鋼鐵熱處理和工藝要求

1、鋼鐵熱處理和工藝要求5-7 鋼的表面淬火 表面淬火 不改變表層化學(xué)成分，只改變表層 組織結(jié)構(gòu)。 即：利用快速加熱將 表層A化后進行淬火。 目 的 提高表面強、硬度，耐磨性及疲勞 極限，保持心部良好的塑韌性。一、感應(yīng)加熱表面淬火 1原理: 交變磁場 感應(yīng)電流 工件電阻 加熱，集膚效應(yīng) 表面加熱 快速冷卻感應(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，而這三個熱參數(shù)有需通過控制設(shè)備的

2、電參數(shù)（電流頻率、單位表面功率）和加熱時間來保證。2分類 高頻、 中頻 、 工頻 等。 感應(yīng)加熱分為： 高頻感應(yīng)加熱 頻率為250-300KHz，淬硬層深度傳動軸連續(xù)淬火感應(yīng)器感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面圖 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)加熱表面淬火的機車凸輪軸 工頻感應(yīng)加熱頻率為50Hz,淬硬層深度10-15 mm各種感應(yīng)器感應(yīng)穿透加熱 3特 點 加熱速度快： 幾秒幾十秒。 加熱時實際晶粒度小，淬火得到極細馬氏體， 硬度脆性 加熱層深度易控制 ，可實現(xiàn)自動化批量生產(chǎn)。 不易氧化、脫碳、變形小。 工藝易控制，但設(shè)備成本高。 汽車曲軸4工藝路

3、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 時效 精磨 ） 感應(yīng)加熱表面淬火對工件的原始組織有一定的要求。一般鑄鐵件的組織應(yīng)是珠光體基體和細小均勻分布的石墨；鋼件應(yīng)預(yù)先進行正火或調(diào)質(zhì)處理。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26mm。 火焰淬火特點 優(yōu)點：操作簡便，設(shè)備簡單，成本低，靈活性大； 缺點：加熱溫度不易控制，工件表面易過熱， 淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。 火焰淬火適用范圍 單件、小批生產(chǎn)以及大型零件（如大模數(shù)齒輪、

4、大型 軸類等）的表面淬火。火焰加熱: 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工件表面進行加熱的方法。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激光表面淬火利用高能量密度（104108W/cm2）的激光對工件表面進行加熱的方法。激光加熱時，因其過程極短，無需考慮大氣介質(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. 5mm，硬度比普通淬火

5、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化問題。5.激光淬火前，需對淬火表面進行黑化處理，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)動機缸套、滾動軸承圈、機床導(dǎo)軌、冷作模具等。激光表面淬火的特點：5-8 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， 從而通過改變表層的化學(xué)成分和組織 來改變其性能。 分類 滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、 滲鉻、滲鋁等。 一、鋼的滲碳 （

6、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，心部保持一定的強度和良好的塑韌性。 如齒輪、軸類、鏈條、套筒、活塞銷。 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 。 加熱溫度 Ac3 以上，一般為900950 。 加熱時間 根據(jù)所需滲層厚度決定。 （一般經(jīng)現(xiàn)場試驗測定） 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 (

7、R、m、t分別代表軸半徑、齒輪模數(shù)、零件厚度） 常用鋼號及用途低淬透性鋼：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油機的活塞銷、凸輪軸等。柴油機凸輪軸20Cr活塞銷中淬透性鋼：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，如柴油機曲軸。 增壓柴油機曲軸汽車變速箱齒輪 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。 氣體滲碳法示意圖可控氣氛滲碳爐滲碳爐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

8、：滲碳層會出現(xiàn)大量塊狀或網(wǎng)狀 滲碳體，滲層變脆，易剝落。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 ) 只適用于細晶鋼或耐磨性要求低和承載低的零件。 一次淬火 加熱溫度Ac3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）5. 滲碳的特點 生產(chǎn)效率高、質(zhì)量易 控制、可實現(xiàn)生產(chǎn)自 動化。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)滲碳的機車從動齒輪7. 滲碳后的組織 外層過共析層、中間共析層、心部是原始組織。 滲碳層深度確

9、定：從表面到含碳量為0.4%c處。測定 時按50%F + 50%P 量時確定。 退火態(tài)：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 )8.滲碳熱處理后的常見缺陷滲碳件的質(zhì)量檢查項目 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別等)、滲碳件心部鐵素體級別的評定、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、過共

10、析與共析層厚度過大或過?。?、滲層組織不合要求（碳化物過多呈大塊狀或網(wǎng)狀分布、殘余奧氏體量過多、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）、變形過量。心部組織真空滲碳法將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳氣體加熱滲碳。優(yōu)點： 表面質(zhì)量好, 滲碳速度快。真空滲碳爐越王勾踐劍春秋晚期越國青銅兵器,出土于湖北江陵楚墓。 長厘米， 劍鍔鋒芒犀利，鋒能割斷頭發(fā)。 二、氮化 工件表面滲入氮原子，以提高硬度、耐磨性， 疲勞強度和耐蝕性。 特點 ： 1.表面硬度高（可達10002000 Hv 即 69HRC以上 ） 2.高的熱硬性（在550600 時仍保持很高的硬度）

11、 3.氮化溫度低、工件變形極小。 4.氮化前調(diào)質(zhì)處理、保證心部的強度。氮化后無須淬火 5.工藝時間長且滲層?。ㄒ话銥?.3 ）。氮化的特點及應(yīng)用氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。疲勞強度高。由于表面存在壓應(yīng)力。氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進行熱處理。 耐蝕性好。因為表層形成的氮化物化學(xué)穩(wěn)定性高。氮化的缺點：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。 縫紉機用氮化件經(jīng)離子氮化的機車曲軸 材料： 含Cr、 Mo、 Al等合金元素 的中碳合金鋼。 常用：38C

12、rMoAlA 應(yīng)用： 廣泛用于高速傳動的精密齒輪； 高精度機床主軸；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38 CrMoAl 氣體滲氮層組織 ( 化染 ) 650 黃色區(qū) : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 紅色區(qū) : ( Fe4N ) ;藍綠色區(qū):含氮索氏體 + 脈狀氮化物; 綠黃色區(qū):索氏體基體。 38CrMoAl氮化層38CrMoAl氮化層硬度 氮化件加工工藝： 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， 用工件和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進行的。所以也稱為 輝光”離子

13、氮化）。 其特點：滲氮速度快、生產(chǎn)周期短，38CrMoAlA為例：滲層要 求，氣體滲氮50h 以上，離子氮化1520h； 對材料的適應(yīng)性強：滲碳用鋼、合金鋼、鑄鐵都可以。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作用下，使電離的氮離子高速沖擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時間短，氮化層脆性小。離子氮化爐 滲碳與滲氮的工藝特點處理后是否需要熱處理處理時間 ( h )處理溫度( )名稱需要39900950滲碳不需要2050500600滲氮三. 碳氮共滲 同時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。 中溫氣體碳氮共滲：（滲碳為主） 常用溫度：820 860 時 間

14、： 根據(jù)要求2 8h 滲 層： 0.3 0.8 mm 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。 低溫氣體碳氮共滲：（即：軟氮化） （滲氮為主） 常用溫度：560 570 時 間：2 3h 滲 層：0.01 0.02 mm 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， 不宜用于重載工作的工件。在氣體介質(zhì)中對工件同時滲入氮和碳，并以滲氮為主的化學(xué)熱處理工藝稱為氣體氮碳共滲。與滲氮相比，滲層硬度較低，脆性較小，故稱軟氮化。氮碳共滲溫度530570，應(yīng)比回火溫度低510 ，或與之相同。滲劑：通氨滴醇、尿素分解等。井式滲碳爐三、三束表面改性技術(shù) 三束表面改性技術(shù)是指將激光束、電子束和離子束(合稱“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，以獲得特殊表面性能的技術(shù)。激光束加工電子束加工等離子束加工5-9 熱處理與機械零件設(shè)計制造的關(guān)系一、熱處理對零件結(jié)構(gòu)形狀的要求 1. 避免尖角、棱角 2. 避免零件截面尺寸相差懸殊 3. 采用對稱、封閉結(jié)構(gòu) 4. 采用組合結(jié)構(gòu)二、熱處理對切削加工工藝