第05章材料表面改性技术XXXX1106

第五章材料表面改性技术表面淬火化学热处理其它新技术第一节：表面淬火一、定义:是一种不改变表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。二、工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。三、表面淬火用钢:选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。四、表面淬火加工的方法:

感应加热(高、中、工频)淬火、火焰加热淬火、电接触加热淬火、激光淬火等。1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:*

感应电流---涡流*

集肤效应*淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:δ=500/√f（mm）

感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图2)工艺要求:

*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。

*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。3)生产特点:

淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。2.火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法2)火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。3.激光表面淬火1）原理：高能量激光束（104-105W/cm2)快速加热材料表面（105-106℃/S),依靠自身传热迅速冷却（约104℃/S)淬火。2)特点：（1）加热速度快、温度高、时间短、冷速快；（2）硬度高（比普通淬火高5-20%）、硬化层浅(0.3-2.0mm);(3)局部处理，热影响区小，淬火变形、残余应力小；（4）操作灵活、方便，可对形状复杂零件进行处理，如沟槽、内孔等；第二节化学热处理一、定义:

将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，改变表层的化学成分和组织的热处理工艺。二、化学热处理的基本过程:2.吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散:活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。1.分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。2COCO2+〔C〕三、化学热处理进行的条件:1.渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。2.零件本身具有吸收渗入原子的能力,

即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。四、化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。1.钢的渗碳1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧

性能的零件。渗层要求（1）足够高%C，0.85-1.05；（2）合适的渗层深度，0.5-2.0mm；（3）渗层%C分布要平缓3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。

%C：0.1-0.25（保证心部足够的韧性）；合金元素：Cr，Mn（固溶强化，提高淬透性）；Mo,W,V,Ti,B（细化晶粒，防止回火脆性)4)方法:固体、气体、液体渗碳。固体渗碳法示意图零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱气体渗碳法示意图5)工艺:

加热温度为900～950℃;

渗碳时间一般为3～9小时;6)渗碳后的组织（缓冷）:1%CP+Fe3CⅡ0.2%CF+P少表面中心零件PP+F7)渗碳后的热处理工艺时间温度930℃850℃方案1方案2渗碳淬火加热预冷7)渗碳后的热处理工艺工件渗碳后必须进行淬火加低温回火处理才能使用。回火温度一般为160~180℃。而淬火方法有三种，如图5-50所示。①直接淬火法：是将工件自渗碳温度预冷到略高于心部A’1温度后直接淬火。这种方法工艺简单，效率高，成本低，工件脱碳和变形倾向小。但由于渗碳温度高，奥氏体晶粒粗大，淬火后残余奥氏体量较多，使工件性能下降。直接淬火法只适用于本质细晶粒钢或性能要求较低的零件。②一次淬火法：是指将工件渗碳缓冷后重新加热淬火的方法。对于心部性能要求较高的零件，淬火温度应略高于心部的Ac3以使其晶粒细化，并获得低碳马氏体组织。对于表层性能要求较高的零件，淬火温度应选用Ac1+30-50℃，以使表层晶粒细化。③二次淬火法：对于力学性能要求很高或本质粗晶粒钢工件，应采用二次淬火法。第一次淬火的目的是为了改善心部组织并消除表层网状渗碳体，淬火温度为心部Ac3+30~50℃。第二次淬火是为了细化表层组织，淬火温度为Ac1+30-50℃。这种方法的缺点是工艺复杂，成本高，效率低，工件变形和脱碳倾向大。上述三种淬火方法中，最常用的方法是将工件渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30~50℃淬火+低温回火。此时的组织，表层为高碳回火马氏体+颗粒状碳化物+少量残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体+铁素体（淬透时）。8)热处理后的组织低碳M回+FM回+Cm+A残低碳合金钢F+PM回+Fe3C+A残低碳钢心部组织表层组织钢种9)常用的钢种:

15、20、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。2.钢的渗氮1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。3)用钢:中碳合金钢。4)方法:气体渗氮，离子渗氮等。5)工艺:加热温度500～600℃;

保温时间0.3～0.5mm/20～50h。6)热处理特点:渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织

表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。

心部:S回。8)常用的钢种:

35CrMo、18CrNiW、

38CrMoAlA

(氮化王牌钢)等。渗碳与渗氮的工艺特点名称处理温度(℃)处理时间(h)处理后是否需要热处理渗碳900～9503～9需要渗氮500～60020～50不需要越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。长55.7厘米，剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。3.钢的碳氮共渗---氰化处理1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。3)方法:固体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗高温中温低温4)工艺:合金结构钢HRC53～60中温气体碳氮共渗800～8601～8以渗碳为主0.5～0.8mm淬火+低温回火合金工具钢HRC54～63低温气体碳氮共渗500～6001～6以渗氮为主0.1～0.4mm不需要材料性能名称温度(℃)时间(h)作用渗层热处理20CrMnTi钢碳氮共渗层组织1.针状M+残余A;2.混合M+残余A;3.板条M+针状M123表面热处理工艺的比较

表面淬火渗碳氮化碳氮共渗处理工艺表面加热淬火+低温回火渗碳+淬火+低温回火氮化碳氮共渗+淬火+低温回火生产周期很短，几秒到几分钟长，约3~9h很长，约20~50h短，约1~2h表层深度/mm0.5~70.5~20.3~0.50.2~0.5硬度/HRC58~63