工程材料学课件 第3章 热处理3

1、 3.6. 3.6. 钢的表面热处理钢的表面热处理3.6.1. 3.6.1. 钢的表面淬火钢的表面淬火 将金属零件将金属零件表层快速加热表层快速加热到奥氏体到奥氏体化温度，而心部没有相变，然后快化温度，而心部没有相变，然后快速冷却，速冷却，表层获得马氏体表层获得马氏体，而，而心部心部仍保持原始组织仍保持原始组织，达到，达到“外硬内韧外硬内韧”的工艺。的工艺。1.1.感应加热淬火感应加热淬火 （1 1）基本原理基本原理 感应加热面淬火示意图感应加热面淬火示意图 4545钢高频加热淬火层组织与性能示意图钢高频加热淬火层组织与性能示意图感应加热淬感应加热淬硬硬层层 （mmmm）与电流频率）与电流频率

2、f f（HzHz）的关系）的关系： = =（500500600600） 可见可见电流频率越高，淬火后工件硬化层越薄电流频率越高，淬火后工件硬化层越薄。（2 2）组织与性能）组织与性能 表层表层 淬火马氏体淬火马氏体 高耐磨性高耐磨性 心部心部 原始组织原始组织 （回火索氏体或回火索氏体或 F+PF+P）保持高韧性）保持高韧性 整体性能整体性能 外硬内韧外硬内韧（3 3）应用）应用 齿轮和轴类零件齿轮和轴类零件( (如，轴颈）如，轴颈） f2.2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 利用利用乙炔乙炔氧氧等形成的高温火焰对零件等形成的高温火焰对零件表层快速加热随后立即喷水淬火冷却的工表层快速加热随后

3、立即喷水淬火冷却的工艺。艺。3.3.激光加热表面淬火激光加热表面淬火4. 4. 表面淬火零件的加工工艺路线表面淬火零件的加工工艺路线 45钢齿轮例钢齿轮例 下料下料锻造锻造正火正火机加工机加工调质调质精加工精加工表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火检验检验 正火正火消除应力、细化晶粒、改善切削性能消除应力、细化晶粒、改善切削性能 调质调质提高齿轮的综合力学性能；提高齿轮的综合力学性能； 表面淬火表面淬火提高齿轮表层的硬度和耐磨性提高齿轮表层的硬度和耐磨性 低温回火低温回火消除淬火应力消除淬火应力3.6.2.3.6.2.钢的化学热处理钢的化学热处理 将工件置于特定的化将工件置于特定的化学介质或

4、气氛中加热、学介质或气氛中加热、保温，使某些所需的元保温，使某些所需的元素扩散到工件表层里，素扩散到工件表层里，以改变其化学成分的热以改变其化学成分的热处理工艺。处理工艺。1.1.化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程 1.1. 活性原子的产生活性原子的产生 即，化学介质的即，化学介质的分解分解。 如：如： 2CO 2 C 2CO 2 C O2 O2 2NH3 2 N 2NH3 2 N 3H23H2 由化学介质分解产生的活性原子，由化学介质分解产生的活性原子， 如如 C C 、 N N 才能渗入工件表层里。才能渗入工件表层里。 2.2.活性原子渗入工件表层被工件活性原子渗入工件表层被工件吸收

5、吸收。 3.3.活性原子向心部方向活性原子向心部方向扩散扩散, ,形成渗层（固溶形成渗层（固溶体或化合物）体或化合物） 2.2. 渗碳渗碳 （CarburizingCarburizing） (1)(1) 渗碳方法渗碳方法 1)1)气体渗碳气体渗碳 把工件装入渗碳炉密闭把工件装入渗碳炉密闭 通入渗碳剂通入渗碳剂（气、液体有机物）（气、液体有机物）, , 加热至加热至 900 950900 950保温，保温， 炉内发生炉内发生 CnHCnH2 2nnCnnCCOCO2 2 CO COH H2 2CCH H2 2O O 2) 2) 固体渗碳固体渗碳 将工件放在填充粒状渗碳剂的箱中密封，置于将工件放在

6、填充粒状渗碳剂的箱中密封，置于加热炉内加热至加热炉内加热至 900 950900 950保温。保温。 渗碳剂渗碳剂以木炭提供活性碳原子，碳酸盐催化，以木炭提供活性碳原子，碳酸盐催化，在高温下在高温下 C CO O2 2CO CO BaCO BaCO3 3BaOBaOCOCO2 2 CO CO2 2C2CO C2CO 2COCO 2COCO2 2 C C 并被钢表面吸收并被钢表面吸收(3)(3) 渗碳后热处理渗碳后热处理 1 1）直接淬火法直接淬火法 工件渗碳后，在空中预冷到工件渗碳后，在空中预冷到 800 860800 860直接直接淬火入油中再进行淬火入油中再进行 180 200180 20

7、0回火，此适用于合回火，此适用于合金渗碳钢。金渗碳钢。 2 2）一次淬火法一次淬火法 工件渗后空冷，再重新加热到工件渗后空冷，再重新加热到 760 860760 860淬淬火，然后进行火，然后进行 180200180200回火，回火， 此法适用于碳钢。此法适用于碳钢。 最终渗层组织最终渗层组织：回火马氏体碳化物回火马氏体碳化物A AR R 4 4）应用应用 耐冲击和耐磨都要求很高的零件，如汽车变耐冲击和耐磨都要求很高的零件，如汽车变速齿轮，活塞销。速齿轮，活塞销。 适合适合低碳低碳钢，钢，低碳低碳合金钢合金钢等材料。等材料。 渗碳零件的工艺路线渗碳零件的工艺路线 锻造锻造正火正火机加工机加工渗

8、碳渗碳淬火淬火低温回火低温回火（喷丸）（喷丸）精磨精磨 2.2. 氮化（氮化（NitridingNitriding） 气体氮化通入气体氮化通入氨气氨气加热分解出加热分解出 N N 渗入工件表层。渗入工件表层。 2NH33H2+ N 2NH33H2+ N 溶入溶入F F中固溶强化中固溶强化, , N N 的作用的作用 形成形成ALN.CrNALN.CrN等氮化物，等氮化物， 形成氮化白层形成氮化白层 Fe2N Fe2N Fe4N.Fe4N.（1 1）工艺工艺：500 600500 600加热，通入氨气加热，通入氨气 保温保温20502050小时。小时。(2)(2) 特点特点 1) 1) 渗层高硬

9、度，耐磨，耐蚀，耐高温（工作温度可渗层高硬度，耐磨，耐蚀，耐高温（工作温度可达达600650600650）, ,处理不变形。处理不变形。 2) 2) 渗层薄（仅渗层薄（仅0.3-0.5mm0.3-0.5mm）不耐冲击，生产周期）不耐冲击，生产周期 长（最长达长（最长达 8080小时）。小时）。(3)(3)应用应用 精密机床、化工、食品机械的精密机床、化工、食品机械的中碳合金钢中碳合金钢 （ 38CrMoAL,35CrMo)38CrMoAL,35CrMo)的轴、齿轮、阀门等。的轴、齿轮、阀门等。 氮化齿轮的加工路线：氮化齿轮的加工路线： 锻造锻造-退火退火-机加工机加工-调质调质-精加工精加工-

10、氮化氮化（最终（最终热处理）热处理）-2.2. 氮化氮化. .（NitridingNitriding） 氮化齿轮的加工路线：氮化齿轮的加工路线： 锻造锻造-退火退火-机加工机加工-调质调质-精加工精加工-氮化氮化（最终热处理）（最终热处理）- 组织和性能：组织和性能： 表层表层 氮化物层氮化物层 HRC 6570HRC 6570 心部心部 回火索氏体回火索氏体 HRC 2832HRC 28323.3.碳氮共渗碳氮共渗 （ NitrocarburizingNitrocarburizing） 根据温度不同可分为根据温度不同可分为： 高温高温 CNCN共渗共渗 （ 900900，不常用）；，不常用）

11、； 碳氮共渗碳氮共渗 中温中温CNCN共渗（共渗（ 800900800900）；）； 低温低温CNCN共渗（共渗（ 500600500600，亦称软氮化），亦称软氮化） 中温中温CNCN共渗共渗 a.a. 工艺：工艺： 加热到加热到 850870850870，通过，通过煤油分解煤油分解 C C ， 氨气分解氨气分解 N N ， 保温保温3434小时，渗层小时，渗层 0.1 0.1 0.15mm0.15mm小时小时。 出炉可直接淬火，然后在出炉可直接淬火，然后在 180200180200回火。回火。 3.3.碳氮共渗（碳氮共渗（ NitrocarburizingNitrocarburizing）

12、 b.b.渗层组织与性能渗层组织与性能 表层表层：回火马氏体回火马氏体 + CN+ CN化合物化合物，HRC 6567 HRC 6567 （ 渗层一般渗层一般 0.40.6mm0.40.6mm比渗碳薄）比渗碳薄） 心部心部：低碳马氏体低碳马氏体，HRC 3540HRC 3540 c.c.应用与工艺路线应用与工艺路线 同渗碳。同渗碳。 气体软氮化气体软氮化 利用尿素分解利用尿素分解 C C 和和 N N （NHNH2 2) )3 3CO 2 N + 2HCO 2 N + 2H2 2 + CO + CO 2 CO CO2 CO CO2 2 + C + C 加热温度加热温度为为 5005705005

13、70，处理时间，处理时间 1313小时。小时。 渗层渗层为为 0.010.02mm0.010.02mm氮化物白层氮化物白层 + 0.1 + 0.1 0.4 mm0.4 mm扩散层扩散层。 应用应用：性能低于氮化，但生产周期短性能低于氮化，但生产周期短， 常用于各种中、高碳钢零件，也可用于刀具、模具常用于各种中、高碳钢零件，也可用于刀具、模具等，以及铸铁件，如等，以及铸铁件，如 气缸套等。气缸套等。 3 3.7. .7. 热处理新技术热处理新技术 1.1.形变热处理形变热处理（Thermomechanical treatment,TMTThermomechanical treatment,TMT

14、） 将材料（钢）将材料（钢）塑性变形塑性变形与与热处理热处理有机结合，同时发挥有机结合，同时发挥形变强形变强化化和和相变强化相变强化综合作用的联合工艺总称综合作用的联合工艺总称. .。 图图 形变热处理工艺曲线形变热处理工艺曲线 2.2.超细化热处理超细化热处理 金属在加热（或冷却）相变，由于需要重金属在加热（或冷却）相变，由于需要重新形核长大新形核长大，一般都比原始组织晶粒细。，一般都比原始组织晶粒细。 超细化就是把工件奥氏体化后淬火形成超细化就是把工件奥氏体化后淬火形成马氏体，又以较快速度加热马氏体，又以较快速度加热 奥氏体化再淬火。奥氏体化再淬火。如此如此反复加热冷却循环数次反复加热冷却

15、循环数次（一般（一般 34 34 次）次）的工艺的工艺。 经过超细化的金属可非常显著提高力学经过超细化的金属可非常显著提高力学性能。尤其可获得超塑性。性能。尤其可获得超塑性。3.3.真空热处理真空热处理 在环境压力低于正常大气压以下的减压空间中在环境压力低于正常大气压以下的减压空间中进行加热，保温和进行加热，保温和 冷却的热处理工艺。冷却的热处理工艺。 1)1) 特点特点 无氧化无氧化 可获得无氧化光亮表面。可获得无氧化光亮表面。 表面净化表面净化 真空泵抽出废气。真空泵抽出废气。 脱气作用脱气作用 在真空炉中，金属内压在真空炉中，金属内压 炉压，炉压， 金属金属, ,中气体表面逸出。中气体表

16、面逸出。 加热速度慢，加热速度慢，工件内外温差小，变形小工件内外温差小，变形小。 2)2) 应用应用 真空退火真空退火 真空淬火真空淬火 真空渗碳真空渗碳5.5. 离子氮化离子氮化 在真空炉内进行，在真空炉内进行，工件接高压直流电源的负极工件接高压直流电源的负极，真空钟罩接正极真空钟罩接正极。抽真空后充入氨气。抽真空后充入氨气。 氨电离分解成氨电离分解成 N N、H H 和和 e e并在工件表面产生辉并在工件表面产生辉光放电光放电 正离子轰击工件表面，使工件升温，正离子轰击工件表面，使工件升温， 正离子正离子在钢件表面获得电子还原成在钢件表面获得电子还原成 N N 渗入零渗入零件表面形成氮化层。件表面形成氮化层。 特点特点 渗层性能优异，节约能源，渗氮气体少，无污染。渗层性能优异，节约能源，渗氮气体少，无污染。 缺点缺点 设备贵，工艺成本高。设备贵，工艺成本高。 6.6. 激光热处理激光热处理 利用激光器发射的激光束迅速把工件表面加热到利用激光器发射的激光束迅速把工件表面加热到高温，达到局部表面强化的工艺。高温，