13 表面化学热处理 钢合金化 表面技术(精品).ppt

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1、2.4.4 2.4.4 钢的表面热处理钢的表面热处理 仅对钢的表面加热、冷却而不仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为改变其成分的热处理工艺称为表面表面热处理热处理,也叫也叫表面淬火表面淬火。感应加热表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。表面淬火用钢表面淬火用钢:选用中碳中碳或中碳低合金钢中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法:感应加热感应加热(高、中、工频)、火焰加热火焰加热、电接触加热法电接触加热法等。等。一、感应加热表面淬火 感应圈通交流电，内部产生交变磁场交变磁场。工件置于磁场

2、中，工件内部产生感应电流感应电流，电阻电阻的作用工件被加热加热。感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图 交流电集肤效应集肤效应，工件表面的电流密度大，表面温度快速升高到相变点以上。中心电流密度几乎为零，温度仍在相变点以下。用水或聚乙烯醇水溶液喷射，表面被淬火。感应加热表面淬火感应加热表面淬火 感应加热表面热处理的特点 (1)感应加热时，钢的奥氏体化在较大的过热度（Ac3以上80 150)进行，晶核多。时间短，晶粒细。(2)表面层淬得马氏体后,体积膨胀，表面造成较大的残余压应力,提高工件的疲劳强度。(3)加热速度快，时间短，工件氧化脱碳少。内部未加热，工件的

3、淬火变形小。(4)加热温度和淬硬层厚度容易控制。工艺要求工艺要求:*表面淬火前表面淬火前,必须对零件进行正火正火或调质处理或调质处理,以保证零件有良好的 基体。*表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行低温低温回火处理回火处理,以降低淬火应力和脆性。生产特点生产特点:淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。感应加热表面淬火组织：感应加热表面淬火组织：表面为马氏体，心部组织不变。表面为马氏体，心部组织不变。如先经如先经调质处理，心部组织为回火索氏体。心部组织为回火索氏体。工程应用：工程应用：用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、4

4、0Cr、40MnB钢等。用于齿轮、主轴、曲轴等零件的表面硬化，提高耐磨性。低温回火：低温回火：淬火后进行180 200 低温回火。表面为回火马氏体，表面为回火马氏体，降低淬火应力，保持高硬度和高耐磨性。心部为回火索氏体。保证强韧性。心部为回火索氏体。保证强韧性。二、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火的特点火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。三、激光加热表面淬火工艺：将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作。硬化层：12mm 应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽

5、缸、活塞环、凸轮轴等零件；特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但是设备昂贵。2.4.5 2.4.5 钢的化学热处理钢的化学热处理 化学热处理化学热处理 将钢件置于一定温度的将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。处理过程。渗碳渗碳 氮化氮化 碳氮共渗碳氮共渗 渗硫渗硫 渗铝渗铝 渗铬渗铬化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:2

6、.吸收吸收:活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶零件表面吸收和溶解。解。3.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。1.分解分解:化学介质在高温下释放出待渗化学介质在高温下释放出待渗的的活性原子活性原子。2COCO2+C化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件:1.渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子而 且具有较大的扩散能力具有较大的扩散能力。2.零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力,即对渗入原子有一定的溶解度溶解度或能 与之化合,形成化合物形成化合物。化学热处理的种类化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;

7、渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。一、渗碳 1.1.工艺工艺 为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯度度,钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为入表面的工艺称为渗碳渗碳。气体渗碳炉气体渗碳炉气体渗碳装置示意图气体渗碳装置示意图 低碳钢零件在渗碳炉中，加热到900 950，滴入煤油、甲醇等有机液体，或通入煤气、石油液化气，产生活性碳原子。钢件表面渗碳。表面获得高浓度碳（碳质量分数约1.0%）。低碳钢渗碳缓冷后的显微组织低碳钢渗碳缓冷后的显微组织 低碳钢（低碳钢（2020钢）渗碳缓冷后的显微组织钢）渗碳缓冷后的显微

8、组织表面表面心部心部1%CP+Fe3C0.2%CF+P少少表面表面中心中心零零件件PP+F表面表面珠光体珠光体+二次渗碳体二次渗碳体过渡区过渡区珠光体珠光体心部心部珠光体珠光体+铁素体铁素体 (1)(1)直接淬火直接淬火 渗碳温度高,奥氏体晶粒长大,淬火后马氏体较粗,残余奥氏体较多,耐磨性较低,变形较大。为了减少淬火时的变形,渗碳后常将工件预冷到830 850 后淬火。2.2.渗碳后的热处理渗碳后的热处理 (2)(2)一次淬火一次淬火 渗碳缓冷后,重新加热到临界温度以上保温后淬火。受载不大但表面性能要求较高的零件,淬火温度Ac1以上30 50,使表层晶粒细化。心部组织要求高时，淬火加热温度略高

9、于Ac3。(3)(3)低温低温(150(150 200)200)回火回火 以消除淬火应力和提高韧性。3.3.钢渗碳、淬火、回火后的组织与性能钢渗碳、淬火、回火后的组织与性能 组织：组织：表面表面 回火回火M(M(高碳）高碳）+碳化物碳化物+残余残余A A 心部心部 回火回火M(M(低碳）低碳）性能：性能：(1)(1)表面硬度高表面硬度高 表面硬度58 HRC64 HRC以上,耐磨性好；心部硬度30 HRC45 HRC，心部强韧。(2)(2)疲劳强度高疲劳强度高 表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，表层中造成压应力，零件的疲劳强度提高。实际应用：实际应用：20、20Cr、20CrMnTi等低碳钢和低

10、碳合金钢制造的齿轮、轴、销 二、氮化 氮化氮化 向钢件表面渗入氮的工艺。向钢件表面渗入氮的工艺。氮化的目的：氮化的目的：更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。常用的氮化钢有35CrAlA,38CrMoAlA,38CrWVAlA等。1.1.工艺工艺 （1 1）氮化前预处理）氮化前预处理 材料先进行调质处理，获得回火索氏体组织,改善机加工性能，保证较高的强度和韧性。形状复杂或精度要求高的零件，精加工后要进行消除内应力退火，以减少氮化时的变形。38CrMoAl钢氮化工艺曲线图钢氮化工艺曲线图 （2 2）氮化工艺）氮化工艺 目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子：2NH3

11、3H2+2N 氮原子被钢吸收并溶入表面,在保温过程中向内扩散,形成渗氮层。温度一般为500 600。氮化时间长，一般为20 h50 h。2.2.组织和性能：组织和性能：组织组织 外层：白色或相的氮化物薄层，很脆，用精磨磨去。中间：暗黑色含氮共析体（）层。心部：原始回火索氏体组织。Fe-N相图相图38CrMoAl钢氮化层显微组织钢氮化层显微组织400倍倍 性能性能 （1）氮化后硬度很高(1000 HV1100 HV),在600 650 不下降,具有很高的耐磨性和热硬性。（2）渗氮层体积增大,造成表面压应力,疲劳强度大大提高。（3）氮化温度低,零件变形小。（4）表面形成致密的化学稳定性较高的相层,

12、耐蚀性好,在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。实际应用：实际应用：丝杠、镗床主轴 三、碳氮共渗 碳氮共渗：碳氮共渗：同时向零件表面渗入碳和氮的同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称化学热处理工艺，也称氰化氰化。一般采用高温或低温两种气体碳氮共渗。低温碳氮共渗以氮为主，实质为软氮化。1.1.高温碳氮共渗工艺高温碳氮共渗工艺工件放炉内，加热到830 850，滴入煤油，同时通氨气，保温1 h2 h后，共渗层可达0.2 mm0.5 mm。高温碳氮共渗主要是渗碳，氮的渗入使碳浓度很快提高，使共渗温度降低和时间缩短。碳氮共渗后淬火,再低温回火。2.2.碳氮共渗后的性能、应用碳氮共渗后的性能、应用

13、 (1)共渗并淬火后,得到含氮马氏体,耐磨性比渗碳的更好。(2)共渗层具有比渗碳层更高的压应力,疲劳强度更高,耐蚀性也较好。实际应用：实际应用：齿轮、凸轮轴 2.4.6 2.4.6 其它热处理技术其它热处理技术 一、可控气氛热处理 在炉气成分可控制的炉内进行的热处理称为在炉气成分可控制的炉内进行的热处理称为可控气氛热处理可控气氛热处理。把燃料气（天然气、煤气、丙烷）按一定比例空气混合后，通入发生器进行加热，或者靠自身的燃烧反应而制成的气体。也可用液体有机化合物（如甲醇、乙醇、丙酮等）滴入热处理炉内所得到气氛。用于渗碳、碳氮共渗、软氮化、保护气氛淬火和退火等。二、真空热处理 在真空炉中进行的热处

14、理称为在真空炉中进行的热处理称为真空热处理真空热处理。真空退火、真空淬火、真空退火、真空淬火、真空回火、真空化学热处理真空回火、真空化学热处理 减少变形减少变形 在真空中加热，升温速度很慢，工件变形小。净化表面净化表面 在真空中,氧化物、油污发生分解,工件可得光亮的表面,提高耐磨性、疲劳强度。防止工件表面氧化。脱气作用脱气作用 有利于改善钢的韧性，提高工件的使用寿命。三、离子渗扩热处理 真空室中介质气体在电场的作用下被电离，真空室中介质气体在电场的作用下被电离，离子轰击工件并渗入工件表面的热处理。离子轰击工件并渗入工件表面的热处理。离子渗扩热处理原理离子渗扩热处理原理 1.1.离子氮化离子氮化

15、 介质：一般为氨气 压强：1.3102 Pa1.3103 Pa 温度：500 560,渗层组织：Fe2N、Fe4N等氮化物，具有很高的耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性。不锈钢活塞环表面渗氮不锈钢活塞环表面渗氮 离子氮化的优点：离子氮化的优点：渗速是气体渗氮的34倍。渗层具有一定的韧性。处理后变形小,表面银白色,质量好。能量消耗低,渗剂消耗少,对环境几乎无污染。工程应用：工程应用：用于轻载、高速条件下工作的需要耐磨耐蚀的零件及精度要求较高的细长杆类零件。镗床主轴，精密机床丝杠、阀杆、阀门 2.2.离子氮碳共渗离子氮碳共渗+离子渗硫复合处理离子渗硫复合处理 先进行离子氮碳共渗,介质为氨气+丙酮蒸汽,共渗温

16、度为530 580,后再进行离子渗硫。W18Cr4V钢离子氮碳共渗钢离子氮碳共渗+离子渗硫复合处理渗层组织离子渗硫复合处理渗层组织 W18Cr4V钢经复合处理后,表层主要由FeS、Fe3S4组成，具有自润滑性能,降低摩擦系数,提高工件的抗咬合性能。次表层为Fe2-3(N,C)化合物层，高硬度、很高的耐磨性。复合渗层抗摩耐磨性好,适于模具、刃具,提高使用寿命。四、形变热处理 将钢加热到稳定的奥氏体区域，进行塑性将钢加热到稳定的奥氏体区域，进行塑性变形，然后立即淬火和回火的热处理。变形，然后立即淬火和回火的热处理。形变热处理同普通热处理相比，不但能提高钢的强度，而且能显著提高钢的塑性和韧性，使钢的

17、综合机械性能得到明显改善。形变热处理工艺曲线示意图时间时间温度MsA1A3回火回火塑性变形塑性变形淬火淬火 实例实例1:1:螺栓的热处理螺栓的热处理 汽车车轮固定螺栓用45钢制造，需要强度高，韧性好，具有很好的综合机械性能。其最终热处理工艺为：830840加热、保温，用水淬火。580620回火，回火后油冷。组织为回火S。抗拉强度大于600MPa，冲击功大于39J。2.4.8 2.4.8 热处理的工程应用热处理的工程应用 实例实例2:2:链条滚轮的热处理链条滚轮的热处理 自行车链条滚轮用15钢制造，需要较高的强度，表面要求硬度高、耐磨。其最终热处理工艺为：920930渗碳，预冷至830850，用

18、水淬火。180200回火。表面组织为高碳回火M+Fe3C+残余A。心部组织为低碳回火M。表面硬度达60HRC62HRC。实例实例3:3:锯条的热处理锯条的热处理 手用锯条用T10钢制造，刃部要求硬度高、耐磨，锯条两端要求有一定的韧性。其最终热处理工艺为：760770加热，用水淬火。180200回火。锯条两端用盐浴加热进行350400回火。刃部组织为高碳回火M+Fe3C+残余A，硬度达60 HRC62HRC。锯条两端组织为回火T+Fe3C，具有一定的韧性。实例实例4:4:确定下列钢件退火方法，并指出退确定下列钢件退火方法，并指出退火目的及退火后组织火目的及退火后组织 （1）经热轧后15钢钢板，要

19、求降低硬度；（2）ZG270-500铸造齿轮；（3）锻造过热的60钢锻坯；（4）改善T12钢切削加工性能；（1）经热轧后15钢钢板，要求降低硬度：再结晶退火退火目的：削除加工硬化现象，恢复钢板的韧性和塑性。再结晶退火后组织：生成与钢板冷轧前晶格类型相同的细小的等轴晶。15钢为低碳亚共析钢，退火后组织为F+P。（2）ZG270-500铸造齿轮：完全退火退火目的：通过完全重结晶，使铸造过程中生成的粗大、不均匀的组织均匀化、细化，削除魏氏组织，提高性能，同时消除内应力。退火后组织：F+P扩散退火+正火退火目的：通过扩散退火，减少铸件的化学成分和组织的不均匀性。扩散退火后钢的晶粒很粗大，需进行完全退火

20、或正火处理。正火可以细化晶粒，使组织均匀化，提高强度、硬度和韧性，同时改善其切削加工性能。扩散退火+正火后组织：F+S（3）锻造过热的60钢锻坯：去应力退火目的：削除加工过程中在工件中造成的残余应力。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1r 的某一温度（一般为500650C），保温，然后随炉冷却，这种处理可以消除约50%80%的残余内应力，不引起组织变化。（4）改善T12钢切削加工性能：球化退火退火目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火做组织准备。退火后的组织：球化体（铁素体基体+球状渗碳体）实例实例5:5:指出下列工件的淬火温度和回火温度，指出下

21、列工件的淬火温度和回火温度，并说出回火后获得的组织并说出回火后获得的组织（1）45钢小轴（要求综合机械性能好）；45钢小轴经调质处理，综合性能好，其淬火温度为830840C（水冷），回火温度为580600C。回火后组织为：回火索氏体（2）60钢弹簧；60钢弹簧的淬火温度为840C（油冷），回火温度为480C。回火后获得的组织：回火屈氏体（3）T12钢锉刀T12钢锉刀的淬火温度为830840C（水冷），回火温度为580600C。回火后组织：回火马氏体锻造正火 球化退火机加工淬火、低温回火磨加工正火：得到铁素体+均匀细化组织，消除网状二次渗碳体，为球化退火做准备；球化退火：使二次渗碳体及珠光体中的

22、渗碳体球化，得到球化体。改善机加工性能，同时为淬火做准备；淬火：得到马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体。提高硬度，提高耐磨性；低温回火：得到回火马氏体+粒状渗碳体+残余奥氏体，降低残余应力，提高工件韧性，同时保证淬火后的高硬度和高耐磨性。实例实例6:6:用T10钢制造形状简单的车刀，其工艺路线为：锻造热处理机加工热处理磨加工（1）写出热处理工序和名称；（2）制定最终的热处理工艺规范，并指出车刀在使用状态的显微组织和大致硬度。钢的热处理工艺钢的热处理工艺 (1)(1)退火退火（完全退火、等温退火、球化退火、（完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火）扩散退火、去应力退火、再结晶

23、退火）(2)(2)正火正火 (3)(3)淬火淬火 (4)(4)回火回火（低温回火、中温回火、高温回火）（低温回火、中温回火、高温回火）(5)(5)表面淬火表面淬火 (6)(6)化学热处理化学热处理（渗碳、氮化、碳氮共渗）（渗碳、氮化、碳氮共渗）(7)(7)可控气氛热处理可控气氛热处理 (8)(8)真空热处理真空热处理 (9)(9)离子渗扩热处理离子渗扩热处理 2.52.5 钢的合金化钢的合金化2.5.1 2.5.1 合金元素与铁、碳的作用合金元素与铁、碳的作用 合金元素主要以三种形式存在钢中：溶于铁中，形成固溶体；溶于铁中，形成固溶体；与碳化合，形成碳化物；与碳化合，形成碳化物；形成金属间化合

24、物。形成金属间化合物。1.1.扩大扩大相区的元素相区的元素（奥氏体稳定化元素）MnMn、NiNi、CoCo、C C、N N、CuCu等,使A4点(转变点)上升,A3点(转变点)下降,扩大相范围。一、溶于铁中形成固溶体 溶入奥氏体奥氏体中,形成合金奥氏体、合金奥氏体、溶入铁素体铁素体中，形成合金铁素体合金铁素体 NiNi、MnMn等加入到一定量后，使相区扩大到室温，称完全扩大相区元素。C C、N N、CuCu等，相区不能扩大到室温，称为部分扩大相区的元素。(a)Fe-Cu相图相图(b)Fe-Mn相图相图扩大扩大A相区的相图相区的相图 2.2.缩小缩小相区元素相区元素（铁素体稳定化元素）CrCr、

25、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi、B B、NbNb、ZrZr 使A3点上升,A4点下降(铬除外,铬质量分数小于7%时,A3点下降;大于7%后,A3点迅速上升),缩小相区存在的范围,使铁素体区扩大。CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi等：完全封闭相区的元素 B B、NbNb、ZrZr等：部分缩小相区的元素。(a)Fe-Nb相图相图(b)Fe-Cr相图相图缩小缩小-相区的相图相区的相图 二、形成碳化物 合金元素按与钢中碳的亲和力的大小,分为：碳化物形成元素、非碳化物形成元素 碳化物形成元素：碳化物形成元素：ZrZr、TiTi、NbNb、V V、W

26、W、MoMo、CrCr、MnMn等(按碳化物的稳定性程度由强到弱排列)固溶于基体相中:F(Mn)、A(Cr)形成合金渗碳体:(Fe、Cr)3C 形成合金碳化物：Cr7C3、VC、WC 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：NiNi、CoCo、CuCu、SiSi、AlAl、N N、B B等。都溶于铁素体和奥氏体中。2.5.2 2.5.2 合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响 MnMn、NiNi、CoCo、C C、N N、CuCu扩大Fe-Fe3C相图中的相区，使S S点点下降；CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi等等缩小Fe-Fe3C

27、相图中的相区，使S S点点上升。合金元素使共析反应在一个温度范围内进行。几乎所有的合金元素都使S S点和点和E E点左点左移移,强碳化物形成元素作用强烈。Ni或Mn的含量较多时,可使钢在室温下得到单相奥氏体组织。如1Cr18Ni91Cr18Ni9奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 ZGMn13ZGMn13高锰钢高锰钢 Cr、Ti、Si等超过一定含量时,可使钢在室温获得单相铁素体组织。如1Cr17Ti1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢高铬铁素体不锈钢 思考：为什么碳质量分数为思考：为什么碳质量分数为0.4%0.4%、铬质量、铬质量分数为分数为12%12%的铬钢属于过共析钢？的铬钢属于过共析钢？因为加入12%C

28、r，使共析点S和E点碳质量分数降低，即S点和E点左移，使合金钢的平衡组织发生变化（不能完全用Fe-Fe3C来分析），碳质量分数为0.4%、Cr质量分数为12%的铬钢出现了P+Fe3C的组织，因而属于过共析钢。2.5.3 2.5.3 合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响 一、合金元素对加热时相变的影响 1 1、对奥氏体形成速度的影响、对奥氏体形成速度的影响 CrCr、MoMo、W W、V V等强碳化物形成元素与碳形成难溶于奥氏体的合金碳化物,显著减慢奥氏体形成速度；CoCo、NiNi等部分非碳化物形成元素,因增大碳的扩散速度,使奥氏体的形成速度加快；AlAl、SiSi、MnMn等合金

29、元素对奥氏体形成速度影响不大。2 2、对奥氏体晶粒大小的影响、对奥氏体晶粒大小的影响 强烈阻碍晶粒长大的元素：V V、TiTi、NbNb、ZrZr等；中等阻碍晶粒长大的元素：W W、MoMo、CrCr等；对晶粒长大影响不大的元素：SiSi、NiNi、CuCu等；促进晶粒长大的元素：MnMn、P P等。二、合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 对对淬透性淬透性影响影响 除Co外,几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性,推迟珠光体类型组织的转变,使C曲线右移,即提高钢的淬透性。常用提高淬透性的元素：MoMo、MnMn、CrCr、NiNi、SiSi、B B等。等。两种或多种合金元素同时加入(铬锰、铬

30、镍),比单个元素对淬透性的影响要强得多。提示提示 加入的合金元素加入的合金元素,只有溶于奥氏体时只有溶于奥氏体时,才才能提高淬透性。如果未完全溶解能提高淬透性。如果未完全溶解,则碳化物会成则碳化物会成为珠光体的核心为珠光体的核心,反而降低钢的淬透性。反而降低钢的淬透性。合金元素对过冷合金元素对过冷A A等温转变曲线的影响等温转变曲线的影响 对残余奥氏体量的影响对残余奥氏体量的影响 除Co、Al外,多数合金元素都使Ms和Mf点下降。作用大小的次序：MnMn、CrCr、NiNi、MoMo、W W、SiSi。Mn的作用最强,Si影响很小。Ms和Mf点的下降,使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量

31、过多时，进行冷处理(冷至Mf点以下),转变为马氏体;或进行多次回火，残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升，在回火后冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(二次淬火二次淬火)。三、合金元素对回火转变的影响 1.1.提高回火稳定性提高回火稳定性 推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变(在较高温度才开始分解和转变)；提高铁素体的再结晶温度；使碳化物难以聚集长大。合金元素提高钢的回火稳定性钢的回火稳定性（钢对回火软化的抗力）。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V V、SiSi、MoMo、W W、NiNi、CoCo等。2.2.产生二次硬化产生二次硬化 Mo、W、V含量较高的合金钢回火时,硬度不是随回火温

32、度升高单调降低,到某一温度(约400)后开始增大,并在更高温度(一般为550 左右)达到峰值。称二次硬化二次硬化现象。碳质量分数为碳质量分数为0.35%0.35%的钼钢硬度的钼钢硬度与与回火温度的关系回火温度的关系 （1）当回火温度低于450 时,钢中析出渗碳体，硬度降低。在450 以上渗碳体溶解,钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等,使硬度升高,称为沉淀硬化沉淀硬化。（2）回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火二次淬火也导致硬度也导致硬度升高升高。产生二次硬化的原因产生二次硬化的原因 3.3.增大回火脆性增大回火脆性 和碳钢一样,合金钢也产生回火脆性,而且更明

33、显。这是合金元素的不利影响。铬镍钢的韧性与铬镍钢的韧性与回火温度的关系回火温度的关系高温回火脆性：高温回火脆性：在450 600 间发生的第二类回火脆性。主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关,多发生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金钢中。提示提示 回火后快冷回火后快冷(通常用油冷通常用油冷)可防止回火脆可防止回火脆性发生。钢中加入适当性发生。钢中加入适当MoMo或或W(0.5%Mo,1%W)W(0.5%Mo,1%W)可可基本上消除这类脆性。基本上消除这类脆性。2.5.4 2.5.4 合金元素对钢的工艺性能的影响合金元素对钢的工艺性能的影响 一、合金元素对钢热加工性能的

34、影响 Cr、Mo、V、Ti、Al等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点,增大钢的粘度,降低流动性,使铸造性能恶化。合金元素溶入固溶体中,或形成碳化物,都使钢的热变形抗力提高和热塑性明显下降，容易锻裂。一般合金钢的热加工性能比碳钢要差得多。合金元素都提高钢的淬透性,促进脆性组织(马氏体)的形成,使焊接性能变坏。钢中含有少量Ti和V,可改善钢的焊接性能。二、合金元素对钢冷加工性能的影响 合金元素溶于固溶体，加剧钢的加工硬化,使钢变硬、变脆,易开裂或难于继续变形。Si、Ni、Cr、V、Cu等降低钢的深冲性能,Nb、Ti、Zr和Re能改善碳化物的形态,可提高钢的冲压性能。钢适合于切削加工的硬度范围为17

35、0 HB230 HB。一般合金钢的切削性能比碳钢差。但适当加入S、P、Pb等元素可以大大改善钢的切削性能。三、合金元素对钢热处理工艺性能的影响 热处理工艺性能反映钢热处理的难易程度和热处理产生缺陷的倾向。合金钢的淬透性高，淬火时采用比较缓慢的冷却方法，减少工件变形和开裂。MnMn、SiSi会增大钢的过热敏感性。MnMn、CrCr、NiNi增加高温回火脆性，MoMo、W W 基本消除高温回火脆性。SiSi促进脱碳，CrCr降低脱碳。加入合金元素的主要目的之一是。提高钢的强度。提高强度,要设法增大位错运动的阻力。金属中的强化机制主要有 固溶强化固溶强化 位位错强化错强化 细晶强化细晶强化 第二相第

36、二相(沉淀和弥散沉淀和弥散)强化强化 合金元素的强化作用,正是利用了这些强化机制。2.5.5 2.5.5 合金元素对钢的性能的影响合金元素对钢的性能的影响一、合金元素对钢的力学性能的影响 1.1.对正火状态下钢的力学性能的影响对正火状态下钢的力学性能的影响 合金元素降低共析点的碳质量分数（S点左左移)，使C曲线右移,使组织中的珠光体增多,珠光体层片减薄,钢的强度增加,塑性下降。合金钢在正火（空冷）状态下可得到层片距离更小的珠光体,或贝氏体甚至马氏体组织,强度大为增加。Mn、Cr、Cu的强化作用较大。2.对退火状态下钢的力学性能的影响对退火状态下钢的力学性能的影响退火态钢:形成合金铁素体,固溶强

37、化,提高强度和硬度,塑性和韧性有所降低。3.3.对淬火、回火状态下钢的力学性能的影响对淬火、回火状态下钢的力学性能的影响 获得马氏体并回火是钢的最经济和最有效的强化方法。回火时析出碳化物,造成强烈的第二相强化，同时使韧性大大改善。形成位错马氏体；固溶强化铁素体或马氏体；细化晶粒；合金元素提高淬透性，使钢容易得到马氏体。合金元素提高回火稳定性,使马氏体保持到较高温度。合金元素在回火时析出第二相更细小、均匀和稳定。合金钢比碳钢具有更高的强度、韧性。二、对其他性能的影响 1.1.提高红硬性提高红硬性 W、Mo、V 钢在高温保持高硬度的能力。2.2.提高耐蚀性提高耐蚀性 Cr、Ni 3.3.提高耐热性

38、提高耐热性 Cr、W、Mo、Al、Si 4.4.提高耐磨性提高耐磨性 W、Mo、V、Ti 碳钢的淬透性低，在制造大尺寸和形状复杂的零件时，不能保证性能均匀和形状不变。碳钢的强度和屈强比较低，使工程结构和设备笨重。普通碳钢Q235钢的s为235 Mpa。低合金结构钢Q345(16Mn)的s则为345 MPa以上。40钢的s/b仅为0.43。合金钢35CrNi3Mo的s/b高达0.74。2.5.6 2.5.6 合金化的工程应用合金化的工程应用 碳钢回火稳定性差。在进行调质处理时，很难保证韧结合，综合机械性能不高。碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。为

39、了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素，所获得的钢称为合金钢合金钢。实例实例1:1:40钢的碳质量分数为0.4%，调质处理后其最低为355MPa。只能制造强度、韧性要求不高的螺栓、轴类零件。如果冶炼时加入质量分数为1%的Cr，成为低合金结构钢40Cr，调质处理后其最低为785MPa。淬透性和强度得到提高。可以制造强度、韧性要要求高的螺栓、连杆。实例实例2 2：20钢的碳质量分数为0.2%，其耐蚀性、耐热性差。只能制造常温、无腐蚀性介质作用条件下使用的零件。如果冶炼时加入质量分数为13%的Cr，成为不锈钢2Cr13，耐蚀性、耐热性大大提高。可以制造高温、腐蚀性介质作用条件下使用的零件，如汽

40、轮机叶片、化工设备用耐蚀螺栓、螺母、轴类等零件。本节小结本节小结常用合金元素常用合金元素 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：NiNi、CoCo、CuCu、SiSi、AlAl、N N、B B 碳化物形成元素：碳化物形成元素：ZrZr、TiTi、NbNb、V V、W W、MoMo、CrCr、MnMn合金元素作用合金元素作用强化作用：强化作用：固溶强化、细晶强化、第二相强化、二次硬化改善热处理性能：改善热处理性能：提高淬透性、回火稳定性，回火稳定性，消除回火脆性（Mo、W)提高其它性能：提高其它性能：红硬性、耐蚀性、耐磨性2.62.6 表面技术表面技术 概述概述表面技术表面技术 通过物理、化学工艺

41、方法使通过物理、化学工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的组织结构、材料表面具有与基体材料不同的组织结构、化学成分和物理状态，使表面具有与基体化学成分和物理状态，使表面具有与基体材料不同的性能的技术。材料不同的性能的技术。表面处理后的材料，基体材料的化学成分和力学性能并未发生变化，但表面却具有一些特殊性能，如高的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。表面工程技术分类表面工程技术分类 表面热处理、化学热处理表面热处理、化学热处理 表面机械强化处理（喷丸强化）表面机械强化处理（喷丸强化）电镀、电刷镀电镀、电刷镀 热喷涂热喷涂 气相沉积镀膜气相沉积镀膜 高能束高能束(激光、

42、电子束）表面处理激光、电子束）表面处理2.6.1 2.6.1 电刷镀技术电刷镀技术 一、电镀 把工件置于装有电镀液的镀槽中，工件接把工件置于装有电镀液的镀槽中，工件接直流电源的负极，作为阴极。阳极板接直流电直流电源的负极，作为阴极。阳极板接直流电源的正极，镀液中金属离子在阴极上得到电子源的正极，镀液中金属离子在阴极上得到电子还原成金属原子，工件表面得到电镀层。还原成金属原子，工件表面得到电镀层。电镀示意图电镀示意图镀镀铜：铜：CuSO4 Cu+2+SO4-2Cu+2+2e Cu 二、电刷镀 电刷镀电刷镀是电镀的一种特殊方式，不用是电镀的一种特殊方式，不用镀槽。用镀笔在工件表面擦涂，获得镀槽。用

43、镀笔在工件表面擦涂，获得电镀层。电刷镀又称电镀层。电刷镀又称无槽镀无槽镀。1.1.电刷镀过程电刷镀过程 直流电源的正极与镀笔相联，负极和工件相联。电流方向由镀笔流向工件时为正向电流，发生电沉积，称正接。形成镀层。平面零件平面零件电刷镀电刷镀轴类零件轴类零件电刷镀过程电刷镀过程 2.6.2 2.6.2 热喷涂技术热喷涂技术 热喷涂热喷涂技术技术 将金属将金属或非金属固体材料或非金属固体材料加热至熔化或半熔软化状态，然后将它加热至熔化或半熔软化状态，然后将它们高速喷射到工件表面上，形成牢固涂们高速喷射到工件表面上，形成牢固涂层的表面加工方法。层的表面加工方法。热喷涂方法热喷涂方法 1.1.火焰喷涂

44、火焰喷涂 以氧-乙炔火焰为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。火焰喷涂喷枪火焰喷涂喷枪火焰喷涂火焰喷涂 氧-乙炔火焰温度大约为3000，喷射速度约150 m/s，结合强度5 MPa10 MPa。适合喷涂塑料、金属、合金粉末或丝材。2.电弧喷涂电弧喷涂 以电弧电弧为热源，以金属或合金丝材作为喷涂材料的热喷涂方法。电弧喷涂原理图电弧喷涂原理图电弧喷涂电弧喷涂 电弧温度大约为5000，喷射速度约200 m/s，结合强度20 MPa40 MPa。适合喷涂金属、合金或包裹有陶瓷粉末的合金丝材。3.3.等离子喷涂等离子喷涂 等离子喷涂是以等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。直流电弧把工作气体

45、加热电离成高温等离子体从喷嘴喷出形成等离子焰。工作气体可用氩气、氮气。等离子弧温度大约为5000 12000，喷射速度约500 m/s1500 m/s，结合强度30 MPa70 MPa。适合喷涂金属、合金、陶瓷粉末。等离子喷涂原理图等离子喷涂原理图2.6.3 2.6.3 气相沉积技术气相沉积技术 气相沉积技术气相沉积技术在真空下用各种方法在真空下用各种方法获得的气相原子或分子在基体材料表获得的气相原子或分子在基体材料表面沉积以获得薄膜的技术。面沉积以获得薄膜的技术。制备超硬、耐蚀、耐热、抗氧化的薄膜；制备磁记录、光敏、热敏、光电转换等功能薄膜；制备装饰性镀膜。气相沉积技术分为：气相沉积技术分为

46、：化学气相沉积CVD(Chemical Vapour Deposition)物理气相沉积PVD(Physical Vapour Deposition)等离子体增强化学气相沉积(PCVD)一、化学气相沉积 CVD设备示意图设备示意图 制取制取Si3N4薄膜：薄膜：SiH4+NH3 Si3N4+H2制取制取TiC薄膜：薄膜：TiCl4+CH4 TiC+HCl制取制取TiN薄膜：薄膜：TiCl4+N2+H2 TiN+HCl利用气态化合物或化合物的混合物在加热的基利用气态化合物或化合物的混合物在加热的基体材料表面发生气相化学反应，在基材表面上体材料表面发生气相化学反应，在基材表面上形成镀膜的技术称为形

47、成镀膜的技术称为化学气相沉积化学气相沉积(CVD)(CVD)。二、物理气相沉积 在沉积环境中，以各种物理方法产生的原在沉积环境中，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基体上，形成薄膜或涂层子或分子沉积在基体上，形成薄膜或涂层的过程称为的过程称为物理气相沉积（物理气相沉积（PVDPVD）。真空蒸镀真空蒸镀 1.1.真空蒸镀真空蒸镀 在高真空中使金属合在高真空中使金属合金或化合物蒸发，然后凝金或化合物蒸发，然后凝聚在基体表面上的方法。聚在基体表面上的方法。采用电阻加热、电子束加热、高频感应加热、激光加热、离子蒸镀等。利用直流或射频放电产生等离子体，高能电子激活反应气体分子离解或电离，获得化学上非常

48、活泼的离子、原子，在工件表面沉积镀膜。射频放电射频放电PCVDPCVD CVD法使气态物质处于高温，经化学反应制备涂层。PCVD法由于等离子体作用，促进气相化学反应进行，提高反应速度。三、等离子体增强化学气相沉积(PCVD)二、激光表面处理技术 1.1.激光淬火（激光相变硬化）激光淬火（激光相变硬化）高能量激光束快速扫描工件，材料局部小区域内表面极薄一层温度急剧上升(升温速度可达104/s106/s)，基体仍处于冷态。激光离去后，局部表面迅速被工件基体冷却，冷却速度可达105/s以上，瞬间自冷淬火，材料表面发生相变硬化。激光表面淬火激光表面淬火本节小结本节小结表面处理技术表面处理技术 表面淬火

49、表面淬火 化学热处理化学热处理 电镀与电刷镀电镀与电刷镀 热喷涂热喷涂 气相沉积气相沉积 激光表面处理激光表面处理 表面处理技术可以大大提高工程材料的表面处理技术可以大大提高工程材料的耐蚀、耐磨、耐疲劳性能，延长工件的使用耐蚀、耐磨、耐疲劳性能，延长工件的使用寿命，具有重要的经济意义。寿命，具有重要的经济意义。第第2 2章章 小结小结 1.1.金属结晶金属结晶的条件是要有一定的过冷度，的条件是要有一定的过冷度，推动力是固态金属和液态金属之间的自由能差。推动力是固态金属和液态金属之间的自由能差。结晶由形核和长大二个过程组成。细化铸态金结晶由形核和长大二个过程组成。细化铸态金属晶粒的措施。属晶粒的

50、措施。2.2.合金的结晶合金的结晶用相图来分析。常用的有匀用相图来分析。常用的有匀晶相图和共晶相图。晶相图和共晶相图。铁碳相图铁碳相图中包含中包含5 5种相，铁碳合金的平衡种相，铁碳合金的平衡结晶过程用铁碳相图来分析，室温平衡组织中结晶过程用铁碳相图来分析，室温平衡组织中的组成相和组织组成物的质量分数可以用杠杆的组成相和组织组成物的质量分数可以用杠杆定律求出。定律求出。3.3.金属塑性变形机理金属塑性变形机理 滑移和孪生。滑移和孪生。金属晶粒变形，位错密度增加，产生残余内金属晶粒变形，位错密度增加，产生残余内应力。冷塑性变形使金属产生加工硬化现象。应力。冷塑性变形使金属产生加工硬化现象。再结晶