三、钢的表面热处理

1、三、钢的表面热处理 表面热处理是指为改变工件表面的组织和性能，仅对工件表层进行的热处理工艺。1、表面淬火钢的表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的组织的热处理工艺。表面淬火的方法很多，目前广泛应用的有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火等。（1）感应淬火感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的淬火。1）感应淬火频率的选用在生产中，根据对零件表面有效淬硬层深度的要求，选择合适的频率。高频感应淬火 常用频率为200300KHz，淬硬层深度为0.52mm。主要用于要求淬硬层较薄的中、小模数齿

2、轮和中、小尺寸轴类零件等。中频感应淬火 常用频率为25008000Hz，淬硬层深度为210mm。主要用于大、中模数齿轮和较大直径轴类零件。工频感应淬火 电流频率为50Hz，淬硬层深度为1020mm。主要用于大直径零件（如轧辊、火车车轮等）的表面淬火和直径较大钢件的穿透加热。 超高频感应淬火 电流频率一般为2040KHz，它兼有高、中频加热的优点，淬硬层深度略高于高频，而且沿零件轮廓均匀分布。所以，它对用高、中频感应加热难以实现表面淬火的零件有着重要作用，适用于中小模数齿轮、花键轴、链轮等。2）感应淬火加热的特点与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火有以下特点：感应加热速度极快 一般只需要几秒至几

3、十秒时间就可以达到淬火温度。工件表层获得极细小的马氏体组织，使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高23HRC）和疲劳强度，且脆性较低。工件表面质量好 由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳、且淬火时工件变形小。生产效率高 便于实现机械化、自动化，淬硬层深度也易控制。上述特点使感应加热表面淬火得到广泛应用，但其工艺设备较贵，维修调整困难，不易处理形状复杂的零件。感应淬火最适宜的钢种是中碳钢（如40钢、45钢）和中碳合金钢（如40Cr钢、40MnB钢等），也可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。 一般表面淬火前应对工件正火或调质，以保证心部有良好的力学性能，并为表层加热作好组织准备。

4、表面淬火后应进行低温回火，以降低淬火应力和脆性。（2）火焰淬火（见书）2、钢的化学热处理 化学热处理是指将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的基本过程是：活性介质在一定温度下通过化学反应进行分解，形成渗入元素的活性原子；活性原子被工件表面吸收，即活性原子溶入铁的晶格形成固溶体或与钢中某种元素形成化合物；被吸收的活性原子由工件表面逐渐向内部扩散，形成一定深度的渗层。 目前常用的化学热处理有：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。（1）渗碳所谓渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900950的温度下加热、保温，以提高工件表层碳的质量分数

5、并在其中形成一定的碳的质量分数梯度的化学热处理工艺。其目的是使工件表面具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的韧性。齿轮、活塞销等零件常采用渗碳处理。1）渗碳的方法 渗碳所用介质称为渗碳剂，根据渗碳剂的不同，渗碳的方法分为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳和液体渗碳等。 2） 渗碳用钢、渗碳后组织及热处理 渗碳用钢为低碳钢和低碳合金钢，碳的质量分数一般为0.1%0.25%。碳的质量分数提高，将降低工件心部的韧性。%1.05%范围。渗碳缓冷后，表层为过共析组织，与其相邻为共析组织，再向里为亚共析组织的过渡层，心部为原低碳钢组织。一般规定，从渗碳工件表面向内至碳的质量分数为规定值处(一般Wc0

6、.4%)的垂直距离为渗碳层深度。工件的渗碳层深度取决于工件尺寸和工作条件，一般为0.52.5mm。工件渗碳后必须进行适当的热处理，即淬火并低温回火，才能达到性能要求。渗碳件的热处理工艺有三种，如图3-35所示。 直接淬火法 先将渗碳件自渗碳温度预冷至某一温度（一般为850880），立即淬入水或油中，然后再进行低温回火。预冷是为了减少淬火应力和变形。直接淬火法操作简便，不需重新加热，生产率高，成本低，脱碳倾向小。但由于渗碳温度高，奥氏体晶粒易长大，淬火后马氏体粗大，残留奥氏体也较多，所以工件耐磨性较低，变形较大。此法适用于本质细晶粒钢或受力不大，耐磨性要求不高的零件。 一次淬火法 工件渗碳后出炉

7、缓冷，然后再重新加热进行淬火、低温回火。由于工件在重新加热时奥氏体晶粒得到细化，因而可提高钢的力学性能。此法应用比较广泛。二次淬火法 第一次淬火是为了改善心部组织和消除表面网状二次渗碳体，加热温度为Ac3以上3050。第二次淬火是为细化工件表层组织，获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体，( a)直接淬火 (b) 一次淬火 ( c)二次淬火图 3-35 渗碳体常用的热处理方法加热温度为Ac1以上3050。二次淬火法工艺复杂，生产周期长，成本高，变形大，只适用于表面耐磨性和心部韧性要求高的零件或本质粗晶粒钢。 渗碳件淬火后应进行低温回火（一般150200）。直接淬火和一次淬火经低温回火后，表层组

8、织为回火马氏体和少量渗碳体，二次淬火表层组织为回火马氏体和粒状渗碳体。渗碳、淬火回火后的表面硬度均为5864HRC，耐磨性好，心部组织取决于钢的淬透性，低碳钢一般为铁素体和珠光体，硬度137183HBS。低碳合金钢一般为回火低碳马氏体、铁素体和托氏体，硬度3545HRC，并具有较高的强度、韧性和一定的塑性。 （2）钢的氮化（渗氮）它是指在一定温度下（一般在Ac1）以下，使活性氮原子渗入钢件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度、高耐磨性、高疲劳强度和高热硬性和良好耐蚀性，因氮化温度低，变形小，应用广泛。常用的氮化方法有：气体渗氮和离子渗氮。 气体渗氮 它是利用氨气在加热时分解产生的

9、活性氮原子渗入工件表面形成氮化层，同时向心部扩散的热处理工艺。常用方法是将工件放人通有氨气的井式渗氮炉中，加热到500570，使氨气分解出活性氮原子N，活性氮原子N被工件表面吸收，并向内部逐渐扩散形成渗氮层。应用最广泛的渗氮用钢是38CrMoAl钢，钢中Cr、Mo、Al等元素在渗氮过程中形成高度弥散、硬度很高的稳定氮化物(CrN、MoN、A1N)，使渗氮后工件表面有很高的硬度（10001200HV，相当于72HRC）和耐磨性，因此渗氮后不需再进行淬火。且在600左右时，硬度无明显下降，热硬性高。渗氮前零件须经调质处理，以保证心部的强度和韧性。对于形状复杂或精度要求较高的零件，在渗氮前精加工后还

10、要进行消除应力的退火，以减少渗氮时的变形。渗氮主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件或承受交变载荷的重要零件，以及要求耐热、耐蚀、耐磨的零件，如精密机床的主轴、蜗杆、发动机曲轴、高速精密齿轮等。但由于氮化温度低，所需时间特别长，一般氮化3060h，才能获得0.20.5mm的氮化层，因此限制了它的应用。 离子氮化 它是一种较先进的工艺，是指在低真空的容器内，保持氮气的压强为133.321333.32Pa，在400700V的直流电压作用下，迫使电离后的氮离子高速冲击工件（阴极），被工件表面吸收，并逐渐向内部扩散形成渗氮层。离子氮化的特点是：渗氮速度快，时间短（仅为气体渗氮的1/51/2）；渗碳层质量好，对材料的适应性强。目前离子氮化已广泛应用于机床零件（如主轴、精密丝杠、传动齿轮等）、汽车发动机零件（如活塞销、曲轴等）及成型刀模具等。但对形状复杂或截面相差悬殊的零件，渗氮后很难同时达到相同的硬度和渗氮