1、第十六讲第十六讲 钢的表面热处理钢的表面热处理心心部：硬度低，部：硬度低，韧性高韧性高在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。而心部要求有较好的塑性和韧性。表面：硬度高，耐磨表面：硬度高，耐磨问题的提出问题的提出表面和心部性能要求不同的零件实例表面和心部性能要求不同的零件实例 在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。都有不能满足其要求。
2、低碳钢低碳钢 ：可满足心部要求，：可满足心部要求，表面要求不能满足；表面要求不能满足；高碳钢：高碳钢：可满足表面要求，可满足表面要求，心部要求不能满足；心部要求不能满足；解决这一问题的方法是表解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理面热处理和化学热处理 仅对钢的表面加热、冷却仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理理工艺称为表面热处理,也叫表面淬火。也叫表面淬火。化学热处理是将钢件置于一定化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，面，改变其化学成
3、分和组织，达到改进表面性能，满足技达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。术要求的热处理过程。让我们来学习钢让我们来学习钢的表面热处理吧。的表面热处理吧。一、钢的表面淬火一、钢的表面淬火按照实现方式，表面淬火可分为：按照实现方式，表面淬火可分为：感应加热表面淬火感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 1 1、感应加热表面淬火、感应加热表面淬火原理原理分类分类应用应用特点特点1)1)、感应加热表面淬火原理、感应加热表面淬火原理感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场一与电流相同频率的交变磁
4、场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行液喷射淬火，淬火后进行180-200180-200低温回火，以低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。降低淬
5、火应力，并保持高硬度和高耐磨性。感感应应加加热热表表面面淬淬火火示示意意图图原理图原理图实物模型实物模型2)2)、电流频率与淬硬深度的关系、电流频率与淬硬深度的关系在淬火温度状态下，在淬火温度状态下，电流透入的深度与感电流透入的深度与感应电流的频率有关，应电流的频率有关，电流频率越高，电流电流频率越高，电流透入深度越薄，淬火透入深度越薄，淬火后硬化层也就越薄。后硬化层也就越薄。感应加热表面淬火分类感应加热表面淬火分类名称名称频率（频率（H HZ Z）淬硬淬硬深度深度（mm)mm)适用零件适用零件高频感应加热高频感应加热1001000K1001000K0.220.22中小型，如小模中小型，如小模
6、数齿轮，直径较数齿轮，直径较小的圆柱型零件小的圆柱型零件中频感应加热中频感应加热50010000500100002828中中大型，如直径大型，如直径较大的轴，大中较大的轴，大中等模数的齿轮等模数的齿轮工频工频感应加热感应加热50501015 1015 以上以上 大型零件，如直大型零件，如直径大于径大于300mm 300mm 的轧辊及轴类零的轧辊及轴类零件件3)、感应加热表面淬火应用范围、感应加热表面淬火应用范围一般用于中碳钢和中碳低合金钢一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如如4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化
7、提高耐磨性。磨性。为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采用为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采用正火或调质。正火或调质。感应加热淬火零件的加工工艺路线为：感应加热淬火零件的加工工艺路线为：下料下料-锻造锻造-调质或正火调质或正火-切削加工切削加工-感应加热淬火感应加热淬火+低温回火低温回火-精加工精加工-检验检验4)、感应加热表面淬火特点、感应加热表面淬火特点高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（A Ac3c3以以上上8080150)150)进行的进行的,因此晶核多因此晶核多,且不易长大，组织且不易长大，组织细小。细小。
8、表面层淬得马氏体后表面层淬得马氏体后,由于体积膨胀在工件表面层造成由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力较大的残余压应力,显著提高工件的疲劳强度。显著提高工件的疲劳强度。因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。由于内部未加热，工件的淬火变形也小。加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。易控制，便于实现机械化和自动化。工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感工艺设备较贵，维修调整困难，对于形
9、状复杂的零件的感应器不易制造。应器不易制造。2 2、火焰加热表面淬火、火焰加热表面淬火概念概念:火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件表面，进行淬火。件表面，进行淬火。特点特点:设备简单设备简单,操作方便操作方便,成本低。成本低。*淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图二、化学热处理将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一将金属或合金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、组织和种
10、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。性能的热处理工艺。化学热处理的种类化学热处理的种类:渗碳渗碳;渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;渗硼渗硼;渗铝渗铝;渗硫渗硫;渗硅渗硅;渗铬等。渗铬等。化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:吸收吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。活性原子被零件表面吸收和溶解。扩散扩散:活性原子由零件表面向内部扩活性原子由零件表面向内部扩 散散,形成一定的扩散层。形成一定的扩散层。分解分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。2CO CO2CO CO2 2 +C C1.1.钢的渗碳钢的渗碳 (Carburiz
11、e of steel)(Carburize of steel)1)1)定义定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。向钢的表面渗入碳原子的过程。目的目的:获得具有表硬里韧性能获得具有表硬里韧性能的零件的零件。用钢用钢:低碳钢低碳钢和低碳合金钢。和低碳合金钢。方法方法:固体、气体、液体渗碳。固体、气体、液体渗碳。2)2)、渗碳方法、渗碳方法:固体、气体渗碳固体、气体渗碳 零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图3)、气体渗碳、气体渗碳气体渗碳法是把工件置于密封的井式气体渗碳炉中，通入气体渗碳法是把工件置于密封的井式气体渗碳炉中，通入渗碳剂，并加热到渗碳温度渗碳
12、剂，并加热到渗碳温度900-950900-950（常用（常用930930），使），使工件在高温的气氛中进行渗碳。工件在高温的气氛中进行渗碳。渗碳时间一般为渗碳时间一般为3 39 9小时小时;炉内的渗碳气氛主要由滴入炉内的煤油、丙酮、甲苯及甲炉内的渗碳气氛主要由滴入炉内的煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体在高温下分解而成，主要由醇等有机液体在高温下分解而成，主要由COCO、CO2CO2、H2H2和和CH4CH4等组成。等组成。气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图渗碳后的组织渗碳后的组织:1%C1%CP+Fe3CP+Fe3C0.2%C0.2%C F+PF+P少少表面表面中心中心零零 件件P PP+FP+
13、F2020钢渗碳缓冷组织钢渗碳缓冷组织渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺时间温度930850方案方案1方案方案2渗渗碳碳淬淬火火加加热热2.2.钢的渗氮钢的渗氮 (NitridationNitridation of steel)of steel)1)1)定义定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。向钢的表面渗入氮原子的过程。2)2)目的目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。3)3)用钢用钢:中碳合金钢。中碳合金钢。4)4)方法方法:气体渗氮。气体渗氮。渗氮炉渗氮炉5)5)工艺工艺:加热温度加热温度500500600;600;保温时间保温时间0.30.30.5mm
14、/200.5mm/2050h50h。6)6)热处理特点热处理特点:渗氮前需调质处理渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。渗氮后不需热处理。7)7)渗氮处理后的组织渗氮处理后的组织 表层表层 :Fe4N:Fe4N、Fe2NFe2N、AlNAlN、CrNCrN、MoNMoN、TiNTiN、VNVN。心部心部 :S:S回。回。8)8)常用的钢种常用的钢种 :35 CrMo:35 CrMo、18CrNiW18CrNiW、38 CrMoAlA(38 CrMoAlA(氮化王牌钢氮化王牌钢 )等。等。越越王勾践剑王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。出土于湖北江陵楚墓。长长55
15、7厘米，厘米，剑锷锋芒犀利，剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。锋能割断头发。渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否需处理后是否需要热处理要热处理处理时处理时间间 (h(h)处理温度处理温度()()名称名称需要需要39900900950950渗碳渗碳不不需要需要20205050500500600600渗氮渗氮3.3.钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗-氰化处理氰化处理 (Carbonitriding of steel)(Carbonitriding of steel)1)1)定义定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原向钢的表面同时渗入碳和氮原 子的过程。子的过程。2)2)目的目的:获得具有表硬里韧性能的
16、零件。获得具有表硬里韧性能的零件。3)3)方法方法:固体碳氮共渗固体碳氮共渗气体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗液体碳氮共渗高温高温中温中温低温低温4)4)工艺工艺:合金结构钢合金结构钢HRC53HRC536060中温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗80086018以渗碳为主以渗碳为主0.50.50.8mm0.8mm淬火淬火+低温回火低温回火合金工具钢合金工具钢HRC54HRC546363低温气体碳氮共渗低温气体碳氮共渗50060016以渗氮以渗氮为主为主0.10.10.3mm0.3mm不不需要需要材料材料性能性能名称名称温度温度()()时间时间(h)(h)作用作用渗层渗层热处理热处理1.1.说明
17、共析钢说明共析钢C C曲线各个区、各条线的物理意义，并曲线各个区、各条线的物理意义，并指出影响指出影响C C曲线形状和位置的主要因素。曲线形状和位置的主要因素。2.2.共析钢加热到相变点以上，用左下图所示的各种方法冷却，共析钢加热到相变点以上，用左下图所示的各种方法冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？3.T123.T12钢加热到钢加热到A Ac1c1以上，用下图所示各种方法冷却，分析其以上，用下图所示各种方法冷却，分析其所得到的组织。所得到的组织。课堂作业课堂作业5.5.确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后组织：确定下列钢件的退火方法
18、并指出退火目的及退火后组织：a)a)经冷轧后的经冷轧后的1515钢钢板，要求降低硬度；钢钢板，要求降低硬度；b)b)ZG35ZG35的铸造齿轮；的铸造齿轮；c)c)锻造过热的锻造过热的6060钢锻坯；钢锻坯；d)d)改善改善T12T12的切削加工性能的切削加工性能 6.6.说明直径为说明直径为10mm10mm的的4545钢试样经下列温度加热、保温并在水中钢试样经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：冷却得到的室温组织：700700，760760，840840，11001100。7.7.指出下列工件的淬火及回火温度范围并说出回火后获得的组织。指出下列工件的淬火及回火温度范围并说出回火后
19、获得的组织。a)45a)45钢小轴（要求综合机械性能好）；钢小轴（要求综合机械性能好）；b)60b)60钢弹簧；钢弹簧；c)T12c)T12钢锉刀。钢锉刀。4.4.试述马氏体转变的基本特点。试述马氏体转变的基本特点。8.8.两个碳含量为两个碳含量为1.2%1.2%的碳钢薄试样，分别加热到的碳钢薄试样，分别加热到780780o oC C和和860860o oC C并保温相同时间奥氏体化后，以大于淬火临界冷却速度并保温相同时间奥氏体化后，以大于淬火临界冷却速度的冷却速度冷至室温。试分析的冷却速度冷至室温。试分析a)a)哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？b)b)哪个温度加热淬火后马氏体碳含量较多？哪个温度加热淬火后马氏体碳含量较多？c)c)哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？d)d)哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？e)e)你认为哪个温度加热淬火合适？为什么你认为哪个温度加热淬火合适？为什么？
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