表面熱處理與化學(xué)熱處理.

1、表面工程表面工程第三章第三章 表面熱處理及化學(xué)熱處理表面熱處理及化學(xué)熱處理3.1 3.1 表面熱處理表面熱處理3.2 3.2 化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理2022-5-293/483.1 表面熱處理表面熱處理l定義：定義：僅對(duì)鋼的表面加熱、冷卻而不僅對(duì)鋼的表面加熱、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝。改變其成分的熱處理工藝。2022-5-294/483.1.1 表面淬火技術(shù)的原理和特點(diǎn)表面淬火技術(shù)的原理和特點(diǎn)n一、表面淬火技術(shù)的一、表面淬火技術(shù)的定義與分類定義與分類n（1）定義：采用特定熱源將鋼鐵材料表面快速）定義：采用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到加熱到Ac3（亞共析鋼）或（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析

2、鋼）之（過(guò)共析鋼）之上，快速冷卻，發(fā)生馬氏體相變，形成表面強(qiáng)化上，快速冷卻，發(fā)生馬氏體相變，形成表面強(qiáng)化層的工藝，稱層的工藝，稱表面淬火技術(shù)表面淬火技術(shù)。n（2）分類：根據(jù)熱源不同，可分為：）分類：根據(jù)熱源不同，可分為：感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱火焰加熱火焰加熱激光加熱激光加熱 電子束加熱電子束加熱2022-5-295/48n（3）適用范圍）適用范圍1.碳含量在碳含量在0.35%1.20%的中、高碳鋼；的中、高碳鋼；2.基體相當(dāng)于中碳鋼的普通灰鐵、球鐵、可鍛鑄基體相當(dāng)于中碳鋼的普通灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵；鐵、合金鑄鐵；3.中碳鋼與球鐵最適合。中碳鋼與球鐵最適合。2022-5-296/48中碳鋼最

3、適合表面淬火的原因中碳鋼最適合表面淬火的原因n中碳鋼經(jīng)預(yù)先熱處理（正火或調(diào)質(zhì)）后進(jìn)中碳鋼經(jīng)預(yù)先熱處理（正火或調(diào)質(zhì)）后進(jìn)行表面淬火，不但心部有較高綜合力學(xué)性行表面淬火，不但心部有較高綜合力學(xué)性能，且表面有較高硬度和耐磨性；能，且表面有較高硬度和耐磨性；n高碳鋼表面淬火后，表面硬度和耐磨性雖高碳鋼表面淬火后，表面硬度和耐磨性雖高，但心部塑性與韌性較低；高，但心部塑性與韌性較低；n低碳鋼表面強(qiáng)化效果不顯著。低碳鋼表面強(qiáng)化效果不顯著。2022-5-297/48二、表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別二、表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別1.加熱速度高，鋼的相變點(diǎn)溫度大幅度提高；加熱速度高，鋼的相變點(diǎn)溫度大幅

4、度提高；2.快速加熱，奧氏體晶粒及亞結(jié)構(gòu)顯著細(xì)化；快速加熱，奧氏體晶粒及亞結(jié)構(gòu)顯著細(xì)化；3.加熱速度很高時(shí)，鋼產(chǎn)生無(wú)擴(kuò)散奧氏體相變；加熱速度很高時(shí)，鋼產(chǎn)生無(wú)擴(kuò)散奧氏體相變；4.冷卻速度比整體淬火快，硬度比普通淬火高；冷卻速度比整體淬火快，硬度比普通淬火高；5.熱源能量密度越高，加熱速度越快，硬度越高。熱源能量密度越高，加熱速度越快，硬度越高。6.快速加熱，滲碳體難以充分溶解，奧氏體成分不快速加熱，滲碳體難以充分溶解，奧氏體成分不均勻，顯微硬度不均勻；均勻，顯微硬度不均勻；7.常需預(yù)先熱處理，使碳化物或自由鐵素體均勻、常需預(yù)先熱處理，使碳化物或自由鐵素體均勻、細(xì)小分布。細(xì)小分布。2022-5-2

5、98/48三、表面淬火層的組織與性能三、表面淬火層的組織與性能n1、組織、組織n沿試樣橫截面分三個(gè)區(qū)：淬硬區(qū)、過(guò)渡區(qū)、心沿試樣橫截面分三個(gè)區(qū)：淬硬區(qū)、過(guò)渡區(qū)、心部部（1）淬硬區(qū)：全部馬氏體）淬硬區(qū)：全部馬氏體（2）過(guò)渡區(qū)：馬氏體）過(guò)渡區(qū)：馬氏體+自由鐵素體自由鐵素體（3）心部：原始組織）心部：原始組織2022-5-299/48n2、表面淬火層的性能、表面淬火層的性能n硬度比普通淬火工藝高硬度比普通淬火工藝高2-5HRC；n耐磨性比普通淬火好；耐磨性比普通淬火好；n提高軸類零件的疲勞強(qiáng)度；提高軸類零件的疲勞強(qiáng)度；n缺口敏感性下降。缺口敏感性下降。2022-5-2910/48（1 1）原理：）原理

6、：工件放在有工件放在有足夠功律的輸出的感應(yīng)線足夠功律的輸出的感應(yīng)線圈中，在圈中，在高頻交流磁場(chǎng)高頻交流磁場(chǎng)作作用下，產(chǎn)生很大用下，產(chǎn)生很大感應(yīng)電流感應(yīng)電流，由于由于集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)而集中分布而集中分布于工件表面，使受熱區(qū)于工件表面，使受熱區(qū)迅迅速加熱速加熱到鋼的相變臨界溫到鋼的相變臨界溫度之上，然后在冷卻介質(zhì)度之上，然后在冷卻介質(zhì)中中快速冷卻快速冷卻，使工件表層，使工件表層獲得馬氏體。獲得馬氏體。 3.1.1 感應(yīng)加熱表面熱處理感應(yīng)加熱表面熱處理2022-5-2911/48高頻高頻(200300KHz), =0.52mm 中頻中頻(25008000Hz), =25mm工頻工頻(50Hz), =

7、1015mmf500碳鋼：碳鋼：鋼中電流透入深度鋼中電流透入深度 的計(jì)算簡(jiǎn)化公式：的計(jì)算簡(jiǎn)化公式：式中，式中，f為電流頻率。為電流頻率。2022-5-2912/48 過(guò)熱度大過(guò)熱度大 細(xì)小隱晶細(xì)小隱晶M組織，高組織，高23HRC 表層存在很大的殘余壓應(yīng)力表層存在很大的殘余壓應(yīng)力 無(wú)氧化、脫碳，工件變形很小無(wú)氧化、脫碳，工件變形很小 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化(2) (2) 適用的鋼種適用的鋼種中碳鋼和中碳低合金鋼，例：中碳鋼和中碳低合金鋼，例：4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB先正火或調(diào)質(zhì)先正火或調(diào)質(zhì)心部綜合性能好，表面硬（心部綜合性能好，表面硬（50HRC50

8、HRC）(3)(3)特點(diǎn)特點(diǎn)最大尺寸的馬氏體片小到光學(xué)顯微鏡無(wú)法分辨時(shí)，稱為隱最大尺寸的馬氏體片小到光學(xué)顯微鏡無(wú)法分辨時(shí)，稱為隱晶馬氏體。晶馬氏體。2022-5-2913/48缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 設(shè)備較貴；設(shè)備較貴；易產(chǎn)生尖角效應(yīng)易產(chǎn)生尖角效應(yīng)尖角棱邊過(guò)熱；尖角棱邊過(guò)熱；形狀復(fù)雜零件處理困難。形狀復(fù)雜零件處理困難。2022-5-2914/48感應(yīng)加熱表面淬火實(shí)物及示意圖感應(yīng)加熱表面淬火實(shí)物及示意圖2022-5-2915/483.1.2 火焰加熱表面熱處理火焰加熱表面熱處理火焰加熱表面淬火示意圖火焰加熱表面淬火示意圖原理：將高溫火焰或燃燒著的熾熱氣體原理：將高溫火焰或燃燒著的熾熱氣體噴向工件表面，使其

9、迅速加熱到淬火溫噴向工件表面，使其迅速加熱到淬火溫度，然后在淬火介質(zhì)中冷卻。度，然后在淬火介質(zhì)中冷卻。2022-5-2916/48l優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，方法靈活，簡(jiǎn)便易行。設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，方法靈活，簡(jiǎn)便易行。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 生產(chǎn)率低，易過(guò)熱，質(zhì)量難控制，不均勻。生產(chǎn)率低，易過(guò)熱，質(zhì)量難控制，不均勻。l應(yīng)用：應(yīng)用： 適于單件、小批量及大型零件適于單件、小批量及大型零件局部表面淬火。局部表面淬火。 燃料：燃料：乙炔乙炔-氧氧或煤氣或煤氣-氧氧2022-5-2917/48激光器激光器冷水機(jī)組冷水機(jī)組數(shù)控加工數(shù)控加工機(jī)床機(jī)床總控制臺(tái)總控制臺(tái)3.1.3 激光表面熱處理激光表面熱處理激光加工

10、系統(tǒng)設(shè)備組成激光加工系統(tǒng)設(shè)備組成2022-5-2918/48(1)定義：定義：激光快速掃描工件表面，表面薄層急劇升溫激光快速掃描工件表面，表面薄層急劇升溫到相變點(diǎn)以上，激光移開(kāi)后，高溫薄層在基底冷卻下，到相變點(diǎn)以上，激光移開(kāi)后，高溫薄層在基底冷卻下，進(jìn)行進(jìn)行自冷淬火自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。，從而產(chǎn)生相變硬化。 2022-5-2919/48（2）影響淬硬層的主要因素）影響淬硬層的主要因素n材料成分：淬硬性和淬透性材料成分：淬硬性和淬透性深度、硬度。深度、硬度。 如：鋼如：鋼含碳量增加含碳量增加馬氏體含量增加馬氏體含量增加硬度高。硬度高。n工藝參數(shù)：工藝參數(shù)： 淬火層寬度淬火層寬度光斑直徑光斑

11、直徑D 淬硬層深度淬硬層深度功率功率P、光斑直徑、光斑直徑D 、掃描速度、掃描速度Vn表面預(yù)處理狀態(tài)：表面預(yù)處理狀態(tài)： a、表面組織準(zhǔn)備、表面組織準(zhǔn)備細(xì)化細(xì)化 b、表面黑化處理、表面黑化處理通過(guò)對(duì)激光的吸收率通過(guò)對(duì)激光的吸收率 2022-5-2920/48 生產(chǎn)率高生產(chǎn)率高 變形很小，局部表面變形很小，局部表面 過(guò)熱度大過(guò)熱度大(50200)，硬度高，硬度高 無(wú)介質(zhì)、無(wú)污染無(wú)介質(zhì)、無(wú)污染 不接觸、光能照到就能淬火不接觸、光能照到就能淬火 易于自動(dòng)化易于自動(dòng)化（3 3）特點(diǎn)：）特點(diǎn)：2022-5-2921/482022-5-2922/482022-5-2923/48碳鋼：碳鋼：2020、3535

12、、4040、4545、T10T10、T12T12合金結(jié)構(gòu)鋼：合金結(jié)構(gòu)鋼：40Cr40Cr、30CrMnSiA30CrMnSiA、 40CrNiMoA40CrNiMoA、38CrNi3MoV38CrNi3MoV合金工具鋼合金工具鋼：GCr15GCr15、9SiCr9SiCr，9CrWMn9CrWMn、CrWMnCrWMn，4Cr5MoV1Si4Cr5MoV1Si、 W302W302， W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2、 W18Cr4VW18Cr4V、 M42M42、W9Mo3Cr4VW9Mo3Cr4V、R18R18、R6M5K5R6M5K5不銹鋼：不銹鋼：2Cr132Cr13鑄鐵：鑄鐵：

13、HT200HT200、HT300HT300、QT400-17QT400-17、QT600-2QT600-2硬質(zhì)合金：硬質(zhì)合金：YG8YG8、YG20YG20鈦合金：鈦合金：TC4TC4，鋁合金：，鋁合金：激光相變硬化已研究的材料激光相變硬化已研究的材料2022-5-2924/48火車缸套火車缸套軋輥軋輥（4）激光相變硬化應(yīng)用）激光相變硬化應(yīng)用2022-5-2925/48柴油機(jī)缸套淬火柴油機(jī)缸套淬火激光相變硬化應(yīng)用激光相變硬化應(yīng)用2022-5-2926/48 抽油泵筒抽油泵筒激光相變硬化應(yīng)用激光相變硬化應(yīng)用2022-5-2927/48激光硬化區(qū)的表面形貌激光硬化區(qū)的表面形貌2022-5-2928

14、/48激光硬化區(qū)的橫截面及深度激光硬化區(qū)的橫截面及深度2022-5-2929/48激光相變區(qū)的金相組織激光相變區(qū)的金相組織2022-5-2930/48硬化層的重疊硬化層的重疊2022-5-2931/48搭接區(qū)的金相組織搭接區(qū)的金相組織2022-5-2932/48（1 1）定義定義：將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素原子使介質(zhì)中的一種或幾種元素原子滲入滲入工件表面，以改變工件表面，以改變鋼件表層化學(xué)成分和組織的熱處理工藝。鋼件表層化學(xué)成分和組織的熱處理工藝。 滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁（2 2）目

15、的：）目的：提高耐磨性、耐蝕性、抗氧化性以及疲勞強(qiáng)度等。提高耐磨性、耐蝕性、抗氧化性以及疲勞強(qiáng)度等。滲層的組織類型：固溶體、化合物滲層的組織類型：固溶體、化合物3.2 化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理2022-5-2933/48（4 4）三個(gè)基本過(guò)程）三個(gè)基本過(guò)程介質(zhì)的分解：形成活性原子；介質(zhì)的分解：形成活性原子；表面吸收和溶解：形成固溶體或化合物；表面吸收和溶解：形成固溶體或化合物；原子擴(kuò)散：形成一定的擴(kuò)散層。原子擴(kuò)散：形成一定的擴(kuò)散層。（3 3）方法）方法氣體法：應(yīng)用最廣氣體法：應(yīng)用最廣液體法：熔融液體，熱浸鋅液體法：熔融液體，熱浸鋅固體法：粉末、膏劑，滲硼固體法：粉末、膏劑，滲硼等離子法：低真空中輝

16、光放電產(chǎn)生的離子轟擊表面等離子法：低真空中輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊表面2022-5-2934/48（1 1）滲碳：）滲碳：活性碳原子活性碳原子C C滲入鋼的表層。滲入鋼的表層。（2 2）目的：）目的：增加表面增加表面C C含量，淬火低溫回火，含量，淬火低溫回火，表面硬，心部韌表面硬，心部韌 （3 3）滲碳方法：）滲碳方法： 氣體氣體、固體固體和和液體滲碳液體滲碳（4 4）適合的鋼種：）適合的鋼種：低碳鋼低碳鋼和和低碳合金鋼低碳合金鋼，如，如2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等等3.2.1 滲碳滲碳2022-5-2935/48（5 5）工藝：）工藝： 900950，1h,

17、 0.5mm； 4h, 1mm滲碳層厚度：從表面到過(guò)渡層的一半處，滲碳層厚度：從表面到過(guò)渡層的一半處，0.52.5mm（6 6）熱處理：）熱處理：淬火淬火（直接、一次和二次）（直接、一次和二次）低溫回火低溫回火（7）組織與性能）組織與性能:表層：高碳回火表層：高碳回火M碳化物碳化物A心部：低碳回火心部：低碳回火M或或F、T性能：表面硬度高，性能：表面硬度高，58HRC64HRC；耐磨性好；心部；耐磨性好；心部 韌性好，硬度較低，疲勞強(qiáng)度高、表面壓應(yīng)力韌性好，硬度較低，疲勞強(qiáng)度高、表面壓應(yīng)力2022-5-2936/48問(wèn)題：緩冷組織？問(wèn)題：緩冷組織？P+碳化物、碳化物、P、P+F，原始組織。，原

18、始組織。滲碳后的熱處理示意圖滲碳后的熱處理示意圖 2022-5-2937/48氣體滲碳爐氣體滲碳爐2022-5-2938/48低碳鋼緩冷后的顯微組織低碳鋼緩冷后的顯微組織2022-5-2939/482022-5-2940/48（3 3）工藝：）工藝：氣體滲氮?dú)怏w滲氮 2NH2NH3 33H3H2 2+2N 200+2N 200以上以上3.2.2 滲氮滲氮（1 1）氮化：）氮化：在一定溫度下使在一定溫度下使活性氮原子活性氮原子N N滲入工件表面。滲入工件表面。（2 2）目的：）目的：提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等2022-5-29

19、41/48（4）特點(diǎn)：）特點(diǎn)： 氮化溫度低氮化溫度低 500600 時(shí)間長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng) 2050h，厚度，厚度 0.30.5mm 催化劑（苯、苯胺、氯化胺等）催化劑（苯、苯胺、氯化胺等）0.33倍倍 氮化前鋼件須氮化前鋼件須調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理（5）組織）組織表層為白色表層為白色（Fe2N）或）或（Fe4N）相）相中間為暗黑色含氮共析體（中間為暗黑色含氮共析體（+）心部為回火心部為回火S2022-5-2942/48Fe-N相圖相圖 2022-5-2943/4838CrMoAl鋼氮化工藝曲線圖鋼氮化工藝曲線圖 2022-5-2944/48（6 6）性能：）性能：硬度高硬度高（1000HV1100HV），），很高的耐磨性和熱硬性很高的耐磨性和熱硬性表面壓應(yīng)力，表面壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度溫度低，零件變形小溫度低，零件變形小耐蝕性好耐蝕性好（7 7）氮化用鋼：）氮化用鋼：35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等等2022-5-2945/483.2.3 碳氮共滲碳氮共滲同時(shí)滲入碳氮同時(shí)滲入碳氮氰化氰化（1 1）工藝）工藝（高溫氣體碳氮共滲工藝）（高溫氣體碳氮共滲工藝）煤油煤油+氨氣氨氣溫度：