熱處理工藝講解概述

1、熱處理工藝講解概述3.1.3 淬火將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后以大于上臨界冷速快速冷卻的熱處理工藝稱為淬火，通稱蘸火。獲得的組織：多數(shù)情況下為馬氏體，有時(shí)為貝氏體，以及少量殘余奧氏體和未溶的第二相。淬火后必須有回火與之配合。淬火目的提高硬度和耐磨性。如刃具、量具、模具等。提高強(qiáng)度和韌性。各種機(jī)器零件。提高硬磁性。如用高碳鋼和磁鋼制造的永久磁鐵。提高彈性。如彈簧鋼。提高耐蝕性和耐熱性。不銹鋼和耐熱鋼。淬火是鋼最重要的強(qiáng)化方法。一、淬火工藝參數(shù)（1）加熱溫度亞共析鋼：Ac3+3050C過(guò)共析鋼：Ac1+3050C對(duì)亞共析鋼，若加熱溫度低于Ac3，組織中會(huì)保留一部分鐵素體，使淬火后的強(qiáng)

2、度和硬度都較低；若加熱溫度高，又容易引起奧氏體晶粒粗化，使淬火鋼的機(jī)械性能變壞。對(duì)過(guò)共析鋼，加熱到Ac1+3050C，組織中會(huì)保留少量二次滲碳體，而有利于鋼的硬度和耐磨性。并且，由于降低了奧氏體中的碳含量，不但可以改變馬氏體形態(tài)（減少粗片狀），降低脆性，而且還可減少淬火后殘余奧氏體量，見(jiàn)圖3-6，有利于鋼的硬度提高和減少變形。圖3-6 奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)參余奧氏體的影響一、淬火工藝參數(shù)（2）保溫時(shí)間淬火加熱保溫時(shí)間按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算： t=KD式中 t保溫時(shí)間（min) 保溫時(shí)間系數(shù)（min/mm) K工件裝爐方式修正系數(shù) D工件有效厚度（mm)一、淬火工藝參數(shù)（3）淬火冷卻介質(zhì)及方式 冷卻

3、是淬火工藝中最重要的工序，它關(guān)系到淬火質(zhì)量的好壞，同時(shí)，冷卻也是淬火工藝中最容易出問(wèn)題的一道工序。為了獲得馬氏體組織，淬火時(shí)冷卻速度必須大于上臨界冷卻速度，但是冷卻速度過(guò)大又會(huì)使工件淬火應(yīng)力增加，產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。解決這一矛盾的理想淬火冷卻曲線如圖3-7所示。 實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)不同情況選擇不同的冷卻方法和冷卻介質(zhì)來(lái)盡可能達(dá)到理想的目的.圖3-7 理想淬火冷卻曲線示意圖（3）淬火冷卻介質(zhì)及方式（1）單介質(zhì)淬火法鋼件奧氏體化后，置于一種冷卻介質(zhì)中冷卻的方法，叫做單介質(zhì)淬火法。圖3-8。碳鋼一般用水冷卻，合金鋼用油冷卻。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)用廣。缺點(diǎn)：水淬變形開(kāi)裂傾向大；油淬冷卻速度小，大件

4、淬不硬。應(yīng)用：適于形狀簡(jiǎn)單及小尺寸鋼件的淬火。圖3-8 不同淬火方法示意圖（3）淬火冷卻介質(zhì)及方式（2）雙介質(zhì)淬火法鋼件奧氏體化后，先在一種強(qiáng)冷卻介質(zhì)中冷卻，當(dāng)鋼件冷卻到400 以下時(shí)，迅速轉(zhuǎn)入另一種弱冷卻介質(zhì)中冷卻的方法。見(jiàn)圖3-8曲線2。碳鋼常先水冷后油冷,合金鋼常先油冷后空冷。優(yōu)點(diǎn)：馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，減少了變形和開(kāi)裂的可能性。缺點(diǎn)：操作復(fù)雜，要求操作人員具有經(jīng)驗(yàn)。（3）淬火冷卻介質(zhì)及方式（3）分級(jí)淬火鋼件奧氏體化后，迅速淬入稍高于Ms點(diǎn)的恒溫鹽浴中，保溫適當(dāng)時(shí)間，在發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變之前，并且鋼件內(nèi)外都達(dá)到鹽浴溫度后取出空冷的方法。見(jiàn)圖3-8曲線3。常用硝鹽（55%KNO3+45%

5、NaNO3)作鹽浴。優(yōu)點(diǎn)：減少熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，從而降低鋼件變形和開(kāi)裂的傾向。缺點(diǎn)：鹽浴冷卻能力小，只能處理小件應(yīng)用：形狀復(fù)雜和截面不均勻的小件（刀具）。圖3-8 不同淬火方法示意圖（3）淬火冷卻介質(zhì)及方式（4）等溫淬火鋼件奧氏體化后，迅速淬入稍高于Ms點(diǎn)的恒溫鹽浴中，保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，直至奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，然后出爐空冷的方法。見(jiàn)圖3-8曲線4。優(yōu)點(diǎn)：大大降低了淬火內(nèi)應(yīng)力，減少了變形。缺點(diǎn)：生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。應(yīng)用：形狀復(fù)雜和精度要求高的小件，如彈簧、螺栓、小齒輪、軸及絲錐等。高合金鋼較大截面零件的淬火。二、鋼的淬透性（1）淬透層深度以零件表面至內(nèi)部半馬氏體區(qū)（50%M）的距離為淬透

6、層深度。鋼件實(shí)際淬火的淬透層深度，隨鋼的淬火臨界冷速、鋼件截面尺寸和淬火介質(zhì)的冷卻能力而變化。圖3-9淬火時(shí)零件截面各層冷速與顯微組織的關(guān)系圖3-10 淬火試樣斷面上馬氏體量和硬度的變化（2）鋼的淬透性及測(cè)定方法鋼在淬火時(shí)形成馬氏體的能力叫做鋼的淬透性。其大小用鋼在一定條件下淬火形成的淬透層深度來(lái)表示。淬透性一般用“末端淬火法”來(lái)測(cè)量，見(jiàn)圖3-11。其淬透性值用J 表示。其中J表示末端淬火的淬透性，d表示距水冷端的距離，HRC為該處的硬度。GB225-88.淬透性是鋼的固有屬性，取決于鋼的淬火臨界冷速的大小。HRCd圖3-11 末端淬火法測(cè)定鋼的淬透性（3）淬透性與淬硬性、淬透層深度淬硬性是指

7、鋼淬火后能夠達(dá)到的最大硬度。淬硬性主要與鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。見(jiàn)圖3-12。淬透性雖然用淬透層深度表示，但與零件實(shí)際淬透層深度不同。淬透性是鋼在規(guī)定工藝條件下的一種性能，是確定的，可以比較的。零件實(shí)際淬透層深度是變化的，除與鋼的淬透性有關(guān)外，還與零件尺寸大小及冷卻介質(zhì)的冷卻能力有關(guān)。圖3-12 碳含量對(duì)馬氏體硬度的影響（4）淬透性的實(shí)用意義零件承受純拉伸或壓縮載荷時(shí)（拉桿），因要求截面上的機(jī)械性能相同，所以應(yīng)選用淬透性好的鋼。承受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷的零件（軸類），外層受力大，心部受力小，可用低淬透性的鋼。焊接結(jié)構(gòu)用鋼，應(yīng)選用低淬透性鋼，以防止焊縫熱影響區(qū)形成馬氏體，增大焊接變形和開(kāi)裂的傾向。三、淬火

8、缺陷變形與開(kāi)裂是淬火最常見(jiàn)的兩種缺陷。缺陷產(chǎn)生原因是由淬火應(yīng)力引起的。淬火應(yīng)力包括熱應(yīng)力（鋼件內(nèi)部溫度分布不均引起的內(nèi)應(yīng)力）和組織應(yīng)力（馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)體積膨脹不均勻引起的內(nèi)應(yīng)力）。淬火應(yīng)力超過(guò)鋼的屈服極限時(shí)，引起鋼件變形。淬火應(yīng)力超過(guò)鋼的強(qiáng)度極限時(shí)，引起鋼件開(kāi)裂。3.1.4 鋼的回火將淬火后（或正火后）的鋼件重新加熱至Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后出爐冷卻到室溫的熱處理工藝叫做回火。一、回火目的（1）消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止鋼件開(kāi)裂。（2）使不穩(wěn)定的馬氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定 組織，防止鋼件尺寸改變。（3）獲得要求的綜合機(jī)械性能，主要是塑性和韌 性。二、回火工藝（1）回火溫度低溫回火

9、低溫回火溫度范圍一般為150250。組織：回火馬氏體（低過(guò)飽和度的固溶體+碳化物）+殘余奧氏體。性能特點(diǎn)：顯著降低了淬火應(yīng)力和脆性，保持高硬度（5864HRC）和高耐磨性。應(yīng)用：淬火高碳鋼和高合金鋼的模具、量具及工具。思考題在“淬火+低溫回火”的熱處理工藝中，淬火時(shí)要盡可能減少殘余奧氏體，因?yàn)閵W氏體是硬度低的塑性相，過(guò)多殘余奧氏體的存在會(huì)使硬度不足。那么，能獲得完全無(wú)殘余奧氏體的的馬氏體嗎？為什么？由于馬氏體是不穩(wěn)定相，其中的碳原子有自發(fā)析出的傾向，那么，在低溫回火時(shí)，碳原子除了以/過(guò)度碳化物析出外，有沒(méi)有可能擴(kuò)散進(jìn)入殘余奧氏體中而使殘余奧氏體變得更穩(wěn)定（因?yàn)樘己可撸琈s點(diǎn)降低）？試著查找

10、這樣的資料。（1）回火溫度中溫回火回火溫度一般為350500。組織：回火屈氏體（針狀相+細(xì)小粒狀和片狀滲碳體）性能特點(diǎn)：應(yīng)力基本消除，硬度有所降低（3545HRC），但具有極好的彈性極限和屈服強(qiáng)度。應(yīng)用：處理各種彈簧。（1）回火溫度高溫回火回火溫度：500650。組織：回火索氏體（多邊形+粒狀滲碳體）。性能：綜合機(jī)械性能最好，即強(qiáng)度、塑性和韌性具有最佳的配合，硬度一般為2535HRC。應(yīng)用：通常把淬火+高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。主要用于中碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼制造的各種機(jī)械結(jié)構(gòu)件，如連桿、軸、齒輪等。調(diào)質(zhì)與正火的比較鋼調(diào)質(zhì)處理后的機(jī)械性能和正火相比，不僅強(qiáng)度高，而且塑性和韌性也較好，見(jiàn)表3-2。調(diào)質(zhì)滲

11、碳體為粒狀，正火滲碳體為片狀。粒狀組織對(duì)阻止斷裂發(fā)展比片狀有利。表3-2 45鋼（20-40mm）調(diào)質(zhì)和正火后的機(jī)械性能比較工藝機(jī)械性能組織b,MN/m2,%k,KJ/ m2HB正火調(diào)質(zhì)700-800750-85012-2020-25500-800800-1200163-220210-250細(xì)片狀珠光體+鐵素體回火索氏體調(diào)質(zhì)、正火、等溫淬火與亞溫淬火調(diào)質(zhì)：只有在完全淬透得到馬氏體組織的條件下，通過(guò)高溫回火才能獲得優(yōu)良的性能。因此，不適合過(guò)大和形狀復(fù)雜的零件。易變形和開(kāi)裂，工藝復(fù)雜。正火：工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，在零件性能要求不是很高時(shí)，多采用正火處理。等溫淬火：在飛機(jī)和航天工業(yè)，為了減少零件變形，簡(jiǎn)化

12、最終熱處理操作，通常采用等溫淬火來(lái)代替調(diào)質(zhì)，同樣可獲得優(yōu)良的性能。亞溫淬火:將亞共析鋼在Ac1Ac3之間的溫度進(jìn)行奧氏體化或形變，此時(shí)組織中保留部分鐵素體，然后快速冷卻淬火，最終組織為網(wǎng)狀鐵素體包圍珠光體和馬氏體力學(xué)性能特點(diǎn)是塑性好，強(qiáng)度和硬度高。鋼亞溫淬火組織抗拉強(qiáng)度MPa規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度MPa延伸率%鋼正火組織圖3-13 亞溫淬火與正火組織及性能比較（2）回火保溫時(shí)間鋼件淬火后應(yīng)盡快回火，以防開(kāi)裂。一般回火時(shí)間為13小時(shí)?；虬唇?jīng)驗(yàn)公式確定：th=Kh+AhD式中 th回火時(shí)間（min) Kh回火時(shí)間基數(shù)（min) Ah回火時(shí)間系數(shù)（min/ mm) D工件有效厚度（mm)回火條件300C

13、以下300-450C450C以上氣體鹽浴氣體鹽浴氣體鹽浴Kh1201202015103Ah10.410.410.4（3）回火后的冷卻一般在空氣中冷卻，特殊情況（產(chǎn)生回火脆性），緩冷或急冷。3.2 表面加熱熱處理3.2.1 概述磨損是機(jī)械零件失效的主要形式之一，通過(guò)改變零件材料表面組織，提高其硬度，進(jìn)而提高耐磨性，不但簡(jiǎn)單易行，效果好，而且成本低，具有很好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)綜合效益。表面熱處理：僅對(duì)鋼的表面加熱、冷卻而獲得表面硬化層的熱處理工藝稱為表面熱處理。目的：提高材料的表面硬度，從而提高耐磨性。兼具提高耐疲勞性能。工藝種類（按加熱方式）：火焰加熱表面熱處理感應(yīng)加熱表面熱處理激光加熱表面熱處理電子

14、束加熱表面熱處理電接觸加熱表面熱處理3.2.2 快速加熱對(duì)表面淬火時(shí)相變的影響實(shí)現(xiàn)表面加熱的關(guān)鍵是加熱裝置能提供高的熱流密度。一般箱式電爐熱流密度約為23W/cm,此時(shí)加熱直徑100mm的鋼棒截面溫差只有30，因此不能實(shí)現(xiàn)表面加熱。 一般認(rèn)為若加熱裝置能提供10W/cm的能量密度，則其加熱速度遠(yuǎn)比一般加熱爐中要大，此時(shí)在零件表層內(nèi)的溫度梯度很高，才能實(shí)現(xiàn)表面加熱快速加熱對(duì)表面淬火時(shí)相變的影響提高加熱速度將使Ac3、Accm、Ac1線升高。見(jiàn)圖3-14和圖3-15。圖3-14 加熱速度對(duì)Ac3、Accm的影響。圖3-15共析鋼加熱速度與Ac1的關(guān)系加熱速度對(duì)Ac1s影響有限，但對(duì)Ac1f影響大

15、快速加熱將使奧氏體的起始晶粒顯著細(xì)化，形成極細(xì)的起始晶粒，并由于在較高速度加熱下起始晶粒不易長(zhǎng)大，從而使奧氏體晶粒細(xì)化。 快速加熱條件下形成的奧氏體，其含碳量依加熱速度提高而偏離其平均成分，形成不均勻的奧氏體區(qū)，見(jiàn)圖3-16和圖3-17。此外由于大部分合金元素在碳化物中富集，從而使合金元素在快速加熱時(shí)更難溶于奧氏體，并不易均勻化。 原始組織對(duì)奧氏體均勻化有很大影響，見(jiàn)圖3-18，因此表面淬火前正確選擇預(yù)備熱處理使碳化物或自由鐵素體分布均勻細(xì)小，將有利于快速加熱時(shí)這些相的溶解及奧氏體的均勻化。圖3-16 T8鋼在感應(yīng)加熱時(shí)奧氏體的成分與加熱速度、原始組織及溫度的關(guān)系 1-粒狀珠光體，2000/S

16、加熱 2-粒狀珠光體，150/S加熱 3-淬火組織， 150/S加熱 圖3-17 T12鋼加熱時(shí)Fe3C溶解動(dòng)力學(xué)曲線(加熱速度450/S)圖3-18 加熱速度對(duì)45鋼不同原始組織下臨界點(diǎn)的影響1-退火組織 2、3-自由鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體溫度范圍4-Fe-Fe轉(zhuǎn)變溫度 5-淬火組織 6-調(diào)質(zhì)組織 由于在快速加熱時(shí)形成的奧氏體其組織及成分不夠均勻，將顯著影響過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與動(dòng)力學(xué)特征。主要表現(xiàn)在：由于存在較多未溶碳化物及碳在奧氏體內(nèi)的不均勻分布，所以降低了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，改變了馬氏體點(diǎn)（Ms、Mf）及馬氏體組織形態(tài)。隨著奧氏體含碳量的降低，Ms點(diǎn)升高，淬火鋼中板條馬氏體數(shù)量增多。 由于

17、快速加熱淬火的表層多為板條馬氏體，并且馬氏體成分又不均勻，在淬火過(guò)程中低碳馬氏體區(qū)易發(fā)生自行回火，因此回火溫度一般應(yīng)比普通回火低。3.2.3 表面淬火后的組織與性能（1）表面淬火層由淬硬層、過(guò)度層及毗鄰的心部原始組織組成。圖3-19為45鋼在表面加熱淬火后組織和硬度的分布。第區(qū)溫度高于Ac3，全部為馬氏體，稱為全淬火層；第區(qū)為溫度在Ac3Ac1之間，組織為馬氏體+自由鐵素體，稱為過(guò)度層；第區(qū)加熱溫度低于Ac1,為原始組織。圖3-19表面淬火后組織和硬度分布示意圖1-45鋼，2-T8鋼，-硬化層3.2.3 表面淬火后的組織與性能（2） 傳統(tǒng)上一般采用顯微組織檢驗(yàn)法，精度差。 新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：表面淬火

18、的有效硬化層深度（DS是從零件表面到維氏硬度（HV）等于規(guī)定硬度值（極限硬度值，（HV）HL）的那一層之間的距離。 （HV）HL=0.8（HV）MS 式中（HV）MS為零件要求的最小表面硬度。表面硬度：經(jīng)高、中頻加熱和噴射冷卻的零件，其表面硬度往往比普通淬火高25個(gè)HRC，見(jiàn)圖3-20。這主要與奧氏體晶粒細(xì)化和表層高壓應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)加熱速度一定，在某一溫度范圍內(nèi)可出現(xiàn)增硬現(xiàn)象，見(jiàn)圖3-21。圖3-20 含碳量對(duì)高頻淬火后硬度的影響圖3-21 不同加熱速度下CrWMn鋼表面硬度與淬火溫度的關(guān)系，加熱速度/S耐磨性 高、中頻淬火后零件的耐磨性比普通淬火高，見(jiàn)圖3-22。圖3-22 普通淬火與高頻淬火

19、的磨損對(duì)比-爐中加熱-高頻加熱1-淬火未回火2-淬火200回火3-淬火400回火疲勞強(qiáng)度 表面淬火顯著地提高了零件的疲勞強(qiáng)度。 表3-5 40Cr鋼不同處理工藝對(duì)缺口敏感性的影響 疲勞強(qiáng)度與硬化層深度之間有最佳點(diǎn)。見(jiàn)圖3-23。試樣形式疲勞強(qiáng)度 -1/MPa調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)+表面淬火20mm光滑試樣20mm缺口試樣450480140630600圖3-23 硬化層深度對(duì)疲勞斷裂應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的影響含碳w（C）=0.74%，直徑10mm3.2.4 火焰加熱表面熱處理（1）火焰加熱表面熱處理，亦稱火焰加熱表面淬火，是用可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的火焰快速加熱鋼件表面，當(dāng)達(dá)到淬火溫度時(shí)立即噴水冷卻，從而獲得預(yù)期的硬度和淬

20、硬層深度的表面熱處理工藝。圖3-24火焰加熱表面淬火示意圖3.2.4 火焰加熱表面熱處理（2）淬硬層厚度：通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴與工件的距離和移動(dòng)速度，可以獲得不同厚度的淬硬層。一般在26 mm。表面淬火后一般需進(jìn)行200C左右的低溫回火。鋼的種類：中碳鋼（35、40）及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼(40Cr、65Mn）等。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，靈活性大，投資低，成本低。缺點(diǎn)：生產(chǎn)率低，質(zhì)量控制困難，不易得到較?。ㄐ∮?mm）的淬硬層。應(yīng)用：?jiǎn)渭?、小批量生產(chǎn)或其他方法處理不了的大件。3.2.5 感應(yīng)加熱表面熱處理（1）利用電磁感應(yīng)加熱 原理，使工件表面 快速加熱后急冷而 獲得一定厚度表面 硬化層的熱處理工 藝方法，也叫感應(yīng)

21、 加熱表面淬火。圖3-25感應(yīng)加熱表面淬火示意圖感應(yīng)加熱的頻率選用及淬透層深度 感應(yīng)加熱時(shí)，電流透入工件表層的深度（ mm），主要與電流頻率（Hz）有關(guān)。對(duì)于碳鋼，存在以下的關(guān)系： =500/ 可見(jiàn)，電流頻率越高，電流透入深度越淺，即淬透層越薄。因此，通過(guò)控制頻率可以獲得不同的淬硬層深度。感應(yīng)加熱一般分三類：a.高頻電子管式加熱裝置:=200300KHz,淬硬層厚度0.52mm,用于在摩擦條件下工作的中小型零件，如小模數(shù)齒輪，小軸等。b.中頻發(fā)電機(jī)或可控硅中頻發(fā)生器：=25008000Hz,淬硬層厚度25mm，用于承受扭、壓應(yīng)力的中性零件，如大中模數(shù)齒輪、曲軸、磨床主軸等直徑較大的軸類等。c.

22、工頻發(fā)電機(jī)： =50Hz，淬硬層厚度大于1015mm，大直徑零件（大于300mm)。感應(yīng)加熱表面熱處理的特點(diǎn) ：高頻感應(yīng)加熱時(shí)相變速度極快，一般只需幾秒或幾十秒，與一般淬火相比，其組織和性能有以下特點(diǎn)：感應(yīng)加熱速度快，鋼的奧氏體化是在較大的過(guò)熱度（Ac3以上80150C）下進(jìn)行的，因此晶核多，且不易長(zhǎng)大，淬火后組織為細(xì)隱晶馬氏體，表面硬度比一般淬火高23HRC，脆性低。表層淬得馬氏體后，由于體積膨脹在工件表層產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，顯著提高了工件的疲勞強(qiáng)度。小尺寸工件可提高23倍，大尺寸可提高2030%。因加熱快，無(wú)保溫時(shí)間，所以工件氧化脫碳少。內(nèi)部未加熱，淬火變形小。加熱溫度和淬硬層深度容易控

23、制，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。感應(yīng)加熱淬火一般用于中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB等。這類鋼經(jīng)預(yù)先熱處理（正火或調(diào)質(zhì)）后再進(jìn)行表面淬火，心部保持較高的機(jī)械性能，而表面具有較高的硬度（大于50HRC）和耐磨性。高碳鋼也可表面淬火，但主要用于沖擊載荷較小的零件。感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用廣泛，其產(chǎn)量可占機(jī)械零件總量的三分之一，適合大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：設(shè)備較貴，維修、調(diào)整比較困難，形狀復(fù)雜件處理也比較困難。3.2.6 激光加熱表面熱處理利用高功率密度的激光束掃描零件表面，將其迅速加熱到相變點(diǎn)以上，然后依靠零件本身的傳熱，來(lái)實(shí)現(xiàn)快速冷卻淬火。又稱激光淬火。表面預(yù)處理：為克服固體金屬表面對(duì)激光的

24、高反射率，激光相變硬化前一般在工件表面預(yù)置吸收層，此過(guò)程稱為黑化處理。采用的方法有：磷化法、碳素法、油漆法、真空濺射鎢等。參數(shù)：功率密度104W/cm2，單道掃描寬度220mm,掃描速度V=0.55.0cm/s 。如果速度過(guò)低，則冷速小，不能形成馬氏體。硬化層深度：通常0.30.5mm，采用45千瓦的大功率激光器，能使硬化層達(dá)3mm。應(yīng)用：主要用于在零件表面有選擇地產(chǎn)生局部硬化帶，以提高耐磨性和疲勞強(qiáng)度。與其他表面熱處理相比的優(yōu)點(diǎn)：硬化層質(zhì)量?jī)?yōu)良，比常規(guī)淬火的表面硬度高1520%以上。（在激光束快速加熱作用下，生成非常細(xì)小的且極不均勻的的奧氏體，經(jīng)過(guò)快速冷卻后，轉(zhuǎn)變?yōu)闃O細(xì)小的馬氏體）。零件變形

25、小。（由于光子穿透金屬的能力很差，只能使金屬表面的一薄層的溫度在微秒級(jí)（10-6 10-12)內(nèi)達(dá)到相變溫度，并且加熱是在表面上的一點(diǎn)（直徑小于20mm），整個(gè)基體的溫度在處理過(guò)程中可以不受影響。）能自冷淬火，不需要淬火介質(zhì)。（激光加熱一停止，被加熱點(diǎn)的熱向周圍金屬傳導(dǎo)而降溫冷卻，冷卻速度可達(dá)104 107/S)可對(duì)表面凸凹不平及形狀復(fù)雜件進(jìn)行淬火或局部淬火。(激光聚焦深度大，在75mm距離內(nèi)的能量密度基本相同）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。熱源潔凈，無(wú)環(huán)境污染。缺點(diǎn)：設(shè)備貴，光電轉(zhuǎn)換率低（小于15%），成本高，硬化層薄，只能取代部分熱處理方式。3.2.7 電子束加熱表面熱處理原理與應(yīng)用領(lǐng)域和激光相同。與激

26、光相比的優(yōu)缺點(diǎn)：項(xiàng)目電子束激光功率可超過(guò)100KW目前最大20KW能量轉(zhuǎn)換率達(dá)90%以上1015%預(yù)處理不需要需黑化設(shè)備簡(jiǎn)單復(fù)雜工作臺(tái)一槍一臺(tái)一槍多臺(tái)投資及費(fèi)用1/21/31條件真空空氣中3.3 化學(xué)熱處理3.3.1 概述將金屬零件置于一定溫度的活性元素介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，從而改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿足技術(shù)要求的工藝稱為化學(xué)熱處理。通過(guò)改變表面化學(xué)成分及隨后的熱處理，可以在同一材料的工件上，使心部和表面獲得不同的組織和性能。例如，低碳鋼滲碳并熱處理后，在保持工件心部具有高的強(qiáng)韌性的同時(shí)，使表面具有很高的硬度和耐磨性以及耐蝕性的優(yōu)良性能。分類：按滲入元素的

27、不同，一般分為滲碳、氮化、滲硼、滲金屬（Al,Zn,Cr)等。如果同時(shí)滲入兩種以上元素，則稱之為共滲，如碳氮共滲、鉻鋁硅共滲等。作用：能有效地提高材料表面的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性以及疲勞強(qiáng)度等。使得用單一材料制作的零件，在表面和心部具有顯著不同的兩種性能。3.3.2 化學(xué)熱處理的基本過(guò)程（原理）化學(xué)熱處理的基本過(guò)程分為介質(zhì)分解出活性原子、活性原子被金屬表面吸收和吸收原子在金屬內(nèi)擴(kuò)散三個(gè)階段。（1）介質(zhì)的分解：加熱時(shí)含有滲入元素的介質(zhì)首先分解，釋放出欲滲入元素的活性原子。例如：滲碳 CH4=2H2+C（活性原子是指初生的，未結(jié)合成分子態(tài)的原子。）（2）表面吸收：分解出來(lái)的活性原子在金屬表面被吸

28、收并溶解，超過(guò)溶解度時(shí)形成化合物。 活性原子被吸收的先決條件是活性原子能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。（3）原子擴(kuò)散 ：滲入元素的原子在濃度梯度的作用下，從金屬表面向內(nèi)部擴(kuò)散，并與基體金屬形成固溶體或化合物，達(dá)到一定厚度的滲層。 各個(gè)階段都和溫度有關(guān)。溫度愈高，過(guò)程進(jìn)行速度愈快，擴(kuò)散層愈厚。但溫度過(guò)高會(huì)引起奧氏體粗化，使基體金屬變脆。所以，化學(xué)熱處理是在選定合適的處理介質(zhì)之后，最重要的是確定加熱溫度，而滲層厚度主要由保溫時(shí)間來(lái)控制。3.3.3 常用的化學(xué)熱處理方法及用途（1）滲碳：把鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入鋼表面的工藝稱為滲碳。目的：增加鋼件表層的碳含量，以提高硬度。方法

29、：分固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳，常用的是氣體滲碳。例如，將鋼件裝在密封的滲碳爐中，加熱到900950C，向爐內(nèi) 通入滲碳?xì)怏w，通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生活性原子，使鋼件表面滲碳。圖3-26氣體滲碳裝置示意圖滲碳工藝參數(shù)：包括滲碳溫度和滲碳時(shí)間。 奧氏體的溶碳能力較大，因此滲碳加熱到Ac3以上，一般900950C。 滲碳時(shí)間取決于要求的滲層厚度，一般要求滲層厚度在0.52mm，滲碳時(shí)間在39h。滲碳后的熱處理：滲碳后要進(jìn)行淬火和低溫回火。滲碳的應(yīng)用與性能：滲碳主要用于低碳鋼，使鋼件表面的含碳量大于1%，經(jīng)過(guò)淬火和低溫回火后，使表面硬度達(dá)到HRC6065以上，而心部仍保持良好的韌性和塑性。與表面淬火相比，鋼的

30、的韌性（低碳）和硬度（表面碳含量高）都提高。用途：主要用于低碳鋼制造的、同時(shí)受嚴(yán)重磨損和較大沖擊載荷的零件，如汽車齒輪、離合器等。滲碳組織圖3-27 低碳鋼滲碳后緩冷的組織（2）氮化氮化就是向鋼件表面滲入氮的工藝。目的：更大地提高鋼件表面的硬度和耐磨性，提高疲勞強(qiáng)度和抗蝕性及熱硬性。氮化工藝：常用的也是氣體氮化。 在500600C溫度下，氨被加熱分解出活性氮原子（2NH3=3H2+2N),N原子被鋼吸收并溶入表面，在保溫過(guò)程中向內(nèi)擴(kuò)散，形成滲氮層。滲氮時(shí)間一般為2050h，可形成0.30.5mm的氮化層。氮化前鋼件要先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以保證較高的強(qiáng)度和韌性。組織：最外層白色的(Fe4N)或(Fe

31、23N)相氮化物薄層，中間是暗黑色含氮共析體+。見(jiàn)圖3-28。滲氮組織圖3-28 38CrMoAl鋼氮化層的顯微組織400氮化件的性能：鋼件氮化后具有很高的硬度（HRC6973），并且在600650C下保持不下降。氮化造成表面壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度大大提高。氮化溫度低，零件變形小。耐蝕性好，在水、過(guò)熱蒸汽、堿液中穩(wěn)定。氮化用鋼及應(yīng)用：氮化用鋼：碳鋼氮化時(shí)形成的氮化物不穩(wěn)定，為此，常在氮化鋼中加入Ti、AlV W、Mo、Cr Mn Fe。例如：35CrAlA，38CrMoAlA，38CrWVAlA等。應(yīng)用：用于耐磨性和精度都要求較高的零件。例如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、排氣閥、精密機(jī)床軸、絲桿等。（3）滲金屬滲金屬工藝就是采用加熱的方法，使一種或幾種金屬元素?cái)U(kuò)散滲入零件表面，形成表面合金層。這一表面層被稱為滲層或擴(kuò)散滲層。滲層具有不同于基體的成分和組織，可使零件表面獲得特殊的性能，如抗高溫氧化、耐腐蝕和耐磨損等性能。滲金屬方法：粉末法、液體法、氣體