表面热处理与化学热处理.

1、表面工程表面工程第三章第三章 表面热处理及化学热处理表面热处理及化学热处理3.1 3.1 表面热处理表面热处理3.2 3.2 化学热处理化学热处理2022-7-63/483.1 表面热处理表面热处理l定义：定义：仅对钢的表面加热、冷却而不仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺。改变其成分的热处理工艺。2022-7-64/483.1.1 表面淬火技术的原理和特点表面淬火技术的原理和特点n一、表面淬火技术的一、表面淬火技术的定义与分类定义与分类n（1）定义：采用特定热源将钢铁材料表面快速）定义：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到加热到Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）

2、之（过共析钢）之上，快速冷却，发生马氏体相变，形成表面强化上，快速冷却，发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺，称层的工艺，称表面淬火技术表面淬火技术。n（2）分类：根据热源不同，可分为：）分类：根据热源不同，可分为：感应加热感应加热火焰加热火焰加热激光加热激光加热 电子束加热电子束加热2022-7-65/48n（3）适用范围）适用范围1.碳含量在碳含量在0.35%1.20%的中、高碳钢；的中、高碳钢；2.基体相当于中碳钢的普通灰铁、球铁、可锻铸基体相当于中碳钢的普通灰铁、球铁、可锻铸铁、合金铸铁；铁、合金铸铁；3.中碳钢与球铁最适合。中碳钢与球铁最适合。2022-7-66/48中碳钢最适合表面

3、淬火的原因中碳钢最适合表面淬火的原因n中碳钢经预先热处理（正火或调质）后进中碳钢经预先热处理（正火或调质）后进行表面淬火，不但心部有较高综合力学性行表面淬火，不但心部有较高综合力学性能，且表面有较高硬度和耐磨性；能，且表面有较高硬度和耐磨性；n高碳钢表面淬火后，表面硬度和耐磨性虽高碳钢表面淬火后，表面硬度和耐磨性虽高，但心部塑性与韧性较低；高，但心部塑性与韧性较低；n低碳钢表面强化效果不显著。低碳钢表面强化效果不显著。2022-7-67/48二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别1.加热速度高，钢的相变点温度大幅度提高；加热速度高，钢的相变点温度大幅度提高；2

4、.快速加热，奥氏体晶粒及亚结构显著细化；快速加热，奥氏体晶粒及亚结构显著细化；3.加热速度很高时，钢产生无扩散奥氏体相变；加热速度很高时，钢产生无扩散奥氏体相变；4.冷却速度比整体淬火快，硬度比普通淬火高；冷却速度比整体淬火快，硬度比普通淬火高；5.热源能量密度越高，加热速度越快，硬度越高。热源能量密度越高，加热速度越快，硬度越高。6.快速加热，渗碳体难以充分溶解，奥氏体成分不快速加热，渗碳体难以充分溶解，奥氏体成分不均匀，显微硬度不均匀；均匀，显微硬度不均匀；7.常需预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、常需预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、细小分布。细小分布。2022-7-68/48三

5、、表面淬火层的组织与性能三、表面淬火层的组织与性能n1、组织、组织n沿试样横截面分三个区：淬硬区、过渡区、心沿试样横截面分三个区：淬硬区、过渡区、心部部（1）淬硬区：全部马氏体）淬硬区：全部马氏体（2）过渡区：马氏体）过渡区：马氏体+自由铁素体自由铁素体（3）心部：原始组织）心部：原始组织2022-7-69/48n2、表面淬火层的性能、表面淬火层的性能n硬度比普通淬火工艺高硬度比普通淬火工艺高2-5HRC；n耐磨性比普通淬火好；耐磨性比普通淬火好；n提高轴类零件的疲劳强度；提高轴类零件的疲劳强度；n缺口敏感性下降。缺口敏感性下降。2022-7-610/48（1 1）原理：）原理：工件放在有工件

6、放在有足够功律的输出的感应线足够功律的输出的感应线圈中，在圈中，在高频交流磁场高频交流磁场作作用下，产生很大用下，产生很大感应电流感应电流，由于由于集肤效应集肤效应而集中分布而集中分布于工件表面，使受热区于工件表面，使受热区迅迅速加热速加热到钢的相变临界温到钢的相变临界温度之上，然后在冷却介质度之上，然后在冷却介质中中快速冷却快速冷却，使工件表层，使工件表层获得马氏体。获得马氏体。 3.1.1 感应加热表面热处理感应加热表面热处理2022-7-611/48高频高频(200300KHz), =0.52mm 中频中频(25008000Hz), =25mm工频工频(50Hz), =1015mmf50

7、0碳钢：碳钢：钢中电流透入深度钢中电流透入深度 的计算简化公式：的计算简化公式：式中，式中，f为电流频率。为电流频率。2022-7-612/48 过热度大过热度大 细小隐晶细小隐晶M组织，高组织，高23HRC 表层存在很大的残余压应力表层存在很大的残余压应力 无氧化、脱碳，工件变形很小无氧化、脱碳，工件变形很小 易于实现机械化与自动化易于实现机械化与自动化(2) (2) 适用的钢种适用的钢种中碳钢和中碳低合金钢，例：中碳钢和中碳低合金钢，例：4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB先正火或调质先正火或调质心部综合性能好，表面硬（心部综合性能好，表面硬（50HRC50HRC）(3)(3)

8、特点特点最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，称为隐最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，称为隐晶马氏体。晶马氏体。2022-7-613/48缺点：缺点： 设备较贵；设备较贵；易产生尖角效应易产生尖角效应尖角棱边过热；尖角棱边过热；形状复杂零件处理困难。形状复杂零件处理困难。2022-7-614/48感应加热表面淬火实物及示意图感应加热表面淬火实物及示意图2022-7-615/483.1.2 火焰加热表面热处理火焰加热表面热处理火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图原理：将高温火焰或燃烧着的炽热气体原理：将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温喷向工件表

9、面，使其迅速加热到淬火温度，然后在淬火介质中冷却。度，然后在淬火介质中冷却。2022-7-616/48l优点：优点： 设备简单，成本低，方法灵活，简便易行。设备简单，成本低，方法灵活，简便易行。l缺点：缺点： 生产率低，易过热，质量难控制，不均匀。生产率低，易过热，质量难控制，不均匀。l应用：应用： 适于单件、小批量及大型零件适于单件、小批量及大型零件局部表面淬火。局部表面淬火。 燃料：燃料：乙炔乙炔-氧氧或煤气或煤气-氧氧2022-7-617/48激光器激光器冷水机组冷水机组数控加工数控加工机床机床总控制台总控制台3.1.3 激光表面热处理激光表面热处理激光加工系统设备组成激光加工系统设备组

10、成2022-7-618/48(1)定义：定义：激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧升温激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧升温到相变点以上，激光移开后，高温薄层在基底冷却下，到相变点以上，激光移开后，高温薄层在基底冷却下，进行进行自冷淬火自冷淬火，从而产生相变硬化。，从而产生相变硬化。 2022-7-619/48（2）影响淬硬层的主要因素）影响淬硬层的主要因素n材料成分：淬硬性和淬透性材料成分：淬硬性和淬透性深度、硬度。深度、硬度。 如：钢如：钢含碳量增加含碳量增加马氏体含量增加马氏体含量增加硬度高。硬度高。n工艺参数：工艺参数： 淬火层宽度淬火层宽度光斑直径光斑直径D 淬硬层深度淬硬层深度功率功

11、率P、光斑直径、光斑直径D 、扫描速度、扫描速度Vn表面预处理状态：表面预处理状态： a、表面组织准备、表面组织准备细化细化 b、表面黑化处理、表面黑化处理通过对激光的吸收率通过对激光的吸收率 2022-7-620/48 生产率高生产率高 变形很小，局部表面变形很小，局部表面 过热度大过热度大(50200)，硬度高，硬度高 无介质、无污染无介质、无污染 不接触、光能照到就能淬火不接触、光能照到就能淬火 易于自动化易于自动化（3 3）特点：）特点：2022-7-621/482022-7-622/482022-7-623/48碳钢：碳钢：2020、3535、4040、4545、T10T10、T12

12、T12合金结构钢：合金结构钢：40Cr40Cr、30CrMnSiA30CrMnSiA、 40CrNiMoA40CrNiMoA、38CrNi3MoV38CrNi3MoV合金工具钢合金工具钢：GCr15GCr15、9SiCr9SiCr，9CrWMn9CrWMn、CrWMnCrWMn，4Cr5MoV1Si4Cr5MoV1Si、 W302W302， W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2、 W18Cr4VW18Cr4V、 M42M42、W9Mo3Cr4VW9Mo3Cr4V、R18R18、R6M5K5R6M5K5不锈钢：不锈钢：2Cr132Cr13铸铁：铸铁：HT200HT200、HT300HT300

13、、QT400-17QT400-17、QT600-2QT600-2硬质合金：硬质合金：YG8YG8、YG20YG20钛合金：钛合金：TC4TC4，铝合金：，铝合金：激光相变硬化已研究的材料激光相变硬化已研究的材料2022-7-624/48火车缸套火车缸套轧辊轧辊（4）激光相变硬化应用）激光相变硬化应用2022-7-625/48柴油机缸套淬火柴油机缸套淬火激光相变硬化应用激光相变硬化应用2022-7-626/48 抽油泵筒抽油泵筒激光相变硬化应用激光相变硬化应用2022-7-627/48激光硬化区的表面形貌激光硬化区的表面形貌2022-7-628/48激光硬化区的横截面及深度激光硬化区的横截面及深

14、度2022-7-629/48激光相变区的金相组织激光相变区的金相组织2022-7-630/48硬化层的重叠硬化层的重叠2022-7-631/48搭接区的金相组织搭接区的金相组织2022-7-632/48（1 1）定义定义：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子使介质中的一种或几种元素原子渗入渗入工件表面，以改变工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝（2 2）目的：）目的：提高耐磨性、耐蚀性、抗氧化性以及疲劳强度等。提高

15、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性以及疲劳强度等。渗层的组织类型：固溶体、化合物渗层的组织类型：固溶体、化合物3.2 化学热处理化学热处理2022-7-633/48（4 4）三个基本过程）三个基本过程介质的分解：形成活性原子；介质的分解：形成活性原子；表面吸收和溶解：形成固溶体或化合物；表面吸收和溶解：形成固溶体或化合物；原子扩散：形成一定的扩散层。原子扩散：形成一定的扩散层。（3 3）方法）方法气体法：应用最广气体法：应用最广液体法：熔融液体，热浸锌液体法：熔融液体，热浸锌固体法：粉末、膏剂，渗硼固体法：粉末、膏剂，渗硼等离子法：低真空中辉光放电产生的离子轰击表面等离子法：低真空中辉光放电产生的离子轰

16、击表面2022-7-634/48（1 1）渗碳：）渗碳：活性碳原子活性碳原子C C渗入钢的表层。渗入钢的表层。（2 2）目的：）目的：增加表面增加表面C C含量，淬火低温回火，含量，淬火低温回火，表面硬，心部韧表面硬，心部韧 （3 3）渗碳方法：）渗碳方法： 气体气体、固体固体和和液体渗碳液体渗碳（4 4）适合的钢种：）适合的钢种：低碳钢低碳钢和和低碳合金钢低碳合金钢，如，如2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等等3.2.1 渗碳渗碳2022-7-635/48（5 5）工艺：）工艺： 900950，1h, 0.5mm； 4h, 1mm渗碳层厚度：从表面到过渡层的一半处，

17、渗碳层厚度：从表面到过渡层的一半处，0.52.5mm（6 6）热处理：）热处理：淬火淬火（直接、一次和二次）（直接、一次和二次）低温回火低温回火（7）组织与性能）组织与性能:表层：高碳回火表层：高碳回火M碳化物碳化物A心部：低碳回火心部：低碳回火M或或F、T性能：表面硬度高，性能：表面硬度高，58HRC64HRC；耐磨性好；心部；耐磨性好；心部 韧性好，硬度较低，疲劳强度高、表面压应力韧性好，硬度较低，疲劳强度高、表面压应力2022-7-636/48问题：缓冷组织？问题：缓冷组织？P+碳化物、碳化物、P、P+F，原始组织。，原始组织。渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图 2022-7-63

18、7/48气体渗碳炉气体渗碳炉2022-7-638/48低碳钢缓冷后的显微组织低碳钢缓冷后的显微组织2022-7-639/482022-7-640/48（3 3）工艺：）工艺：气体渗氮气体渗氮 2NH2NH3 33H3H2 2+2N 200+2N 200以上以上3.2.2 渗氮渗氮（1 1）氮化：）氮化：在一定温度下使在一定温度下使活性氮原子活性氮原子N N渗入工件表面。渗入工件表面。（2 2）目的：）目的：提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等2022-7-641/48（4）特点：）特点： 氮化温度低氮化温度低 500600 时间长时间

19、长 2050h，厚度，厚度 0.30.5mm 催化剂（苯、苯胺、氯化胺等）催化剂（苯、苯胺、氯化胺等）0.33倍倍 氮化前钢件须氮化前钢件须调质处理调质处理（5）组织）组织表层为白色表层为白色（Fe2N）或）或（Fe4N）相）相中间为暗黑色含氮共析体（中间为暗黑色含氮共析体（+）心部为回火心部为回火S2022-7-642/48Fe-N相图相图 2022-7-643/4838CrMoAl钢氮化工艺曲线图钢氮化工艺曲线图 2022-7-644/48（6 6）性能：）性能：硬度高硬度高（1000HV1100HV），），很高的耐磨性和热硬性很高的耐磨性和热硬性表面压应力，表面压应力，疲劳强度疲劳强度温度低，零件变形小温度低，零件变形小耐蚀性好耐蚀性好（7 7）氮化用钢：）氮化用钢：35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等等2022-7-645/483.2.3 碳氮共渗碳氮共渗同时渗入碳氮同时渗入碳氮氰化氰化（1 1）工艺）工艺（高温气体碳氮共渗工艺）（高温气体碳氮共渗工艺）煤油煤油+氨气氨气温度：温度