第五章-鋼的熱處理(10新)表面化學(xué)(小)分析

第五章-鋼的熱處理(10新)表面化學(xué)(小)分析第一頁(yè)，共53頁(yè)。一、感應(yīng)加熱表面淬火

1．原理:

交變磁場(chǎng)→感應(yīng)電流→工件電阻

→加熱，集膚效應(yīng)→表面加熱

→快速冷卻第二頁(yè)，共53頁(yè)。第三頁(yè)，共53頁(yè)。感應(yīng)淬火頻率的選用電流頻率越高，感應(yīng)電流透入深度越淺，加熱層也越薄。因此，通過(guò)頻率的選用可以得到不同工件所要求的淬硬層深度。根據(jù)零件表面有效淬硬層深度選擇合適的頻率，分高頻、中頻和工頻。

感應(yīng)加熱的工藝參數(shù)根據(jù)組織性能的要求，需控制其加熱溫度、加熱速度和淬硬層深度，而這三個(gè)熱參數(shù)有需通過(guò)控制設(shè)備的電參數(shù)（電流頻率、單位表面功率）和加熱時(shí)間來(lái)保證。第四頁(yè)，共53頁(yè)。2．分類——高頻、

中頻

、

工頻

等。

第五頁(yè)，共53頁(yè)。感應(yīng)加熱分為：①高頻感應(yīng)加熱頻率為250-300KHz，淬硬層深度0.5-2mm傳動(dòng)軸連續(xù)淬火感應(yīng)器感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面圖第六頁(yè)，共53頁(yè)。②中頻感應(yīng)加熱頻率為2500-8000Hz，淬硬層深度2-10mm。各種感應(yīng)器中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機(jī)車凸輪軸第七頁(yè)，共53頁(yè)。③工頻感應(yīng)加熱頻率為50Hz,淬硬層深度10-15mm各種感應(yīng)器感應(yīng)穿透加熱第八頁(yè)，共53頁(yè)。3．特點(diǎn)

●加熱速度快：幾秒～幾十秒?！窦訜釙r(shí)實(shí)際晶粒度小，淬火得到極細(xì)馬氏體，硬度↑脆性↓●加熱層深度易控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化批量生產(chǎn)?！癫灰籽趸⒚撎?、變形小?！窆に囈卓刂?，但設(shè)備成本高。

第九頁(yè)，共53頁(yè)。第十頁(yè)，共53頁(yè)。汽車曲軸第十一頁(yè)，共53頁(yè)。4．工藝路線

（用料

0.4-0.5%c的中碳鋼、中碳低合金鋼,如：45、40Cr等）●鍛造→退火或正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→表面淬火→低溫回火（→粗磨→時(shí)效→精磨）

感應(yīng)加熱表面淬火對(duì)工件的原始組織有一定的要求。一般鑄鐵件的組織應(yīng)是珠光體基體和細(xì)小均勻分布的石墨；鋼件應(yīng)預(yù)先進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理。第十二頁(yè)，共53頁(yè)。二、火焰加熱

火焰加熱淬火是利用氧—乙炔或煤氣—氧等）火焰直接加熱工件表面，然后立即噴水冷卻。淬硬層深度一般為2～6mm。第十三頁(yè)，共53頁(yè)?；鹧娲慊鹛攸c(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，靈活性大；缺點(diǎn)：加熱溫度不易控制，工件表面易過(guò)熱，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定?；鹧娲慊疬m用范圍單件、小批生產(chǎn)以及大型零件（如大模數(shù)齒輪、大型軸類等）的表面淬火。第十四頁(yè)，共53頁(yè)?；鹧婕訜?利用乙炔火焰直接加熱工件表面的方法。成本低，但質(zhì)量不易控制。激光熱處理:利用高能量密度的激光對(duì)工件表面進(jìn)行加熱的方法。效率高，質(zhì)量好?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗疽鈭D激光表面熱處理火焰加熱表面淬火第十五頁(yè)，共53頁(yè)。激光表面淬火利用高能量密度（104～108W/cm2）的激光對(duì)工件表面進(jìn)行加熱的方法。激光加熱時(shí)，因其過(guò)程極短，無(wú)需考慮大氣介質(zhì)的影響，沒有氧化脫碳現(xiàn)象，淬火表面光亮潔凈；又由于加熱層是靠自急冷淬火，無(wú)需特殊的冷卻設(shè)備；加熱快、區(qū)域小，因而工件的變形極小。激光加熱導(dǎo)光系統(tǒng)原理示意圖第十六頁(yè)，共53頁(yè)。1.工藝參數(shù)：光斑尺寸、掃描速度、激光功率等。2.激光淬火淬硬深度0.3～0.5mm，硬度比普通淬火硬度高15%～20%。3.激光淬火后，表面具有4000MPa的殘余壓應(yīng)力，有利于疲勞強(qiáng)度提高。4.激光淬火精確的局部加熱，可以解決工件拐角、溝槽、盲孔、深孔內(nèi)壁等其他熱處理方法很難解決的強(qiáng)化問題。5.激光淬火前，需對(duì)淬火表面進(jìn)行黑化處理，即在被加熱的表面涂一層吸光涂層，以提高激光的吸收率。6.已廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、滾動(dòng)軸承圈、機(jī)床導(dǎo)軌、冷作模具等。激光表面淬火的特點(diǎn)：第十七頁(yè)，共53頁(yè)?！?-8鋼的化學(xué)熱處理●化學(xué)熱處理

——將工件置于特定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，從而通過(guò)改變表層的化學(xué)成分和組織來(lái)改變其性能。

●分類

——滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鉻、滲鋁等。

第十八頁(yè)，共53頁(yè)。一、鋼的滲碳

（包括：氣體、固體滲碳）●滲碳

——低碳鋼在高碳介質(zhì)中加熱、保溫，以獲得高碳表層的熱處理工藝。

●目的

——提高表面硬度，耐磨性，心部保持一定的強(qiáng)度和良好的塑韌性。如齒輪、軸類、鏈條、套筒、活塞銷。第十九頁(yè)，共53頁(yè)。1．滲碳工藝

●鋼種——0.1-0.25%c的低碳鋼和低碳合金鋼。如：15、20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18CrMnTi?！窦訜釡囟取狝c3以上，一般為900～950℃。●加熱時(shí)間——根據(jù)所需滲層厚度決定。（一般經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定）滲層厚度（Dp）：軸類：Dp=(0.1～0.2)R齒輪：Dp=(0.1～0.2)m薄片：Dp=(0.1～0.2)t(R、m、t分別代表軸半徑、齒輪模數(shù)、零件厚度）

第二十頁(yè)，共53頁(yè)。常用鋼號(hào)及用途低淬透性鋼：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油機(jī)的活塞銷、凸輪軸等。柴油機(jī)凸輪軸20Cr活塞銷第二十一頁(yè)，共53頁(yè)。中淬透性鋼：20CrMnTi用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。高淬透性鋼：18Cr2Ni4WA用于大載荷的耐磨件，如柴油機(jī)曲軸。增壓柴油機(jī)曲軸汽車變速箱齒輪第二十二頁(yè)，共53頁(yè)。固體滲碳法示意圖零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱2.滲碳方法：固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳。第二十三頁(yè)，共53頁(yè)。氣體滲碳法示意圖第二十四頁(yè)，共53頁(yè)?？煽貧夥諠B碳爐滲碳爐第二十五頁(yè)，共53頁(yè)。3.滲碳件的技術(shù)條件：

●滲碳層的表面含碳量最好在0.85-1.05%c◆含碳量太低：得不到高碳馬氏體，硬度低、耐磨性差。◆含碳量太高：滲碳層會(huì)出現(xiàn)大量塊狀或網(wǎng)狀滲碳體，滲層變脆，易剝落。第二十六頁(yè)，共53頁(yè)。4．滲碳后的淬火

●直接淬火——奧氏體晶粒大，馬氏體粗，殘余A多，耐磨性低，變形大。(如：圖a、圖b)

◆只適用于細(xì)晶鋼或耐磨性要求低和承載低的零件?！褚淮未慊稹訜釡囟華c3以上（心部性能好）或Ac1以上（表面性能好）●二次淬火——Ac3以上（改善心部性能）+Ac1以上（改善表面性能）第二十七頁(yè)，共53頁(yè)。第二十八頁(yè)，共53頁(yè)。5.滲碳的特點(diǎn)

生產(chǎn)效率高、質(zhì)量易控制、可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用極為廣泛。6．加工工藝路線

●鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火→低溫回火→精磨。

經(jīng)滲碳的機(jī)車從動(dòng)齒輪第二十九頁(yè)，共53頁(yè)。7.滲碳后的組織

●

外層過(guò)共析層、中間共析層、心部是原始組織?！駶B碳層深度確定：從表面到含碳量為0.4%c處。測(cè)定時(shí)按50%F+50%P量時(shí)確定。退火態(tài)：第三十頁(yè)，共53頁(yè)。20鋼滲碳緩冷組織(化染)580表層珠光體+網(wǎng)狀滲碳體;中層珠光體;內(nèi)層鐵素體+珠光體第三十一頁(yè)，共53頁(yè)。20CrMnTi鋼滲碳層組織(化染)320滲碳體(白色塊狀)+高碳M(蘭色針狀)+殘余A(棕黃色)第三十二頁(yè)，共53頁(yè)。8.滲碳熱處理后的常見缺陷滲碳件的質(zhì)量檢查項(xiàng)目滲碳鋼原材料檢查、滲層質(zhì)量檢查（滲層深度、滲層碳濃度、碳化物、殘余奧氏體及馬氏體級(jí)別等)、滲碳件心部鐵素體級(jí)別的評(píng)定、滲層和心部硬度的檢查、滲碳件變形量的檢查。滲碳件的常見缺陷滲層厚度不合要求（太淺或太厚、滲層薄厚不均、過(guò)共析與共析層厚度過(guò)大或過(guò)小）、滲層組織不合要求（碳化物過(guò)多呈大塊狀或網(wǎng)狀分布、殘余奧氏體量過(guò)多、內(nèi)氧化、脫碳、表層出現(xiàn)鐵素體）、硬度超差（表層硬度偏低或不均、心部硬度偏低或偏高）、變形過(guò)量。第三十三頁(yè)，共53頁(yè)。心部組織第三十四頁(yè)，共53頁(yè)。真空滲碳法將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。優(yōu)點(diǎn)：表面質(zhì)量好,滲碳速度快。真空滲碳爐第三十五頁(yè)，共53頁(yè)。越王勾踐劍春秋晚期越國(guó)青銅兵器,出土于湖北江陵楚墓。長(zhǎng)55.7厘米，劍鍔鋒芒犀利，鋒能割斷頭發(fā)。第三十六頁(yè)，共53頁(yè)。二、氮化

——工件表面滲入氮原子，以提高硬度、耐磨性，疲勞強(qiáng)度和耐蝕性。

●特點(diǎn)

：1.表面硬度高（可達(dá)1000～2000Hv即69HRC以上）2.高的熱硬性（在550～600℃時(shí)仍保持很高的硬度）3.氮化溫度低、工件變形極小。4.氮化前調(diào)質(zhì)處理、保證心部的強(qiáng)度。氮化后無(wú)須淬火5.工藝時(shí)間長(zhǎng)且滲層?。ㄒ话銥?.3～0.5mm）。第三十七頁(yè)，共53頁(yè)。氮化的特點(diǎn)及應(yīng)用氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。疲勞強(qiáng)度高。由于表面存在壓應(yīng)力。氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度第三十八頁(yè)，共53頁(yè)。工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進(jìn)行熱處理。耐蝕性好。因?yàn)楸韺有纬傻牡锘瘜W(xué)穩(wěn)定性高。氮化的缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等。

縫紉機(jī)用氮化件經(jīng)離子氮化的機(jī)車曲軸第三十九頁(yè)，共53頁(yè)?！癫牧希?/p>

含Cr、Mo、Al等合金元素的中碳合金鋼。常用：38CrMoAlA●應(yīng)用：

廣泛用于高速傳動(dòng)的精密齒輪；高精度機(jī)床主軸；以及要求變形小且具有抗蝕能力的零件：閥門。井式氣體氮化爐第四十頁(yè)，共53頁(yè)。38CrMoAl氣體滲氮層組織(化染)650黃色區(qū):ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N);紅色區(qū):γ’(Fe4N);藍(lán)綠色區(qū):含氮索氏體+脈狀氮化物;綠黃色區(qū):索氏體基體。第四十一頁(yè)，共53頁(yè)。

38CrMoAl氮化層38CrMoAl氮化層硬度第四十二頁(yè)，共53頁(yè)?！竦庸すに嚕?/p>

鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→半精加工→去應(yīng)力退火→粗磨→氮化→精磨。●目前現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中較多采用離子氮化（即在一定真空度下，用工件和陽(yáng)極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行的。所以也稱為

輝光”離子氮化）。其特點(diǎn)：滲氮速度快、生產(chǎn)周期短，38CrMoAlA為例：滲層要求0.5mm，氣體滲氮50h以上，離子氮化15～20h；對(duì)材料的適應(yīng)性強(qiáng)：滲碳用鋼、合金鋼、鑄鐵都可以。第四十三頁(yè)，共53頁(yè)。氣體氮化法與氣體滲碳法類似，滲劑為氨。離子氮化法是在電場(chǎng)作用下，使電離的氮離子高速?zèng)_擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時(shí)間短，氮化層脆性小。離子氮化爐第四十四頁(yè)，共53頁(yè)。滲碳與滲氮的工藝特點(diǎn)處理后是否需要熱處理處理時(shí)間(h)處理溫度(℃)名稱需要3～9900～950滲碳不需要20～50500～600滲氮第四十五頁(yè)，共53頁(yè)。三.碳氮共滲

——同時(shí)向鋼件表面滲入碳和氮原子的化學(xué)熱處理工藝，也稱為氰化?！?/p>

中溫氣體碳氮共滲：（滲碳為主）常用溫度：820～860℃時(shí)間：根據(jù)要求2～8h滲層：0.3～0.8mm◆

材料：低碳、中碳鋼和中碳合金鋼。

◆應(yīng)用：用于提高結(jié)構(gòu)件（如：齒輪、蝸輪、蝸桿、軸類件）的硬度、耐磨性和抗疲勞性。第四十六頁(yè)，共53頁(yè)?！?/p>

低溫氣體碳氮共滲：（即：軟氮化）（滲氮為主）常用溫度：560～570℃

時(shí)間：2～3h

滲層：0.01～0.02mm◆

材料：不限制鋼種：碳鋼、合金鋼、工具鋼、不銹鋼、鑄鐵◆應(yīng)用：目前軟氮化由于滲層脆性小，不易剝落，已廣泛應(yīng)用于模具、量具、高速鋼刀具、曲軸、齒輪、氣缸套等耐磨件的處理。但由于滲層較薄，僅有0.01~0.02mm，不宜用于重載工作的工件。第四十七頁(yè)，共53頁(yè)。在氣體介質(zhì)中對(duì)工件同時(shí)滲入氮和碳，并以滲氮為主的化學(xué)熱處理工藝稱為氣體氮