钢的热处理新表面化学

关于钢的热处理新表面化学一、感应加热表面淬火

1．原理:

交变磁场→感应电流→工件电阻

→加热，集肤效应→表面加热

→快速冷却第2页,共53页，2024年2月25日，星期天第3页,共53页，2024年2月25日，星期天感应淬火频率的选用电流频率越高，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。根据零件表面有效淬硬层深度选择合适的频率，分高频、中频和工频。

感应加热的工艺参数根据组织性能的要求，需控制其加热温度、加热速度和淬硬层深度，而这三个热参数有需通过控制设备的电参数（电流频率、单位表面功率）和加热时间来保证。第4页,共53页，2024年2月25日，星期天2．分类

——高频、

中频

、

工频

等。

第5页,共53页，2024年2月25日，星期天感应加热分为：①高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图第6页,共53页，2024年2月25日，星期天②中频感应加热频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm。各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴第7页,共53页，2024年2月25日，星期天③工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度10-15mm各种感应器感应穿透加热第8页,共53页，2024年2月25日，星期天3．特点

●加热速度快：几秒～几十秒。●加热时实际晶粒度小，淬火得到极细马氏体，硬度↑脆性↓●加热层深度易控制，可实现自动化批量生产。●不易氧化、脱碳、变形小。●工艺易控制，但设备成本高。

第9页,共53页，2024年2月25日，星期天第10页,共53页，2024年2月25日，星期天汽车曲轴第11页,共53页，2024年2月25日，星期天4．工艺路线

（用料

0.4-0.5%c的中碳钢、中碳低合金钢,

如：45、40Cr等）●锻造→退火或正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火→低温回火（→粗磨→时效→精磨）

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匀分布的石墨；钢件应预先进行正火或调质处理。第12页,共53页，2024年2月25日，星期天二、火焰加热

火焰加热淬火是利用氧—乙炔或煤气—氧等）火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却。淬硬层深度一般为2～6mm。第13页,共53页，2024年2月25日，星期天

火焰淬火特点优点：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，淬火质量不稳定。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、大型轴类等）的表面淬火。第14页,共53页，2024年2月25日，星期天火焰加热:利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。激光热处理:利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。火焰加热表面淬火示意图激光表面热处理火焰加热表面淬火第15页,共53页，2024年2月25日，星期天激光表面淬火利用高能量密度（104～108W/cm2）的激光对工件表面进行加热的方法。激光加热时，因其过程极短，无需考虑大气介质的影响，没有氧化脱碳现象，淬火表面光亮洁净；又由于加热层是靠自急冷淬火，无需特殊的冷却设备；加热快、区域小，因而工件的变形极小。激光加热导光系统原理示意图第16页,共53页，2024年2月25日，星期天1.工艺参数：光斑尺寸、扫描速度、激光功率等。2.激光淬火淬硬深度0.3～0.5mm，硬度比普通淬火硬度高

15%～20%。3.激光淬火后，表面具有4000MPa的残余压应力，有利于疲劳强度提高。4.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。5.激光淬火前，需对淬火表面进行黑化处理，即在被加热的表面涂一层吸光涂层，以提高激光的吸收率。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。激光表面淬火的特点：第17页,共53页，2024年2月25日，星期天§5-8钢的化学热处理●化学热处理

——将工件置于特定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，从而通过改变表层的化学成分和组织来改变其性能。

●分类

——渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等。

第18页,共53页，2024年2月25日，星期天一、钢的渗碳

（包括：气体、固体渗碳）●渗碳

——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。

●目的

——提高表面硬度，耐磨性，心部保持一定的强度和良好的塑韧性。如齿轮、轴类、链条、套筒、活塞销。第19页,共53页，2024年2月25日，星期天1．渗碳工艺

●钢种——0.1-0.25%c的低碳钢和低碳合金钢。如：15、20、20Cr、20CrMnTi、

20CrMnMo、18CrMnTi。●加热温度——Ac3

以上，一般为900～950℃。●加热时间——根据所需渗层厚度决定。（一般经现场试验测定）渗层厚度（Dp）：轴类：Dp=(0.1～0.2)R

齿轮：Dp=(0.1～0.2)m

薄片：Dp=(0.1～0.2)t(R、m、t分别代表轴半径、齿轮模数、零件厚度）

第20页,共53页，2024年2月25日，星期天常用钢号及用途低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。柴油机凸轮轴20Cr活塞销第21页,共53页，2024年2月25日，星期天中淬透性钢：20CrMnTi

用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA

用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。增压柴油机曲轴汽车变速箱齿轮第22页,共53页，2024年2月25日，星期天

固体渗碳法示意图零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱2.渗碳方法：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。第23页,共53页，2024年2月25日，星期天

气体渗碳法示意图第24页,共53页，2024年2月25日，星期天可控气氛渗碳炉渗碳炉第25页,共53页，2024年2月25日，星期天3.渗碳件的技术条件：

●渗碳层的表面含碳量最好在0.85-1.05%c◆含碳量太低：得不到高碳马氏体，硬度低、耐磨性差。◆含碳量太高：渗碳层会出现大量块状或网状渗碳体，渗层变脆，易剥落。第26页,共53页，2024年2月25日，星期天4．渗碳后的淬火

●直接淬火——奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变形大。(如：图a、图b)

◆只适用于细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。●一次淬火——加热温度Ac3以上（心部性能好）或Ac1以上（表面性能好）●二次淬火

——Ac3以上（改善心部性能）+Ac1以上（改善表面性能）第27页,共53页，2024年2月25日，星期天第28页,共53页，2024年2月25日，星期天5.渗碳的特点

生产效率高、质量易控制、可实现生产自动化。工业生产应用极为广泛。

6．加工工艺路线

●锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火→低温回火→精磨。

经渗碳的机车从动齿轮第29页,共53页，2024年2月25日，星期天7.渗碳后的组织

●

外层过共析层、中间共析层、心部是原始组织。●渗碳层深度确定：从表面到含碳量为0.4%c处。测定时按50%F+50%P量时确定。退火态：第30页,共53页，2024年2月25日，星期天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+珠光体第31页,共53页，2024年2月25日，星期天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)第32页,共53页，2024年2月25日，星期天8.渗碳热处理后的常见缺陷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、渗层碳浓度、碳化物、残余奥氏体及马氏体级别等)、渗碳件心部铁素体级别的评定、渗层和心部硬度的检查、渗碳件变形量的检查。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、过共析与共析层厚度过大或过小）、渗层组织不合要求（碳化物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（表层硬度偏低或不均、心部硬度偏低或偏高）、变形过量。第33页,共53页，2024年2月25日，星期天心部组织第34页,共53页，2024年2月25日，星期天真空渗碳法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。优点：表面质量好,渗碳速度快。真空渗碳炉第35页,共53页，2024年2月25日，星期天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。第36页,共53页，2024年2月25日，星期天二、氮化

——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。

●特点

：

1.表面硬度高（可达1000～2000Hv即69HRC以上）

2.高的热硬性（在550～600℃时仍保持很高的硬度）

3.氮化温度低、工件变形极小。

4.氮化前调质处理、保证心部的强度。氮化后无须淬火

5.工艺时间长且渗层薄（一般为0.3～0.5mm）。第37页,共53页，2024年2月25日，星期天氮化的特点及应用氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度第38页,共53页，2024年2月25日，星期天工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。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。

缝纫机用氮化件经离子氮化的机车曲轴第39页,共53页，2024年2月25日，星期天●材料：

含Cr、Mo、Al等合金元素的中碳合金钢。常用：38CrMoAlA●应用：

广泛用于高速传动的精密齿轮；高精度机床主轴；以及要求变形小且具有抗蚀能力的零件：阀门。井式气体氮化炉第40页,共53页，2024年2月25日，星期天38CrMoAl气体渗氮层组织(化染)650

黄色区:ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N);红色区:γ’(Fe4N);蓝绿色区:含氮索氏体+脉状氮化物;

绿黄色区:索氏体基体。第41页,共53页，2024年2月25日，星期天

38CrMoAl氮化层38CrMoAl氮化层硬度第42页,共53页，2024年2月25日，星期天●氮化件加工工艺：

锻造→退火→粗加工→调质处理→半精加工→去应力退火→粗磨→氮化→精磨。●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，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

辉光”离子氮化）。其特点：渗氮速度快、生产周期短，38CrMoAlA为例：渗层要求0.5mm，气体渗氮50h以上，离子氮化15～20h；对材料的适应性强：渗碳用钢、合金钢、铸铁都可以。第43页,共53页，2024年2月25日，星期天气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。离子氮化炉第44页,共53页，2024年2月25日，星期天

渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否需要热处理处理时间(h)处理温度(℃)名称需要3～9900～950渗碳不需要20～50500～600渗氮第45页,共53页，2024年2月25日，星期天三.碳氮共渗

——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。●

中温气体碳氮共渗：（渗碳为主）常用温度：820～

860℃

时间：根据要求2～

8h

渗层：0.3～0.8mm◆

材料：低碳、中碳钢和中碳合金钢。

◆应用：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。第46页,共53页，2024年2月25日，星期天●

低温气体碳氮共渗：（即：软氮化）（渗氮为主）常用温度：560～

570℃

时间：2～

3h

渗层：0.01～0.02mm◆

材料：不限制钢种：碳钢、合金钢、工具钢、不锈钢、铸铁◆应用：目前软氮化由于渗层脆性小，不易剥落，已广泛应用于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等耐磨件的处理。但由于渗层较薄，仅有0.01~0.02mm，不宜用于重载工作的工件。第47页,共53页，2024年2月25日，星期天在气体介质中对工件同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺称为气体氮碳共渗。与渗氮相比，