三、鋼的表面熱處理

1、三、鋼的表面熱處理 表面熱處理是指為改變工件表面的組織和性能，僅對(duì)工件表層進(jìn)行的熱處理工藝。1、表面淬火鋼的表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，迅速冷卻，使工件表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的組織的熱處理工藝。表面淬火的方法很多，目前廣泛應(yīng)用的有感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火等。（1）感應(yīng)淬火感應(yīng)淬火是指利用感應(yīng)電流通過(guò)工件所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火。1）感應(yīng)淬火頻率的選用在生產(chǎn)中，根據(jù)對(duì)零件表面有效淬硬層深度的要求，選擇合適的頻率。高頻感應(yīng)淬火 常用頻率為200300KHz，淬硬層深度為0.52mm。主要用于要求淬硬層較薄的中、小模數(shù)齒

2、輪和中、小尺寸軸類零件等。中頻感應(yīng)淬火 常用頻率為25008000Hz，淬硬層深度為210mm。主要用于大、中模數(shù)齒輪和較大直徑軸類零件。工頻感應(yīng)淬火 電流頻率為50Hz，淬硬層深度為1020mm。主要用于大直徑零件（如軋輥、火車(chē)車(chē)輪等）的表面淬火和直徑較大鋼件的穿透加熱。 超高頻感應(yīng)淬火 電流頻率一般為2040KHz，它兼有高、中頻加熱的優(yōu)點(diǎn)，淬硬層深度略高于高頻，而且沿零件輪廓均勻分布。所以，它對(duì)用高、中頻感應(yīng)加熱難以實(shí)現(xiàn)表面淬火的零件有著重要作用，適用于中小模數(shù)齒輪、花鍵軸、鏈輪等。2）感應(yīng)淬火加熱的特點(diǎn)與普通加熱淬火相比，感應(yīng)加熱表面淬火有以下特點(diǎn)：感應(yīng)加熱速度極快 一般只需要幾秒至幾

3、十秒時(shí)間就可以達(dá)到淬火溫度。工件表層獲得極細(xì)小的馬氏體組織，使工件表層具有比普通淬火稍高的硬度（高23HRC）和疲勞強(qiáng)度，且脆性較低。工件表面質(zhì)量好 由于快速加熱，工件表面不易氧化、脫碳、且淬火時(shí)工件變形小。生產(chǎn)效率高 便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，淬硬層深度也易控制。上述特點(diǎn)使感應(yīng)加熱表面淬火得到廣泛應(yīng)用，但其工藝設(shè)備較貴，維修調(diào)整困難，不易處理形狀復(fù)雜的零件。感應(yīng)淬火最適宜的鋼種是中碳鋼（如40鋼、45鋼）和中碳合金鋼（如40Cr鋼、40MnB鋼等），也可用于高碳工具鋼、含合金元素較少的合金工具鋼及鑄鐵等。 一般表面淬火前應(yīng)對(duì)工件正火或調(diào)質(zhì)，以保證心部有良好的力學(xué)性能，并為表層加熱作好組織準(zhǔn)備。

4、表面淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火，以降低淬火應(yīng)力和脆性。（2）火焰淬火（見(jiàn)書(shū)）2、鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是指將工件置于適當(dāng)?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，以改變化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理的基本過(guò)程是：活性介質(zhì)在一定溫度下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分解，形成滲入元素的活性原子；活性原子被工件表面吸收，即活性原子溶入鐵的晶格形成固溶體或與鋼中某種元素形成化合物；被吸收的活性原子由工件表面逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定深度的滲層。 目前常用的化學(xué)熱處理有：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。（1）滲碳所謂滲碳是將工件放入滲碳?xì)夥罩?，并?00950的溫度下加熱、保溫，以提高工件表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

5、并在其中形成一定的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度的化學(xué)熱處理工藝。其目的是使工件表面具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強(qiáng)度和較高的韌性。齒輪、活塞銷等零件常采用滲碳處理。1）滲碳的方法 滲碳所用介質(zhì)稱為滲碳劑，根據(jù)滲碳劑的不同，滲碳的方法分為固體滲碳、氣體滲碳、真空滲碳和液體滲碳等。 2） 滲碳用鋼、滲碳后組織及熱處理 滲碳用鋼為低碳鋼和低碳合金鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.1%0.25%。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，將降低工件心部的韌性。%1.05%范圍。滲碳緩冷后，表層為過(guò)共析組織，與其相鄰為共析組織，再向里為亞共析組織的過(guò)渡層，心部為原低碳鋼組織。一般規(guī)定，從滲碳工件表面向內(nèi)至碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為規(guī)定值處(一般Wc0

6、.4%)的垂直距離為滲碳層深度。工件的滲碳層深度取決于工件尺寸和工作條件，一般為0.52.5mm。工件滲碳后必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，即淬火并低溫回火，才能達(dá)到性能要求。滲碳件的熱處理工藝有三種，如圖3-35所示。 直接淬火法 先將滲碳件自滲碳溫度預(yù)冷至某一溫度（一般為850880），立即淬入水或油中，然后再進(jìn)行低溫回火。預(yù)冷是為了減少淬火應(yīng)力和變形。直接淬火法操作簡(jiǎn)便，不需重新加熱，生產(chǎn)率高，成本低，脫碳傾向小。但由于滲碳溫度高，奧氏體晶粒易長(zhǎng)大，淬火后馬氏體粗大，殘留奧氏體也較多，所以工件耐磨性較低，變形較大。此法適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼或受力不大，耐磨性要求不高的零件。 一次淬火法 工件滲碳后出爐

7、緩冷，然后再重新加熱進(jìn)行淬火、低溫回火。由于工件在重新加熱時(shí)奧氏體晶粒得到細(xì)化，因而可提高鋼的力學(xué)性能。此法應(yīng)用比較廣泛。二次淬火法 第一次淬火是為了改善心部組織和消除表面網(wǎng)狀二次滲碳體，加熱溫度為Ac3以上3050。第二次淬火是為細(xì)化工件表層組織，獲得細(xì)馬氏體和均勻分布的粒狀二次滲碳體，( a)直接淬火 (b) 一次淬火 ( c)二次淬火圖 3-35 滲碳體常用的熱處理方法加熱溫度為Ac1以上3050。二次淬火法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，變形大，只適用于表面耐磨性和心部韌性要求高的零件或本質(zhì)粗晶粒鋼。 滲碳件淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火（一般150200）。直接淬火和一次淬火經(jīng)低溫回火后，表層組

8、織為回火馬氏體和少量滲碳體，二次淬火表層組織為回火馬氏體和粒狀滲碳體。滲碳、淬火回火后的表面硬度均為5864HRC，耐磨性好，心部組織取決于鋼的淬透性，低碳鋼一般為鐵素體和珠光體，硬度137183HBS。低碳合金鋼一般為回火低碳馬氏體、鐵素體和托氏體，硬度3545HRC，并具有較高的強(qiáng)度、韌性和一定的塑性。 （2）鋼的氮化（滲氮）它是指在一定溫度下（一般在Ac1）以下，使活性氮原子滲入鋼件表面的化學(xué)熱處理工藝。其目的是使工件表面獲得高硬度、高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度和高熱硬性和良好耐蝕性，因氮化溫度低，變形小，應(yīng)用廣泛。常用的氮化方法有：氣體滲氮和離子滲氮。 氣體滲氮 它是利用氨氣在加熱時(shí)分解產(chǎn)生的

9、活性氮原子滲入工件表面形成氮化層，同時(shí)向心部擴(kuò)散的熱處理工藝。常用方法是將工件放人通有氨氣的井式滲氮爐中，加熱到500570，使氨氣分解出活性氮原子N，活性氮原子N被工件表面吸收，并向內(nèi)部逐漸擴(kuò)散形成滲氮層。應(yīng)用最廣泛的滲氮用鋼是38CrMoAl鋼，鋼中Cr、Mo、Al等元素在滲氮過(guò)程中形成高度彌散、硬度很高的穩(wěn)定氮化物(CrN、MoN、A1N)，使?jié)B氮后工件表面有很高的硬度（10001200HV，相當(dāng)于72HRC）和耐磨性，因此滲氮后不需再進(jìn)行淬火。且在600左右時(shí)，硬度無(wú)明顯下降，熱硬性高。滲氮前零件須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以保證心部的強(qiáng)度和韌性。對(duì)于形狀復(fù)雜或精度要求較高的零件，在滲氮前精加工后還

10、要進(jìn)行消除應(yīng)力的退火，以減少滲氮時(shí)的變形。滲氮主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件或承受交變載荷的重要零件，以及要求耐熱、耐蝕、耐磨的零件，如精密機(jī)床的主軸、蝸桿、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、高速精密齒輪等。但由于氮化溫度低，所需時(shí)間特別長(zhǎng)，一般氮化3060h，才能獲得0.20.5mm的氮化層，因此限制了它的應(yīng)用。 離子氮化 它是一種較先進(jìn)的工藝，是指在低真空的容器內(nèi)，保持氮?dú)獾膲簭?qiáng)為133.321333.32Pa，在400700V的直流電壓作用下，迫使電離后的氮離子高速?zèng)_擊工件（陰極），被工件表面吸收，并逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散形成滲氮層。離子氮化的特點(diǎn)是：滲氮速度快，時(shí)間短（僅為氣體滲氮的1/51/2）；滲碳層質(zhì)量好，對(duì)材料的適應(yīng)性強(qiáng)。目前離子氮化已廣泛應(yīng)用于機(jī)床零件（如主軸、精密絲杠、傳動(dòng)齒輪等）、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零件（如活塞銷、曲軸等）及成型刀模具等。但對(duì)形狀復(fù)雜或截面相差懸殊的零件，滲氮后很難同時(shí)達(dá)到相同的硬度和滲氮