第6章_钢的表面热处理

1、6.7 钢的表面热处理钢的表面热处理 定义：仅对工件表层进行热处理以改变其定义：仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺称为表面热处理。组织和性能的工艺称为表面热处理。 分类：分类： 表面淬火和化学热处理表面淬火和化学热处理 目的：目的： 生产中常常生产中常常采用表面热处理的采用表面热处理的方法，以达到强化方法，以达到强化工件表面的目的。工件表面的目的。 应用：应用：1.某些在冲击载荷、某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件下工作的机械零件，如主轴、齿轮、件，如主轴、齿轮、曲轴等，曲轴等， 2.某些工作表面要承受较高的应力，要某些工作表面要承受较高的应力，要求

2、工件的这些表面层具有高的硬度、求工件的这些表面层具有高的硬度、耐磨性及疲劳强度，而工件的心部要耐磨性及疲劳强度，而工件的心部要求具有足够的塑性和韧性。求具有足够的塑性和韧性。6.7.1 钢的表面淬火钢的表面淬火 定义：将工件的表层迅速加热到淬火温度进定义：将工件的表层迅速加热到淬火温度进行淬火的工艺方法称为表面淬火行淬火的工艺方法称为表面淬火(surface hardening)。 性能：工件经表面淬火后，表层得到马氏体性能：工件经表面淬火后，表层得到马氏体组织，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍为组织，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍为淬火前的组织，具有足够的强度和韧性。淬火前的组织，具有足够的强

3、度和韧性。 分类：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬分类：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火火 一、感应加热淬火基本原理一、感应加热淬火基本原理 铁制零件在高频交变磁铁制零件在高频交变磁场中，铁的内部将产生很大场中，铁的内部将产生很大的的感应电流感应电流。电流在金属体。电流在金属体内自行闭合，称为内自行闭合，称为涡流涡流。由。由于工件阻抗很小，涡流很大。于工件阻抗很小，涡流很大。受受集肤效应集肤效应的影响，越靠近的影响，越靠近工件表面电流越大。感应电工件表面电流越大。感应电流快速将零件的表面加热到流快速将零件的表面加热到

4、Ac3或或Acm以上，快速冷却以上，快速冷却后即可在零件表层获得马氏后即可在零件表层获得马氏体组织。体组织。 第二节第二节 感应加热淬火技术感应加热淬火技术1感应加热表面淬火感应加热表面淬火 定义：利用感应电流通过定义：利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件所产生的热效应，使工件表面迅速加热并进行工件表面迅速加热并进行快速冷却的淬火工艺称为快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。感应加热表面淬火。 （1）感应加热表面淬火的基）感应加热表面淬火的基本原理本原理 工件放入用空心工件放入用空心紫铜管绕成的感应器内，紫铜管绕成的感应器内，给感应器通入一定频率的给感应器通入一定频率的交流电，周围便存

5、在同频交流电，周围便存在同频率的交变磁场，于是在工率的交变磁场，于是在工件内部产生同频率的感应件内部产生同频率的感应电流电流(涡流涡流)。 由于感应电流的集肤效应由于感应电流的集肤效应(电流集中分布在工件表电流集中分布在工件表面面)和热效应，使工件表层迅速加热到淬火温度，和热效应，使工件表层迅速加热到淬火温度，而心部则仍处于相变点温度以下，随即快速冷却，而心部则仍处于相变点温度以下，随即快速冷却，从而达到表面淬火的目的。从而达到表面淬火的目的。 分类及应用：高频感应加热、中频感应加分类及应用：高频感应加热、中频感应加热和工频感应加热热和工频感应加热 高频感应加热表面淬火：常用频率为高频感应加热

6、表面淬火：常用频率为200300kHz，淬硬层深度为，淬硬层深度为0.52.0mm 适用：中、小模数的齿轮及中、小尺寸的轴类适用：中、小模数的齿轮及中、小尺寸的轴类零件的表面淬火零件的表面淬火中频感应加热表面淬火中频感应加热表面淬火:常用频率为常用频率为25008000Hz，淬硬层深度为，淬硬层深度为210mm。适用：较大尺寸的轴类零件和大模数齿轮的表适用：较大尺寸的轴类零件和大模数齿轮的表面淬火；面淬火；工频感应加热表面淬火工频感应加热表面淬火:电流频率为电流频率为50Hz，淬硬层深度为淬硬层深度为1020mm。 适用：较大直径适用：较大直径 机械零件的表面淬火，如轧辊、机械零件的表面淬火，

7、如轧辊、火车车轮等。火车车轮等。（2）感应加热表面淬火的特点与应用）感应加热表面淬火的特点与应用 优点：优点： 与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火加热速与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火加热速度快，加热时间短；度快，加热时间短；淬火质量好，淬火后晶粒细小，表面硬度比普通淬火质量好，淬火后晶粒细小，表面硬度比普通淬火高，淬硬层深度易于控制；淬火高，淬硬层深度易于控制；劳动条件好，生产率高，适于大批量生产。劳动条件好，生产率高，适于大批量生产。缺点：感应加热设备较昂贵，调整、维修比较困缺点：感应加热设备较昂贵，调整、维修比较困难，对于形状复杂的机械零件，其感应圈不易制难，对于形状复杂的机械零件

8、，其感应圈不易制造，且不适合于单件生产。造，且不适合于单件生产。 应用：碳的质量分数为应用：碳的质量分数为0.4%0.5%的碳素钢与的碳素钢与合金钢合金钢 ，如，如45钢、钢、40Cr等。也可以用于高碳工等。也可以用于高碳工具钢、低合金工具钢以及铸铁等材料。具钢、低合金工具钢以及铸铁等材料。 2火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 定义：火焰加热表面淬火是采用氧定义：火焰加热表面淬火是采用氧-乙炔乙炔(或其它或其它可燃气体可燃气体)火焰，喷射在工件的表面上，使其快速火焰，喷射在工件的表面上，使其快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和有

9、效淬硬层深度的一种表面淬火得预期的硬度和有效淬硬层深度的一种表面淬火方法方法 。应用：应用： 中碳钢（如中碳钢（如35、40、45钢等）和中碳低合金钢钢等）和中碳低合金钢（如（如40Cr、45Cr等）。等）。 还可用于对铸铁件（如灰铸铁、合金铸铁等）还可用于对铸铁件（如灰铸铁、合金铸铁等）进行表面淬火。进行表面淬火。适用于单件或小批量生产的大型工件，以及需适用于单件或小批量生产的大型工件，以及需要局部淬火的工具或工件，如大型轴类、大模要局部淬火的工具或工件，如大型轴类、大模数齿轮、锤子等。数齿轮、锤子等。6.7.2 钢的化学热处理钢的化学热处理 定义：定义：化学热处理（化学热处理（chemic

10、o-thermal treatment）是将工件置于一定温度的活性介质中）是将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它的表层，以改变保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 方法分类：方法分类：渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗金属渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗金属等。等。 三个基本过程三个基本过程 （1）分解）分解 化学介质在一定的温度下发生分解，化学介质在一定的温度下发生分解，产生能够渗入工件表面的活性原子。产生能够渗入工件表面的活性原子。（2）吸收）吸收 吸收就是活性原子进入工件表面溶于吸收就是活性原子进入工件

11、表面溶于铁形成固溶体或形成化合物。铁形成固溶体或形成化合物。 （3）扩散）扩散 渗入的活性原子由表面向中心扩散，渗入的活性原子由表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散层。形成一定厚度的扩散层。1钢的渗碳钢的渗碳 定义：定义：渗碳渗碳(carburizing)是为了增加钢件表层是为了增加钢件表层的含碳量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介的含碳量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。工艺。 渗碳目的：渗碳目的：提高工件表面的碳成分，以便热处提高工件表面的碳成分，以便热处理淬火后获得硬度、耐磨性及疲劳强度，并使其心理淬

12、火后获得硬度、耐磨性及疲劳强度，并使其心部保持良好的塑性和韧性。部保持良好的塑性和韧性。（1）渗碳用钢）渗碳用钢 为为0.1%0.25%的低碳钢和的低碳钢和低碳合金钢。低碳合金钢。（2）渗碳方法）渗碳方法 分为固体渗碳、液体渗碳和分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。气体渗碳三种。 气体渗碳：气体渗碳： 工件在气体渗碳介质中工件在气体渗碳介质中进行渗碳的工艺。进行渗碳的工艺。 加热温度：加热温度： 900950设备：设备： 密封的渗碳炉内，温度测控设备密封的渗碳炉内，温度测控设备渗碳剂：滴入煤油、丙酮或甲醇。渗碳剂：滴入煤油、丙酮或甲醇。机理：渗碳剂在高温下分解，产生的活性碳原机理：渗碳剂在高

13、温下分解，产生的活性碳原子渗入工件表面并向内部扩散（每小时子渗入工件表面并向内部扩散（每小时0.100.15mm）形成渗碳层）形成渗碳层 固体渗碳方法：固体渗碳方法： 把工件和固体渗碳剂装入把工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好后，送入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好后，送入炉中加热到炉中加热到900950，保温一定的时间，保温一定的时间后出炉，零件便获得了一定厚度的渗碳层。后出炉，零件便获得了一定厚度的渗碳层。 固体渗碳剂：由一定粒度的木炭和少量的固体渗碳剂：由一定粒度的木炭和少量的碳酸盐（碳酸盐（BaCO3或或Na2CO3）混合组成。）混合组成。木炭提供渗碳所需要的活性碳原子，碳酸

14、木炭提供渗碳所需要的活性碳原子，碳酸盐只起催化作用。盐只起催化作用。 （3）渗碳后的组织）渗碳后的组织 成分：工件经渗碳后，含碳量从表面到心成分：工件经渗碳后，含碳量从表面到心部逐步减少，表面碳的质量分数可达部逐步减少，表面碳的质量分数可达0.80%1.05%，而心部仍为原来的低碳成，而心部仍为原来的低碳成分。分。 组织：若工件渗碳后缓慢冷却，从表面到组织：若工件渗碳后缓慢冷却，从表面到心部的组织为珠光体心部的组织为珠光体+网状二次渗碳体、珠网状二次渗碳体、珠光体、珠光体光体、珠光体+铁素体铁素体 （4）渗碳后的热处理）渗碳后的热处理 工件渗碳后的热工件渗碳后的热处理工艺通常为淬火及低温回火。

15、处理工艺通常为淬火及低温回火。 热处理后的组织：热处理后的组织： 表层组织为回火马氏体和细粒状碳化物，表表层组织为回火马氏体和细粒状碳化物，表面硬度可高达面硬度可高达5864HRC； 心部组织心部组织 常为为低碳马氏体或珠光体常为为低碳马氏体或珠光体+铁素体铁素体组织，硬度较低，组织，硬度较低， 2钢的渗氮钢的渗氮 定义：渗氮也称氮化，是在一定温度下定义：渗氮也称氮化，是在一定温度下 使使活性氮原子渗入工件表面（得活性氮原子渗入工件表面（得AlN、CrN、MoN、VN、TiN）的化学热处理工艺。）的化学热处理工艺。 渗氮的目的：提高工件的表面硬度、耐磨渗氮的目的：提高工件的表面硬度、耐磨性以及

16、疲劳强度和耐蚀性。性以及疲劳强度和耐蚀性。（1）渗氮用钢）渗氮用钢 对于以提高耐蚀性为主的渗氮，可选用优质碳素对于以提高耐蚀性为主的渗氮，可选用优质碳素结构钢，如结构钢，如20、30、40钢等；钢等； 对于以提高疲劳强度为主的渗氮，可选用一般合对于以提高疲劳强度为主的渗氮，可选用一般合金结构钢，如金结构钢，如40Cr、42CrMo等；等； 对于以提高耐磨性为主的渗氮，一般选用渗氮专对于以提高耐磨性为主的渗氮，一般选用渗氮专用钢用钢38CrMoAlA。（2）渗氮方法）渗氮方法 常用的渗氮方法有气体常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮等渗氮和离子渗氮等 气体渗氮：在专门的氮化炉中进行，是利用氨在气体

17、渗氮：在专门的氮化炉中进行，是利用氨在500600的温度下分解，产生活性氮原子，分的温度下分解，产生活性氮原子，分解反应如下：解反应如下： 2NH33H2+2N 分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向内层扩分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向内层扩散，形成一定深度的渗氮层。散，形成一定深度的渗氮层。 （3）渗氮的特点与应用）渗氮的特点与应用 特点：特点： 渗氮后工件无需淬火便具有高的硬度、耐渗氮后工件无需淬火便具有高的硬度、耐磨性和热硬性，良好的抗蚀性和高的疲劳强度，磨性和热硬性，良好的抗蚀性和高的疲劳强度，渗氮温度低，工件的变形小。渗氮温度低，工件的变形小。 缺点：渗氮的生产周期长。一般要得到

18、缺点：渗氮的生产周期长。一般要得到0.30.5mm的渗氮层，气体渗氮时间约需的渗氮层，气体渗氮时间约需3050小时，小时，成本较高；渗氮层薄而脆，不能承受冲击。成本较高；渗氮层薄而脆，不能承受冲击。 应用：要求表面高硬度，耐磨、耐蚀、耐高温的应用：要求表面高硬度，耐磨、耐蚀、耐高温的精密零件，如精密机床主轴、丝杆、镗杆、阀门精密零件，如精密机床主轴、丝杆、镗杆、阀门等。等。一、一、 喷丸强化技术喷丸强化技术1 喷丸强化技术原理喷丸强化技术原理 小弹丸高速射向金属工件表面，小弹丸高速射向金属工件表面，使金属表层发生塑性变形并产生大使金属表层发生塑性变形并产生大量的量的位错位错和较大的和较大的残余

19、压应力残余压应力，从，从而提高金属表面的硬度、强度、抗而提高金属表面的硬度、强度、抗疲劳强度和疲劳强度和抗应力腐蚀抗应力腐蚀能力。能力。第七节第七节 表面形变强化技术表面形变强化技术喷丸强化层深度一般在喷丸强化层深度一般在0.10.8mm之间。之间。（1） 叶轮抛丸式叶轮抛丸式：利用高速：利用高速旋转的叶轮产生的离心力将弹旋转的叶轮产生的离心力将弹丸高速射向工件。丸高速射向工件。2 喷丸强化方法喷丸强化方法 适合处理形状简单、批量适合处理形状简单、批量较大的工件。较大的工件。（2） 压缩空气式压缩空气式：利用压缩空气将弹丸喷向工件，：利用压缩空气将弹丸喷向工件，弹丸的飞行速度取决于压缩空气的压力。喷丸有干喷弹丸的飞行速度取决于压缩空气的压力。喷丸有干喷和湿喷两种。和湿喷两种。喷丸强化方法喷丸强化方法吸入式喷砂枪 常用弹丸材料有常用弹丸材料有铸铁铸铁、不锈钢不锈钢、钢丝钢丝、玻璃玻璃、陶瓷陶瓷等，选择时主要考虑被处理工件材料的硬度、等，选择时主要考虑被处理工件材料的硬度、表面粗糙度、强化深度、残余应力等。表面粗糙度、强化深度、残余应力等。3 喷丸材料喷丸材料（1）喷丸增加金属表面的）喷丸增加金属表面的粗糙度粗糙度。4 喷丸强化对表面形貌和性能的影响喷丸强化对表面形貌和性能的影响（1）