第十六講鋼的表面熱處理

1、1第十六講 鋼的表面熱處理2心部：硬度低，心部：硬度低，韌性高韌性高在生產(chǎn)中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性在生產(chǎn)中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有較高的耐磨性和疲勞強度；能，一般是表面硬度高，有較高的耐磨性和疲勞強度；而心部要求有較好的塑性和韌性。而心部要求有較好的塑性和韌性。表面：硬度高，耐磨表面：硬度高，耐磨問題的提出問題的提出3表面和心部性能要求不同的零件實例表面和心部性能要求不同的零件實例4 在這種情況下，單從材料選擇入手或采用普通熱處理方法，在這種情況下，單從材料選擇入手或采用普通熱處理方法，都有不能滿足其要求。都有不能滿足其要求。 低碳鋼低碳鋼

2、 ：可滿足心部要求，：可滿足心部要求， 表面要求不能滿足；表面要求不能滿足； 高碳鋼：高碳鋼： 可滿足表面要求，可滿足表面要求， 心部要求不能滿足；心部要求不能滿足；解決這一問題的方法是表解決這一問題的方法是表面熱處理和化學(xué)熱處理面熱處理和化學(xué)熱處理5 僅對鋼的表面加熱、冷卻僅對鋼的表面加熱、冷卻而不改變其成分的熱處而不改變其成分的熱處理工藝稱為表面熱處理理工藝稱為表面熱處理, , 也叫表面淬火。也叫表面淬火。 化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表一種或幾種元素滲入它的表面，改變其化學(xué)成分和組織，面，改變其

3、化學(xué)成分和組織，達到改進表面性能，滿足技達到改進表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理過程。術(shù)要求的熱處理過程。讓我們來學(xué)習(xí)鋼讓我們來學(xué)習(xí)鋼的表面熱處理的表面熱處理吧。吧。6一、鋼的表面淬火一、鋼的表面淬火 按照實現(xiàn)方式，表面淬火可分為：按照實現(xiàn)方式，表面淬火可分為： 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火 71 1、感應(yīng)加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火 原理原理 分類分類 應(yīng)用應(yīng)用 特點特點81)1)、感應(yīng)加熱表面淬火原理、感應(yīng)加熱表面淬火原理 感應(yīng)線圈中通以交流電時，即在其內(nèi)部和周圍產(chǎn)生感應(yīng)線圈中通以交流電時，即在其內(nèi)部和周圍產(chǎn)生一與電流相同頻率的交變磁場。若把工件置于磁

4、場一與電流相同頻率的交變磁場。若把工件置于磁場中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，并由于電阻的作中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，并由于電阻的作用而被加熱。由于交流電的集膚效應(yīng)，靠近工件表用而被加熱。由于交流電的集膚效應(yīng)，靠近工件表面的電流密度大，而中心幾乎為零。工件表面溫度面的電流密度大，而中心幾乎為零。工件表面溫度快速升高到相變點以上，而心部溫度仍在相變點以快速升高到相變點以上，而心部溫度仍在相變點以下。感應(yīng)加熱后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶下。感應(yīng)加熱后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液噴射淬火，淬火后進行液噴射淬火，淬火后進行180-200180-200低溫回火，以低溫回火，以降低淬火應(yīng)力，并保

5、持高硬度和高耐磨性。降低淬火應(yīng)力，并保持高硬度和高耐磨性。 910 感感應(yīng)應(yīng)加加熱熱表表面面淬淬火火示示意意圖圖原理圖原理圖實物模型實物模型112)2)、電流頻率與淬硬深度的關(guān)系、電流頻率與淬硬深度的關(guān)系 在淬火溫度狀態(tài)下，在淬火溫度狀態(tài)下，電流透入的深度與感電流透入的深度與感應(yīng)電流的頻率有關(guān)，應(yīng)電流的頻率有關(guān)，電流頻率越高，電流電流頻率越高，電流透入深度越薄，淬火透入深度越薄，淬火后硬化層也就越薄。后硬化層也就越薄。 12感應(yīng)加熱表面淬火分類感應(yīng)加熱表面淬火分類名稱名稱頻率（頻率（H HZ Z）淬硬深度淬硬深度（mm)mm)適用零件適用零件高頻感應(yīng)加熱高頻感應(yīng)加熱1001000K100100

6、0K0.220.22中小型，如小模中小型，如小模數(shù)齒輪，直徑較數(shù)齒輪，直徑較小的圓柱型零件小的圓柱型零件中頻感應(yīng)加熱中頻感應(yīng)加熱50010000500100002828中大型，如直徑中大型，如直徑較大的軸，大中較大的軸，大中等模數(shù)的齒輪等模數(shù)的齒輪工頻感應(yīng)加熱工頻感應(yīng)加熱50501015 1015 以上以上 大型零件，如直大型零件，如直徑大于徑大于300mm 300mm 的軋輥及軸類零的軋輥及軸類零件件133)、感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用范圍、感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用范圍 一般用于中碳鋼和中碳低合金鋼一般用于中碳鋼和中碳低合金鋼, ,如如4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB鋼等。用于齒輪、軸

7、類零件的表面硬化，提高耐磨性。鋼等。用于齒輪、軸類零件的表面硬化，提高耐磨性。 為零件心部的性能，感應(yīng)加熱淬火的預(yù)備熱處理常采為零件心部的性能，感應(yīng)加熱淬火的預(yù)備熱處理常采用正火或調(diào)質(zhì)。用正火或調(diào)質(zhì)。 感應(yīng)加熱淬火零件的加工工藝路線為：感應(yīng)加熱淬火零件的加工工藝路線為： 下料下料-鍛造鍛造-調(diào)質(zhì)或正火調(diào)質(zhì)或正火-切削加工切削加工- -感應(yīng)加熱淬火感應(yīng)加熱淬火+ +低溫回火低溫回火-精加工精加工-檢驗檢驗144)、感應(yīng)加熱表面淬火特點、感應(yīng)加熱表面淬火特點 高頻感應(yīng)加熱時，鋼的奧氏體化是在較大的過熱度（高頻感應(yīng)加熱時，鋼的奧氏體化是在較大的過熱度（A Ac3c3以以上上8080150)150)進

8、行的進行的, , 因此晶核多因此晶核多, , 且不易長大，組織且不易長大，組織細小。細小。 表面層淬得馬氏體后表面層淬得馬氏體后, , 由于體積膨脹在工件表面層造成由于體積膨脹在工件表面層造成較大的殘余壓應(yīng)力較大的殘余壓應(yīng)力, , 顯著提高工件的疲勞強度。顯著提高工件的疲勞強度。 因加熱速度快，沒有保溫時間，工件的氧化脫碳少。另外，因加熱速度快，沒有保溫時間，工件的氧化脫碳少。另外，由于內(nèi)部未加熱，工件的淬火變形也小。由于內(nèi)部未加熱，工件的淬火變形也小。 加熱溫度和淬硬層厚度（從表面到半馬氏體區(qū)的距離）容加熱溫度和淬硬層厚度（從表面到半馬氏體區(qū)的距離）容易控制，便于實現(xiàn)機械化和自動化。易控制，

9、便于實現(xiàn)機械化和自動化。 工藝設(shè)備較貴，維修調(diào)整困難，對于形狀復(fù)雜的零件的感工藝設(shè)備較貴，維修調(diào)整困難，對于形狀復(fù)雜的零件的感應(yīng)器不易制造。應(yīng)器不易制造。152 2、火焰加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火 概念概念: : 火焰加熱表面淬火是用乙炔氧或煤氣氧等火焰加熱工火焰加熱表面淬火是用乙炔氧或煤氣氧等火焰加熱工件表面，進行淬火。件表面，進行淬火。 特點特點: : 設(shè)備簡單設(shè)備簡單, , 操作方便操作方便, , 成本低。成本低。 * *淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。 * *適于單件、小批量及大型零件的生產(chǎn)。適于單件、小批量及大型零件的生產(chǎn)。16火焰加熱表面淬火示意圖火焰加熱表面淬火示意圖17二、

10、化學(xué)熱處理 將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。性能的熱處理工藝。 化學(xué)熱處理的種類化學(xué)熱處理的種類: : 滲碳滲碳; ; 滲氮滲氮; ; 碳氮共滲碳氮共滲; ;滲硼滲硼; ; 滲鋁滲鋁; ; 滲硫滲硫; ; 滲硅滲硅; ; 滲鉻等。滲鉻等。18化學(xué)熱處理的基本過程化學(xué)熱處理的基本過程: :吸收吸收: : 活性原子被零件表面吸收和溶解?；钚栽颖涣慵砻嫖蘸腿芙狻U散擴散: : 活性原子由零件表面向內(nèi)部擴活性原子

11、由零件表面向內(nèi)部擴 散散, , 形成一定的擴散層。形成一定的擴散層。分解分解: : 化學(xué)介質(zhì)在高溫下釋放出待滲的活性原子。化學(xué)介質(zhì)在高溫下釋放出待滲的活性原子。 2CO CO2CO CO2 2 + +C C191. 1.鋼的滲碳鋼的滲碳 ( Carburize of steel )( Carburize of steel )1)1)定義定義: : 向鋼的表面滲入碳原子的過程。向鋼的表面滲入碳原子的過程。 目的目的: : 獲得具有表硬里韌性能獲得具有表硬里韌性能的零件的零件。用鋼用鋼: :低碳鋼低碳鋼和低碳合金鋼。和低碳合金鋼。 方法方法: : 固體、氣體、液體滲碳。固體、氣體、液體滲碳。202

12、)2)、滲碳方法、滲碳方法: :固體、氣體滲碳固體、氣體滲碳 零件零件滲碳劑滲碳劑試棒試棒蓋蓋泥封泥封滲碳箱滲碳箱固體滲碳法示意圖固體滲碳法示意圖213)、氣體滲碳、氣體滲碳 氣體滲碳法是把工件置于密封的井式氣體滲碳爐中，通入氣體滲碳法是把工件置于密封的井式氣體滲碳爐中，通入滲碳劑，并加熱到滲碳溫度滲碳劑，并加熱到滲碳溫度900-950900-950（常用（常用930930），使），使工件在高溫的氣氛中進行滲碳。滲碳時間一般為工件在高溫的氣氛中進行滲碳。滲碳時間一般為3 39 9小時小時; ; 爐內(nèi)的滲碳氣氛主要由滴入爐內(nèi)的煤油、丙酮、甲苯及甲爐內(nèi)的滲碳氣氛主要由滴入爐內(nèi)的煤油、丙酮、甲苯及甲

13、醇等有機液體在高溫下分解而成，主要由醇等有機液體在高溫下分解而成，主要由COCO、CO2CO2、H2H2和和CH4CH4等組成。等組成。22氣體滲碳法示意圖氣體滲碳法示意圖23滲碳后的組織滲碳后的組織: : 1%C1%CP+Fe3CP+Fe3C0.2%C0.2%C F + PF + P少少表面表面中心中心零零 件件P PP+FP+F242020鋼滲碳緩冷組織鋼滲碳緩冷組織25滲碳后的熱處理工藝滲碳后的熱處理工藝時間溫度930850方案方案1方案方案2滲滲 碳碳淬火淬火加熱加熱26272.2.鋼的滲氮鋼的滲氮 ( Nitridation of steel )( Nitridation of st

14、eel )1)1)定義定義: :向鋼的表面滲入氮原子的過程。向鋼的表面滲入氮原子的過程。2)2)目的目的: :獲得具有表硬里韌及抗蝕性能的零件。獲得具有表硬里韌及抗蝕性能的零件。3)3)用鋼用鋼: :中碳合金鋼。中碳合金鋼。4)4)方法方法: :氣體滲氮。氣體滲氮。28滲氮爐滲氮爐295)5)工藝工藝: :加熱溫度加熱溫度500500600;600; 保溫時間保溫時間0.30.30.5mm/200.5mm/2050h50h。6)6)熱處理特點熱處理特點: : 滲氮前需調(diào)質(zhì)處理滲氮前需調(diào)質(zhì)處理; ; 滲氮后不需熱處理。滲氮后不需熱處理。7)7)滲氮處理后的組織滲氮處理后的組織 表層表層 : Fe

15、4N: Fe4N、Fe2NFe2N、AlNAlN、CrNCrN、 MoNMoN、TiNTiN、VNVN。 心部心部 : S: S回?；?。8)8)常用的鋼種常用的鋼種 : 35 CrMo: 35 CrMo、18CrNiW18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 38 CrMoAlA ( 氮化王牌鋼氮化王牌鋼 ) ) 等。等。3031越王勾踐劍越王勾踐劍春秋晚期越國青銅兵器春秋晚期越國青銅兵器,出土于湖北江陵楚墓。出土于湖北江陵楚墓。 長長55.7厘米，厘米， 劍鍔鋒芒犀利，劍鍔鋒芒犀利，鋒能割斷頭發(fā)。鋒能割斷頭發(fā)。 32滲碳與滲氮的工藝特點滲碳與滲氮的工藝特點處理后是否需處理后是否需要熱處理要

16、熱處理處理時處理時間間 ( h )( h )處理溫度處理溫度( )( )名稱名稱需要需要39900900950950滲碳滲碳不需要不需要20205050500500600600滲氮滲氮333.3.鋼的碳氮共滲鋼的碳氮共滲-氰化處理氰化處理 ( Carbonitriding of steel )( Carbonitriding of steel )1)1)定義定義: :向鋼的表面同時滲入碳和氮原向鋼的表面同時滲入碳和氮原 子的過程。子的過程。2)2)目的目的: :獲得具有表硬里韌性能的零件。獲得具有表硬里韌性能的零件。3)3)方法方法: :固體碳氮共滲固體碳氮共滲氣體碳氮共滲氣體碳氮共滲液體碳氮

17、共滲液體碳氮共滲高溫高溫中溫中溫低溫低溫344)4)工藝工藝: :合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼HRC53HRC536060中溫氣體碳氮共滲中溫氣體碳氮共滲80086018以滲碳為主以滲碳為主0.50.50.8mm0.8mm淬火淬火+ +低溫回火低溫回火合金工具鋼合金工具鋼HRC54HRC546363低溫氣體碳氮共滲低溫氣體碳氮共滲50060016以滲氮為主以滲氮為主0.10.10.3mm0.3mm不需要不需要材料材料性能性能名稱名稱溫度溫度()()時間時間(h)(h)作用作用滲層滲層熱處理熱處理351.1.說明共析鋼說明共析鋼C C曲線各個區(qū)、各條線的物理意義，并曲線各個區(qū)、各條線的物理意義，并指出影

18、響指出影響C C曲線形狀和位置的主要因素。曲線形狀和位置的主要因素。 2.2.共析鋼加熱到相變點以上，用左下圖所示的各種方法冷卻，共析鋼加熱到相變點以上，用左下圖所示的各種方法冷卻，各應(yīng)得到什么組織？各屬于何種熱處理方法？各應(yīng)得到什么組織？各屬于何種熱處理方法？ 3.T123.T12鋼加熱到鋼加熱到A Ac1c1以上，用下圖所示各種方法冷卻，分析以上，用下圖所示各種方法冷卻，分析其所得到的組織。其所得到的組織。課堂作業(yè)課堂作業(yè)365.5.確定下列鋼件的退火方法，并指出退火目的及退火后組織：確定下列鋼件的退火方法，并指出退火目的及退火后組織：經(jīng)冷軋后的經(jīng)冷軋后的1515鋼鋼板，要求降低硬度；鋼鋼板，要求降低硬度；ZG35ZG35的鑄造齒輪；的鑄造齒輪；鍛造過熱的鍛造過熱的6060鋼鍛坯；鋼鍛坯； d)d)改善改善T12T12的切削加工性能的切削加工性