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第八章第八章 钢的表面热处理钢的表面热处理主要内容主要内容：p 钢的表面淬火钢的表面淬火-感应加热表面淬火感应加热表面淬火p 钢的化学热处理钢的化学热处理-渗碳、渗氮渗碳、渗氮学问要点：学问要点：1.1.表面热处理的目的、分类；表面热处理的目的、分类；2.2.感感应应加加热热表表面面淬淬火火和和渗渗碳碳热热处处理理工艺；工艺；3.3.了解表面热处理的典型零件。了解表面热处理的典型零件。第一节第一节 钢的表面淬火钢的表面淬火u应用：适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，例如：应用：适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，例如：u 齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等齿轮、凸轮、曲轴、轧辊等 只需表面淬硬的工件只需表面淬硬的工件u 机床导轨等大型困难工件机床导轨等大型困难工件 只能表面淬硬的工件只能表面淬硬的工件u表面淬火用钢表面淬火用钢：多用多用中碳碳钢、中碳合金钢中碳碳钢、中碳合金钢 u常用方法常用方法：感应加热、火焰加热、激光加热表面淬火：感应加热、火焰加热、激光加热表面淬火u工艺特点：工艺特点：工件表面化学成分不变，只变更表面组织和性能；工件表面化学成分不变，只变更表面组织和性能；u 表面与心部的成分一样，但组织不同。表面与心部的成分一样，但组织不同。u工艺工艺：表面表面有一定深有一定深度的度的淬硬淬硬层层工件工件表面表面快速加热快速加热A化化热量未达到心部时热量未达到心部时迅速冷却迅速冷却心部心部保持保持原组织原组织u目的目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；心部在保持一定的强度、硬度的条件下，心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性、韧性。具有足够的塑性、韧性。表硬里韧表硬里韧一、感应加热表面淬火一、感应加热表面淬火工作原理：工作原理：淬硬层深度淬硬层深度 （mm）分类分类高频感应加热高频感应加热 f=200300kHZ =0.52.0mm中频感应加热中频感应加热 f=25008000HZ =210mm工频感应加热工频感应加热 f=50HZ =1015mm 特点特点（与普通淬火比较）（与普通淬火比较）加热速度快，温度高，生产效率高加热速度快，温度高，生产效率高A晶粒细小，获得隐晶马氏体，强度硬度晶粒细小，获得隐晶马氏体，强度硬度 脆性脆性 表面产生压应力，疲劳强度表面产生压应力，疲劳强度氧化脱碳氧化脱碳 表面质量表面质量 耐磨性耐磨性心部无相变，刚性心部无相变，刚性 变形变形 精度精度自动化程度高，但设备昂贵，耗电量大自动化程度高，但设备昂贵，耗电量大应用：大批量生产应用：大批量生产感应加热表面淬火齿轮的截面图感应加热表面淬火齿轮的截面图u 感应加热表面淬火的一般工艺路途：感应加热表面淬火的一般工艺路途：锻造锻造退火或正火退火或正火粗加工粗加工调质或正火调质或正火半精加工半精加工降低淬火应力降低淬火应力稳定表面组织稳定表面组织T加加=160200强化表面，获得强化表面，获得MT加加=Ac33050细化晶粒，提高心部综细化晶粒，提高心部综合性能，为淬火做准备合性能，为淬火做准备T加加Ac3(3050)消除锻造应力；消除锻造应力；调整硬度，便于机调整硬度，便于机加工加工 感应加热表面淬火感应加热表面淬火低温回火低温回火精加工精加工二、火焰加热表面二、火焰加热表面淬火淬火 工作原理 淬硬层深度 =28mm 特点简洁、便利、成本低不易限制质量应用：单件、小批量生产火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图其次节其次节 化学热处理化学热处理u 定义：定义：u分类：按渗入元素种类分为分类：按渗入元素种类分为u 渗渗C、N、CN、B、S、Si、Cr、Al、CrAl、V、Ti、Nb、u目的：强化表面，并使工件表面具有某种特殊性能。如耐磨、目的：强化表面，并使工件表面具有某种特殊性能。如耐磨、耐腐蚀等。耐腐蚀等。u特点：特点：u 可按零件心部要求选择材料，同时满足了表面和心部可按零件心部要求选择材料，同时满足了表面和心部不同的性能要求；不同的性能要求；u 零件外形不受限制；零件外形不受限制；u 生产周期长，工艺困难，成本高。生产周期长，工艺困难，成本高。u基本过程：基本过程：u 分解：分解出渗入元素的活性原子；分解：分解出渗入元素的活性原子；u 吸取：活性原子被工件表面吸附；吸取：活性原子被工件表面吸附；u 扩散：渗入原子由工件表层向内扩散，形成具有确定扩散：渗入原子由工件表层向内扩散，形成具有确定深度渗层。深度渗层。钢件钢件活性介质活性介质加热保温加热保温活性原子渗活性原子渗入工件表层入工件表层表层的化学成分、表层的化学成分、组织、性能改变组织、性能改变例如：渗碳例如：渗碳 CH42H2+C 氮化氮化 2NH33H2+2N定义：钢件定义：钢件 A化化 碳原子渗入钢碳原子渗入钢件表层的过程。件表层的过程。目的：表面目的：表面WC 硬度、耐磨性、疲惫强度硬度、耐磨性、疲惫强度 心部具有确定的强度以及较高的塑韧性心部具有确定的强度以及较高的塑韧性用途：表面受严峻磨损，并承受较大冲击载荷的零件。用途：表面受严峻磨损，并承受较大冲击载荷的零件。要求表面硬度、耐磨性、疲惫强度高，心部良好要求表面硬度、耐磨性、疲惫强度高，心部良好的塑性、韧性的塑性、韧性渗碳用钢：低碳成分的一般碳素钢、优质碳素结构钢、合渗碳用钢：低碳成分的一般碳素钢、优质碳素结构钢、合金结构钢，金结构钢，如如15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB （一般（一般 0.15 0.30%C，渗碳后的表面达，渗碳后的表面达0.81.05C）渗碳方法（按渗剂的状态分）：渗碳方法（按渗剂的状态分）：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、电解液渗碳、离气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、电解液渗碳、离子渗碳等。子渗碳等。v 钢钢 的的渗碳渗碳加热加热在富在富C介质中保温介质中保温淬火回火淬火回火表硬里韧表硬里韧l 气体渗碳气体渗碳 工艺参数的选择工艺参数的选择 渗碳温度：渗碳温度：900930（Ac35080）渗碳时间：取决于渗碳层的深度渗碳时间：取决于渗碳层的深度（表（表8-1）渗层表面含碳量渗层表面含碳量：wc 0.8%1.05%渗碳缓冷后组织渗碳缓冷后组织（低碳钢）（低碳钢）：气体渗碳设备气体渗碳设备井式渗碳炉（录像）井式渗碳炉（录像）CH4 C+2H 2CO C+CO2 CO+H2C+H2O 过程过程：分解分解吸附吸附扩散扩散气体渗碳基本过程（视频）气体渗碳基本过程（视频）表面表面心部心部PFe3CPPF常常用用渗渗碳碳剂剂：煤煤油油、苯苯、甲甲醇醇、丙丙酮酮、醋醋酸酸乙乙酯酯、自自然然气气、煤气等煤气等l 气体渗碳（续）气体渗碳（续）举例举例：低碳低合金钢工件的气体渗碳工艺曲线，如图所示：低碳低合金钢工件的气体渗碳工艺曲线，如图所示：T时间时间h930取中间试样取中间试样0.5赶气赶气保温保温渗渗 碳碳降降 温温0赶赶气气：使使炉炉内内气气氛氛复复原原 到工艺要求到工艺要求保保温温：使使工工件件温温度度匀匀整，整，40min1h温温 度度：一一 般般 900940时时间间：依依据据渗渗层层厚厚度度确定确定渗渗剂剂：煤煤油油、甲甲烷烷或或丙酮丙酮l 气体渗碳（续）气体渗碳（续）一般渗碳零件的工艺路途：一般渗碳零件的工艺路途：锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火淬火+低温回火低温回火精加工精加工渗碳零件的特点：渗碳零件的特点：表层硬（表层硬（HRC 5862）、耐磨，心部韧性好；）、耐磨，心部韧性好；渗层匀整；渗层匀整；渗碳温度高、晶粒粗大，必需进行渗后处理；渗碳温度高、晶粒粗大，必需进行渗后处理；时间长，工艺困难。时间长，工艺困难。渗碳层深度渗碳层深度：一般，：一般，=0.52.5mm预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理渗后处理：渗后处理：淬火低温回火，此时零件组织为：淬火低温回火，此时零件组织为：表层：表层：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)心部：心部：M回回+F（淬透时）（淬透时）v 钢钢 的的渗渗 氮氮（氮化）（氮化）氮化氮化是指向钢的表面是指向钢的表面渗入氮原子渗入氮原子的过程。的过程。1.氮化用钢氮化用钢：含含Cr、Mo、Al、Ti、V的的中碳钢中碳钢。常用钢种：常用钢种：38CrMoAl2.氮化温度氮化温度：500570；氮化层厚度不超过。；氮化层厚度不超过。3.常用氮化方法常用氮化方法 气体氮化法气体氮化法与气体渗碳法类似，与气体渗碳法类似，渗剂为氨渗剂为氨。离子氮化法离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子是在电场作用下，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。化时间短，氮化层脆性小。井式气体氮化炉井式气体氮化炉离子氮化炉（视频）离子氮化炉（视频）4.渗氮的特点及应用渗氮的特点及应用 优点：优点：氮化件表面硬度高（氮化件表面硬度高（1000-2000HV），耐磨性好。），耐磨性好。比渗碳高比渗碳高疲惫强度高。由于表面为压应力状态。疲惫强度高。由于表面为压应力状态。工件变形小。缘由：氮化温度低，氮化后不需进工件变形小。缘由：氮化温度低，氮化后不需进行热处理。行热处理。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。缺点：缺点：工艺困难，成本高，氮化层薄。工艺困难，成本高，氮化层薄。应用：应用：用于要求冲击载荷小、耐磨性用于要求冲击载荷小、耐磨性 和精度都很高的零件。如：一和精度都很高的零件。如：一 些精密机床的主轴和丝杠、精些精密机床的主轴和丝杠、精 密齿轮、精密模具、仪表小轴、轻载齿轮、重密齿轮、精密模具、仪表小轴、轻载齿轮、重要曲轴等。要曲轴等。学问扩展学问扩展-表面处理新技术表面处理新技术一、热喷涂技术一、热喷涂技术 将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎全部领域。等尖端技术在内的几乎全部领域。u热喷涂的方法热喷涂的方法u 火焰喷涂火焰喷涂u 电弧喷涂电弧喷涂u 等离子喷涂等离子喷涂u热喷涂的特点及应用热喷涂的特点及应用u工艺敏捷：热喷涂的对象小到工艺敏捷：热喷涂的对象小到10mm的内孔的内孔,大大到铁塔、桥梁到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂可整体喷涂，也可局部喷涂u基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等u涂层可控涂层可控:从几十从几十 m到几到几mmu生产效率高生产效率高u工件变形小：基体材料温度不超过工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺冷工艺)二、气相沉积技术二、气相沉积技术 气气相相沉沉积积技技术术是是指指将将含含有有沉沉积积元元素素的的气气相相物物质质，通通过过物物理理或或化化学学的的方方法法沉沉积积在在材材料料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。依依据据沉沉积积过过程程的的原原理理不不同同，气气相相沉积技术可分为两大类沉积技术可分为两大类:物理气相沉积物理气相沉积(PVD)(PVD)化学气相沉积化学气相沉积(CVD)(CVD)1、物理气相沉积（、物理气相沉积（PVD）指在指在真空条件真空条件下，用物理的方法，下，用物理的方法，使材料使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在过程，在材料表面沉积一层薄膜材料表面沉积一层薄膜的技术。的技术。主要方法主要方法:真空蒸镀、溅射镀、离子镀真空蒸镀、溅射镀、离子镀 广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜2、化学气相沉积、化学气相沉积(CVD)化学气相沉积是指在确定温度下，混合气化学气相沉积是指在确定温度下，混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。或化合物薄膜的方法。例如，气态的例如，气态的TiCl4与与N2和和H2在受热钢的在受热钢的表面反应生成表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。磨抗蚀的沉积层。化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。化工等工业领域。三、三束表面改性技术三、三束表面改性技术 指将激光束、电子束和离子束指将激光束、电子束和离子束(合称合称“三束三束”)等具等具有高能量密度的能源有高能量密度的能源(一般大于一般大于103W/cm2)施加到材料表面，施加到材料表面，使之发生物理、化学变更，以获得特殊表面性能的技术。使之发生物理、化学变更，以获得特殊表面性能的技术。由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面进由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度变行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度变更（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物更（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从而获得所须要的特殊性能。等），从而获得所须要的特殊性能。束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。高等特点。