第六章-表面改性技術(shù)課件

第六章表面改性技術(shù)

第六章表面改性技術(shù)

什么是表面改性？表面改性是指采用某種工藝手段使材料表面獲得與其基體材料的組織結(jié)構(gòu)、性能不同的一種技術(shù)。改性后的應(yīng)用范圍？材料經(jīng)表面改性處理后，既能發(fā)揮基體材料的力學(xué)性能，又能使材料表面獲得各種特殊性能（如耐磨、耐腐蝕、耐高溫、合適的射線吸收、輻射和反射能力，超導(dǎo)性能，潤滑，絕緣，儲氫等）。表面改性的優(yōu)點？表面改性技術(shù)可以掩蓋基體材料表面的缺陷，延長材料和構(gòu)件的使用壽命，節(jié)約稀、貴材料，節(jié)約能源，改善環(huán)境，并能推進高新技術(shù)的發(fā)展。

什么是表面改性？2Contents感應(yīng)加熱表面淬火2金屬表面熱化學(xué)處理4火焰加熱表面淬火33金屬表面形變強化31Contents感應(yīng)加熱表面淬火2金屬表面熱化學(xué)處理4火焰加3金屬表面形變強化原理表面形變強化？

表面形變強化是通過機械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成深度為0.5mm~1.5mm的形變硬化層。

在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯密度增加，晶格畸變程度增大。硬化層的變化形成較高的宏觀殘余壓應(yīng)力金屬表面形變強化原理表面形變強化？在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大4金屬表面形變強化原理以噴丸為例，奧赫弗爾特對于殘余應(yīng)力的產(chǎn)生提出兩方面機制

由于彈丸的沖擊產(chǎn)生的表面法向力引起了赫芝壓應(yīng)力與亞表面應(yīng)力的結(jié)合

由于大量彈丸壓入產(chǎn)生的切應(yīng)力造成了表面塑性延伸

金屬表面形變強化原理以噴丸為例，奧赫弗爾特對于殘余應(yīng)力的產(chǎn)生5金屬表面形變強化原理根據(jù)赫芝理論，這種殘余應(yīng)力在一定深度內(nèi)造成了最大的切應(yīng)力，并在表面產(chǎn)生了殘余壓力金屬表面形變強化原理根據(jù)赫芝理論，這種殘余應(yīng)力在一定深度內(nèi)6金屬表面形變強化原理表面壓應(yīng)力防止裂紋在受壓的表層萌生和擴展。在大多數(shù)材料中這兩種機制并存。在軟質(zhì)材料情況下第二種機制占優(yōu)勢；而在硬質(zhì)材料的情況下第一種機制起主導(dǎo)作用。經(jīng)噴丸和滾壓后，金屬表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的大小，不但與強化方法、工藝參數(shù)有關(guān)，還與材料的晶體類型、強度水平以及材料在單調(diào)拉伸時的硬化率有關(guān)。具有較高硬化率的面心立方晶體的鎳基或鐵基奧氏體熱強合金，表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力高，可比材料自身屈服點高1~3倍。材料的硬化率越高，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力越大。一些表面形變強化手段還可能使表面粗糙度略有增加，但卻使切削加工的尖銳刀痕圓滑，因此可減輕由切削加工留下的尖銳刀痕的不利影響。這種表面形貌和表層組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化，有效地提高了金屬表面強度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強度。金屬表面形變強化原理表面壓應(yīng)力防止裂紋在受壓的表7金屬形變強化的主要方法表面形變強化是近年國內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的工藝之一，成本低廉，強化效果顯著

以噴丸強化應(yīng)用最為廣泛

噴丸

孔擠壓

滾壓常用的金屬表面形變強化方法主要有噴丸、孔擠壓和滾壓等工藝

金屬形變強化的主要方法表面形變強化是近年國內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的8金屬形變強化的主要方法噴丸強化工藝參數(shù)的確定噴丸強化的原理

噴丸強化的應(yīng)用實例噴丸材料

噴丸強化用的設(shè)備

1.噴丸金屬形變強化的主要方法噴丸強化工藝參數(shù)的確定噴丸強化的原理9金屬形變強化的主要方法噴丸強化的原理陶瓷彈丸

聚合塑料彈丸

液態(tài)噴丸介質(zhì)

鑄鋼彈丸玻璃彈丸鋼絲切割彈丸

鑄鐵彈丸

噴丸是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種再結(jié)晶溫度以下的表面強化方法，即利用高速彈丸強烈沖擊零部件表面，使之產(chǎn)生形變硬化層并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。噴丸強化已廣泛用于彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件，可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動磨損、耐點蝕（孔蝕）能力。金屬形變強化的主要方法噴丸強化的原理陶瓷彈丸聚合塑料彈丸10金屬形變強化的主要方法鑄鐵彈丸：冷硬鑄鐵彈丸是最早使用的金屬彈丸，冷硬鑄鐵彈丸wc=2.75%~3.60%，硬度很高，可達到58~65HRC，但沖擊韌性較低。彈丸經(jīng)退火處理后，硬度降低至30~57HRC，但可提高彈丸的韌性。鑄鐵彈丸的尺寸為d=0.2-1.5mm，使用中，鑄鐵彈丸易于破碎，損耗較大，要及時分離排除破碎彈丸，否則會影響零部件的噴丸強化質(zhì)量。此種彈丸強化目前應(yīng)用很少。鑄鋼彈丸：鑄鋼彈丸的品質(zhì)與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)有很大關(guān)系，其wc=0.85%~1.20%之間，wMn=0.60%~1.20%。目前國內(nèi)常用的鑄鋼彈丸，wc=0.95%~1.05%，wMn=0.6%~0.8%，wSi=0.4%~0.6%，wp、ws≤0.005%。玻璃彈丸：這是近十幾年發(fā)展起來的新型噴丸材料，已在國防工業(yè)和飛機制造業(yè)中廣泛應(yīng)用。玻璃彈丸wSi>67%，直徑在d=0.05~0.4mm，硬度在46~50HCR，脆性較大。密度為2.45~2.55g/cm3。目前市場上按直徑分為≤0.05mm，0.05mm~0.15mm，0.16mm~0.25mm和0.26mm~0.35mm等四種。

金屬形變強化的主要方法鑄鐵彈丸：11金屬形變強化的主要方法鋼絲切割彈丸：當(dāng)前使用的鋼絲切割彈丸是wc=0.7%的彈簧鋼絲（或不銹鋼絲）切制成段，經(jīng)磨圓加工制成的。常用鋼絲直徑d=0.4~1.2mm，硬度為45~50HRC為最佳。鋼彈丸的組織最好為回火馬氏體或貝氏體。使用壽命比鑄鐵彈丸高20倍左右。陶瓷彈丸：彈丸硬度很高，但脆性較大，噴丸后的表層可獲得較高的殘余應(yīng)力。

聚合塑料彈丸：是一種新型的噴丸介質(zhì)，以聚合碳酸酯為原料，顆粒硬而耐磨，無粉塵，不污染環(huán)境，可連續(xù)使用，成本低，即使有棱邊的新丸也不會損傷工件表面。常用于消除酚醛或金屬零件毛刺和耀眼光澤。金屬形變強化的主要方法鋼絲切割彈丸：12金屬形變強化的主要方法液態(tài)噴丸介質(zhì)：

其包括二氧化硅顆粒和氧化鋁顆粒等，二氧化硅顆粒粒度為40~170μm，很細(xì)的可用于液態(tài)噴丸，拋光模具或其他精密零件的表面。噴丸時用水混合二氧化硅顆粒，利用壓縮空氣噴射。氧化鋁顆粒也是一種廣泛應(yīng)用的噴丸介質(zhì)，電爐生產(chǎn)的氧化鋁顆粒粒度為53~1700μm，其中顆粒小于180μm的氧化鋁可用于液態(tài)噴丸，光整加工，但噴射工件中會產(chǎn)生切屑。氧化鋁干噴則用于花崗巖和其他石料的雕刻，鋼和青銅的清理，玻璃的裝飾加工。應(yīng)當(dāng)指出，強化用的彈丸與清理、成型、校形用的彈丸不同，必須是圓球形，不能有棱角毛刺，否則會損傷零件表面。一般來說，黑色金屬制件可以用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金屬如鋁合金、鎂合金、鈦合金和不銹鋼制件則需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。金屬形變強化的主要方法13金屬形變強化的主要方法噴丸強化用的設(shè)備

按驅(qū)動彈丸的方式分為：①機械離心式噴丸機②氣動式噴丸機噴丸機又有干噴和濕噴之分，干噴式工作條件差，濕噴式是將彈丸混合在液態(tài)中成懸浮狀，然后噴丸，因此工作條件有所改善。

金屬形變強化的主要方法噴丸強化用的設(shè)備按驅(qū)動彈丸的方式分為14金屬形變強化的主要方法機械離心式噴丸機：又稱葉輪式噴丸機或拋丸機。工作時，彈丸由高速旋轉(zhuǎn)的葉片和葉輪離心力加速拋出。彈丸的速度取決于葉輪轉(zhuǎn)速和彈丸的質(zhì)量。這種噴丸機功率小，生產(chǎn)效率高，噴丸質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備制造成本較高。主要適用于要求噴丸強度高、品種少批量大、形狀簡單尺寸較大的零部件。

氣動式噴丸機：工作時以壓縮空氣驅(qū)動彈丸達到高速度后撞擊工件的受噴表面。這種噴丸機工作室內(nèi)可以安置多個噴嘴，因其方位調(diào)整方便，能最大限度地適應(yīng)受噴零件的幾何形狀。而且可通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力控制噴丸強度，操作靈活。一臺噴丸機可噴多個零件，適用于要求噴丸強度低、品種多、批量少、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件。缺點是功耗大，生產(chǎn)效率低。金屬形變強化的主要方法機械離心式噴丸機：又稱葉輪式噴丸機或拋15金屬形變強化的主要方法氣動式噴丸機根據(jù)彈丸進入噴嘴的方式又分為吸入式、重力式和直接加壓式三種。吸入式噴丸機結(jié)構(gòu)簡單，多使用密度較小的玻璃彈丸或小尺寸金屬彈丸，適用于工件尺寸較小、數(shù)量較少、彈丸大小經(jīng)常變化的場合，如實驗室等。重力式噴丸機結(jié)構(gòu)比吸入式復(fù)雜，適用于密度和直徑較大的金屬彈丸。不論那一類設(shè)備，噴丸強化的全過程必須實行自動化，而且噴嘴距離、沖擊角度和移動（或回轉(zhuǎn)）速度等的調(diào)節(jié)都穩(wěn)定可靠。金屬形變強化的主要方法氣動式噴丸機根據(jù)彈丸進入噴嘴的方式又分16金屬形變強化的主要方法噴丸強化工藝參數(shù)的確定

合適的噴丸強化工藝參數(shù)要通過噴丸強度試驗和表面覆蓋率試驗來確定。

①噴丸強度試驗。將一薄板試片緊固在夾具上進行單面噴丸，由于噴丸面在彈丸沖擊下產(chǎn)生塑性變形而伸長，噴丸后的試片產(chǎn)生凸向噴丸面的球面彎曲變形，試片凸起大小可用弧高度?表示?；「叨?與試片厚度h、殘余壓力層深度d以及強化層內(nèi)殘余應(yīng)力平均值σ有如下關(guān)系E為試片彈性模v為泊松比a為測量弧高度的基準(zhǔn)圓直徑

金屬形變強化的主要方法噴丸強化工藝參數(shù)的確定E為試片彈性模17金屬形變強化的主要方法試片材料一般采用具有較高彈性的70彈簧鋼，試片尺寸應(yīng)根據(jù)試片噴丸強度來選擇，常用的三種試片規(guī)格參見表6-1。當(dāng)試片A（或II）測得的弧高度?＜0.15mm時，應(yīng)改用試片N（或I）來測量噴丸強度；當(dāng)用試片A（或II）測得的弧高度?＞0.6mm時，應(yīng)改用試片C（或III）來測量噴丸強度。金屬形變強化的主要方法試片材料一般采用具有較高彈性的70彈簧18金屬形變強化的主要方法②表面覆蓋率試驗。噴丸強化后表面彈丸坑占有的面積與總面積的比值稱表面覆蓋率。一般認(rèn)為，噴丸強化零件要求表面積覆蓋率達到表面積的100%即全覆蓋時，才能有效改善疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能。但是在實際生產(chǎn)時應(yīng)盡量縮短不必要的過長的噴丸時間。③選定噴丸強化工藝參數(shù)。金屬材料的疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕性能并不隨噴丸強度的增加而直線提高，而是存在一個最佳噴丸強度，它由試驗確定。金屬形變強化的主要方法②表面覆蓋率試驗。噴丸強化后表面彈丸坑19金屬形變強化的主要方法噴丸強化的應(yīng)用實例①20CrMnTi圓輥滲碳淬火回火后進行噴丸處理，殘余壓應(yīng)力為880MPa，壽命從55萬次提高到150~180萬次；②40CrNiMo鋼調(diào)質(zhì)后再經(jīng)噴丸處理，殘余壓應(yīng)力為880MPa，壽命從4.6×105次提高到1.04×107次以上；③鋁合金LD2，經(jīng)噴丸處理后，壽命從1.1×106次提高到1×108次以上；④在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉水溶液中工作的45鋼，經(jīng)噴丸處理后，其疲勞強度從100MPa提高到202MPa；⑤鋁合金[wZn=6%、wMg=2.4%、wCu=0.7%、wCr=0.1%]懸臂梁試驗，經(jīng)噴丸處理后，應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力從357MPa提高到400MPa；⑥耐蝕鎳合金（Hastelloy合金），鼓風(fēng)機葉輪在150℃氮氣中運行，六個月后發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。經(jīng)噴丸強化并經(jīng)玻璃珠去污，Hastelloy合金B(yǎng)2反應(yīng)堆容器在焊接后，局部噴丸以對應(yīng)力腐蝕裂紋進行修復(fù)，在未噴丸表面重新出現(xiàn)裂紋，而經(jīng)噴丸處理的部分幾乎未產(chǎn)生進一步破裂。⑦液體推進容器的鈦制零部件未噴丸強化時，在40℃以下使用14h就發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞，容器內(nèi)表面經(jīng)玻璃珠噴丸強化后，在同樣條件下試驗30天還沒有產(chǎn)生破壞。此外，噴丸和其他形變強化工藝在汽車工業(yè)中的變速箱齒輪、宇航飛行器的焊接齒輪、噴氣發(fā)動機的鉻鎳鐵合金（Incone1718）渦輪盤等制造中獲得應(yīng)用。

金屬形變強化的主要方法噴丸強化的應(yīng)用實例20金屬形變強化的主要方法2．孔擠壓:內(nèi)孔擠壓是使孔的內(nèi)表面獲得形變強化的工藝，效果明顯。美國已發(fā)表專利。3．滾壓:圖（a）為表面滾壓強化示意圖。目前滾壓強化用的滾輪、滾壓力大小等尚無標(biāo)準(zhǔn)。對于圓角、溝槽等可通過滾壓獲得表層形變強化，并能在表面產(chǎn)生約5mm深的殘余壓力，其分布如圖（b）所示。（a）

（b）

金屬形變強化的主要方法2．孔擠壓:內(nèi)孔擠壓是使孔的內(nèi)表面獲得21感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火就是將感應(yīng)圈放置在距工件很近的外表面或內(nèi)表面，通以快速交變電流，利用鋼鐵的感應(yīng)電流使表面迅速發(fā)熱，然后噴水冷卻，達到淬火的目的。感應(yīng)加熱表面淬火的原理

感應(yīng)加熱表面淬火的原理是利用感應(yīng)電流的“集膚效應(yīng)”、“臨近效應(yīng)”和“環(huán)狀效應(yīng)”?！凹w效應(yīng)”原理如圖。在導(dǎo)體的表面施加交變磁場時，磁力線大部分集中在導(dǎo)體表面通過，感生電流也就主要產(chǎn)生于導(dǎo)體表面。如果導(dǎo)體與感應(yīng)圈間隙足夠小，則磁力線全部為導(dǎo)體所吸收，在高頻的交流電作用下，表面會在很短時間內(nèi)產(chǎn)生很大的感生電流，使表面迅速發(fā)熱，而很快達到臨界點（AC3、ACm）以上。

感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火就是將感應(yīng)圈放置在距工件很近22感應(yīng)加熱表面淬火的原理“臨近效應(yīng)”表現(xiàn)為，兩個相鄰載有高頻電流的導(dǎo)體由于磁場相互影響，磁力線將重新分布，當(dāng)兩個導(dǎo)體內(nèi)電流方向相同時，電流從外側(cè)通過；當(dāng)電流相反時，電流從內(nèi)側(cè)通過。“環(huán)狀效應(yīng)”使之高頻電流通過環(huán)狀或螺旋狀導(dǎo)體時，最大電流密度分布在環(huán)狀導(dǎo)體內(nèi)側(cè)，外側(cè)實際沒有電流。這種效應(yīng)對加熱圓形工件外表面是有利的，而對于圓形工件內(nèi)表面加熱則是不利的，磁力線大部分損失，即漏磁很大，為解決這一問題，一般采用加裝導(dǎo)磁體來改變磁力線，使其從內(nèi)側(cè)移向外側(cè)，如圖6-6所示。感應(yīng)加熱表面淬火的原理“臨近效應(yīng)”表現(xiàn)為，兩個相鄰載有高頻電23感應(yīng)加熱表面淬火的特點（1）加熱速度范圍寬，可在3～1000℃/s，加熱時間短，一般幾秒至幾十秒就可以完成，晶粒更細(xì)。奧氏體晶粒最高可達14～15級，因為晶粒細(xì)小，淬火后可以獲得隱晶馬氏體，硬度很高。比一般淬火硬度高出2~4HRC，因此耐磨性較高。（2）工藝參數(shù)容易調(diào)節(jié)和控制。比如通過調(diào)整輸出功率、頻率和加熱時間來準(zhǔn)確地控制淬火層深度、硬度。對于同一批工件來說，一旦工藝參數(shù)確定，則可以穩(wěn)定下來，不必再進行調(diào)整。因而工效很高，可以實現(xiàn)機械化作業(yè)，特別適合大批量生產(chǎn)。（3）因為加熱速度快，表面氧化脫碳少，表面質(zhì)量高。同時感應(yīng)加熱是局部和薄層加熱，因此工件幾乎不變形。很多情況下都作為最終加工工序。（4）感應(yīng)加熱淬火需要很大的設(shè)備投入，需要專門的中頻或高頻電源裝置。需要針對特定的工件制作特定的感應(yīng)圈，所以單件小批量生產(chǎn)時生產(chǎn)成本高。對大型工件淬火，它無法完成，因此靈活性相對較差。感應(yīng)加熱表面淬火的特點（1）加熱速度范圍寬，可在3～100024感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程如圖，在工藝制定中要充分考慮諸多影響因素。概括起來主要有：1．前期的預(yù)先處理表面淬火適合中高碳鋼和鑄鐵，因為這些材料的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定了其可以通過快速淬火得到中高碳馬氏體，強度和硬度會明顯提高。而低碳鋼則不會收到這樣的效果。中高碳鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，心部可以獲得強度和韌性的最佳性能配合，也就是綜合機械性能好，使用中與表面淬硬層形成配合。感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流25感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點2．表面硬度的選擇零件的硬度應(yīng)根據(jù)零件的使用性能確定。①用于摩擦部分，如曲軸軸頸、凸輪表面，硬度越高，耐磨性越好，曲軸頸常用HRC55～62，凸輪軸常用HRC56～64。②用于壓碎、扭轉(zhuǎn)及剪切部分的零件，硬度應(yīng)高一些，如鍛錘錘頭表面、汽車半軸、鋼板彈簧等，常用HRC50～64。③承受沖擊載荷的零件，如齒輪、花鍵軸，既要求表面硬度，也要求足夠的韌性，因此硬度應(yīng)適當(dāng)降低，常采用HRC40～48。④對于灰鐵件，硬度可達HRC38或更高；球鐵硬度在HRC45～55。感應(yīng)淬火后鋼表面的硬度主要取決于碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)wc=0.15%~0.75%時，淬火硬度可由下式計算HRC＝20＋60(2wc－1.3（wc）2)式中wc為鋼的含碳量HRC為馬氏體淬硬層硬度的平均值。感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點2．表面硬度的選擇26感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點表6-2為幾種常用鋼感應(yīng)淬火后平均硬度值。3．硬化層深度選擇硬化層深度也需要根據(jù)工件的工作條件選擇，表6-3為零件失效原因和工件條件對硬化層的要求。感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點表6-2為幾種常用鋼感應(yīng)27感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點4．加熱溫度的確定

加熱溫度要針對不同的材料和表面硬度的要求確定，碳鋼和合金鋼的加熱溫度是不同的，合金成分不同，加熱的溫度也會明顯不同。而且，因為感應(yīng)加熱速度比空氣加熱和火焰加熱都快，會明顯提高鋼的AC3和AC1點，一般會高出幾十至上百度，所以要認(rèn)真分析各種鋼的加熱溫度。5．設(shè)備輸出頻率的確定感應(yīng)電源的輸出頻率主要有高頻(100～500KHz)、超音頻(20～100KHz)、中頻(0.5～10KHz)、和工頻(50Hz)。頻率是根據(jù)零件的尺寸和硬化層深度確定的。（1）電流透入深度、熱透入深度與硬化層的關(guān)系。感應(yīng)淬火主要依靠感生電流直接加熱，可以近似認(rèn)為熱透入深度與電流透入深度相等，即由式子可以得出不同頻段的透熱層深度，如表6-4為電流頻率與熱透入深度的關(guān)系。感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點4．加熱溫度的確定由28感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點感應(yīng)淬火時為提高生產(chǎn)效率，獲得更高的表面硬度，要求熱透入深度大于硬化層厚度，即全部采用電流直接加熱，而不是依靠傳導(dǎo)式加熱。為獲得較大的殘余壓應(yīng)力，一般要求過渡層厚度不超過硬化層深度的1/4，這時選取透熱層深度為硬化層深度的2倍，即式中,δ為硬化層深度。（2）不同形狀零件的最佳頻率將式（6-2）代入（6-1）可以得到感應(yīng)加熱最佳頻率很多情況下工件直徑越大，所需硬化層深度越大，所以要根據(jù)工件尺寸選擇頻率，如表6-5所示。6.感應(yīng)圈的制作感應(yīng)圈的制作要滿足兩點要求：①形狀要與工件加熱部位盡量接近；②尺寸要盡量保持與加熱面的小間隙。只有這樣才能發(fā)揮感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱表面淬火的工藝流程和技術(shù)要點感應(yīng)淬火時為提高生產(chǎn)效率29感應(yīng)加熱淬火設(shè)備感應(yīng)加熱需要特定的設(shè)備，包括感應(yīng)電源、感應(yīng)器（感應(yīng)圈）、噴水裝置與加熱工件的間隙要盡量地小。其中感應(yīng)電源是設(shè)備的關(guān)鍵和核心。按照輸出電流頻率的不同，分為工頻電源、中頻電源、超音頻和高頻電源。在生產(chǎn)實踐中，中頻電源的輸出頻率為0.5～10KHz，超音頻輸出功率為20～100KHz，高頻電源的輸出頻率為100～500KHz。輸出功率一定時，頻率越高，加熱速度越快，而同樣的加熱時間下，則透熱深度會減小。圖6-7是工頻電源的原理圖。感應(yīng)加熱淬火設(shè)備感應(yīng)加熱需要特定的設(shè)備，包括感應(yīng)電源、感應(yīng)器30感應(yīng)加熱淬火設(shè)備在幾類感應(yīng)電源中，工頻電源在感應(yīng)加熱設(shè)備中輸出頻率最小的，透熱時間較長，但深度最大，適合對大型零件的深度淬火。高頻加熱電源則更適合薄層和更細(xì)化晶粒的快速加熱。相對而言，中頻電源輸出頻率和功率是適用范圍最寬的。它的輸出頻率為1KHz、2.5KHz和8KHz。輸出功率有10KW、20KW、50KW、100KW、200KW、250KW。中頻電源現(xiàn)在基本上作為可控硅整流設(shè)備。圖6-8為可控硅中頻電源的原理圖。中頻電源結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，適用范圍寬。在調(diào)整好輸出功率和頻率時，可以在較短時間內(nèi)（幾秒至十幾秒）獲得中等厚度（～2mm）的加熱層。它適合對承受彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變載荷的零件，比如曲軸、主軸、大齒輪等零件的感應(yīng)加熱淬火。為獲得更薄的淬硬層，需要加熱速度更快的高頻電源。感應(yīng)加熱淬火設(shè)備在幾類感應(yīng)電源中，工頻電源在感應(yīng)加熱設(shè)備中輸31感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用（1）齒輪的表面淬火。齒輪一般用調(diào)質(zhì)鋼制造，如45、40Cr鋼。它們經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后進行表面淬火，然后自回火。齒輪表面組織為隱晶回火馬氏體，硬度為54~58HRC，心部組織為回火索氏體，硬度為20~25HRC。（2）軸類的表面淬火。車床主軸如圖所示。原始組織為正火組織，即索氏體+鐵素體，硬度為180～220HB。表面硬度要求52～55HRC，內(nèi)錐孔表面硬度要求45～50HRC，采用高頻感應(yīng)連續(xù)加熱淬火+爐內(nèi)220～250℃低溫回火可以滿足上述要求。內(nèi)燃機主軸選用40Cr鋼制造，先進行調(diào)質(zhì)處理，組織為回火索氏體，硬度為20～25HRC。表面要求有良好的耐磨性，因此用中頻加熱淬火+低溫回火，得到回火馬氏體，硬度為52～55HRC，淬硬層深度在3～4㎜。整體的抗拉強度為800～1000MPa，沖擊韌性為750～800KJ/m2。（3）機床導(dǎo)軌表面淬火。車床導(dǎo)軌由HT320制造，原始組織為珠光體+細(xì)片狀石墨，導(dǎo)軌表面要求耐磨，因此用高頻加熱表面淬火，獲得馬氏體+細(xì)片狀石墨，硬度提高到48～52HRC，淬硬層深度為1.5mm。感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用（1）齒輪的表面淬火。齒輪一般用調(diào)質(zhì)鋼32火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧-乙炔或其他氣體火焰噴射到工件表面，使其表面迅速地加熱到淬火溫度，然后將一定的冷卻介質(zhì)噴射到加熱表面或是將工件浸入到冷卻介質(zhì)中進行淬火的工藝方法稱為火焰加熱表面淬火，簡稱火焰淬火。其目的與感應(yīng)加熱淬火基本相同?；鹧婕訜岜砻娲慊鸬奶攸c火焰加熱表面淬火與感應(yīng)加熱表面淬火等方法相比，具有如下特點：（1）設(shè)備簡單，投資少。（2）操作靈活，適用鋼種廣泛，特別適用于超大異形工件，并可進行現(xiàn)場處理。（3）通過調(diào)整噴槍的行進速度及噴嘴與工件淬火表面的距離，可獲得較為平緩的淬硬層，并可在一定程度上調(diào)整淬硬層深度（2-10mm）。（4）多為手工操作，機械化、自動化程度較低，噪音大，勞動條件差，混合氣體不夠安全。（5）只適用于噴射方向的表面，薄壁零件不適合火焰加熱表面淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗褂玫娜剂匣鹧婕訜岜砻娲慊鹬?，使用的燃料主要是煤氣(CO)或碳?xì)浠衔铮ū热鏑2H2），還有天然氣、液化石油氣等。幾種常用燃料氣體的特征可以從表6-6中看出。實際操作中，通過控制火焰與工件相對位置及兩者相對移動速度來控制工件的表面溫度、加熱層深度、加熱速度等。一般地，工件在火焰區(qū)停留時間越長，表面溫度越高；火焰面積大小一定時，單位時間內(nèi)消耗的燃?xì)庠蕉?，工件表面加熱速度越快。火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬?3火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火34火焰加熱表面淬火方法火焰加熱表面淬火方法可分為同時加熱方法和連續(xù)加熱方法，其操作方法、工藝特點和適用范圍見表6-7?；鹧婕訜岜砻娲慊鸱椒ɑ鹧婕訜岜砻娲慊鸱椒煞譃橥瑫r加熱方法和35火焰加熱表面淬火工藝1．對鋼原始組織的要求火焰加熱速度比較快，與普通熱處理比較其奧氏體化時間短，晶粒不易長大，故奧氏體化溫度向高溫推移。正因為火焰加熱奧氏體化時間短，火焰加熱淬火前要對工件進行正火或調(diào)質(zhì)處理，獲得細(xì)粒狀或細(xì)片狀珠光體或回火索氏體，以得到綜合機械性能。火焰加熱淬火適宜的材料也很廣泛，一般情況下，中碳及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼、工模具鋼、馬氏體不銹鋼都可以采用火焰表面淬火，灰鑄鐵、球墨鑄鐵也可以采用火焰淬火。2．對加熱溫度的控制由于火焰加熱時間短，奧氏體化時間短，晶粒長大的時間也極短，故其實際晶粒度較為細(xì)小。因此可適當(dāng)提高其奧氏體化溫度，以促進其碳化物的溶解和均勻化，不同材料的火焰加熱淬火溫度要比普通淬火溫度高20-30℃，一般鋼件淬火溫度為AC3+(80-100℃)，鑄鐵為[730+28（wSi-25wMn]℃?；鹧婕訜岜砻娲慊饻囟扰c噴嘴和工件的距離及噴嘴移動速度密切相關(guān)，但火焰加熱的移動速度和加熱時間的掌握比較困難，尤其是異形表面、局部尖角、孔洞、鍵槽邊緣的溫度控制更為困難，實際操作中主要由操作者目測火色來確定。3．對淬火硬化層深度的控制火焰加熱表面淬火硬化層深度主要取決于鋼材的淬透性、工件尺寸、加熱層深度以及冷卻條件等，對具體工藝的控制則主要取決于加熱溫度、加熱時間或淬火行進速度以及冷卻介質(zhì)?；鹧婕訜岜砻娲慊鸸に?．對鋼原始組織的要求36火焰加熱表面淬火中出現(xiàn)的問題及其控制1．淬火開裂淬火開裂是火焰加熱表面淬火的常見缺陷，尤其是齒輪淬火極易在齒頂處出現(xiàn)密集裂紋。一般合金結(jié)構(gòu)鋼（如40Cr、40CrMo、35CrMo）齒輪火焰加熱表面淬火推薦使用合成淬火劑，否則采用水淬很難通過磁粉或著色探傷檢驗。乳化劑可以避免碳鋼件的淬火裂紋，但對合金結(jié)構(gòu)鋼的效果不明顯。此外操作中要避免起頭和收尾的重疊，應(yīng)當(dāng)有5~10mm軟帶，中間中斷淬火后，重新起頭時也應(yīng)當(dāng)留5~10mm軟帶，否則在這些重疊區(qū)很容易產(chǎn)生淬火?；鹧鎽?yīng)距離邊緣或尖角5~10mm，否則邊緣或尖角也極易由于溫度高、淬火應(yīng)力大而產(chǎn)生裂紋。2．硬度不足或不均勻火焰加熱表面淬火硬度不足的主要原因有材料碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，加熱溫度不高、冷卻不良（冷卻水壓低，水量不足）等；硬度不均勻則是由于火孔大小不一、火孔堵塞、噴水孔堵塞等原因。3．熔化火焰加熱表面淬火時移動速度慢，火停頓可引起淬火表面燒熔，此外，尖角、孔邊也極易燒熔，輕微熔化可用砂輪打磨修復(fù)。4．畸變板狀工件單面淬火時，火焰加熱表面淬火極易產(chǎn)生變形。可以通過改善加熱條件，調(diào)整噴嘴尺寸等減小淬火變形，對于單面淬火可以采用夾具固定、淬火后采用長時間回火消除應(yīng)力，以減少變形，并可采用加熱校直的方法恢復(fù)工件尺寸精度。火焰加熱表面淬火中出現(xiàn)的問題及其控制1．淬火開裂37應(yīng)用實例1、電鏟提升卷筒火焰加熱表面淬火提升卷筒是采煤挖掘設(shè)備電鏟的重要部件，尺寸大，筒壁厚，材料為45鋼，其工作面承受鋼絲繩頻繁劇烈的摩擦和交變應(yīng)力。采用丙烷-氧火焰加熱表面淬火處理，其工藝參數(shù)為：丙烷流量為2-2.3m3/h，氧氣流量為2.8~3.6m3/h，丙烷壓力為0.08MPa，淬火速度95~105mm/min，噴嘴與工件間隙10~14mm。淬火處理后表面硬度達到50HRC，淬硬層深度3.5mm，表層組織為貝氏體，過渡層為貝氏體+珠光體+鐵素體組織。采用該工藝處理后，卷筒表面的耐磨性大幅度提高，切應(yīng)力分布理想，不易產(chǎn)生內(nèi)裂紋或表層剝落現(xiàn)象。2、發(fā)動機挺桿火焰加熱表面淬火挺桿是發(fā)動機上的關(guān)鍵部件，與凸輪形成高應(yīng)力接觸，摩擦較大，因而工件表面要求高硬度及高耐磨性，基體具有一定的綜合力學(xué)性能。挺桿原來熱處理采用鹽浴整體淬火或高頻感應(yīng)加熱淬火，常出現(xiàn)裂紋、變形或表面硬度不足。采用火焰加熱表面淬火工藝對挺桿進行處理，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，取得良好效果。應(yīng)用實例1、電鏟提升卷筒火焰加熱表面淬火38應(yīng)用實例如圖a為挺桿的外形尺寸，該件為鉻鉬銅冷鐓合金鑄鐵。圖b為挺桿火焰加熱表面淬火裝置示意圖，火焰加熱溫度為880℃±20℃，挺桿旋轉(zhuǎn)速度為30-60r/min，乙炔壓力為0.04~0.06MPa，氧氣壓力為0.5~0.7MPa，噴嘴距加熱表面的距離為50mm，淬火后經(jīng)190℃×120min回火。采用該工藝處理后，淬硬層深度≥3mm，冷激層深度≥4mm，底面硬度為63~69HRC，桿部硬度為93~104HRB。應(yīng)用實例如圖a為挺桿的外形尺寸，該件為鉻鉬銅冷鐓合金鑄鐵。圖39應(yīng)用實例3．高壓管件內(nèi)表面火焰加熱表面淬火高壓管件廣泛用于石油礦山高壓管路的鏈接，承受高壓介質(zhì)的沖刷和磨損，要求內(nèi)表面具有高硬度、高耐磨性，同時具有一定的綜合力學(xué)性能。高壓管件采用35CrMo鋼制造，其火焰加熱表面淬火裝置如圖c所示?；鹧婕訜岜砻娲慊鸬墓に噮?shù)為：火焰加熱溫度900±40℃，乙炔壓力為0.04-0.06MPa，氧氣壓力為0.5~0.7MPa，工件旋轉(zhuǎn)速度2~4r/min，噴嘴與工件的相對移動速度100~140mm/min，淬火后進行220℃×（80~100）min回火。該工件處理后表層為回火馬氏體，硬度為50~55HRC，次表層為回火馬氏體+鐵素體。應(yīng)用實例3．高壓管件內(nèi)表面火焰加熱表面淬火40金屬表面熱化學(xué)處理1．金屬表面化學(xué)熱處理過程金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素擴散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。其工藝過程是，首先將工件置于含有滲入元素的活性介質(zhì)中加熱到一定溫度，使活性介質(zhì)通過分解（包括活性組分向工件表面擴散，以及界面反應(yīng)產(chǎn)物向介質(zhì)內(nèi)部擴散）并釋放出欲滲入元素的活性原子，活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金屬表層擴散滲入，形成一定厚度的擴散層，從而改變表層的成分、組織和性能。2．金屬表面化學(xué)熱處理的目的①提高金屬表面的強度、硬度和耐磨性。②提高材料疲勞強度。如滲碳、滲氮、滲鉻等滲層中由于相變使體積發(fā)生變化，導(dǎo)致表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強度。③使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數(shù)，如滲硫等。④提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。金屬表面熱化學(xué)處理1．金屬表面化學(xué)熱處理過程41滲硼1．滲硼過程和目的滲硼是把工件置于含有硼原子的介質(zhì)中加熱到一定溫度，保溫一段時間，通過化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，使硼原子滲入工件表層形成一層堅硬的硼化物滲層。滲硼主要是為了提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性?？捎糜阡撹F材料、金屬、陶瓷和某些有色金屬材料，如鈦、鉭和鎳基合金。滲硼最合適的鋼種為中碳鋼和中碳合金鋼。2．滲硼層組織如圖為鐵―硼狀態(tài)圖，可以看出硼原子在γ相或α相的溶解度很小，當(dāng)硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過其溶解度時，就會產(chǎn)生硼的化合物Fe2B(ε)。當(dāng)wB＞8.83%時，會產(chǎn)生FeB(η)。當(dāng)wB

=6%~16%時，會產(chǎn)生FeB與Fe2B白色針狀混合物。一般希望得到相對單相的Fe2B。鋼中的合金元素大多數(shù)可溶于硼化物層中（例如鉻和錳）,因此認(rèn)為硼化物是(Fe,M)2B或(Fe,M)B更為恰當(dāng)（其中M為一種或多種金屬元素）。碳和硅不溶于硼化物層，而被硼從表面推向硼化物前方而進入基材。滲硼1．滲硼過程和目的2．滲硼層組織42滲硼如圖是這些元素在碳鋼的硼化物層中的分布示意圖。硅在硼化物層前方的富集量可達百分之幾，使低碳鉻合金鋼硼化物層前方形成軟的鐵素體層，只有降低鋼的Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)才能解決這一問題。碳的富集會析出滲碳體或硼滲碳體，例如Fe3B0.8C0.2。3．滲硼層的性能①滲硼層的硬度很高，例如Fe2B的硬度為1300~1800HV；FeB的硬度為1600~2200HV。由于FeB脆性大，一般希望得到單相的，厚度為0.07~0.15mm的Fe2B層。如果合金元素含量較高，由于合金元素有阻礙硼在鋼中的擴散作用，則滲硼層厚度較薄。硼化鐵的物理性能參見表6-8。②熱硬性高，滲硼層在800℃時仍保持高的硬度。③在鹽酸、磷酸、硫酸和堿中有良好的耐腐蝕性，但不耐硝酸。④在600℃以下抗氧化性能較好。滲硼如圖是這些元素在碳鋼的硼化物層中的分布示43滲硼4．滲硼方法（1）固體滲硼：固體滲硼在本質(zhì)上屬于氣態(tài)催化反應(yīng)的氣相滲硼，供硼劑在高溫和活化劑的作用下形成氣態(tài)硼化物（BF2、BF3）它在工件表面不斷化合與分解，釋放出活性硼原子并不斷被工件表面吸附并向工件內(nèi)擴散，形成穩(wěn)定的鐵硼化物層。固體滲硼是將工件置于含硼的粉末或膏劑中，裝箱密封，放入加熱爐中加熱到950~1050℃保溫一定時間后，工件表面上獲得一定厚度的滲硼層。這種方法設(shè)備簡單，操作方便，適應(yīng)性強，但勞動強度大，成本高。歐美國家多采用固體滲硼。常用的固體滲硼劑有：滲硼4．滲硼方法44滲硼①粉末滲硼。粉末滲硼由是由供硼劑（硼鐵、碳化硼、脫水硼砂等）、活性劑（氟硼酸鉀、碳化硅、氯化物、氟（供硼劑）化物等）、填充劑（木炭或碳化硅等）組成。如配方B4C5%（供硼劑）+KBF4（活性劑）+SiC（90%）（填充劑）。各成分所占比例與被滲硼的材料有關(guān)。對于鉻含量高的鋼種，建議在滲硼粉中加入適量鉻粉。②膏劑滲硼。膏劑滲硼是將供硼劑加一定比例的粘結(jié)劑組成一定粘稠膏狀物涂在工件表面上進行加熱滲硼處理。膏劑滲硼的配方有：a由碳化硼粉末（0.063~0.056mm）50%和冰晶石50%組成。用水解四乙氧基甲硅烷作粘結(jié)劑組成膏狀物質(zhì)。滲硼前，先在200℃干燥1h后再進行滲硼。b5%~50%B4C（0.100mm）+5%~50%冰晶石（粉末狀）+40%~49%氟化鈣（0.154mm），混合后用30%松香+70%酒精調(diào)成糊狀，在工件上涂>2mm的涂層，然后晾干密封裝箱，最后裝入加熱爐中進行滲硼。若膏劑滲硼是在高頻感應(yīng)加熱條件下進行，不僅可以得到與爐子加熱條件下相同的滲硼層，而且可大大縮短滲硼時間。（2）氣體滲硼與固體滲硼的區(qū)別是供硼劑為氣體，氣體滲硼需用易爆的乙硼烷或有毒的氯化硼，故沒有用于工業(yè)生產(chǎn)。（3）液體滲硼也叫鹽浴滲硼，這種方法應(yīng)用廣泛。它主要是由供硼劑硼砂還原劑（碳酸鈉、碳酸鉀、氟硅酸鈉等）組成的鹽浴，生產(chǎn)中常用的配方有：80%Na2B4O7+20%SiC或80%Na2B4O7+10%Al+10%NaF等。滲硼①粉末滲硼。粉末滲硼由是由供硼劑（硼鐵、45滲硼（4）等離子滲硼等離子滲硼可以用與氣體滲硼類似的介質(zhì)。這一領(lǐng)域正在研究，還沒有工業(yè)應(yīng)用的實例。5．滲硼在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用滲硼（4）等離子滲硼46滲碳、滲氮、碳氮共滲1．滲碳滲碳是為了增加低碳鋼和低碳合金鋼表層的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、獲得一定的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度，將鋼件在碳的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的一種表面化學(xué)熱處理工藝。常用滲碳鋼主要有低強度鋼（15鋼、20鋼、20Mn2、20Cr等）、中強度鋼（20CrMnTi、20CrMnMo、20MnTiB等）和高強度鋼（18CrNiWA，20CrNi4A等）。滲碳鋼要求滲碳層應(yīng)具有高硬度、高強度和一定的塑性，所以滲碳工件表層的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)過高。要求滲碳工件具有良好的鍛造性能、切削加工性能和熱處理性能。而且要求滲碳工件不能有較多和粗大的非金屬夾雜物，不允許有嚴(yán)重的帶狀組織。滲碳結(jié)束后，滲層中不得出現(xiàn)反常組織。（1）結(jié)構(gòu)鋼的滲碳結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)滲碳后能使零件工作表面獲得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕磨損性、接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，而心部具有一定強度、塑性、韌性。常用的滲碳方法有三種：①氣體滲碳。氣體滲碳是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的一種滲碳方法，它是在含碳的氣介質(zhì)中通過調(diào)節(jié)氣體滲碳?xì)夥諏崿F(xiàn)滲碳的目的。氣體滲碳根據(jù)所用滲碳?xì)怏w的產(chǎn)生辦法及種類，分為滴注式氣體滲碳、吸熱式氣體滲碳和氮基氣氛滲碳。常用滲碳設(shè)備可分為周期式爐和連續(xù)式爐兩大類。周期式爐用于單件或小批量滲碳工藝；連續(xù)式爐實現(xiàn)了連續(xù)式裝卸工件，生產(chǎn)率較高。滲碳、滲氮、碳氮共滲1．滲碳47滲碳、滲氮、碳氮共滲②鹽浴滲碳。也叫液體滲碳，將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中，通過加熱使?jié)B碳劑分解出活性碳原子進行滲碳。如75%~85%Na2CO3、l5%~15%NaCl、8%~15%SiC就是一種熔融的滲碳鹽浴配方。10鋼在950℃保溫3h后可獲得總厚度1.2mm的滲碳層。液體滲碳所用的設(shè)備簡單，滲碳速度快，靈活性大，滲碳后便于直接淬火，適合于中、小型零件的滲碳。③固體滲碳。固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，將工件放在填充粒狀滲碳劑的密封箱中進行滲碳的工藝。固體滲碳需要要專門的滲碳設(shè)備，操作簡單，成本低，但滲碳時間長，滲層不易控制，不能直接淬火，勞動條件也較差，主要在單件、小批量生產(chǎn)等特定條件下采用。為了提高滲碳速度而引進了快速加熱滲碳法、真空、離子束、液態(tài)層滲碳等先進的工藝方法，他們均能提高滲碳速度和滲碳質(zhì)量。（2）影響滲碳的因素滲碳后表層的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、滲碳層深度及碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化梯度是決定工件滲碳淬火后組織和性能的主要因素，他們的數(shù)值與滲碳的時間、溫度、鋼的化學(xué)成分及滲碳劑活性有關(guān)。①滲碳溫度。在其他參數(shù)相同的條件下，滲碳溫度越高，滲層越厚，表層碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高；溫度越低，則效果相反。主要原因為：第一，隨著溫度的升高，使碳在鋼中的擴散速度加快，第二，隨著溫度的升高，碳在奧氏體中的溶解度增大。滲碳、滲氮、碳氮共滲②鹽浴滲碳。也叫液體滲碳，將被處理的零件48滲碳、滲氮、碳氮共滲②保溫時間。

碳在鋼中的擴散速度及擴散層深度是溫度和時間的函數(shù)，如圖為三種滲碳溫度所得的滲層深度與保溫時間的關(guān)系。由圖可知，同一滲碳溫度，滲層深度隨時間的延長而增加，但增加的程度逐漸減慢，低溫時減慢的速率更快，這是由于滲層中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著時間的延長而逐漸減小的緣故。滲碳、滲氮、碳氮共滲②保溫時間。49滲碳、滲氮、碳氮共滲（3）應(yīng)用實例①可控氣氛滲碳工藝汽車轉(zhuǎn)向器齒輪，材料20CrNiMo。在可控氣氛多用爐生產(chǎn)線上進行滲碳，其工藝參數(shù)見表6-10，如圖為汽車轉(zhuǎn)向器齒輪可控氣氛滲碳工藝曲線。滲碳、滲氮、碳氮共滲（3）應(yīng)用實例50滲碳、滲氮、碳氮共滲齒輪滲碳后滲碳層深度為0.70~0.75mm，表層硬度為58~63HRC，心部硬度為35~42HRC，表面為回火馬氏體+極少量粒狀碳化物，心部為低碳馬氏體+鐵素體。②氮基氣氛滲碳20CrMnTi、20CrMo鋼閥體及閥體類工件進行氮基可控氣氛滲碳，用空分普氮[φ（N2）為95%]作為氮源，以甲醇+N2制備N2:H2:CO=4:4:2(體積比)的氮基氣氛。富化氣仍采用有機碳氮化合物。滲碳淬火后表面硬度可控制在63~65HRC，碳勢w(C)控制精度達到±0.03%，滲層深度1.7~1.8mm，其滲碳工藝如圖所示。滲碳、滲氮、碳氮共滲齒輪滲碳后滲碳層深度為0.51滲碳、滲氮、碳氮共滲2．滲氮滲氮是在含有氮或氮原子的介質(zhì)中將工件加熱到一定溫度，工件表面被氮原子滲入的一種工藝方法。滲氮處理通常在480~600℃進行，滲氮的介質(zhì)可采用氣體、熔鹽或固態(tài)顆粒。滲氮工藝復(fù)雜，時間長，成本高，所以只用于耐磨、耐蝕和精度要求高的耐磨件，如發(fā)動機氣缸、排氣閥、閥門、精密絲桿等。工件經(jīng)滲氮后獲得高的表面硬度，加熱到500℃時，硬度變化不大，具有低的劃傷傾向和高的耐腐蝕性。在自來水、潮濕空氣、氣體燃燒物、過熱蒸汽、苯、不潔油、弱堿溶液、硫酸、醋酸、正磷酸等介質(zhì)中均有一定的耐蝕性。（1）滲氮的分類①低溫滲氮。低溫滲氮是指滲氮溫度低于600℃的各種滲氮方法。滲氮層的結(jié)構(gòu)主要決定于Fe-N相圖。其主要滲氮方法有氣體滲氮、液體滲氮、離子滲氮等。低溫滲氮主要用于結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲氮法，把需滲氮的零件放入密封滲氮爐內(nèi)，通入氨氣，加熱至500~600℃氨發(fā)生以下反應(yīng)：2NH3=3H2+2[N]生成的活性氮原子[N]滲入鋼表面，形成一定深度的氮化層。根據(jù)Fe-N相圖，氮融入鐵素體和奧氏體中，與鐵形成γ相（Fe4N）和ε相（Fe2-3N），也溶解一些碳。所以滲氮后，工件最外層是白色ε相或γ相，次外層是暗色γ+α共析體層。滲碳、滲氮、碳氮共滲2．滲氮52滲碳、滲氮、碳氮共滲②高溫滲氮。高溫滲氮是指滲氮溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度（600~1200℃）下進行的滲氮。主要用于鐵素體鋼、奧氏體鋼、難熔金屬（Ti、Mo、Nb、V等）的滲氮。(2)各種材料滲氮①結(jié)構(gòu)鋼滲氮。任何珠光體類、鐵素體類、奧氏體類以及碳化物類的結(jié)構(gòu)鋼都可以滲氮。為了獲得具有高耐磨、高強度的零件，可采用液氮專用鋼種（38CrMoAlA）。近年來出現(xiàn)了不采用含鋁的結(jié)構(gòu)鋼的滲氮強化。結(jié)構(gòu)鋼滲氮溫度一般選在500~550℃左右，滲氮后可明顯提高疲勞強度。②高鉻鋼滲氮。工件經(jīng)酸洗或噴砂去除氧化膜后才能進行滲氮。為了獲得耐磨的滲層，高鉻鐵素體鋼常在500~600℃進行滲氮。滲氮層深度一般不大于0.12~0.15mm。③工具鋼滲氮。高速鋼切削刃具短時滲氮可提高壽命0.5~1倍。推薦滲層深度為0.01~0.025mm，滲氮溫度為510~520℃。相對于小型模具（<φ15mm）滲氮時間為25min~20min，對較大工具（φ16~300mm）為25~30min；對大型工具為60min。上述規(guī)范可得到高硬度（1340~1460HV），熱硬性為700℃仍可保持700HV的硬度。Cr12模具鋼經(jīng)150~520℃、8~12h滲氮后可形成0.08~0.12mm的滲層，硬度可達1100~1200HV熱硬性較高，耐磨性比滲氮高速鋼還要高。④鑄鐵除白口鑄鐵、灰鑄鐵、不含Al、Cr等合金鑄鐵外均可滲氮，尤其球墨鑄鐵的滲氮應(yīng)用更為廣泛。⑤難熔合金也可以進行滲氮，用于提高硬度、耐磨性和熱強性。滲碳、滲氮、碳氮共滲②高溫滲氮。高溫滲氮是指滲氮溫度高于共析53滲碳、滲氮、碳氮共滲⑥鈦及鈦合金離子滲氮，經(jīng)850℃8h后形成TiN，層深為0.028mm，硬度可達800~1200HV。⑦鉬及鉬合金離子滲氮，經(jīng)1150℃以上溫度滲氮1h，滲氮層深度達150μm，硬度達300~800HV。⑧鈮及鈮合金滲氮，在1200℃滲氮可得到硬度大于2000HV的滲氮層。（3）滲氮的應(yīng)用實例①鏜桿鏜桿滲氮層深度0.45~0.65mm，硬度大于950HV，脆性1~2級，生產(chǎn)周期65~80h。其氣體滲氮工藝曲線如圖。如采用等溫滲氮則需在（535±10）℃或（540±5）℃保溫80~110h。滲碳、滲氮、碳氮共滲⑥鈦及鈦合金離子滲氮，經(jīng)850℃8h后形54滲碳、滲氮、碳氮共滲②活塞環(huán)（6Cr13Mo）活塞環(huán)滲層深度大于0.12mm，脆性1~2級，硬度900HV0.1。其滲氮溫度為560℃，時間20h，氨分解率控制在30%~50%，緩慢升溫及緩慢降溫是解決活塞環(huán)變形問題的關(guān)鍵點。目前汽車、摩托車活塞環(huán)表面強化工藝中廣為采用的一種方法。③35鋼閥桿的抗蝕滲氮35鋼閥桿經(jīng)調(diào)質(zhì)（840~860℃保溫1.5h，油淬；580℃保溫1h）處理后，進行抗蝕滲氮表面處理，閥桿經(jīng)滲氮后，表面形成厚約0.015~0.06mm的致密耐蝕滲氮層。35鋼閥桿抗蝕滲氮工藝曲線如圖。滲碳、滲氮、碳氮共滲②活塞環(huán)（6Cr13Mo）③35鋼閥桿的55滲碳、滲氮、碳氮共滲3．碳氮共滲在奧氏體溫度下，同時將碳、氮活性原子滲入工件表面，且以滲碳為主的表面化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。碳氮共滲層比滲碳層具有更高的耐磨性、抗疲勞強度和耐蝕性。（1）碳氮共滲分類碳氮共滲處理按共滲溫度可分為低溫碳氮共滲（低于750℃）、中溫碳氮共滲（750~880℃）和高溫碳氮共滲（高于880℃）；按滲層深度可分為薄層碳氮共滲（小于0.2mm）、普通碳氮共滲（0.2~0.8mm）和深層碳氮共滲（大于0.8mm）；按共滲方式不同可分為固體碳氮共滲、液體碳氮共滲和氣體碳氮共滲。（2）碳氮共滲過程碳氮共滲過程可分為三個階段：①共滲介質(zhì)分解產(chǎn)生活性碳原子和氮原子；②分解出來的活性氮原子和碳原子被鋼表層吸收，并逐漸達到飽和狀態(tài)；③鋼表層飽和的碳氮原子向內(nèi)層擴散。滲碳、滲氮、碳氮共滲3．碳氮共滲56滲碳、滲氮、碳氮共滲（3）應(yīng)用舉例①滴入式氣體碳氮共滲某轎車后橋被動弧齒錐齒輪材質(zhì)為20CrMnTi。該工件用三乙醇胺在RJJ-60井式爐中進行滴入式氣體碳氮共滲，其工藝曲線如圖所示。齒輪深層深度要求為1.0~1.4mm，表面硬度58~64HRC，心部硬度33~48HRC。工件共滲后緩冷，再進行再次加熱淬火及低溫回火。往三乙醇胺中加約20%尿素，可提高滲層中的氮含量。由于這種滲劑粘性較大，應(yīng)將其加熱到70-100℃后立刻通入爐內(nèi)。滲碳、滲氮、碳氮共滲（3）應(yīng)用舉例57滲碳、滲氮、碳氮共滲②采用煤油加氨氣的碳氮共滲這種工藝大多數(shù)是在井式滲碳爐中進行，利用原有的氣體滲碳設(shè)備加一套氨氣供應(yīng)裝置即可。例如，用40Cr鋼制造的汽車變速箱及齒輪，工件要求滲層深度0.25~0.4mm，表面組織為針狀馬氏體及少量殘留奧氏體。如圖所示工藝規(guī)范碳氮共滲，在保溫2~3h后直接淬火，層深和組織符合技術(shù)要求，表面硬度60~63HRC，心部硬度50~53HRC，表層碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%及0.3%-0.4%。滲碳、滲氮、碳氮共滲②采用煤油加氨氣的碳氮共滲58滲金屬滲金屬方法是使工件表面形成一層金屬碳化物的工藝方法，即滲入元素與工件表層中的碳結(jié)合形成金屬碳化物層的化合物層，如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等，次層為過渡層，此類工藝方法適用于高碳鋼，滲入元素大多數(shù)為W、Mo、Ta、V、Nb、Cr等碳化物形成元素。為了獲得碳化物層，基材碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須超過0.45%。1．滲金屬層的組織滲金屬形成的化合物層一般很薄，約0.005~0.02mm。層厚的增長率符合拋物線定則，式中x為層厚；k是與溫度有關(guān)的常數(shù)；t為時間。經(jīng)過液體介質(zhì)擴滲的滲層組織光滑而致密，呈白亮色。當(dāng)工件wc=0.45%時，除碳化物層外還有一層極薄的貧碳α層。當(dāng)工件wc>1%時，只有碳化物層。2．滲金屬層的性能滲金屬層的硬度極高，耐磨性很好，抗咬合和抗擦傷能力也很高，并且具有摩擦系數(shù)小等優(yōu)點。表6-11是100g負(fù)荷測得的顯微硬度值。滲金屬滲金屬方法是使工件表面形成一層金屬碳化59滲金屬3．滲金屬方法（1）氣相滲金屬法①在適當(dāng)溫度下，可以揮發(fā)的金屬化合物中析出活性原子沉積在金屬表面上與碳形成化合物。一般使用金屬鹵化物作為活性原子的來源，其工藝過程是將工件置于含有滲入金屬鹵化物層的容器中，通入H2或Cl2進行置換還原反應(yīng)，使之析出活性原子，然后進行滲金屬操作。②使用羥基化合物在低溫分解的方法進行表面沉積，例如W(CO)6在150℃條件下能分解出W活性原子，然后滲入金屬表面形成鎢的化合物層。（2）固相滲金屬法固相滲金屬法中應(yīng)用較廣泛的是膏劑滲金屬法，它是將滲金屬膏劑涂在金屬表面上，加熱到一定溫度后，使元素滲入工件表層。一般膏劑的組成如下：①活性劑。多數(shù)是純金屬粉末0.050~0.071mm。②熔劑。其作用是與滲金屬粉末相互作用后形成相應(yīng)的各種鹵化物即被滲原子的載體。③粘結(jié)劑。一般用四乙氧基甲硅烷，起粘結(jié)作用并形成膏劑。滲金屬3．滲金屬方法60滲金屬4．滲鉻（1）滲鉻層的組織和性能①滲鉻層的組織。滲鉻層的組織和滲入金屬狀況主要與基體材料成分有關(guān)，而對其工藝的影響較小。鋼的滲層組織和滲入金屬狀況受鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響最大。對于低碳鋼和低碳合金鋼滲鉻，表面形成固溶體，并有游離分布的碳化物，滲入金屬含量由表及里逐漸減少。中碳鋼滲層有兩層，外層為鉻的碳化物層，內(nèi)層為固溶體。高碳鋼滲鉻，在表面形成鉻的碳化物層，如(Cr、Fe)7C3、(Cr、Fe)23C6、(Cr、Fe)3C等，層厚僅0.01~0.04mm，硬度為1500HV。②滲鉻層的性能。工件滲鉻后可顯著改善在強烈磨損條件下以及在常溫、高溫腐蝕介質(zhì)中工作的物理、化學(xué)、力學(xué)性能。中碳鋼、高碳鋼滲鉻層性能均優(yōu)于滲碳層和滲氮層，但略低于滲硼層。特別是高碳鋼滲鉻后，不僅能提高硬度，而且還能提高熱硬性，在加熱到850℃后，仍能保持1200HV左右的高硬度，超過高速鋼。同時滲鉻層也具有較高的耐蝕性，對堿、硝酸、鹽水、過熱空氣、淡水等介質(zhì)均有良好的耐蝕性，但不耐鹽酸。滲鉻件能在750℃以下長期工作，有良好的抗氧化性，但在750℃以上工作時不如滲鋁件。（2）滲鉻方法①氣體滲鉻。在氣體滲鉻介質(zhì)條件下進行，采用接觸法直接電加熱或高頻感應(yīng)加熱可加快氣體滲鉻速度。滲金屬4．滲鉻61滲金屬②固體膏劑滲鉻。

這是利用活性膏劑進行滲鉻的方法。一般膏劑組成如下：A滲鉻劑-金屬鉻或合金鉻粉末，其尺寸為0.050~0.071mm。B熔劑-形成鉻的鹵化物后，再與金屬表面反應(yīng)，常用冰晶石。C粘結(jié)劑-品種較多，其中以水解硅酸乙酯效果較好。5．滲釩、滲鈮工件滲釩、滲鈮是為了獲得高硬度的表面滲層，主要應(yīng)用于鋼鐵件。由于釩、鈮與碳的親和力比鐵、鉻強，能從鐵、鉻中獲得碳原子，形成釩、鈮碳化物滲層。與鉻滲層相比，釩、鈮滲層更薄，但滲層硬度更高，耐磨性更好。目前國內(nèi)滲釩、滲鈮的方法主要是硼砂熔鹽法和固體粉末法。（1）滲釩、滲鈮組織滲釩、滲鈮層的組織和滲入金屬狀況主要與基體材料成分有關(guān)。鋼的滲釩、滲鈮層的組織和滲釩、滲鈮層滲入金屬狀況受鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響最大。中、高碳（合金）鋼滲釩、滲鈮后，表面形成碳化物滲層，滲層中滲入金屬含量極高，滲層中幾乎不含基體金屬，界面含量曲線形成陡降，圖a、圖b分別是滲層中礬、鈮含量分布。滲金屬②固體膏劑滲鉻。62滲金屬滲金屬63滲金屬（2）滲釩、滲鈮層性能①硬度。鋼的金屬碳化物覆層具有很高的硬度，其基體材料的化學(xué)成分是