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1、第5章 钢的热处理,机械工程材料及热加工,Contents,5.4 钢铁材料的表面热处理,5.5 钢的淬透性,5.4 钢铁材料的表面热处理,表面和心部性能要求不同的零件实例,在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。,低碳钢 ：可满足心部要求， 表面要求不能满足； 高碳钢： 可满足表面要求， 心部要求不能满足；,解决思路：,5.4.1 钢的表面淬火,表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部 组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后 进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,基本原理：集肤效应 交流电频率 集肤效应明显 加热层薄 淬硬层薄,交流电频率,涡流全部集中在最表层
2、,Induction hardening,感应加热: 利用交变电流 在工件表面感应巨大涡流， 使工件表面迅速加热的方法,感应加热表面淬火示意图,感应加热分为： 高频感应加热 频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm, 中频感应加热 频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm。, 工频感应加热 频率为50Hz,淬硬层深度10-15 mm,各种感应器,感应加热 induction heating,感应加热自动生产过程,高 频 感 应 淬 火,表面淬火用钢,表面淬火一般采用中碳优质结构钢，如45钢。 在表面淬火后即保证硬化层有足够的硬度和耐磨性，又无明显的脆性；同时心部能保持原
3、有的强度和塑性、韧性。含碳量过高，表面硬化层易形成淬火裂纹，含碳量过低，硬度又显不足。硬化层要求较深时，可采用中碳合金结构钢。,常用牌号：35、40、45、50；40Cr、40MnB等。,锻造,精加工,精磨,局部感应加热表面淬火，低温回火,整体调质,粗加工,完全退火,感应加热表面淬火零件的一般工艺路线为：,工艺路线： 零件：工件整体退火+调质局部表面淬火、低温回火 组织：心部P+F，S回 HRC25 表面M回+A少 HRC60 目的：保证心部强韧性表面M强化改善韧性,适用于：需淬硬层薄的中、小零件 多用于：中碳钢、中碳合金钢,各种感应器,火焰加热 flame induction,火 焰 加 热
4、 表 面 淬 火,2,将高温火焰喷向工件表面,使其迅速加热到淬火温度,然后以一定的淬火介质喷射于加热表面或将工件浸入冷却介质中进行冷却的淬火称为火焰加热淬火。,特点：操作简便设备简单，成本低，灵活性大；加热温度不易控制，淬火质量不稳定；主要用于单件、小批量生产的大型零件。,火焰加热表面淬火,5.4.2 钢的化学热处理,目的 强化表面表面HRC，耐磨性，-1 心部塑韧 保护表面表面抗蚀性，耐热性 基本过程 分解-吸收-扩散 常用方法 渗碳 渗氮 碳氮共渗,气体渗碳,固体渗碳,渗碳原理：钢件表面化学成分改变，依赖于介质中的活性元素在钢中的扩散。主要有：介质的分解、钢件表面的吸收、渗入元素向钢件内扩
5、散达到一定深度。,1. 钢的渗碳,Gas carburizing,Solid carburizing,渗碳用钢：低碳钢，含碳量低保证心部足够的塑韧性，并且有利于碳的渗入，提高表层含碳量，一般达到过共析钢的范围。渗碳钢一般应防止晶粒长大。 常用牌号：15、20、20CrMnTi，20Cr等。,渗碳组织,20钢920渗碳后退火,表层为共析层,共析钢P组织,次 表 层 为 亚 共 析 层,心部20钢亚共析组织,45钢亚共析F+P,20钢亚共析F+P,渗碳层深度： 共析层+1/2亚共析层=0.7+0.32=1.02mm,20钢920渗碳 + 860淬火组织,表层为针状M +A+Cm HRC60,随着深
6、度的增加，出现黑色、块状分布的P沿F晶界分布。,渗层深度 表层到过渡区的一半,适用于： 受冲击载荷的耐磨件 低碳（合金）钢,齿顶次层组织：针状M+A残余,20钢齿轮剖面，磨抛后经硝酸酒精溶液深侵蚀显示齿顶到齿根全部渗碳淬硬层的分布情况,齿顶表面处显微组织，基体为针状M+A残余其上分布呈断续网状的碳化物。HRC64,渗碳后860淬火，180回火M回+Cm（少量白色） + A少,该组织脆性较大使用时易发生崩落及断裂,渗碳层的表面碳的质量分数最好在0.85%1.05%范围内,低碳钢渗碳缓冷后的显微组织,典型零件渗碳层深度确定方法,渗碳层深度,是从表面层到半珠光体层的距离,渗碳件的热处理,淬火加低温回
7、火,渗碳件常用的淬火方法 a)预冷直接淬火 b) 一次淬火法 c) 二次淬火法,渗碳零件的一般工艺路线为：,表面淬火与渗碳组织、性能比较,渗碳零件工艺路线（汽车变速齿轮，20） 锻造 正火 机加工 齿面渗碳 淬火+低温回火 磨削 S或F M回+A少+Cm未溶 HB200 HRC60 以上 表面淬火工艺路线（曲轴，45） 锻退火 机加工整体调质 轴颈表面淬火+低回 磨 F+P S回 M回+A少 Hb200 HRC25 HRC60,渗碳工艺优点：表面硬度高、耐磨性好，表面压应力状态，疲劳强度高。 渗碳工艺缺点：加热温度高，晶粒易于粗化。 所以发展碳氮共渗等工艺。,在一定温度（一般在Ac1）下使活性
8、氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮。其目的在于提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀和热硬性。,2. 钢的渗氮,3.碳氮共渗,碳氮共渗是在一定温度下同时将碳、氮渗入工件表面层奥氏体并以渗碳为主的化学热处理工艺。生产中常采用气体碳氮共渗。,Nitriding Method,45 钢 渗 硼 组 织,45 钢 低 温 碳 氮 共 渗 组 织,5.4.3 其他表面处理工艺,电镀是将被镀金属制品作为阴极，通以直流电，使要镀的金属盐溶液的阳离子在工件表面上沉积出来形成电镀层。电镀实质上是一种电解过程。,各种镀件,所谓金属着色就是在金属表面形成一层很薄的、有化学耐腐蚀的基体金属化合物。经过抛
9、光，这一薄层则显示出平滑和富有光泽。热碱中着色，颜色发蓝，称为发蓝。用硝酸、氧化铁和硫酸铜进行的发黑处理称为发黑。,发黑的扳手和轮毂,发蓝的剪刀,以某种热源将喷涂材料（线材或粉材）加热，受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒，这些微粒以压缩空气为动力以一定的速度冲击并沉积在基体表面上，形成具有一定特性的喷涂层。 热喷涂的特点：工艺灵活，热喷涂施工对象可以大到铁塔或桥梁，小到10毫米的内孔；可以是整体也可以是局部；可在真空下进行也可以室外作业。适应性强，涂层和基体材料非常广泛。可用作涂层材料的有金属及合金、塑料、陶瓷及复合材料等。被喷涂的工件可以是金属也可以是非金属材料。生产效率高，一般生产效率可
10、达每小时数千克，有的工艺方法可达每小时50千克以上。 根据不同的热源，可分为燃烧法和电热法。前者包括燃烧火焰喷涂、爆炸喷涂及高速火焰喷涂（HVOF）；后者包括电弧喷涂及等离子喷涂。,热喷涂过程三部曲 喷涂材料的溶化、雾化和涂层的形成。,喷涂工艺对涂层产生重要影响的是喷涂过程即溶滴冲击基体表面时的温度和溶滴冲击表面的速度。,等离子热喷涂过程,喷涂材料的范围很广，可以是金属及其合金，自熔合金粉末，塑料、陶瓷材料和复合材料等。,热喷涂锌丝,LSQD8型拉式电弧喷涂机,喷射粒子,热喷涂作业,热喷涂作业,热喷涂工件,HVOF喷涂技术 High velocity oxy fuel HVIF喷涂技术 Hig
11、h Velocity Impact Fusion 高速冲击熔化。 Plasma spray等离子喷涂,气相沉积是将含有形成沉积元素的气相物质输送到工件表面，在工件上形成沉积层的工艺方法。依据沉积反应的性质，可分为物理气相沉积和化学气相沉积。 化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD法）是利用气态物质在一定的温度下与固体表面上进行化学反应，并在其表面上生成固态沉积膜的过程。涂层可以是氧化物、碳化物、氮化物，也可以是多元化合物。通过基材、沉积材料和工艺的选择可获得许多特殊性能，在微电子学工艺、半导体光电技术、光纤通讯、超导技术、复合材料、装饰及防护涂层等领域得到广
12、泛应用。,化学沉积中的工件,沉积层,Chemical Vapor Deposition system,淬透性 钢材奥氏体化后淬火时获得马氏体的能力,5.5 钢的淬透性,不同的钢种，淬成马氏体的能力不同。淬透性好的钢材，采用较低的冷速即能躲过C曲线的鼻子尖，而获得马氏体组织。 这说明淬透性反应的是钢材本身的热处理性能。（取决于钢的C曲线位置）,怎样表示淬透性大小？,用规定条件下淬硬层深度h 表示淬透性的大小； 或在某种介质中可以完全淬 透的最大断面直径D0，即临 界淬透直径。,淬硬层深度h： 表面到半M组织的距离,淬硬性与淬透性,淬硬性 钢淬火时的硬化能力 用正常淬火条件下能达到的最高硬度表示
13、概念区别： 1. 淬透性是钢本身的固有属性即钢材淬成马氏体的能力。由钢材的C曲线决定。 2. 淬硬性主要取决于M的含碳量 3. 实际淬硬层深度h与工件形状、大小、冷却介质、淬透性有关 例：请比较T12和20CrMnTi两种钢的淬透性和淬硬性,国家标准“结构钢末端淬透性试验法”顶端淬火法；JRC/d表示J：末端淬火法，d：距顶端距离，RC：该处的硬度。 通过实验绘出硬度水冷端距离关系曲线称为“端淬曲线”，由于化学成分波动，曲线有一波动范围，称为淬透性带。淬透性带宽表示工艺不稳定。,淬透性与正确选材：,(a) 调质钢件：连杆、连杆螺栓等主要零件，工作时承受均匀的交变拉压应力，必修保证表面与心部组织
14、、性能均匀一致，应采用淬透性较好的钢材，全截面淬透。例如连杆螺栓，10-15mm直径，要求淬火后心部马氏体达95，应选用40Cr。,活塞销,连杆螺栓,(b) 弹簧零件必须全部淬透，若淬透性差，心部易出现铁素体组织，使疲劳强度下降。一般选65Mn、60Si2Mn等。,(c) 某些受弯曲和扭转的轴类零件，其表面受力大，心部受力较小，不需要沿截面全部淬透，即心部有一定的强度、韧性即可。可采用淬透性差一些的钢制造，零件有一定的淬硬层即可，如直径的1/2-1/3淬硬层即可。如机床主轴、曲轴等可采用45钢或球铁制造。,机车柴油机曲轴,某机车柴油机曲轴选用42CrMo钢制造，心部要求综合力学性能（20030
15、0HBW），轴颈表面要求硬而耐磨（5458HRC）,下料 锻造成毛坯 退火 粗车机加工 整体调质 精加工 表面中频感应加热淬火 低温回火 研磨 入库,AC3以上3050 ,调质,淬火,高温回火,AC3以上3050 ， 油冷,500600 ,中频感应加热淬火,低温回火,目的？,整体综合机械性能好,轴颈表面高硬度， 耐磨,汽车齿轮变速,某汽车齿轮采用20CrMoTi钢制造，要求心部具有较高的韧性，而表面具有较高的硬度和耐磨性。 下料 锻造成园饼 整体正火 粗车并铣齿成型 精铣齿轮 齿轮表面渗碳淬火低温回火 研磨 入库。 渗碳淬火 低温回火,工艺、目的？,920渗碳，直接淬火，200 回火,提高表面强度硬度，耐磨性,1. 钢在加热时的转变,本章总结,记住三条线,2. 钢在冷却时的三大转变,冷却方式：炉冷,淬火组织： 亚共析钢：加热A化 淬火组织：M+（A）,共、过共析钢： 加热：A+Cm 淬火组织： M+A+Cm（三部分）,退火、正火与回火组织比较,典型零件选材和工艺安排举例,手锯锯条：T8,锻造完全退火粗加工淬火+低温回火精加工 球状P M+A（大量）+未溶Cm M回+A（少量）+未溶Cm HB200 HRC60以上 HRC60,弹簧：65Mn 锻造完全退火粗加工淬火+中温回火精 F+P M+A T回 HB200 HRC60 HRC40,锻
