第五章钢的热处理(10新)表面化学(小)

1、5-7 5-7 钢的表面淬火钢的表面淬火 表面淬火表面淬火 不改变表层化学成分，只改变表层不改变表层化学成分，只改变表层 组织结构。组织结构。 即：利用快速加热将即：利用快速加热将 表层表层A化后进行淬火。化后进行淬火。 目目 的的 提高表面强、硬度，耐磨性及疲劳提高表面强、硬度，耐磨性及疲劳 极限，保持心部良好的塑韧性。极限，保持心部良好的塑韧性。l一、感应加热表面淬火一、感应加热表面淬火 l1原理原理: 交变磁场交变磁场 感应电流感应电流 工件电阻工件电阻 加热，集肤效应加热，集肤效应 表面加热表面加热 快速冷却快速冷却n感应淬火频率的选用感应淬火频率的选用电流频率越高，感应电流透入深度越

2、浅，加热层也越薄。因电流频率越高，感应电流透入深度越浅，加热层也越薄。因此，通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度。此，通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度。根据零件表面有效淬硬层深度选择合适的频率，分根据零件表面有效淬硬层深度选择合适的频率，分高频、中高频、中频和工频。频和工频。 n 感应加热的工艺参数感应加热的工艺参数根据组织性能的要求，需控制其根据组织性能的要求，需控制其加热温度、加热速度和淬硬加热温度、加热速度和淬硬层深度层深度，而这三个热参数有需通过控制设备的，而这三个热参数有需通过控制设备的电参数（电流电参数（电流频率、单位表面功率）和加热时间频率、单位表面功

3、率）和加热时间来保证。来保证。l2分类分类 高频、高频、 中频中频 、 工频工频 等等。 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传动轴连续淬传动轴连续淬火感应器火感应器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 2 5 0 0 -8000Hz，淬硬层，淬硬层深度深度2-10mm。各种感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,淬硬淬硬层深度层深度10-15

4、mm各种感应器各种感应器感应穿透加热感应穿透加热 3 3特特 点点 加热速度快：加热速度快： 几秒几十秒。几秒几十秒。 加热时实际晶粒度小，淬火得到极细马氏体，加热时实际晶粒度小，淬火得到极细马氏体， 硬度硬度脆性脆性 加热层深度易控制加热层深度易控制 ，可实现自动化批量生产。，可实现自动化批量生产。 不易氧化、脱碳、变形小。不易氧化、脱碳、变形小。 工艺易控制，但设备成本高。工艺易控制，但设备成本高。l 汽车曲轴汽车曲轴4 4工艺路线工艺路线 （用用料料 0.4 - 0.5%0.4 - 0.5%c c的中碳钢、中碳低合金钢的中碳钢、中碳低合金钢, , 如如：4545、40Cr40Cr等等）

5、锻造锻造 退火退火 或或 正火正火 粗加工粗加工 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（ 粗磨粗磨 时效时效 精磨精磨 ） l 感应加热表面淬火对工件的原始组织有一定的感应加热表面淬火对工件的原始组织有一定的要求。一般铸铁件的组织应是珠光体基体和细小均要求。一般铸铁件的组织应是珠光体基体和细小均匀分布的石墨；钢件应预先进行正火或调质处理。匀分布的石墨；钢件应预先进行正火或调质处理。l二、火焰加热二、火焰加热 l火焰加热淬火是利用氧火焰加热淬火是利用氧乙炔或煤气乙炔或煤气氧等）火焰直接加热工件氧等）火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却。表面，然后立即喷水冷却。 淬硬层深

6、度一般为淬硬层深度一般为2 26mm6mm。n 火焰淬火特点火焰淬火特点 优点：操作简便，设备简单，成本低，灵活性大；优点：操作简便，设备简单，成本低，灵活性大； 缺点：加热温度不易控制，工件表面易过热，缺点：加热温度不易控制，工件表面易过热， 淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。n 火焰淬火适用范围火焰淬火适用范围 单件、小批生产以及大型零件（如大模数齿轮、大型单件、小批生产以及大型零件（如大模数齿轮、大型 轴类等）的表面淬火。轴类等）的表面淬火。l火焰加热火焰加热: 利用乙炔火焰直接利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。加热工件表面的方法。成本低，成本低，但质量不易控制。但质量不易控制。l激光热

7、处理激光热处理: 利用高能量密度利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的的激光对工件表面进行加热的方法。方法。效率高，质量好。效率高，质量好。火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图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激光表面淬火激光表面淬火利用利用高能量密度高能量密度（104108W/cm2）的激光对工件）的激光对工件表面进行加热的方法。激表面进行加热的方法。激光加热时，因其过程极短，光加热时，因其过程极短，无需考虑大气介质的影响，无需考虑大气介质的影响，没有氧化脱碳现象，淬火没有氧化脱碳现象，淬火表面光亮洁净；又由于加表面光亮洁净；又由于加热层是靠自急冷淬火，无

8、热层是靠自急冷淬火，无需特殊的冷却设备；加热需特殊的冷却设备；加热快、区域小，因而工件的快、区域小，因而工件的变形极小。变形极小。激光加热导光系统原理示意图激光加热导光系统原理示意图1.1.工艺参数：光斑尺寸、扫描速度、激光功率等。工艺参数：光斑尺寸、扫描速度、激光功率等。2.2.激光淬火激光淬火淬硬深度淬硬深度0.30. 5mm，硬度比普通淬火硬度高硬度比普通淬火硬度高 15%15%20%20%。3.3.激光淬火后，表面具有激光淬火后，表面具有4000MPa4000MPa的残余压应力，有利于疲劳的残余压应力，有利于疲劳 强度提高。强度提高。4.4.激光淬火精确的局部加热，可以解决工件拐角、沟

9、槽、盲孔、激光淬火精确的局部加热，可以解决工件拐角、沟槽、盲孔、 深孔内壁等其他热处理方法很难解决的强化问题。深孔内壁等其他热处理方法很难解决的强化问题。5.5.激光淬火前，需对淬火表面进行黑化处理，即在被加热的表激光淬火前，需对淬火表面进行黑化处理，即在被加热的表 面涂一层吸光涂层，以提高激光的吸收率。面涂一层吸光涂层，以提高激光的吸收率。6.6.已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。l激光表面淬火的特点：激光表面淬火的特点：l5-8 5-8 钢的化学热处理钢的化学热处理l 化学热处理化学热处理l 将工件置于特定的介质

10、中加热和保温，将工件置于特定的介质中加热和保温，l 使介质中的活性原子渗入工件表层，使介质中的活性原子渗入工件表层，l 从而通过改变表层的化学成分和组织从而通过改变表层的化学成分和组织l 来改变其性能。来改变其性能。 l 分类分类 l 渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、l 渗铬、渗铝等。渗铬、渗铝等。 一、钢的渗碳一、钢的渗碳 （包括：（包括： 气体、固体渗碳）气体、固体渗碳）l 渗碳渗碳 l 低碳钢在高碳介质中加热、保温，以获得低碳钢在高碳介质中加热、保温，以获得高碳表层的热处理工艺。高碳表层的热处理工艺。 l 目的目的 l 提高表面硬度，耐磨性，心部保持一定的提高表面

11、硬度，耐磨性，心部保持一定的强度和良好的塑韧性。强度和良好的塑韧性。 如齿轮、轴类、链条、套如齿轮、轴类、链条、套筒、活塞销。筒、活塞销。 1 1渗碳工艺渗碳工艺 钢钢 种种 0.1- 0.25%c0.1- 0.25%c的低的低碳钢碳钢和低碳合金钢。和低碳合金钢。 如：如：1515、 2020、 20Cr20Cr、 20CrMnTi20CrMnTi、 20CrMnMo 20CrMnMo 、 18CrMnTi 18CrMnTi 。 加热温度加热温度 Ac Ac3 3 以上，一般为以上，一般为900900950 950 。 加热时间加热时间 根据所需渗层厚度决定。根据所需渗层厚度决定。 （一般经现

12、场试验测定一般经现场试验测定） 渗层厚度（渗层厚度（D Dp p）：轴类：）：轴类： D Dp = p = (0.1 (0.1 0.2)R0.2)R 齿轮：齿轮： D Dp = p = (0.1 (0.1 0.2)m0.2)m 薄片：薄片： D Dp = p = (0.1 (0.1 0.2)t0.2)t (R (R、m m、t t分别代表轴半径、齿轮模数、零件厚度）分别代表轴半径、齿轮模数、零件厚度） n常用钢号及用途常用钢号及用途低淬透性钢：低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小用于受力小的耐磨件，如柴油的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮机的活塞销、凸轮轴等轴等。柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴20C

13、r活塞销活塞销中淬透性钢：中淬透性钢：20CrMnTi 用于中等载荷的用于中等载荷的耐磨件，如变速耐磨件，如变速箱齿轮。箱齿轮。高淬透性钢：高淬透性钢：18Cr2Ni4WA 用于大载荷的耐用于大载荷的耐磨件，如柴油机磨件，如柴油机曲轴。曲轴。 增压柴油机曲轴增压柴油机曲轴汽车变速箱齿轮汽车变速箱齿轮零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱l2. 2. 渗碳方法渗碳方法：固体渗碳、液体渗碳固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳气体渗碳。可控气氛渗碳炉可控气氛渗碳炉渗碳炉渗碳炉l3. 3. 渗碳件的技术条件渗碳件的技术条件：l 渗碳层的表面含碳量最好在渗碳层的表面含碳量最好在 0.85 - 1.

14、05 %c0.85 - 1.05 %cl 含碳量太低：得不到高碳马氏体，硬度低、含碳量太低：得不到高碳马氏体，硬度低、l 耐磨性差。耐磨性差。l 含碳量太高：渗碳层会出现大量块状或网状含碳量太高：渗碳层会出现大量块状或网状l 渗碳体，渗层变脆，易剥落。渗碳体，渗层变脆，易剥落。l4 4渗碳后的淬火渗碳后的淬火 l 直接淬火直接淬火 奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A A多，多，耐磨性低，变形大。耐磨性低，变形大。( (如：图如：图a a 、图、图b ) b ) l 只适用于细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。只适用于细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。 l 一次淬火一次

15、淬火 加热温度加热温度AcAc3 3以上（心部性能好）以上（心部性能好）l 或或 AcAc1 1以上（表面性能好）以上（表面性能好） l 二次淬火二次淬火 Ac3以上（改善心部性能）以上（改善心部性能）+ Ac1以上以上l （改善表面性能）（改善表面性能）l5. 渗碳的特点渗碳的特点 生产效率高、质量易生产效率高、质量易 控制、可实现生产自控制、可实现生产自 动化。工业生产应用动化。工业生产应用 极为广泛。极为广泛。 6 6加工工艺路线加工工艺路线 锻造锻造 正火正火 切削加工切削加工 渗碳渗碳 淬火淬火 低温回火低温回火 精磨。精磨。 经渗碳的机车从动齿轮经渗碳的机车从动齿轮l7. 渗碳后的

16、组织渗碳后的组织l 外层过共析层、中间共析层、心部是原始组织。外层过共析层、中间共析层、心部是原始组织。l 渗碳层深度确定：从表面到含碳量为渗碳层深度确定：从表面到含碳量为0.4%c0.4%c处。测定处。测定l 时按时按50%F + 50%P 50%F + 50%P 量时确定。量时确定。l 退火态：退火态：20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 )8.8.渗碳热处理后的常见缺陷渗碳热处理后的常见缺陷n

17、渗碳件的质量检查项目渗碳件的质量检查项目 渗碳钢原材料检查、渗层质量检查（渗层深度、渗层碳浓渗碳钢原材料检查、渗层质量检查（渗层深度、渗层碳浓度、碳化物、残余奥氏体及马氏体级别等度、碳化物、残余奥氏体及马氏体级别等) )、渗碳件心部、渗碳件心部铁素体级别的评定、渗层和心部硬度的检查、渗碳件变形铁素体级别的评定、渗层和心部硬度的检查、渗碳件变形量的检查。量的检查。n渗碳件的常见缺陷渗碳件的常见缺陷 渗层厚度不合要求（太浅或太厚、渗层薄厚不均、过共析渗层厚度不合要求（太浅或太厚、渗层薄厚不均、过共析与共析层厚度过大或过小）、渗层组织不合要求（碳化物与共析层厚度过大或过小）、渗层组织不合要求（碳化物

18、过多呈大块状或网状分布、残余奥氏体量过多、内氧化、过多呈大块状或网状分布、残余奥氏体量过多、内氧化、脱碳、表层出现铁素体）、硬度超差（表层硬度偏低或不脱碳、表层出现铁素体）、硬度超差（表层硬度偏低或不均、心部硬度偏低或偏高）、变形过量。均、心部硬度偏低或偏高）、变形过量。l心部组织心部组织n真空渗碳法真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。热渗碳。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春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。出土于湖北江陵楚墓。 长长55.7厘

19、米，厘米， 剑锷锋芒犀剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。利，锋能割断头发。 二、氮化二、氮化 工件表面渗入氮原子，以提高硬度、耐磨性，工件表面渗入氮原子，以提高硬度、耐磨性， 疲劳强度和耐蚀性。疲劳强度和耐蚀性。 特点特点 ： 1.1.表面硬度高（可达表面硬度高（可达100010002000 Hv 2000 Hv 即即 69HRC69HRC以上以上 ） 2.2.高的热硬性（在高的热硬性（在550550600 600 时仍保持很高的硬度）时仍保持很高的硬度） 3.3.氮化温度低、工件变形极小。氮化温度低、工件变形极小。 4.4.氮化前调质处理、保证心部的强度。氮化后无须淬火氮化前调质处理、保证心部的强

20、度。氮化后无须淬火 5.5.工艺时间长且渗层薄（一般为工艺时间长且渗层薄（一般为0.3 0.3 0.5mm0.5mm）。）。l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。原因是氮化温度低，氮化后不需进行原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。热处理。 l耐蚀性好。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。因为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

21、，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。蚀件。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离子氮化的机车曲轴经离子氮化的机车曲轴 材料材料： 含含CrCr、 MoMo、 AlAl等合金元素等合金元素 的中碳合金钢。的中碳合金钢。 常用：常用：38CrMoAlA38CrMoAlA 应用应用： 广泛用于高速传动的精密齿轮；广泛用于高速传动的精密齿轮； 高精度机床主轴；以及要求变高精度机床主轴；以及要求变 形小且具有抗蚀能力的零件：阀

22、门。形小且具有抗蚀能力的零件：阀门。井式气体氮化炉井式气体氮化炉38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 红色区 : ( Fe4N ) ;蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。 38CrMoAl氮化层氮化层38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度l 氮化件加工工艺：氮化件加工工艺：l 锻造锻造 退火退火 粗加工粗加工 调质处理调质处理 半精加工半精加工 l 去应力退火去应力退火 粗磨粗磨 氮化氮化 精磨。精磨。l 目前现代工业生产中较多采用离子氮化（即在一定真空度下，目前现代工业生产中较多采用离子氮

23、化（即在一定真空度下，l 用工件和阳极之间产生的辉光放电现象进行的。所以也称为用工件和阳极之间产生的辉光放电现象进行的。所以也称为l 辉光辉光”离子氮化离子氮化）。）。l 其其特点特点：渗氮速度快、生产周期短，：渗氮速度快、生产周期短，38CrMoAlA38CrMoAlA为例：渗层要为例：渗层要l 求求0.5mm0.5mm，气体渗氮，气体渗氮50h 50h 以上，离子氮化以上，离子氮化151520h20h；l 对材料的适应性强：渗碳用钢、合金钢、铸铁都可以。对材料的适应性强：渗碳用钢、合金钢、铸铁都可以。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

24、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处理后是否处理后是否需要热处理需要热处理处理时处理时间间 ( h )处理温度处理温度( )名称名称需要需要39900950渗碳渗碳不需要不需要2050500600渗氮渗氮三三. 碳氮共渗碳氮共渗 同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学 热处理工艺，也称为氰化。热处理工艺，也称为氰化。 中温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗：（渗碳为主）（渗碳为主） 常

25、用温度：常用温度：820 860 时时 间：间： 根据要求根据要求2 8h 渗渗 层：层： 0.3 0.3 0.8 mm0.8 mm 材材 料料：低碳、中碳钢和中碳合金钢。低碳、中碳钢和中碳合金钢。 应用：应用：用于提高结构件（如：齿轮、蜗轮、蜗杆、轴类件）用于提高结构件（如：齿轮、蜗轮、蜗杆、轴类件） 的硬度、耐磨性和抗疲劳性。的硬度、耐磨性和抗疲劳性。 低温气体碳氮共渗低温气体碳氮共渗：（即：软氮化）：（即：软氮化） （渗氮为主）（渗氮为主） 常用温度：常用温度：560 570 时时 间：间：2 3h 渗渗 层：层：0.01 0.01 0.02 mm0.02 mm 材料材料：不限制钢种：碳

26、钢、合金钢、工具钢、不锈钢、铸铁：不限制钢种：碳钢、合金钢、工具钢、不锈钢、铸铁 应用：应用：目前目前软氮化由于软氮化由于渗层脆性小，不易剥落，已广泛应用渗层脆性小，不易剥落，已广泛应用 于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等 耐磨件的处理。但由于渗层较薄，仅有耐磨件的处理。但由于渗层较薄，仅有0.010.02mm， 不宜用于重载工作的工件。不宜用于重载工作的工件。在气体介质中对工件在气体介质中对工件同时渗入氮和碳，并同时渗入氮和碳，并以以渗氮为主渗氮为主的化学热的化学热处理工艺称为气体氮处理工艺称为气体氮碳共渗。碳共渗。与渗氮相比，与渗氮

27、相比，渗层硬度较低，脆性渗层硬度较低，脆性较小，故称软氮化。较小，故称软氮化。氮碳共渗温度氮碳共渗温度530570，应比回火温，应比回火温度低度低5 510 10 ，或与，或与之相同。之相同。渗剂：通氨滴醇、尿渗剂：通氨滴醇、尿素分解等。素分解等。井式渗碳炉井式渗碳炉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、化学变施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。化，以获得特殊表面性能的技术。电子束加工电