表面熱處理及化學(xué)熱處理

表面工程第三章表面熱處理及化學(xué)熱處理2/2/20231主要內(nèi)容3.1表面熱處理3.2化學(xué)熱處理2/2/202323.1表面熱處理定義：僅對(duì)鋼的表面加熱、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝。2/2/202333.1.1表面淬火技術(shù)的原理和特點(diǎn)一、表面淬火技術(shù)的定義與分類（1）定義：采用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）之上，快速冷卻，發(fā)生馬氏體相變，形成表面強(qiáng)化層的工藝，稱表面淬火技術(shù)。（2）分類：根據(jù)熱源不同，可分為：感應(yīng)加熱火焰加熱激光加熱電子束加熱2/2/20234（3）適用范圍碳含量在0.35%—1.20%的中、高碳鋼；基體相當(dāng)于中碳鋼的普通灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵；中碳鋼與球鐵最適合。2/2/20235中碳鋼最適合表面淬火的原因中碳鋼經(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)性能，且表面有較高硬度和耐磨性；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；低碳鋼表面強(qiáng)化效果不顯著。2/2/20236二、表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別加熱速度高，鋼的相變點(diǎn)溫度大幅度提高；快速加熱，奧氏體晶粒及亞結(jié)構(gòu)顯著細(xì)化；加熱速度很高時(shí)，鋼產(chǎn)生無擴(kuò)散奧氏體相變；冷卻速度比整體淬火快，硬度比普通淬火高；熱源能量密度越高，加熱速度越快，硬度越高?？焖偌訜?，滲碳體難以充分溶解，奧氏體成分不均勻，顯微硬度不均勻；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。2/2/20237三、表面淬火層的組織與性能1、組織沿試樣橫截面分三個(gè)區(qū)：淬硬區(qū)、過渡區(qū)、心部（1）淬硬區(qū)：全部馬氏體（2）過渡區(qū)：馬氏體+自由鐵素體（3）心部：原始組織2/2/202382、表面淬火層的性能硬度比普通淬火工藝高2-5HRC；耐磨性比普通淬火好；提高軸類零件的疲勞強(qiáng)度；缺口敏感性下降。2/2/20239（1）原理：工件放在有足夠功律的輸出的感應(yīng)線圈中，在高頻交流磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生很大感應(yīng)電流，由于集膚效應(yīng)而集中分布于工件表面，使受熱區(qū)迅速加熱到鋼的相變臨界溫度之上，然后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使工件表層獲得馬氏體。

3.1.1感應(yīng)加熱表面熱處理2/2/202310高頻(200~300KHz),δ=0.5~2mm中頻(2500~8000Hz),δ=2~5mm工頻(50Hz),δ=10~15mm碳鋼：鋼中電流透入深度的計(jì)算簡(jiǎn)化公式：式中，f為電流頻率。2/2/202311①過熱度大②細(xì)小隱晶M組織，高2～3HRC③表層存在很大的殘余壓應(yīng)力④無氧化、脫碳，工件變形很?、菀子趯?shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化(2)適用的鋼種中碳鋼和中碳低合金鋼，例：45、40Cr、40MnB先正火或調(diào)質(zhì)→心部綜合性能好，表面硬（＞50HRC）(3)特點(diǎn)最大尺寸的馬氏體片小到光學(xué)顯微鏡無法分辨時(shí)，稱為隱晶馬氏體。2/2/202312缺點(diǎn)：①設(shè)備較貴；②易產(chǎn)生尖角效應(yīng)——尖角棱邊過熱；③形狀復(fù)雜零件處理困難。2/2/202313感應(yīng)加熱表面淬火實(shí)物及示意圖2/2/2023143.1.2火焰加熱表面熱處理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。2/2/202315優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，方法靈活，簡(jiǎn)便易行。缺點(diǎn)：

生產(chǎn)率低，易過熱，質(zhì)量難控制，不均勻。應(yīng)用：

適于單件、小批量及大型零件局部表面淬火。燃料：乙炔-氧或煤氣-氧2/2/202316激光器冷水機(jī)組數(shù)控加工機(jī)床總控制臺(tái)3.1.3激光表面熱處理激光加工系統(tǒng)設(shè)備組成2/2/202317(1)定義：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，激光移開后，高溫薄層在基底冷卻下，進(jìn)行自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。2/2/202318（2）影響淬硬層的主要因素材料成分：淬硬性和淬透性——深度、硬度。如：鋼—含碳量增加—馬氏體含量增加—硬度高。工藝參數(shù)：淬火層寬度—光斑直徑D淬硬層深度——功率P、光斑直徑D、掃描速度V表面預(yù)處理狀態(tài)：a、表面組織準(zhǔn)備—細(xì)化b、表面黑化處理—通過對(duì)激光的吸收率

2/2/202319①生產(chǎn)率高②變形很小，局部表面③過熱度大(50~200℃)，硬度高④無介質(zhì)、無污染⑤不接觸、光能照到就能淬火⑥易于自動(dòng)化（3）特點(diǎn)：2/2/2023202/2/2023212/2/202322碳鋼：20、35、40、45、T10、T12合金結(jié)構(gòu)鋼：40Cr、30CrMnSiA、40CrNiMoA、38CrNi3MoV合金工具鋼：GCr15、9SiCr，9CrWMn、CrWMn，4Cr5MoV1Si、W302， W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、M42、W9Mo3Cr4V、R18、R6M5K5不銹鋼：2Cr13鑄鐵：HT200、HT300、QT400-17、QT600-2硬質(zhì)合金：YG8、YG20鈦合金：TC4，鋁合金：激光相變硬化已研究的材料2/2/202323火車缸套軋輥（4）激光相變硬化應(yīng)用2/2/202324柴油機(jī)缸套淬火激光相變硬化應(yīng)用2/2/202325抽油泵筒激光相變硬化應(yīng)用2/2/202326激光硬化區(qū)的表面形貌2/2/202327激光硬化區(qū)的橫截面及深度2/2/202328激光相變區(qū)的金相組織2/2/202329硬化層的重疊2/2/202330搭接區(qū)的金相組織2/2/202331（1）定義：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滲入工件表面，以改變鋼件表層化學(xué)成分和組織的熱處理工藝。滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁（2）目的：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3.2化學(xué)熱處理2/2/202332（4）三個(gè)基本過程①介質(zhì)的分解：形成活性原子；②表面吸收和溶解：形成固溶體或化合物；③原子擴(kuò)散：形成一定的擴(kuò)散層。（3）方法氣體法：應(yīng)用最廣液體法：熔融液體，熱浸鋅固體法：粉末、膏劑，滲硼等離子法：低真空中輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊表面2/2/202333（1）滲碳：活性碳原子［C］滲入鋼的表層。（2）目的：增加表面C含量，淬火＋低溫回火，表面硬，心部韌

（3）滲碳方法：氣體、固體和液體滲碳（4）適合的鋼種：低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi等3.2.1滲碳2/2/202334（5）工藝：

900~950℃，1h,0.5mm；4h,1mm滲碳層厚度：從表面到過渡層的一半處，0.5~2.5mm（6）熱處理：淬火（直接、一次和二次）＋低溫回火（7）組織與性能:表層：高碳回火M＋碳化物＋A’心部：低碳回火M或F、T性能：表面硬度高，58HRC~64HRC；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2/2/202335問題：緩冷組織？P+碳化物、P、P+F，原始組織。滲碳后的熱處理示意圖

2/2/202336氣體滲碳爐2/2/202337低碳鋼緩冷后的顯微組織2/2/2023382/2/202339（3）工藝：氣體滲氮2NH3→3H2+2[N]200℃以上3.2.2滲氮（1）氮化：在一定溫度下使活性氮原子［N］滲入工件表面。（2）目的：提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等2/2/202340（4）特點(diǎn)：①氮化溫度低500~600℃②時(shí)間長20~50h，厚度0.3~0.5mm催化劑（苯、苯胺、氯化胺等）↑0.3~3倍③氮化前鋼件須調(diào)質(zhì)處理（5）組織表層為白色ε（Fe2N）或γ’（Fe4N）相中間為暗黑色含氮共析體（α+γ’）心部為回火S2/2/202341Fe-N相圖2/2/20234238CrMoAl鋼氮化工藝曲線圖2/2/202343（6）性能：硬度高（1000HV~1100HV），很高的耐磨性和熱硬性表面壓應(yīng)力，↑疲勞強(qiáng)度溫度低，零件變形小耐蝕性好（7）氮化用鋼：35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等2/2/2023443.2.3碳氮共滲同時(shí)滲入碳氮——氰化（1）工藝（高溫氣體碳氮共滲工藝）煤油+氨氣溫度：830~850℃，保溫1~2h，0.2~0.5mm淬火+低溫回火（2）機(jī)械性能表面含氮M，耐磨性更好較高的壓應(yīng)力，更高疲勞強(qiáng)度、耐蝕性2/2/202345幾種表面熱處理和化學(xué)熱處理的比較熱處理方法表面淬火滲碳氮化碳氮共滲處理工藝表面加熱淬火低溫回火滲碳，淬火低溫回火調(diào)質(zhì)氮化碳氮共滲，淬火低溫回火生產(chǎn)周期很短，幾秒到幾分鐘長，約3h~9h很長，約20h~50h短，約1h~2h表層深度/mm0.5~7.00.5~2.00.3~0.50.2~0.5硬度/HRC55~5860~6