4-4 钢的表面热处理钢的表面热处理 在机械设备中，有许多零件是在冲击载荷、扭转载荷及摩擦条件下工作的，如汽车变速齿轮及传动齿轮轴等。它们要求表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部要具有足够的塑性和韧性。这些要求如果仅从选材方面去解决是十分困难的，若用高碳钢，硬度高，但心部韧性不足，相反，若用低碳钢，心部韧性好，但表面硬度低，不耐磨。目的目的： 生产中常常采用表面热处理的方法，以达到强化工件表面的目的。应用应用：1.某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如主轴、齿轮、曲轴等， 2.某些工作表面要承受较高的应力，要求工件的这些表面层具有高的硬度、耐磨性及疲劳强度，而工件的心部要求具有足够的塑性和韧性。一、一、 钢的表面淬火钢的表面淬火定义定义：将工件的表层迅速加热到淬火温度进行淬火的工艺方法称为表面淬火。性能性能：工件经表面淬火后，表层得到马氏体组织，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍为淬火前的组织，具有足够的强度和韧性。分类：分类：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火 1火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火定义：定义：火焰加热表面淬火是采用氧-乙炔(或其它可燃气体)火焰，喷射在工件的表面上，使其快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和有效淬硬层深度的一种表面淬火方法 。应用：应用： 中碳钢（如35、40、45钢等）和中碳低合金钢（如40Cr、45Cr等）。 还可用于对铸铁件（如灰铸铁、合金铸铁等）进行表面淬火。适用于单件或小批量生产的大型工件，以及需要局部淬火的工具或工件，如大型轴类、大模数齿轮、锤子等。2感应加热表面淬火感应加热表面淬火定义：利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面迅速加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。 （1）感应加热表面淬火的基本原理 工件放入用空心紫铜管绕成的感应器内，给感应器通入一定频率的交流电，周围便存在同频率的交变磁场，于是在工件内部产生同频率的感应电流(涡流)。 由于感应电流的集肤效应(电流集中分布在工件表面)和热效应，使工件表层迅速加热到淬火温度，而心部则仍处于相变点温度以下，随即快速冷却，从而达到表面淬火的目的。 分类及应用分类及应用：高频感应加热、中频感应加热和工频感应加热 高频感应加热表面淬火：常用频率为200300kHz，淬硬层深度为0.52.0mm 适用：适用：中、小模数的齿轮及中、小尺寸的轴类零件的表面淬火中频感应加热表面淬火:常用频率为25008000Hz，淬硬层深度为210mm。适用：较大尺寸的轴类零件和大模数齿轮的表面淬火；工频感应加热表面淬火:电流频率为50Hz，淬硬层深度为1020mm。 适用：较大直径 机械零件的表面淬火，如轧辊、火车车轮等。（2）感应加热表面淬火的特点与应用 优点： 与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火加热速度快，加热时间短；淬火质量好，淬火后晶粒细小，表面硬度比普通淬火高，淬硬层深度易于控制；劳动条件好，生产率高，适于大批量生产。缺点：感应加热设备较昂贵，调整、维修比较困难，对于形状复杂的机械零件，其感应圈不易制造，且不适合于单件生产。应用：碳的质量分数为0.4%0.5%的碳素钢与合金钢 ，如45钢、40Cr等。也可以用于高碳工具钢、低合金工具钢以及铸铁等材料。 3激光加热表面淬火激光加热表面淬火方法：方法：激光加热表面淬火是将激光束照射到工件表面上，在激光束能量的作用下，使工件表面迅速加热到奥氏体化状态，当激光束移开后，由于基体金属的大量吸热而使工件表面获得急速冷却，以实现工件表面自冷淬火自冷淬火的工艺方法。特点特点：激光是一种高能量密度的光源，能有效地改善材料表面的性能。激光能量集中，加热点准确，热影响区小，热应力小；热应力小；应用：应用：可对工件表面进行选择性处理，能量利用率高，尤其适合于大尺寸工件的局部表面加热淬火局部表面加热淬火；可对形状复杂或深沟、孔槽的侧面等进行表面淬火，尤其适合于细长件或薄壁件的表面处理0.20.8mm。二、钢的化学热处理二、钢的化学热处理定义：定义：化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。方法分类：方法分类：渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗金属等。 三个基本过程三个基本过程 （1）分解 化学介质在一定的温度下发生分解，产生能够渗入工件表面的活性原子。（2）吸收 吸收就是活性原子进入工件表面溶于铁形成固溶体或形成化合物。 （3）扩散 渗入的活性原子由表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散层。1钢的渗碳钢的渗碳定义定义：渗碳是为了增加钢件表层的含碳量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳目的渗碳目的：提高工件表面的碳成分，以便热处理淬火后获得硬度、耐磨性及疲劳强度，并使其心部保持良好的塑性和韧性。（1）渗碳用钢 为0.1%0.25%的低碳钢和低碳合金钢。（2）渗碳方法 分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。 气体渗碳：气体渗碳： 工件在气体渗碳介质中进行渗碳的工艺。 加热温度： 900950设备： 密封的渗碳炉内，温度测控设备渗碳剂：渗碳剂：滴入煤油、丙酮或甲醇。机理：渗碳剂在高温下分解，产生的活性碳原子渗入工件表面并向内部扩散（每小时0.100.15mm）形成渗碳层固体渗碳方法：固体渗碳方法： 把工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好后，送入炉中加热到900950，保温一定的时间后出炉，零件便获得了一定厚度的渗碳层。固体渗碳剂固体渗碳剂：由一定粒度的木炭和少量的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）混合组成。木炭提供渗碳所需要的活性碳原子，碳酸盐只起催化作用。 （3）渗碳后的组织 成分：工件经渗碳后，含碳量从表面到心部逐步减少，表面碳的质量分数可达0.80%1.05%，而心部仍为原来的低碳成分。组织：若工件渗碳后缓慢冷却，从表面到心部的组织为珠光体+网状二次渗碳体、珠光体、珠光体+铁素体 （4）渗碳后的热处理 工件渗碳后的热处理工艺通常为淬火及低温回火。 热处理后的组织： 表层组织表层组织为回火马氏体和细粒状碳化物，表面硬度可高达5864HRC； 心部组织心部组织 常为为低碳马氏体或珠光体+铁素体组织，硬度较低， 2钢的渗氮钢的渗氮定义：定义：渗氮也称氮化，是在一定温度下 使活性氮原子渗入工件表面（得AlN、CrN、MoN、VN、TiN）的化学热处理工艺。渗氮的目的：提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度和耐蚀性。（1）渗氮用钢 对于以提高耐蚀性为主的渗氮，可选用优质碳素结构钢，如20、30、40钢等；对于以提高疲劳强度为主的渗氮，可选用一般合金结构钢，如40Cr、42CrMo等；对于以提高耐磨性为主的渗氮，一般选用渗氮专用钢38CrMoAlA。（2）渗氮方法 常用的渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮等 气体渗氮：在专门的氮化炉中进行，是利用氨在500600的温度下分解，产生活性氮原子，分解反应如下： 2NH33H2+2N分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向内层扩散，形成一定深度的渗氮层。 （3）渗氮的特点与应用 特点： 渗氮后工件无需淬火便具有高的硬度、耐磨性和热硬性，良好的抗蚀性和高的疲劳强度，渗氮温度低，工件的变形小。缺点：渗氮的生产周期长。一般要得到0.30.5mm的渗氮层，气体渗氮时间约需3050小时，成本较高；渗氮层薄而脆，不能承受冲击。应用：要求表面高硬度，耐磨、耐蚀、耐高温的精密零件，如精密机床主轴、丝杆、镗杆、阀门等。3钢的碳氮共渗与氮碳共渗钢的碳氮共渗与氮碳共渗1）碳氮共渗）碳氮共渗定义：定义：碳氮共渗(nitrocarburizing)是在一定温度下同时将碳、氮渗入工件表层奥氏体中并以渗碳为主的化学热处理工艺。分类分类：碳氮共渗有气体碳氮共渗和液体碳氮共渗两种，目前常用的是气体碳氮共渗。工艺：气体碳氮共渗工艺与渗碳基本相似，常用渗剂为煤油+氮气等，加热温度为820860。2）氮碳共渗氮碳共渗定义定义：氮碳共渗即低温碳氮共渗，是使工件表层渗入氮和碳并以渗氮为主的化学热处理工艺。工艺：工艺：它所用渗剂为尿素，加热温度为560570，时间仅为14小时。与一般渗氮相比，渗层硬度较低，脆性小，故也称为软氮化。应用：氮碳共渗不仅适用于碳钢和合金钢，也可用于铸铁，常用于模具、高速钢刃具以及轴类零件。