金屬材料任務(wù)四 之活動4

1、2022-5-2任務(wù)四任務(wù)四 鋼的熱處理鋼的熱處理 鋼表面熱處理建議：4課時學(xué)習(xí)活動4學(xué)習(xí)目的與要求學(xué)習(xí)目的與要求學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)熟悉并掌握鋼的表面熱處理的概念、目的、應(yīng)用。熟悉并掌握鋼的表面熱處理的方法方法、步驟、要點(diǎn)與技巧。鋼的表面熱處理的概念、目的、應(yīng)用及鋼的表面熱處理的方法方法、步驟、要點(diǎn)與技巧一、鋼表面熱處理概述 通常認(rèn)為，抗拉強(qiáng)度超過1500N/mm2或屈服強(qiáng)度超過1380N/mm2的合金結(jié)構(gòu)鋼為超高強(qiáng)度鋼。超高強(qiáng)度鋼是在合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要用于制造飛機(jī)起落架和主梁、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體、高速離心機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體和其他承受高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)部件。 1)性能要求(1)很高

2、的強(qiáng)度、比強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度在靜載荷和動載荷條件下，能承受很高的工作應(yīng)力，從而可減輕結(jié)構(gòu)重量。為保證極高的強(qiáng)度，此類鋼充分利用了馬氏體強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、化合物彌散強(qiáng)化與溶質(zhì)固溶強(qiáng)化等多種機(jī)制的復(fù)合強(qiáng)化作用。 (2)足夠的韌性一般以斷裂韌度用為評價超高強(qiáng)度鋼韌性的指標(biāo)。高的斷裂韌度，使超高強(qiáng)度鋼在復(fù)雜的環(huán)境下能承受高的工作應(yīng)力，不致發(fā)生低應(yīng)力脆斷。而改善韌性的關(guān)鍵是提高鋼的純凈度(降低雜質(zhì)硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和非金屬夾雜物體積分?jǐn)?shù))、細(xì)化晶粒并減小對碳的固溶強(qiáng)化的依賴程度(故超高強(qiáng)度鋼一般是中低碳、甚至是超低碳鋼)。 工件在服役時，經(jīng)常要求表面與心部有不同的性能。例如，發(fā)動機(jī)的曲軸，軸頸與連桿接觸要求高硬度

3、耐磨，心部要求有良好的綜合力學(xué)性能。解決這種問題的辦法是采用表面熱處理，使心部和表面具有不同的成分、組織和性能。表面熱處理主要包括表面淬火和表面化學(xué)熱處理等。 二、表面熱處理種類和方法一）表面淬火 表面淬火是利用快速加熱的方法，只將工件的表層奧氏體化，然后淬火。表面淬火不改變化學(xué)成分，只改變表層組織，心部組織并不發(fā)生變化。簡單的說，表面淬火是將鋼快速加熱至臨界溫度以上，然后快速冷卻的過程。1、目的目的：在工件表面一定深度范圍內(nèi)獲得馬氏體組織，而其心部仍保持著淬火前的組織狀態(tài)（調(diào)質(zhì)或正火狀態(tài)），以獲得表面層硬而耐磨，心部又有足夠塑性，韌性的工件。2、分類（根據(jù)加熱的熱源不同） 感應(yīng)加熱表面淬火;

4、 火焰加熱表面淬火; 電接觸加熱淬火; 電解液加熱表面淬火; 激光加熱表面淬火; 電子束加熱表面淬火； 等離子束加熱表面淬火。3、表面淬火工藝原理 鋼在非平衡加熱時的相變特點(diǎn) （1）一定的加熱速度范圍內(nèi)，臨界點(diǎn)隨加熱速度的增加而提高；(Ac3和Accm極限1130) （2）奧氏體成分不均勻性隨著加熱速度的增加而增大快速加熱時，鋼種、原始組織對奧氏體成分的均勻性有很大影響。對熱傳導(dǎo)系數(shù)小，碳化物粗大且溶解困難的高合金鋼采用快速加熱是有困難的。 （3） 提高加熱速度可顯著細(xì)化奧氏體晶粒 過熱度大奧氏體晶核不僅在鐵素體/碳化物相界面上形成，而且也可能在鐵素體的亞晶界上形成，因此使奧氏體的成核率增大；

5、 加熱時間極短奧氏體晶粒來不及長大；（4）快速加熱對過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變及馬氏體回火有明顯影響快速加熱使奧氏體成分不均及晶粒細(xì)化，減小了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使c-曲線左移。二）表面淬火的組織和性能 1、表面淬火的金相組織淬火前為退火狀態(tài)的共析鋼表面淬火后的組織： 表層：馬氏體M；向內(nèi)：珠光體P馬氏M； 心部：原始組織珠光體。淬火前為正火狀態(tài)的45鋼表面淬火后的組織： 表層：馬氏體M； 向內(nèi)：鐵素體F馬氏體M； 再向內(nèi)：鐵素體F珠光體P馬氏體M； 心部：原始組織鐵素體F珠光體P 。2、表面淬火后性能 表面硬度：快速加熱，激冷淬火后表面硬度比普通淬火高。 原因：奧氏體晶粒細(xì)化、成分不均勻。 耐磨性：工

6、件的耐磨性比普通淬火的高。 原因：奧氏體晶粒細(xì)化、成分不均勻；表面硬度高；表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)。 疲勞強(qiáng)度：采用正確的表面淬火工藝，可以顯著提高零件抗疲勞性能，降低缺口敏感性。 原因：表面強(qiáng)度提高；表面形成很大的殘余壓應(yīng)力。 （例如：40Cr，調(diào)質(zhì)加表面淬火時疲勞極限-1324N/mm2,而調(diào)質(zhì)態(tài)為235N/mm2，疲勞強(qiáng)度的提高與淬硬層深度有一定關(guān)系。層淺，強(qiáng)化效果不顯著；淬硬層深度增加，-1 隨層深的增加而增大；但淬硬層過厚時，表面殘余壓應(yīng)力下降，-1反而降低。實(shí)驗(yàn)表明：在彎曲疲勞強(qiáng)度最高時的最佳淬硬層深度1020D（工件直徑）。） 3、感應(yīng)表面加熱淬火工藝參數(shù)的確定根據(jù)零件尺寸及硬化層深度

7、的要求，合理選擇設(shè)備 設(shè)備頻率的選擇 主要根據(jù)硬化層深度來選擇：設(shè)備確定后，頻率就不能任意調(diào)節(jié)，電流頻率的透入深度是不能根據(jù)硬化層深度的要求來隨意選擇的。要實(shí)現(xiàn)透入式加熱，電流的頻率的選擇范圍為：當(dāng)硬化層深度已知，就可以找到一電流最佳頻率。實(shí)踐證明，硬化層深度為電流熱透入深度的一半時，可以得到電流最佳頻率： 比功率的選擇 比功率：指感應(yīng)加熱時工件單位表面積上所吸收的電功率；在頻率一定時，比功率愈大，加熱速度愈快；當(dāng)比功率一定時，頻率愈高，電流進(jìn)入愈淺，加熱速度愈快。比功率的選擇主要取決于頻率和要求的硬化層深度。在頻率一定時，硬化層較淺的，選用較大比功率(透入式加熱)；在層深相同情況下，設(shè)備頻率

8、較低的可選用較大比功率。4、感應(yīng)表面加熱基本原理 感應(yīng)加熱基本原理、電磁感應(yīng)原理、電流熱效應(yīng)原理5、常用表面淬火方法及其優(yōu)缺點(diǎn)（感應(yīng)加熱、火焰加熱） 感應(yīng)加熱表面淬火：利用感應(yīng)電流通過工件產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面局部加熱，繼之快速冷卻，以獲得M組織的工藝。 1) 由于感應(yīng)加熱速度極快，鋼的奧氏體化溫度明顯升高，奧氏體化時間顯著縮短，即奧氏體化是短時間內(nèi)在一個很寬的溫度范圍內(nèi)完成的。 2) 由于感應(yīng)加熱時間短、過熱度大，使得奧氏體形核多，且不易長大，因此淬火后表面得到細(xì)小的隱晶馬氏體，硬度比普通淬火的高2-3HRC，韌性也明顯提高。 3) 表面淬火后，不僅工件表層強(qiáng)度高，而且由于馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的

9、體積膨脹，在工件表層造成了有利的殘余壓應(yīng)力，從而有效地提高了工件的疲勞強(qiáng)度并降低了缺口敏感性。 4) 感應(yīng)加熱速度快、時間短，工件一般不會發(fā)生氧化和脫碳；同時由于芯部未被加熱，淬火變形小。 5) 感應(yīng)加熱表面淬火的生產(chǎn)效率高，便于實(shí)際機(jī)械化和自動化；但因設(shè)備費(fèi)用昂貴，不宜用于單件生產(chǎn)?；鹧婕訜岜砻娲慊穑河靡环N火焰在一個工件表面上若干尺寸范圍內(nèi)加熱，使其奧氏體化并淬火的工藝。 供給表面的熱量供給表面的熱量表面?zhèn)鹘o心部表面?zhèn)鹘o心部+散失的熱量散失的熱量表面淬火表面淬火 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、使用方便、成本低；不受工件體積大小的限制，可靈活移動使用；淬火后表面清潔，無氧化、脫碳現(xiàn)象，變形也??； 缺點(diǎn)：表面

10、容易過熱；較難得到小于2mm的淬硬層深度，只適用于火焰噴射方便的表層上；采用的混合氣體有爆炸危險 1）感應(yīng)加熱表面淬火 2）火焰加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火示意圖 感應(yīng)加熱表面淬火示意圖 表面加熱淬火時，通常不一直冷到底，利用心部的余熱使工件進(jìn)行自回火，或者表面淬火后進(jìn)行一次低溫回火。 表面淬火實(shí)例三、鋼的表面化學(xué)熱處理三、鋼的表面化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是通過改變工件表層的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)，來獲得對其心部和表層不同性能要求的熱處理方法。將工件置于含有欲滲元素的活性介質(zhì)中，加熱到預(yù)定的溫度并保溫一定的時間，使該元素滲入要求的深度，以改變表層的成分和組織。 化學(xué)熱處理的基本程序大致如下：(1)

11、將工件加熱到一定溫度，有利于滲入元素活性原子被它吸收；(2)由化合物分解或離子轉(zhuǎn)變得到滲入元素的活性原子；(3)活性原子被吸附，并溶入工件表面，形成固溶體并在活性原子濃度很高時形成化合物；(4)滲入原子在一定溫度下，由表層向內(nèi)擴(kuò)散，形成一定的擴(kuò)散層。1、化學(xué)熱處理的基本過程 (1)分解： (2)吸收： (3)擴(kuò)散：2、常見工業(yè)化學(xué)熱處理(1)滲滲C 鋼種：低中碳鋼滲C溫度：900-950C種類：氣體、固體、液體滲碳法原理: 擴(kuò)散組織：（想想？）滲碳層深度： 表面滲碳法示意圖 滲碳滲碳概概念念：將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使：將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝稱為

12、滲碳?；钚蕴荚訚B入鋼的表層的工藝稱為滲碳。 滲碳滲碳目目的的：通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使：通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲勞性能，而心部具表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲勞性能，而心部具有一定的強(qiáng)度和良好的韌性配合有一定的強(qiáng)度和良好的韌性配合。 滲碳方法滲碳方法：滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體：滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。 滲碳用鋼滲碳用鋼：含碳量為：含碳量為0.1%0.1%0.25%0.25%的低碳鋼和低碳合的低碳鋼和低碳合 金鋼。金鋼。 鋼的滲氮 概念概念：滲氮俗稱氮化，是

13、指在一定溫度下使活性氮原滲氮俗稱氮化，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的熱處理工藝。子滲入工件表面的熱處理工藝。 目的：目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等。性和耐蝕性等。 滲氮方法滲氮方法：氣體滲氮、離子滲氮等。生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是：氣體滲氮、離子滲氮等。生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣體滲氮。氣體滲氮。 滲滲氮用鋼：氮用鋼：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如2020，4040等；一般合金結(jié)等；一般合金結(jié)構(gòu)鋼，如構(gòu)鋼，如40Cr40Cr等；滲等；滲氮氮專用鋼，如專用鋼，如38CrMoAlA38CrMoAlA。 其它化學(xué)熱處理方法：

14、碳氮同時滲入工件表層。提高表面硬度、抗碳氮同時滲入工件表層。提高表面硬度、抗疲勞性和耐磨性，并兼具滲碳和滲氮的優(yōu)點(diǎn)。疲勞性和耐磨性，并兼具滲碳和滲氮的優(yōu)點(diǎn)。 滲鉻：滲鉻：有較好的耐蝕性和優(yōu)良的抗氧化性、硬度和耐磨性，有較好的耐蝕性和優(yōu)良的抗氧化性、硬度和耐磨性，可代替不銹鋼和耐熱鋼用于機(jī)械和工具制造?？纱娌讳P鋼和耐熱鋼用于機(jī)械和工具制造。 滲硼：滲硼：十分優(yōu)秀的耐磨性、耐腐蝕磨損和泥漿磨損的能十分優(yōu)秀的耐磨性、耐腐蝕磨損和泥漿磨損的能力，耐磨性明顯優(yōu)于滲氮、碳和碳氮共滲層，但不耐大力，耐磨性明顯優(yōu)于滲氮、碳和碳氮共滲層，但不耐大氣和水的腐蝕。主要用于泥漿泵零部件、熱作模具和工氣和水的腐蝕。主要用于泥漿泵零部件、熱作模具和工件夾具。件夾具。 (2)滲滲N (3)C,N共滲共滲(4)滲滲B3. 作用機(jī)理(1)固溶強(qiáng)化