热处理原理及工艺,教 师：徐家文 电 话：88036521（办） 15846503141 E-mail：,材料科学与工程学院,2,第7章 钢的表面热处理,3,什么是表面淬火？,将工件表面快速加热到淬火温度，迅速冷却后，使工件表面层获得淬火组织的热处理方法。,注意：表面热处理不改变钢的成分。,按加热方式,感应加热,火焰加热,电接触加热,电解液加热,1 表面淬火,激光加热,4,快速加热对相变有什么影响？,相变临界点Ac3、Accm升高 奥氏体晶粒度起始晶粒细小 奥氏体均匀化不均匀性增加 过冷奥氏体转变降低残余奥氏体的稳定性； 提高Ms；改变M形态，M板+M片 回火转变回火温度一般比普通回火低 低碳马氏体发生“自回火”,表面淬火后组织有什么变化？,淬硬区,过渡区,原始组织,表硬心韧,比普通淬火硬度提高23HRC,AC3以上,AC1 AC3,AC1以下,思考：表面是什么性质的残余应力？,5,表面淬火的加热比功率：102W/cm2,加热比功率（单位面积加热功率W/cm2 ）,6,、感应加热原理及特点 利用电磁感应现象，在工件表面产生密度很高感生电流，使工件表面几秒钟之内迅速被加热的一种淬火方法。,集肤效应感应电流在工件表层密度最大，而心部几乎为零的现象。,一、感应加热表面淬火,电流的频率越高，加热层就越薄，加热速度越快高频感应表面淬火。,交变磁场中产生感应电流（涡流）,7,通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度。,电流透入深度电流强度从表面向内部降低到最大涡流强度的36.8%时对应的距离称电流透入深度。,在20时：,800时：,8,邻近效应两个相邻的通过高频电流的金属导体，当电流方向相反时，导体内电沿相互邻近的内侧通过。,感应线圈为环状时，最大电流集中在感应器线圈内侧，有利于对圆柱形工件外表面加热， 不利于内孔表面加热。 因此加热内表面时需加导磁体改变感应线圈中电流的分布。,9,第一类 高频感应加热淬火 常用电流频率：801000kHz 淬硬层深度： 0.52.0mm 应用：适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等。 第二类 中频感应加热淬火 常用电流频率：25008000Hz 淬硬层深度： 210mm 应用：适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。 第三类 工频感应加热淬火 电流频率：50赫兹 淬硬层深度：可达1015mm 应用：适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮等的表面淬火。,2、感应加热表面淬火的分类,10,对于心部性能要求高的零件:调质处理; 对于心部性能要求低的零件:正火处理；,3、感应加热淬火工艺因素,AC3（150200），不保温，喷水冷却,预处理方法：,感应加热淬火适用于：中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB等。,淬火加热冷却：,150180，降应力。,低温回火：,预先热处理应严格控制表面脱碳,常规加热温度提高3050。,11,炉中回火 为保证感应淬火后表面保留较高残余压应力，回火温度比普通回火低，一般不超过200，回火时间12h。 自回火 通过控制冷却时间，使硬化区内层热量传导至硬化层，达到回火目的的方法。 感应加热回火 为降低过渡层拉应力，加热层深度比硬化层深（中频/工频）。感应回火加热时间短、碳化物弥散度大，耐磨性好，冲击韧性好。,感应淬火的回火方式,12,4、感应加热表面淬火的特点,奥氏体晶粒细，淬火后获得隐晶马氏体，工件表层硬度比普通淬火高2HRC3HRC，耐磨性有较大提高。 表层存在大的残余压应力，显著提高零件的弯曲、抗扭疲劳强度。 小尺寸零件可提高23 倍，大尺寸零件可提高20%30%。 加热速度快、热效率高达60%以上；清洗无污染，淬火后无氧化、脱碳现象，工件变形小，易于实现机械化与自动化。,13,45钢的曲轴感应加热淬火举例,调质淬火：淬火加高温回火 淬火加热温度810 830，回火加热温度560，获得索氏体组织（或回火马氏体+残余奥氏体+碳化物） 感应加热淬火：淬火加热温度830 870，喷水冷却,T/ ,Ac3,Ac1,距表面距离,HRC,M,M+ +Fe3C,S,淬硬层深度,14,二、火焰加热表面淬火,使用火焰燃烧器和冷却喷头实现对金属零件进行表面加热淬火的热处理工艺过程。,1、方法,燃烧气体：煤气、甲烷气、丙烷气、乙炔气、氢气等； 冷却介质：水、油、合成水溶液等。,15,（1）加热及冷却速度慢，工件内部储存较多的热量，硬化层、过渡层较深，不易淬裂，淬火硬度不高。 （2）适用于中碳钢（调质钢、工具钢、模具钢等）和铸铁零件表面淬火； （3）适用于大型零件单件小批生产 ，不适用于薄壁零件。,2、特点,火焰加热淬火是火焰加热温度很高（约3000以上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。,16,三、其它类型的表面淬火,1、电接触加热,（2）工艺特点 显著提高工件表面耐磨和抗擦伤能力；淬硬层薄，形成局部硬质点，属于局部表面淬火； 淬火后无须任何精加工，尺寸精度高，适用于精密加工后零件表面淬火。 （3）应用 机床导轨、工模具、汽缸套等。,（1）工艺介绍 利用触头和工件间的接触电阻在通以大电流时产生的电阻热，将工件表面迅速加热到淬火温度，当电极移开，借工件本身来加热部分的热传导来淬火冷却的热处理工艺称为电接触加热表面淬火。,17,2、激光热处理,（1）淬火原理 高能激光束照射到金属表面，使金属表面局部温度迅速上升到奥氏体相变温度（或熔化温度）以上，激光束移开后，靠工件未被加热部位自冷却的工艺过程，工件获得相变。,18,能量密度高，表面局部淬火，可进行局部表面合金化处理、自激冷却； 表面光亮，晶粒细小，激光处理层与基体为冶金结合，具有很高硬度和耐磨性能； 零件变形极小，加工柔性好，适用于深孔、内孔、盲孔和凹槽等； 可以在零件表面涂吸光涂层（如石墨、碳黑、磷化剂等），减少零件对激光反射，提高吸光率。,（2）激光表面淬火特点,19,3、电子束热处理,需在真空中进行 能量传输不如激光方便、可控性较差 X射线防护 转换效率高（90%） 无需表面黑化处理 设备较激光器便宜，因而具有一定竞争力,20,第6/7章 复习题（1）,1确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的与退火后的组织： （1）经冷轧后的钢板，要求降低硬度； （2）锻造过热的60钢锻坯； （3）具有片状渗碳体的T12钢坯。 2指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正火后的组织： (1) 20钢齿轮； (2) 45钢小轴；(3) T12钢锉刀 3 何谓钢的淬透性？何谓钢的淬硬性？影响淬透性的因素有哪些？影响淬硬性的因素有哪些？ 4何谓钢的淬火临界冷却速度？影响因素有哪些？它和钢的淬透性有何关系？,21,5试分析下列说法是否正确： （1）钢中合金元素的含量愈多，则淬火后硬度愈高； （2）同一钢材在相同加热条件下，水淬比油淬的淬透性好，小件比大件的淬透性好。 6指出10mm的45钢(退火态)经下列温度加热并水冷后获得的组织：700、760、840。(知Ac1724，Ac3780，D水冷20mm),22,8 现有60Si2Mn钢用作弹簧、40Cr钢用作轴（要求良好的综合机械性能）、T10钢用作工具，请分别针对这三个钢种回答： (1)淬火加热温度选择原则；(2)加热后的组织；淬火后的组织；(3)回火温度选择原则；(4)回火后的组织；,7 今有Cr15钢，制成轴承套，试述其预备热处理及最终热处理的名称、目的、工艺、获得的组织和性能。,23,表面淬火，钢材的合适含C量为0.40.5%。由于表层性能与心部性能矛盾“外硬内韧”，只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”，又兼顾了“内韧”，但“外硬”与“内韧”的水平都不高。,2 钢的化学热处理,要解决这一问题，可以采用化学热处理的方法。 化学热处理与物理热处理最大的区别是改变了钢的化学成分。,24,1、化学热处理作用,将零件置于一定介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的特殊性能的热处理工艺。, 提高工件表层的某些力学性能，如表层硬度、 耐磨性、疲劳极限等。 保护工件表面 ，提高工件表层的物理、化学性能，如耐高温、耐腐蚀等。,主要作用,一、化学热处理原理,25,2、化学热处理的分类,非金属： C、N、B、 C+ N等。 金属： Al、Cr、Ti、Nb、V等。,固体固体渗C、固体渗B等。液体盐溶渗B或B、C、N共渗等，渗Al等金属 气体气体渗C和C、N共渗。,渗入元素,介质状态,渗层强度及耐磨性渗C、N、B、Nb、V等。抗氧化、耐高温Al、Cr。抗啮合、抗擦伤渗S、N、磷化等。抗腐性能渗N、渗Si、渗Zn。,渗入元素性能作用,26,3、 化学热处理的必要条件,材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解度，或具有与活性原子形成化合物的能力。 渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散能力。,4 、化学热处理的基本过程,（1）分解阶段渗剂中的化学反应分解出 渗入元素的活性原子。 （2）吸收阶段活性原子被表面吸收的过程。 （3）扩散阶段渗入原子在金属基体内达到 一定浓度后从表面向内部扩散。,27,渗剂分解,提供被渗元素的物质是渗剂，促进渗剂分解的是催渗剂。,1）分解反应：气体渗碳、渗氮,2）置换反应：,3）还原反应：,物理催渗法,化学催渗法,活性原子,28,吸附过程,1）物理吸附：没有电子转移和化学键生成的吸附现象。温度升高时吸附量下降 2）化学吸附：发生电子交换，组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。这种吸附可以使分子解离。,吸附是物质在相界面上自动聚集的过程。 吸收是活性原子由表面进入晶格的过程。,钢的表面上存在大量的位错和晶界，为活性原子吸附和吸收提供通道。,29,扩散过程,纯扩散：渗入元素原子在母相金属中形成固溶体，在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。 反应扩散：通过扩散使固溶体溶质浓度超过固溶度极限而形成新相。,渗层深度与温度呈指数关系，因而温度对深度的影响，远比时间的影响强。,30,5 、渗层的组织结构与形成过程,渗入元素在基体中可无限互溶,纯扩散,单相固溶体,渗入元素在基体中溶解度有限,反应扩散,化合物,扩散层的组织结构可以根据基体金属与渗入元素的合金状态图及扩散条件来确定。,31,二 钢的渗碳,渗碳,渗碳目的：提高钢表层的含碳量，经热处理后，表层高硬度，高耐磨性，心部强度塑、韧性高。,将低碳钢置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表面形成富碳层的化学热处理工艺。,碳势：渗碳气氛与钢件表面达到动态平衡时钢表面的含碳量。,32,渗碳钢材：采用低碳钢，低碳合金钢 15、20；20Cr、20CrMnTi； 20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA,渗碳工艺的分类：按所用渗碳介质,气体渗碳：以富碳气体介质主剂的渗碳法。 固体渗碳：以木炭为主剂的渗碳法。 液体渗碳：以氰化钠（NaCN）为主剂。,气体渗碳应用最广泛。,33,1 渗碳原理, 炉气反应与碳势控制（分解）,与渗碳有关的主要反应：,将相关反应式联立可得：,34,反应平衡常数：,平衡常数只与温度有关：,因此，只要控制反应气氛中CO2、H2O、CH4或O2中的任何一个的含量，便可控制上述反应达到某个平衡，从而实现控制气氛碳势的目的。,35, 碳原子的吸收,工件表面应清洁，无外来阻挡，为此工件入炉前务必清理表面； 活性碳原子被吸收后，剩下的CO2、H2或H2O需及时被驱散，否则增碳反应无法继续进行下去，这就要求炉气有良好的循环； 控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰当配合，如供给碳原子的速度(分解速度)大于吸收的速度，工件上便会出现积碳，这会在一定程度上影响吸收速度。,要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必须满足以下条件：,36, 碳原子的扩散,Fick第一定律：,单位时间内碳的扩散流量取决于扩散系数