工程材料学_第5章_钢热处理-3-zcs

1、第一节第一节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变第二节第二节 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变第三节第三节 钢的热处理工艺钢的热处理工艺退火、正火、退火、正火、淬火、回淬火、回火火第四节第四节 钢钢的表面热处理及化学热处理的表面热处理及化学热处理l表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。强化零件表面的热处理方法。感应加热感应加热l表面淬火目的：表面淬火目的：l 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限使表面具有高的硬度、耐磨

2、性和疲劳极限;l 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即足够的塑性和韧性。即表硬里韧表硬里韧。l适用于适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。l1、表面淬火用材料、表面淬火用材料l 0.4-0.5%C的中碳钢。的中碳钢。l含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。l含碳量过高含碳量过高, 心部韧性下降心部韧性下降;l 铸铁铸铁 提高其表面耐磨性。提高其表面耐磨性。机床导轨机床导轨表面淬火齿轮表面淬火齿轮l2、预备热处理、预备热处理l工艺：工艺：l对于结构钢为对于结构钢为调

3、质调质或或正火正火。l前者性能高，用于要求高的前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高重要件，后者用于要求不高的普通件。的普通件。l目的目的:l为表面淬火作组织准备；为表面淬火作组织准备；l 获得最终心部组织。获得最终心部组织。 回火索氏体回火索氏体50钢正火组织钢正火组织(F+S)l3、表面淬火后的回火、表面淬火后的回火l采用低温回火采用低温回火，温度不，温度不高于高于200。感应加热表面淬火感应加热表面淬火l4、表面淬火表面淬火+低温低温回火后的组织回火后的组织l表层组织为表层组织为M回回；l心部组织为心部组织为S回回(调调质质)或或F+S(正火正火)。l回火目的为降低内应力，保留

4、淬火高硬度、耐磨性。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。l5、表面淬火常用加热方法、表面淬火常用加热方法l 感应加热感应加热: 利用交变电利用交变电流在工件表面感应巨大涡流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热流，使工件表面迅速加热的方法。的方法。感应加热感应加热表面淬火表面淬火示意图示意图l感应加热分为：感应加热分为：l 高频感应加热高频感应加热 频率为频率为250-300KHz,淬硬层深度淬硬层深度0.5-2mm.感应加热表面淬火齿轮的截面图感应加热表面淬火齿轮的截面图l 中频感应加热中频感应加热 频率为频率为2500-8000 Hz，淬硬层深度淬硬层深度2-10mm。各种感

5、应器各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴l 工频感应加热工频感应加热 频率为频率为50Hz， 淬硬层深度淬硬层深度1015mm各种感应器各种感应器感应穿透加热感应穿透加热l 火焰加热火焰加热: 利用乙炔火焰直利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。接加热工件表面的方法。成本成本低，但质量不易控制。低，但质量不易控制。l 激光热处理激光热处理: 利用高能量密利用高能量密度的激光对工件表面进行加热度的激光对工件表面进行加热的方法。的方法。效率高，质量好。效率高，质量好。激光表面热处理激光表面热处理火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬

6、火示意图l化学热处理化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子介质中活性原子渗入工件表层从渗入工件表层从而改变工件表层而改变工件表层化学成分和组织化学成分和组织,进而改变其性能进而改变其性能的热处理工艺。的热处理工艺。l与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。组织，还改变其化学成分。l化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。l根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素

7、等。氮化、多元共渗、渗其他元素等。 可控气氛渗碳炉可控气氛渗碳炉渗碳回火炉渗碳回火炉l1、介质介质(渗剂渗剂)的分解的分解: 分解的同分解的同时释放出活性原子。时释放出活性原子。l如：如：渗碳渗碳 CH42H2+C 2CO CO2 + C 氮化氮化 2NH33H2+2Nl2、工件表面的吸收工件表面的吸收: 活性原子向活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。形成化合物。l3、原子向内部扩散。、原子向内部扩散。 氮化扩散层氮化扩散层l1、渗碳目的、渗碳目的l提高工件表面硬度提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部度，同时保持心部良好的韧性。

8、良好的韧性。l2、渗碳用钢、渗碳用钢l为含为含0.1-0.25%C的低碳钢。的低碳钢。碳高则心部韧性降低。碳高则心部韧性降低。 经渗碳的机车从动齿轮经渗碳的机车从动齿轮气体渗碳气体渗碳法示意图法示意图l3、渗碳方法、渗碳方法l 气体渗碳法气体渗碳法l将工件放入密封炉内，在将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。高温渗碳气氛中渗碳。l渗剂为气体渗剂为气体 (煤气、液化煤气、液化气等气等)或有机液体或有机液体(煤油、煤油、甲醇等甲醇等)。l优点优点: 质量好质量好, 效率高；效率高；缺点缺点: 渗层成分与深度不易控制。渗层成分与深度不易控制。l 固体渗碳法固体渗碳法l将工件埋入渗剂中，装箱密封后

9、在高温下加热渗碳将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳.l渗剂为木炭。渗剂为木炭。l优点：操作简单；优点：操作简单；l缺点：渗速慢，劳动条件差。缺点：渗速慢，劳动条件差。l 真空渗碳法真空渗碳法l将工件放入真空渗碳炉中，抽真将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。空后通入渗碳气体加热渗碳。l优点优点: 表面质量好表面质量好, 渗碳速度快。渗碳速度快。真空渗碳炉真空渗碳炉l4、渗碳温度、渗碳温度：为为900-950。l渗碳层厚度渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：（由表面到过度层一半处的厚度）： 一般为一般为0.5-2mm。低碳钢渗碳缓冷后的组织低碳钢渗碳缓冷后的组织l

10、渗碳层表面含碳量：渗碳层表面含碳量：以以0.85-1. 05为最好。为最好。l渗碳缓冷后组织：渗碳缓冷后组织：表表层为层为P+网状网状Fe3C; 心部为心部为F+P; 中间为中间为过渡区。过渡区。l5、渗碳后的热处理、渗碳后的热处理l淬火淬火+低温回火低温回火, 回火温度为回火温度为160-180. 淬火方法有：淬火方法有：l 预冷淬火法预冷淬火法l渗碳后预冷到略高于渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。温度直接淬火。渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图l一次淬火法一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。：即渗碳缓冷后重新加热淬火。l 二次淬火法：二次淬火法：l即渗碳缓冷后即渗碳缓冷后第一次

11、加热为心部第一次加热为心部Ac3+30-50，细细化心部化心部；第二次加热为第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。细化表层。 渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图l常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火淬火+低温回火。低温回火。此时组织为：此时组织为：l表层：表层：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)l心部：心部：M回回+F（淬透时）（淬透时）渗碳淬火后的表层组织渗碳淬火后的表层组织M+Fl氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。l1、氮化用钢、氮化用钢井式气体氮化炉井式气体氮化炉l为含为含Cr

12、、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。的中碳钢。l常用钢号为常用钢号为38CrMoAl。l2、氮化温度、氮化温度为为500-570l氮化层厚度氮化层厚度不超过不超过0.6-0.7mm。l3、常用氮化方法、常用氮化方法l气体氮化法与离子氮化法气体氮化法与离子氮化法。l气体氮化法与气体渗碳法气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。类似，渗剂为氨。l离子氮化法是在电场作用离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。短，氮化层脆性小。离子氮化炉离子氮化炉 辉光放电V-I特性曲线 l1

13、、使用温度范围广，可实现低温共渗；、使用温度范围广，可实现低温共渗；（气体渗氮：500680；离子渗氮：300680）l2、应用范围广，不仅限于钢铁材料，可应用于铝合金、应用范围广，不仅限于钢铁材料，可应用于铝合金、钛合金等有色合金的改性；钛合金等有色合金的改性；l3、渗速快，一般可使周期减少、渗速快，一般可使周期减少33%-50%；l4、环境污染小。、环境污染小。l缺点：边缘效应及空心阴极效应。缺点：边缘效应及空心阴极效应。l4、氮化的特点及应用、氮化的特点及应用l 氮化件表面硬度高氮化件表面硬度高(HV1000-2000)，耐磨性高。，耐磨性高。l 疲劳强度高疲劳强度高. 由于表面存在压应

14、力。由于表面存在压应力。氮化层组织氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度l工件变形小工件变形小. 因氮化温度低，氮化后不需热处理。因氮化温度低，氮化后不需热处理。 l 耐蚀性好耐蚀性好. 因表层形成的氮化物化学稳定性高。因表层形成的氮化物化学稳定性高。l氮化的缺点：氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。工艺复杂，成本高，氮化层薄。l用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。 缝纫机用氮化件缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴经氮化的机车曲轴不需要不需要205

15、0500600渗氮渗氮需要需要39920930渗碳渗碳处理后是否需处理后是否需要热处理要热处理处理时间处理时间 ( h )处理温度处理温度( )名称名称渗氮可以和调质工艺同时进行渗氮可以和调质工艺同时进行l近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。 全方位离子注入与沉积设备全方位离子注入与沉积设备l将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为流使其雾化并喷射于工件表面

16、形成涂层的工艺称为热喷涂热喷涂。l利用热喷涂技术可改善材利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。热性及绝缘性等。l广泛用于包括航空航天、广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。在内的几乎所有领域。等离子热喷涂等离子热喷涂l1、涂层的结构、涂层的结构l热喷涂层是由无数变形热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构堆叠在一起的层状结构，粒子之间存在着孔隙，粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。和氧化物夹杂缺陷。l喷涂层与基体之间以及喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要喷涂

17、层中颗粒之间主要热喷涂层组织热喷涂层组织 是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结合及化学键结合。是微区冶金结合及化学键结合。l2、热喷涂方法、热喷涂方法l常用的热喷涂方法有：常用的热喷涂方法有：l 火焰喷涂火焰喷涂: 多用氧多用氧 - -乙炔火焰作为热源。乙炔火焰作为热源。l 电弧喷涂电弧喷涂: 丝状喷丝状喷涂材料作为自耗电极、涂材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方电弧作为热源的喷涂方法法l 等离子喷涂等离子喷涂: 是一是一种利用等离子弧作为热种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。源进行喷涂的方法。 火焰热喷涂火焰热喷涂电弧热喷电

18、弧热喷涂涂等离子喷涂等离子喷涂l3、热喷涂的特点及应用、热喷涂的特点及应用l工艺灵活：工艺灵活：热喷涂的对象小到热喷涂的对象小到10mm的内孔的内孔, 大到铁塔、桥梁大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂可整体喷涂，也可局部喷涂l基体及喷涂材料广泛：基体及喷涂材料广泛：基体可基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等以是金属、合金及塑料、陶瓷等l涂层可控涂层可控: 从几十从几十 m到几到几mml生产效率高生产效率高l工件变形小：工件变形小：基体材料温度不超过基体材料温度不超过250(冷工艺冷工艺)涡轮叶片的热障涂层涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层热

19、喷涂层)热喷涂热喷涂l气相沉积技术气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。种新型镀膜技术。l根据沉积过程的原理根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术不同，气相沉积技术可分为可分为物理气相沉积物理气相沉积(PVD) 和和化学气相沉化学气相沉积积(CVD)两大类。两大类。l1、物理气相沉积（、物理气相沉积（PVD）l物理气相沉积物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，是指在真空条件下，用物理的方法， 使材料汽化成原子、分使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并

20、通子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。面沉积一层薄膜的技术。l物理沉积技术主要包括物理沉积技术主要包括真空蒸镀真空蒸镀、溅射镀溅射镀、离离子镀子镀三种基本方法。三种基本方法。磁控溅射镀膜设备磁控溅射镀膜设备l真空蒸镀真空蒸镀是蒸发成膜材料使是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。面形成薄膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiN活塞环活塞环真空蒸镀真空蒸镀Al膜的塑料制品膜的塑料制品l溅射镀溅射镀是在真空下通过是在真空下通过辉光放电来电离氩气，辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅

21、射下来速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面的粒子沉积到工件表面成膜的方法。成膜的方法。溅射镀示意图溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀膜机磁控溅射镀磁控溅射镀AlAl的塑料制品的塑料制品l离子镀离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒多弧离子镀膜机多弧离子镀膜机子一起沉积到工件表面成子一起沉积到工件表面成膜的方法。膜的方法。l物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广;工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附工艺简单、

22、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。l广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业离子镀产品离子镀产品等领域制备耐磨、等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导压电、滑润、超导薄膜。薄膜。 l2、化学气相沉积、化学气相沉积(CVD)l化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基CVD设备设备体表面相互作用而在基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合体表面形成金属或化合物薄膜

23、的方法。物薄膜的方法。例如例如, 气态的气态的TiCl4与与 N2 和和 H2 在受热钢的表在受热钢的表面反应生成面反应生成 TiN，并沉，并沉积在钢的表面形成耐磨积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。抗蚀的沉积层。经经CVD处理的模具处理的模具经经CVD处理处理的活塞环的活塞环l三束表面改性技术三束表面改性技术是指将是指将激光束激光束、电子束电子束和和离子束离子束(合称合称“三束三束”)等具有高能量密度的能源等具有高能量密度的能源(一般大于一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。变化，以获得特殊表面性能的技术。

24、电子束加工电子束加工等离子束加工等离子束加工 进行快速加热和快速冷却进行快速加热和快速冷却,使表层的结构和成分发生使表层的结构和成分发生大幅度改变大幅度改变(如形成微晶、如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等固溶体和化合物等), 从而从而获得所需要的特殊性能。获得所需要的特殊性能。l束流技术还具有能量利用束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产率高、工件变形小、生产效率高等特点。效率高等特点。l由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面l1、激光束表面改性技术、激光束表面改性技术l激光束能量密度高激光束能量密度

25、高(106W/cm2)，可在短时间内将工，可在短时间内将工件表面快速加热或融化件表面快速加热或融化, 而心部温度基本不变而心部温度基本不变; 当激当激 光辐射停止后光辐射停止后,由于散热速度由于散热速度快，又会产生快，又会产生“自激冷自激冷”。l激光表面改性激光表面改性技术主要应用技术主要应用于以下几方面于以下几方面:CO2激光器激光器l 激光表面淬火激光表面淬火（激光相变硬化）（激光相变硬化）l激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高1520%)、耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。l已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、已广

26、泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。冷作模具等。激光表面淬火件激光表面淬火件激光表激光表面淬火面淬火l 激光表面合金化激光表面合金化l预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜 与基体材料表层融合在一起与基体材料表层融合在一起并迅速凝固，从而形成成分并迅速凝固，从而形成成分与结构均不同于基体的、具与结构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层。有特殊性能的合金化表层。l已成功用于发动机阀座和活已成功用于发动机阀座和活塞环、涡轮叶片等零件的性塞环、涡轮叶片等零件的性能和寿命的改善。能和寿命的改善。 激光合金化热剪断刀激光合金化热剪断刀l电子束表面改性技术电子束表面改性技术是以在电场中高速移是以在电场中高速移动的电子作为载能体动的电子作为载能体,电子束的能量密度最电子束的能量密度最高可达高可达109W/cm2。l除所使用的热源不同除所使用的热源不同 外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。原理和工艺基本类似。l凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。电子束表面改性装置电子束表面改性装置l 2、电子束表面改性技术、电子束表面