氢系气体则可作离子软氮化处理，但一般统称离子氮化处理，工件表面氮气浓度可改变炉内充填的混合气体(N2 + H2 )的分压比

29、调节得之，纯离子氮化时，在工作表面得单相的 r' (Fe4N )组织含N量在5.76.1%wt ,厚层在10曲以内，此化 合物层强韧而非多孔质层，不易脱落，由于氮化铁不断的被工件吸附并扩散至内部，由表面至内部的组织即为 FeN 一 Fe2N 一 Fe3N 一 Fe4N顺序变化，单相 « Fe3N )含N量在5.7 11.0%wt ,单相 七(Fe2N )含N量在11.011.35%wt ,离子氮化首先生成 r相再添加碳化 氢气系时使其变成£相之化合物层与扩散层，由于扩散层的增加对疲劳强度的增加有很多助。而蚀性以e相最佳。离子氮化处理的度可从 350 c开始，由于考虑

30、到材质及其相关机械性质的选用处理时间 可由数分钟以致于长时间的处理，本法与过去利用热分解方化学反应而氮化的处理法不同， 本法系利用高离子能之故，过去认为难处理的不锈钢、钛、钻等材料也能简单的施以优秀的表面硬化处理。相关标准GB/T11354-2005 钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验GB/T18177-2008钢件的气体渗氮HB/Z79-1995 航空结构钢及不锈钢渗氮工艺说明书JB/T6956-2007 钢铁件的离子渗氮JB/T8491.5-2008机床零件热处理技术条件5渗氮、氮碳共渗JB/T9172-1999 齿轮渗氮、氮碳共渗工艺及质量控制JB/T9173-1999 齿轮碳氮共渗工

31、艺及质量控制QJ2539.3-1993 化学热处理钢的气体渗氮CB3385-1991 钢铁零件渗氮层深度测定方法高频科技名词定义中文名称:高频英文名称:high frequency;HF高频及感应加热技术目前对金属材料加热效率最高、速度最快，且低耗环保。它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。它不但可以对工件整体加热，还能对工件局部的针对性加热；可实现工件的深层透热，也可只对其表面、表层集中加热；不但可对金属材料直接加热，也可对非金属材料进行间接式加热。等等。因此，感应加热技术必将在各行各业中应用越来越广泛。简介用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。

32、这种热处理工艺常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。20世纪30年代初，美国、苏联先后开始应用感应加热方法对零件进行表面淬火。随着工业的发展，感应加热热处理技术不断改进，应用范围也不断扩大。基本原理将工件放入感应器（线圈）内，当感应器中通入一定频率的交变电流时，周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流涡流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小，这种现象称为集肤效应。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度

33、超过钢的 临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。分类根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、 工频5类。超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫，加热层极薄，仅约 0.15毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火。高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200300千赫，加热层深度为0.52毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的 表面淬火。超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为2030千赫，用超音频感应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布，粹火后使用性能较好。中频感应加热热处 理所用的电流频率一般为 2.510千赫，加热层深度为28毫米

34、，多用于大模数齿轮、直径 较大的轴类和冷轧辐等工件的表面淬火。工频感应加热热处理所用的电流频率为5060赫，加热层深度为1015毫米，可用于大型工件的表面淬火。特点和应用感应加热的主要优点是不必整体加热，工件变形小，电能消耗小。无公害。加热速度快，工件表面氧化脱碳较轻。表面淬硬层可根据需要进行调整，易于控制。加热设备可以安装在机械加工生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，且 可减少运输，节约人力，提高生产效率。淬硬层马氏体组织较细，硬度、强度、韧性都较高。表面淬火后工件表层有较大压缩内应力，工件抗疲劳破断能力较高。感应加热热处理也有一些缺点与火焰淬火相比， 感应加热设备 较复杂,而且适应

35、性较差，对某些形状复杂的工件难 以保证质量。感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧辐等工件的表面淬火，目的是提高这些 工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力。汽车后半轴采用感应加热表面淬火，设计载荷下的疲劳循环次数比用调质处理约提高 10倍。感应加热表面淬火的工件材料一般为中碳钢。为适应 某些工件的特殊需要，已研制出供感应加热表面淬火专用的低淬透性钢。高碳钢和铸铁制造的工件也可采用感应加热表面淬火。淬冷介质常用水或高分子聚合物水溶液。设备感应加热热处理的设备主要由电源设备、淬火机床和感应器组成。电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。高频电流电源设备有电子管高频发生器和可控硅变频器两种。中频电流

36、电源设备是 发电机组。一般电源设备只能输出一种频率的电流，有些设备可以改变电流频率，也可以直接用 50赫的工频电流进行感应加热。电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热层深的工件，应使用电流频率较低的电源设备；加热层浅的工件，应使用电流频率较高的电源设备。 选择电源设备的另一条 件是设备功率。加热表面面积增大，需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过大时或电 源功率不足时，可采用连续加热的方法，使工件和感应器相对移动，前边加热，后边冷却。但最好还是对整个加热表面一次加热。这样可以利用工件心部余热使淬硬的表层回火，从而 使工艺简化，还可节约电能。感应加热淬火机床的主要作用是使工件定位并进行

37、必要的运动。此外还应附有提供淬 火介质的装置。淬火机床可分为标准机床和专用机床，前者适用于一般工件，后者适用于大量生产的复杂工件。进行感应加热热处理时，为保证热处理质量和提高热效率，必须根据工件的形状和要求，设计制造结构适当的感应器。常用的感应器有外表面加热感应器、内孔加热感应器、平面加热感应器、通用型加热感应器、特型加热感应器、单一型加热感应器、 复合型加热感应 器，熔炼加热炉等。蘸火淬火蘸火是淬火的通称。指把金属工件加热到一定温度，然后浸入冷却剂（油、水等）急速冷却,目的是增加硬度。百科名片淬火钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3 （亚共析钢）或 Ac1 （过共析钢）以上某一温度，保温一段时

38、间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于 临界冷却速度 的冷速快冷到 Ms以下（或 Ms附近等温）进行马氏体（或 贝氏体）转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛 合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。淬火目的淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的 回比，以大幅提高钢的强度、 硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从 而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。淬火工艺将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的全属

39、热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、 矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬 度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辐、修暧零件等）。通过淬火与不同温度的回火配合,可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度， 并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。 另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主要用于 锹件。常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比，马氏体硬度最

40、高。淬火时的快速 冷却会使工件内部产生 内应力，当其大 到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法，淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和 贝氏体等温淬火4类。淬火效果的重要因素，淬火工件硬度要求和检测方法：淬火工件的硬度HR-15悭电动洛氏硬度计淬火工件的硬度影响了淬火的效果。 淬火工件一般采用 洛氏硬度计 测定其HRC值。淬 火的薄硬钢板和表面淬火工件可测定HRA值，而厚度小于0.8mm的淬火钢板、浅层表面淬 火工件和直径小于5mm的淬火钢棒，可改用表面洛氏硬度计测定其 HRN值。在焊接中碳钢和某些合金钢时,热影响区中可能发生淬火现象而变

41、硬，易形成 冷裂纹, 这是在焊接过程中要设法防止的。由于淬火后金属硬而脆，产生的表面残余应力会造成冷裂纹，回火可作为在不影响硬度的基础上，消除冷裂纹的手段之一。淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适，对于过大的零件，淬火深度不够，渗碳 也存在同样问题，此时应考虑在钢材中加入铭等合金来增加强度。淬火是钢铁材料强化的基本手段之一。 钢中马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相 （表1）, 故钢件淬火可以获得高硬度、高强度。但是，马氏体的脆性很大，加之淬火后钢件内部有较 大的淬火内应力，因而不宜直接应用，必须进行 回火。表1钢中铁基固溶体的 显微硬度 值淬火工艺的应用淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用

42、。机械中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件干差万别的技术要求，发展了各种淬火工艺。如，按接受处理的部位， 有整体、局部淬火和表面淬火;按加热时相变是否完全， 有完全淬火和不完全淬火（对于亚共析钢，该法又称 亚临界淬火）;按冷却时相变的内容，有 分级淬火，等温淬火和欠速淬火等。工艺过程 包括加热、保温、冷却 3个阶段。下面以钢的淬火为例，介绍上述三个阶段 工艺参数选择的原则。困3餐优工件e窄4年中庄立（1, 1-1 个 Nf 帕旭 b 期3巾（_ 4 用蛉息氏怖“匕百堰率重配的£.整陈漫人母承导亘or, 文盘守总1I淬火加热温度淬火加热温度以

43、钢的相变临界点为依据，加热时要形成细小、均匀奥氏体幽皂，淬火后获得细小马氏体组织。碳素钢的淬火加热温度范围如图1所示。4日4掉我辜，工T»UIW&- !T14II*4QWTW-IWT9RTIJT»读mRQHiIK你一140T'SiJIS. .中小4MItri*i*AN ituTrlWlVtieimGCrlBUIga、gi ,* rm|J4,1押T梆淬火加热温度范围由本图示出的淬火温度选择原则也适用于大多数合金钢，尤其低合金钢。亚共析钢加热温度为Ac3温度以上3050 C。从图上看，高温下钢的状态处在单相奥氏体（A）区内，故称为完全淬火。如亚共析钢加热温度高于

44、 Ac1、低于Ac3温度，则高温下部分先共析铁素体 未完全转变成奥氏体，即为不完全 （或亚临界）淬火。过共析钢淬火温度为 Ac1温度以上30 50 C,这温度范围处于奥氏体与渗碳体 （A+C）双相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属不完 全淬火，淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。这-组织状态具有高硬度和高耐磨性。对于过共析钢，若加热温度过高，先共析渗碳体溶解过多，甚至完全溶解，则奥氏体晶粒将发生长大，奥氏体碳含量也增加。淬火后，粗大马氏体组织使钢件淬火态微区内应力增加， 微裂纹增多，零件的变形和开裂倾向增加；由于奥氏体碳浓度高，马氏体点下降，残留奥氏体量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。常用M

45、t淬火的温度参见表2。表2常用钢种淬火的加热温度实际生产中，加热温度的选择要根据具体情况加以调整。如亚共析钢中碳含量为下限， 当装炉量较多，欲增加零件淬硬层深度等时可选用温度上限；若工件形状复杂，变形要求严格等要采用温度下限。淬火保温淬火保温时间 由设备加热方式、空尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素 确定。对整体淬火而言，保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火，其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。加热与保温是影响淬火质量的重要环节，奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的 性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在 58级。淬火冷却要使钢中高温相 奥氏体在冷却过程

46、中转变成低温亚稳相一一马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷一视片/ninIt号Z V'nn附加GC玲2?l>- MO553单lisi，CflKMuV-工吁21g 10谢一300；T1*噩T4淬火冷却却过程中,23时间淬火冷却表面与心部的冷却速度有-定差异，如果这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质,以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大，工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素，合

47、理选择淬火介质和冷却方式。冷却阶段不仅零件获得合理的组织，达到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形 状精度，是淬火工艺过程的关键环节。淬火方式单介质淬火工件在一种介质中冷却，如 生连、油淬。优点是操作简单，易于实现机械化，应用广泛。缺点是在水中淬火应力大，工件容易变形开裂；在油中淬火，冷却速度小，淬透 直径小，大型工件不易淬透。双介质淬火工件先在较强冷却能力介质中冷却到300 c左右，再在一种冷却能力较弱的介质中冷去八如：先水淬后油淬，可有效减少马氏体转变的内应力，减小工件变形开裂的倾向， 可用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。双液淬火的缺点是难以掌握双液转换的时刻，转换过早容易淬不硬，转换

48、过迟又容易淬裂。为了克服这一缺点，发展了分级淬火法。分级淬火工件在低温 盐浴或碱浴炉中淬火,盐浴或碱浴的温度在 Ms点附近，工件在这一温度停留2min5min,然后取出空冷，这种冷却方式叫分级淬火。分级冷却的目的，是为了 使工件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。分级温度以前都定在略高于 Ms点，工件内外温度均匀以后进入马氏体区。现在改进为在略低于Ms点的温度分级。实践表明，在 Ms点以下分级的效果更好。例如，高碳钢模具在160 c的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变形又小，所以应用很广泛。等温淬火工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在贝氏体区的下部（稍高于Ms）,工

49、件等温停留较长时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷。等温淬火用于中碳以上的钢，目的是为了获 得下贝氏体，以提高强度、 小支、韧性和耐磨性。低碳钢一般不采用等温淬火。表面淬火表面淬火是将钢件的 表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局 部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。感应淬火感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。正火百科名片正火，又称常化，是将工件加热至 Ac3或Acm以上4060 C,保温一段时间后，从炉中取 出在空气中或喷水、 喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。 其目的是在于使

50、晶粒细化和碳化物 分布均匀化，去除材料的内应力，降低材料的硬度。简介正火，又称常化，是将工件加热至 Ac3（Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的 终了温度，一般是从727 C到912 C之间）或Acm（Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化 的临界温度线）以上3050 C,保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风 冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。正火的主要应用范

51、围有：用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。用于中碳钢，可代替遍底处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等,可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到营化退火所需的良好组织。用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善 切削加工性能。用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油 机的曲轴、连杆等重要零件。过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗 碳体全部球粒化。正火后的组织：亚共析钢为 F+S,共析

52、钢为S,过共析钢为S+二次渗碳体，且为不连 续。正火主要用于钢铁工件。一般钢铁正火与退火相似，但冷却速度稍大，组织较细。有 些临界冷却速度(见淬火)很小的钢，在空气中冷却就可以使奥氏体转变为马氏体，这种处 理不属于正火性质，而称为空冷淬火。与此相反，一些用临界冷却速度较大的钢制作的大截 面工件，即使在水中淬火也不能得到马氏体，淬火的效果接近正火。 钢正火后的硬度比退火高。正火时不必像退火那样使工件随炉冷却，占用炉子时间短，生产效率高，所以在生产中一般尽可能用正火代替退火。对于含碳量低于0.25%的低碳钢，正火后达到的硬度适中，比退火更便于切削加工，一般均采用正火为切削加工作准备。对含碳量为0.

53、250.5%的中碳钢，正火后也可以满足切削加工的要求。对于用这类钢制作的轻载荷零件，正火还可以作为最终热处理。高碳工具钢和轴承钢正火是为了消除组织中的网状碳化物，为球化退火作组织准备。普通结构零件的最终热处理，由于正火后工件比退火状态具有更好的综合力学性能，对于一些受力不大、性能要求不高的普通结构零件可将正火作为最终热处理，以减少工序、 节约能源、提高生产效率。此外，对某些大型的或形状较复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，正火往往可以代替淬火、回火处理，作为最终热处理。目的(1)去除材料的内应力(2)降低材料的硬度这样是为了接下来的加工做准备。和退火差不多的作用，只是为了提高效率，降低成 本。钢

54、件的热处理工艺一正火钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两大类。常用的整体热处理有退火，正火、淬火和 回火；表面热处理可分为表面淬火与化学热处理两类。正火是将钢件加热到临界温度以上 30-50 C,保温适当时间后，在静止的空气中冷却的 热 处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时， 尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯 料一般都采用正火热处理。一般 合金钢坯料常采用退火,若用正火，由于冷却速度较快，使 其正火后硬度较高，不利于切削加工

55、。回火目的减少或消除淬火内应力，防止工件变形或开裂；获得工艺要求的力学性能；稳定工件尺寸；对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采用退火则软化周期太长，而采用回火 软化则既能降低硬度，又能缩短软化周期。对于未经淬火的钢，回火是没有意义的，而淬火钢不经回火一般也不能直接使用。为 避免淬火件在放置过程中发生变形或开裂，钢件经淬火后应及时进行回火。名词定义中文名称：回火英文名称：tempering定义：将淬火后的钢，在 AC1以下加热、保温后冷却下来的热处理工艺。应用学科：电工（一级学科）；热工自动化、电厂化学与金属（二级学科）将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或