金属材料任务四 之活动4

1、2021-11-28任务四任务四 钢的热处理钢的热处理 钢表面热处理建议：4课时学习活动4学习目的与要求学习目的与要求学习重点与难点学习重点与难点熟悉并掌握钢的表面热处理的概念、目的、应用。熟悉并掌握钢的表面热处理的方法方法、步骤、要点与技巧。钢的表面热处理的概念、目的、应用及钢的表面热处理的方法方法、步骤、要点与技巧一、钢表面热处理概述 通常认为，抗拉强度超过1500N/mm2或屈服强度超过1380N/mm2的合金结构钢为超高强度钢。超高强度钢是在合金结构钢的基础上发展起来的，主要用于制造飞机起落架和主梁、固体火箭发动机壳体、高速离心机旋转筒体和其他承受高应力的结构部件。 1)性能要求(1)

2、很高的强度、比强度和疲劳强度在静载荷和动载荷条件下，能承受很高的工作应力，从而可减轻结构重量。为保证极高的强度，此类钢充分利用了马氏体强化、细晶强化、化合物弥散强化与溶质固溶强化等多种机制的复合强化作用。 (2)足够的韧性一般以断裂韧度用为评价超高强度钢韧性的指标。高的断裂韧度，使超高强度钢在复杂的环境下能承受高的工作应力，不致发生低应力脆断。而改善韧性的关键是提高钢的纯净度(降低杂质硫、磷质量分数和非金属夹杂物体积分数)、细化晶粒并减小对碳的固溶强化的依赖程度(故超高强度钢一般是中低碳、甚至是超低碳钢)。 工件在服役时，经常要求表面与心部有不同的性能。例如，发动机的曲轴，轴颈与连杆接触要求高

3、硬度耐磨，心部要求有良好的综合力学性能。解决这种问题的办法是采用表面热处理，使心部和表面具有不同的成分、组织和性能。表面热处理主要包括表面淬火和表面化学热处理等。 二、表面热处理种类和方法一）表面淬火 表面淬火是利用快速加热的方法，只将工件的表层奥氏体化，然后淬火。表面淬火不改变化学成分，只改变表层组织，心部组织并不发生变化。简单的说，表面淬火是将钢快速加热至临界温度以上，然后快速冷却的过程。1、目的目的：在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，而其心部仍保持着淬火前的组织状态（调质或正火状态），以获得表面层硬而耐磨，心部又有足够塑性，韧性的工件。2、分类（根据加热的热源不同） 感应加热表面淬

4、火; 火焰加热表面淬火; 电接触加热淬火; 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； 等离子束加热表面淬火。3、表面淬火工艺原理 钢在非平衡加热时的相变特点 （1）一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高；(Ac3和Accm极限1130) （2）奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大快速加热时，钢种、原始组织对奥氏体成分的均匀性有很大影响。对热传导系数小，碳化物粗大且溶解困难的高合金钢采用快速加热是有困难的。 （3） 提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒 过热度大奥氏体晶核不仅在铁素体/碳化物相界面上形成，而且也可能在铁素体的亚晶界上形成，因此使奥氏体的成核率增

5、大； 加热时间极短奥氏体晶粒来不及长大；（4）快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响快速加热使奥氏体成分不均及晶粒细化，减小了过冷奥氏体的稳定性，使c-曲线左移。二）表面淬火的组织和性能 1、表面淬火的金相组织淬火前为退火状态的共析钢表面淬火后的组织： 表层：马氏体M；向内：珠光体P马氏M； 心部：原始组织珠光体。淬火前为正火状态的45钢表面淬火后的组织： 表层：马氏体M； 向内：铁素体F马氏体M； 再向内：铁素体F珠光体P马氏体M； 心部：原始组织铁素体F珠光体P 。2、表面淬火后性能 表面硬度：快速加热，激冷淬火后表面硬度比普通淬火高。 原因：奥氏体晶粒细化、成分不均匀。 耐磨性

6、：工件的耐磨性比普通淬火的高。 原因：奥氏体晶粒细化、成分不均匀；表面硬度高；表面处于压应力状态。 疲劳强度：采用正确的表面淬火工艺，可以显著提高零件抗疲劳性能，降低缺口敏感性。 原因：表面强度提高；表面形成很大的残余压应力。 （例如：40Cr，调质加表面淬火时疲劳极限-1324N/mm2,而调质态为235N/mm2，疲劳强度的提高与淬硬层深度有一定关系。层浅，强化效果不显著；淬硬层深度增加，-1 随层深的增加而增大；但淬硬层过厚时，表面残余压应力下降，-1反而降低。实验表明：在弯曲疲劳强度最高时的最佳淬硬层深度1020D（工件直径）。） 3、感应表面加热淬火工艺参数的确定根据零件尺寸及硬化层

7、深度的要求，合理选择设备 设备频率的选择 主要根据硬化层深度来选择：设备确定后，频率就不能任意调节，电流频率的透入深度是不能根据硬化层深度的要求来随意选择的。要实现透入式加热，电流的频率的选择范围为：当硬化层深度已知，就可以找到一电流最佳频率。实践证明，硬化层深度为电流热透入深度的一半时，可以得到电流最佳频率： 比功率的选择 比功率：指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率；在频率一定时，比功率愈大，加热速度愈快；当比功率一定时，频率愈高，电流进入愈浅，加热速度愈快。比功率的选择主要取决于频率和要求的硬化层深度。在频率一定时，硬化层较浅的，选用较大比功率(透入式加热)；在层深相同情况下，设备

8、频率较低的可选用较大比功率。4、感应表面加热基本原理 感应加热基本原理、电磁感应原理、电流热效应原理5、常用表面淬火方法及其优缺点（感应加热、火焰加热） 感应加热表面淬火：利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷却，以获得M组织的工艺。 1) 由于感应加热速度极快，钢的奥氏体化温度明显升高，奥氏体化时间显著缩短，即奥氏体化是短时间内在一个很宽的温度范围内完成的。 2) 由于感应加热时间短、过热度大，使得奥氏体形核多，且不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，硬度比普通淬火的高2-3HRC，韧性也明显提高。 3) 表面淬火后，不仅工件表层强度高，而且由于马氏体转变产

9、生的体积膨胀，在工件表层造成了有利的残余压应力，从而有效地提高了工件的疲劳强度并降低了缺口敏感性。 4) 感应加热速度快、时间短，工件一般不会发生氧化和脱碳；同时由于芯部未被加热，淬火变形小。 5) 感应加热表面淬火的生产效率高，便于实际机械化和自动化；但因设备费用昂贵，不宜用于单件生产。火焰加热表面淬火：用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热，使其奥氏体化并淬火的工艺。 供给表面的热量供给表面的热量表面传给心部表面传给心部+散失的热量散失的热量表面淬火表面淬火 优点：设备简单、使用方便、成本低；不受工件体积大小的限制，可灵活移动使用；淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形也小； 缺点：

10、表面容易过热；较难得到小于2mm的淬硬层深度，只适用于火焰喷射方便的表层上；采用的混合气体有爆炸危险 1）感应加热表面淬火 2）火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火示意图 感应加热表面淬火示意图 表面加热淬火时，通常不一直冷到底，利用心部的余热使工件进行自回火，或者表面淬火后进行一次低温回火。 表面淬火实例三、钢的表面化学热处理三、钢的表面化学热处理 化学热处理是通过改变工件表层的化学组成和组织结构，来获得对其心部和表层不同性能要求的热处理方法。将工件置于含有欲渗元素的活性介质中，加热到预定的温度并保温一定的时间，使该元素渗入要求的深度，以改变表层的成分和组织。 化学热处理的基本程序大致如下：(

11、1)将工件加热到一定温度，有利于渗入元素活性原子被它吸收；(2)由化合物分解或离子转变得到渗入元素的活性原子；(3)活性原子被吸附，并溶入工件表面，形成固溶体并在活性原子浓度很高时形成化合物；(4)渗入原子在一定温度下，由表层向内扩散，形成一定的扩散层。1、化学热处理的基本过程 (1)分解： (2)吸收： (3)扩散：2、常见工业化学热处理(1)渗渗C 钢种：低中碳钢渗C温度：900-950C种类：气体、固体、液体渗碳法原理: 扩散组织：（想想？）渗碳层深度： 表面渗碳法示意图 渗碳渗碳概概念念：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺

12、称为渗碳。活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 渗碳渗碳目目的的：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合有一定的强度和良好的韧性配合。 渗碳方法渗碳方法：渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体：渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。 渗碳用钢渗碳用钢：含碳量为：含碳量为0.1%0.1%0.25%0.25%的低碳钢和低碳合的低碳钢和低碳合 金钢。金钢。 钢的渗氮 概念概念：渗氮俗称氮化

13、，是指在一定温度下使活性氮原渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。子渗入工件表面的热处理工艺。 目的：目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。性和耐蚀性等。 渗氮方法渗氮方法：气体渗氮、离子渗氮等。生产中应用较多的是：气体渗氮、离子渗氮等。生产中应用较多的是气体渗氮。气体渗氮。 渗渗氮用钢：氮用钢：优质碳素结构钢，如优质碳素结构钢，如2020，4040等；一般合金结等；一般合金结构钢，如构钢，如40Cr40Cr等；渗等；渗氮氮专用钢，如专用钢，如38CrMoAlA38CrMoAlA。 其它化学热处理方

14、法：碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点。 渗铬：渗铬：有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造。可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造。 渗硼：渗硼：十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工件夹具。件夹具。 (2)渗渗N (3)C,N共渗共渗(4)渗渗B3. 作用机理(1)固溶强化