表面淬火、化學熱處理

1、 鋼表面淬火是通過快速加熱使鋼件表層迅速奧氏體化，不等熱量傳至鋼件中心就立即快冷淬火的熱處理工藝。 表面淬火只將鋼件表層淬成硬而耐磨的馬氏體組織，而心部仍保持原來塑性、韌性較好的正火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)組織。 表面淬火方法：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解加熱表面淬火等。 一、感應加熱表面淬火一、感應加熱表面淬火 感應加熱表面淬火是將鋼件放入用空心銅管繞成的線圈內(nèi)，線圈內(nèi)通入一定頻率的交流電，使線圈內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，靠電磁感應在鋼件中產(chǎn)生同頻率的感應電流。因集膚效應使感應電流只集中在鋼件表層，表層電流密度很大，而鋼件心部電流密度很小。鋼有電阻，靠電阻熱將鋼件表層迅速（幾秒）加熱

2、到淬火溫度，而心部仍接近室溫。立即噴水或浸油冷卻，使鋼件表層淬硬。 感應加熱表面淬火時，電流頻率愈高，集膚效應愈強，感應加熱的深度愈淺。按感應電流頻率高低，感應加熱表面淬火可分為三種： 1、高頻淬火、高頻淬火 常用電流頻率為200300KHz，鋼件淬硬深度0.52mm，用于中小模數(shù)齒輪，小尺寸軸類零件。 2、中頻淬火、中頻淬火 常用頻率為25008000Hz，淬硬深度 210mm，適用于大中模數(shù)齒輪，尺寸較大的軸類零件。 3、工頻淬火、工頻淬火 電流頻率為50Hz，淬硬深度1020mm，適用于大尺寸零件，如火車車輪，較大尺寸的軸類零件等。 感應加熱表面淬火適用的鋼材：感應加熱表面淬火適用的鋼材

3、： 中碳鋼或中碳合金鋼，如40、45、40Cr、40MnB等。如果鋼材含碳量過低，影響鋼件表面硬度和耐磨性；含碳量過高，影響鋼件心部的塑性和韌性，使鋼件不耐沖擊。 此外，對在較小沖擊載荷和交變載荷下工作的用高碳工具鋼、低合金工具鋼和鑄鐵等制造的工具、量具和冷硬軋輥等工件，也可用感應加熱表面淬火來強化其表面。 為了保證表面淬火件心部有良好的力學性能，在表面淬火前，應進行調(diào)質(zhì)或正火處理。此外，工件表面淬火后應及時進行低溫回火，以減小淬火內(nèi)應力。 感應加熱表面淬火的深度，一般零件的淬硬深度達半徑的1/10即可達到硬度、耐疲勞性和韌性的良好配合。感應加熱表面淬火的特點：感應加熱表面淬火的特點： 1、加

4、熱速度很快（幾秒鐘），相變溫度高（Ac3+100200），為870950 。 2、表面形成極細的馬氏體，硬度高（比普通淬火高23HRC）脆性小，疲勞強度高（可提高2030%）。 3、工件表面不易氧化、脫碳，變形也小。 4、工件淬硬層深度易于控制，易于機械化、自動化，生產(chǎn)率高。 但感應加熱設備較貴，安裝、調(diào)試、維修比較復雜，形狀復雜的零件感應線圈不好制造，不適合單件生產(chǎn)。 二、火焰加熱表面淬火二、火焰加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火一般利用氧乙炔火焰或氧煤氣火焰將工件表層迅速加熱到淬火溫度，立即噴水冷卻，如圖。淬硬深度一般可達26mm。適用于 單件小批生產(chǎn)及大型零件的表面淬火或局部淬火。 這種方法

5、的優(yōu)點是設備簡單、成本低、靈活性大。缺點是加熱溫度不易控制，易過熱，淬硬質(zhì)量不穩(wěn)定。三、激光加熱表面淬火三、激光加熱表面淬火 激光加熱表面淬火是用激光束掃描工件表面，使工件表面立即達到淬火溫度，激光束離開后靠工件本身散熱造成急速冷卻而達到淬火目的。 激光淬火，淬硬層深度一般為0.30.5mm,淬應層為極細的馬氏體組織,硬度高,耐磨性好。比普通淬火低溫回火可提高50%，而且能對形狀復雜的工件的拐角、溝槽、盲孔底部或深孔側(cè)壁進行淬火。 化學熱處理化學熱處理是將工件放在特殊介質(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入鋼件表層，改變表層的化學成分、組織，使工件表層具有與心部不同的機械性能或特殊的物理、化學性

6、能的熱處理工藝。 與表面淬火相比，化學熱處理除改變表層的組織，還改變表層的化學成分，所以性能提高的幅度大。通過化學熱處理可顯著提高鋼件表層的硬度、耐磨性和疲勞、提高抗氧化性和耐腐蝕性等?；瘜W熱處理不受工件形狀限制，一般均能沿工件輪廓形成均勻的滲層。這對對提高工件的性能極為有利。但化學熱處理工藝較復雜，生產(chǎn)周期較長，成本較高。各種化學熱處理都是由以下三個基本過程組成的：各種化學熱處理都是由以下三個基本過程組成的： 1、分解、分解 由介質(zhì)中分解出預滲入元素的活性原子； 2、吸收、吸收 工件表面對活性原子進行吸收。吸收的方式有兩 種，即活性原子由鋼的表面進入鐵的晶格而形成固溶體， 或與鋼中的某種元素

7、形成化合物。 3、擴散、擴散 已被工件表面吸收的原子，在一定溫度下，由表 層往里遷移，形成一定厚度的滲層。加熱溫度越高，原 子的擴散越快，滲層的厚度越大，整個化學熱處理過程 就進行的越快。在溫度確定后，滲層厚度則由保溫時間 來控制。 化學熱處理種類很多，常用的有滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲鉻、滲鋁等。一、鋼的滲碳一、鋼的滲碳 滲碳 是將低碳鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中產(chǎn)生的活性碳原子滲入工件表層，增加表層含碳量的熱處理工藝。滲碳后要進行淬火和低溫回火處理，這樣處理后能大幅度提高工件表層的硬度和耐諾性，而心部仍有良好的塑性和韌性。 滲碳主要用于承受較大沖擊和嚴重磨損條件下工作的零件，如高速

8、齒輪、活塞銷、摩擦片、套筒等。 （一）（一） 滲碳方法滲碳方法 1、氣體滲碳、氣體滲碳 這是把鋼件放入密閉的氣體滲碳爐中，加熱至900950保溫，向爐內(nèi)滴入煤油、丙酮、甲醇等，使其在高溫下分解，產(chǎn)生活性碳原子： CH42H2+C活性碳原子被工件表面吸收，并向內(nèi)擴散，形成一定厚度（0.52.5mm)的滲碳層。 氣體滲碳生產(chǎn)率高（滲碳速度平均0.20.5mm/h)，勞條件好,滲碳質(zhì)量好控制,便于直接淬火。但設備投資較大,多用于批量生產(chǎn)。（一）（一） 滲碳方法滲碳方法 2、固體滲碳、固體滲碳 是將工件置于滲碳箱中,周圍填滿固體滲碳劑,用泥密封后放入爐中加熱保溫進行滲碳. 固體滲碳劑由木炭粒(主滲劑)

9、,和BaCO3或Na2CO3(催滲劑)混合而成. 固體滲碳操作簡單,設備費用低,但生產(chǎn)率低(0.1mm/h)，耗能大，質(zhì)量不易控制。適用于小廠的單件小批生產(chǎn)。（二）（二）滲碳用鋼、滲碳層含碳量及滲碳層厚度滲碳用鋼、滲碳層含碳量及滲碳層厚度 滲碳處理最適于含碳量在0.10.25%的低碳鋼或低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi等。經(jīng)滲碳及熱處理后，心部有一定的強度和交稿的塑性及韌性。若含碳量高時，心部的韌性低。 經(jīng)滲碳后，表層含碳量一般控制在0.851.05%范圍。若含碳量偏低，會降低表層的硬度和耐磨性；而含碳量過高時，會使?jié)B層變脆。 低碳鋼件滲碳后緩冷下來的組織為，表層為珠光體+網(wǎng)狀二

10、次滲攤體，心部為鐵素體+少量珠光體，中間為過渡區(qū)。一般規(guī)定中表層到過渡區(qū)的一半處的厚度為滲碳層厚度。 具體零件的滲碳層厚度應根據(jù)工件工作條件及尺寸確定，太薄易造成疲勞剝落，太厚抗沖擊能力差。一般為0.52.5mm。（三）（三） 滲碳后的熱處理及組織滲碳后的熱處理及組織 工件 滲碳后必須進行適當?shù)臒崽幚恚捍慊鸬蜏鼗鼗鸫慊鸬蜏鼗鼗稹?滲碳后的淬火方法常用的是下面兩種： 1、直接淬火法、直接淬火法 是將工件從滲碳爐中取出，先預冷到略高于心部的Ar3溫度（約850，防止鐵素體析出）立即淬入水中或油中。 預冷可減小淬火溫差，降低應力變形，可使表層析出一些滲碳體，降低奧氏體含碳量，減少殘余奧氏體，提高工件

11、表層的硬度。 直接淬火法 不用再加熱，使操作簡化，提高生產(chǎn)率，降低成本。但淬火后馬氏體較粗，殘余奧氏體較多，工件變形較大。直接淬火法只適用于本質(zhì)細晶粒鋼或性能要求不高的零件。 2 2、 一次淬火法一次淬火法 滲碳后先出爐空冷至室溫，然后再從新加熱到淬火溫度進行一次淬火。 對工件心部性能要求較高的合金鋼件，如齒輪，淬火溫度應略高于心部的Ac3點，使心部完全奧氏體化，以細化晶粒。 對受載荷不大、主要是表面耐磨的零件，如活塞銷，淬火溫度略高于AC1,使表晶粒細小，有較多的未滲碳體。一次淬火也是使用于本質(zhì)細晶粒鋼。 滲碳后的低溫回火溫度為150250。一定要進行低溫回火。經(jīng)滲碳淬火低溫回火后的組織：經(jīng)

12、滲碳淬火低溫回火后的組織： 低碳鋼件經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后的組織，表層為細小片狀回火馬氏體+少量滲碳體和殘余奧氏體，硬度一般為5864HRC，耐磨性很好。 心部的組織決定于鋼的淬透性。若未淬透（常為15、20鋼），組織為鐵素體和珠光體（或索氏體），硬度一般為1015HRC；若淬透了（如20CrMnTi),組織中至少有50%以上的回火馬氏體，其余為鐵素體或屈氏體，硬度一般為3545HRC。二、鋼的滲氮二、鋼的滲氮 滲氮是將鋼件放入含氮介質(zhì)中加熱（550570）、保溫，使介質(zhì)中的活性氮原子滲入鋼件的表層的熱處理工藝。（一）（一） 氣體滲氮氣體滲氮 是將鋼件放入專用的氣體滲氮爐中，加熱到55057

13、0保溫，通入氨氣，氨在200 以上發(fā)生分解： 2NH32N+3H2產(chǎn)生的活性氮原子被工件表面吸收，并向內(nèi)部擴散，經(jīng)2050h可形成一定厚度（0.20.7mm)的滲氮層。 滲氮用鋼材滲氮用鋼材：一般多為含Cr、Mo、Al等元素的合金鋼，如38CrMoAl。 Cr、Mo、A等元素極易與氮形成硬度極高、高度彌散（顆粒細小、分布均勻），而且非常穩(wěn)定的氮化物，如CrN、MoN、AlN，可提高氮化效果。 工件氮化緩冷下來表面就具有很高的硬度（7075HRC）和耐磨性。為保證工件心部有良好的力學性能，在氮化前要進行調(diào)質(zhì)處理。（一）（一） 氣體滲氮氣體滲氮 與滲碳相比，滲氮有以下特點特點： 1、工件表面硬度高

14、，達11001200HV，耐磨性很好，還有很高的熱硬性（600 仍有65HRC以上）。 2、工件的疲勞強度高。 3、工件的變形小。 4、工件有很高的耐腐蝕性。 滲氮的缺點滲氮的缺點是生產(chǎn)周期長，約50h，成本較高，另外滲氮層較脆，不耐沖擊。主要用于耐磨性和精度均要求很高的零件或要求耐熱、耐磨及耐蝕的零件。例如高精度機床絲杠，鏜床主軸，精密傳動齒輪，螺桿泵的螺桿等。（二）（二） 離子滲氮離子滲氮 這是目前一種較先進的工藝?；驹硎菍⒐ぜ湃氲驼婵斩热萜鲀?nèi)，通入氮氣或氮、氫混合氣體，保持氣壓在（110）133.32Pa，以真空容器為陽極，工件為陰極,在兩極間加400700V直流電壓，使電離后的氮

15、的正離子高速沖擊工件（陰極），動能轉(zhuǎn)化為熱能，使工件表層升溫達500700的滲氮溫度，使其滲入工件表層，并向內(nèi)擴散形成滲氮層。 離子滲氮的優(yōu)點是： 處理時間短，1520h,為氣體滲氮的1/21/5。 滲氮層質(zhì)量好，脆性低，節(jié)能，無公害，操作條件好。 離子滲氮的缺點是： 形狀復雜或截面相差懸殊的零件難于達到相同的硬度和深度。 教材上還介紹了兩種碳、氮共滲工藝及特點，此外還有滲硼、滲硫及硫氮共滲等?；瘜W熱處理種類很多，各具不同特點和應用范圍。材料牌號材料牌號 Q235 Q235 放大倍數(shù)放大倍數(shù) 100 100處理狀態(tài)處理狀態(tài) 6206203h3h多元共滲多元共滲多元共滲多元共滲金相組織金相組織

16、化合物層化合物層+ +過渡區(qū)含氮固溶體過渡區(qū)含氮固溶體+ +基體基體 材料牌號材料牌號 45 45鋼鋼 放大倍數(shù)放大倍數(shù) 500500 處理狀態(tài)處理狀態(tài) 580 5803h3h多元共滲多元共滲 金相組織金相組織 化合物層（白）化合物層（白）+ +珠光體珠光體+ +鐵素體鐵素體材料牌號材料牌號 QT700-2 QT700-2 放大倍數(shù)放大倍數(shù) 500500處理狀態(tài)處理狀態(tài) 5805804h4h多元共滲多元共滲金相組織金相組織 化合物層化合物層+ +鐵素體基體鐵素體基體+ +球狀石墨球狀石墨 隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，熱處理技術(shù)得到很大發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的熱處理工藝方法。除了前面講過的激光加熱表面淬火，離子滲氮外，還有：形變熱處理，奧氏體超細化熱處理，電子