《工程材料学_第5章_钢热处理-3-zcs解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料学_第5章_钢热处理-3-zcs解析（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 钢的热处理 第一节 钢在加热时的组织转变 第二节 钢在冷却时的组织转变 第三节 钢的热处理工艺退火、正火、淬火、回火 第四节 钢的表面热处理及化学热处理 第四节 钢的表面热处理及化学热处理 l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。 火焰加热火焰加热 感应加热 l表面淬火目的： l 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; l 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有 足够的塑性和韧性。即表硬里韧。 l适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。 轴的轴的感应加热表面淬火感应加热表面淬火 l1、表面淬火用材料 l
2、0.4-0.5%C的中碳钢。 l含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。 l含碳量过高, 心部韧性下降; l 铸铁 提高其表面耐磨性。 机床导轨表面淬火齿轮 l2、预备热处理 l工艺： l对于结构钢为调质或正火。 l前者性能高，用于要求高的 重要件，后者用于要求不高 的普通件。 l目的: l为表面淬火作组织准备； l 获得最终心部组织。 回火索氏体 50钢正火组织(F+S) l3、表面淬火后的回火 l采用低温回火，温度不 高于200。 感应加热表面淬火 l4、表面淬火+低温 回火后的组织 l表层组织为M回； l心部组织为S回(调 质)或F+S(正火)。 l回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨
3、性。 l5、表面淬火常用加热方法 l 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 l感应加热分为： l 高频感应加热 频率为250-300KHz, 淬硬层深度0.5-2mm. 感应加热表面淬火齿轮的截面图 l 中频感应加热 频率为2500-8000 Hz，淬硬层深度 2-10mm。 各种感应器 中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴 l 工频感应加热 频率为50Hz， 淬硬层深度 1015mm 各种感应器 感应穿透加热 l 火焰加热: 利用乙炔火焰直 接加热工件表面的方法。成本 低，但质量不易控制。 l 激光热处理: 利用高能量密 度
4、的激光对工件表面进行加热 的方法。效率高，质量好。 激光表面热处理 火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火示意图 钢的化学热处理 l化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使 介质中活性原子 渗入工件表层从 而改变工件表层 化学成分和组织, 进而改变其性能 的热处理工艺。 l与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层 组织，还改变其化学成分。 l化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。 l根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、 氮化、多元共渗、渗其他元素等。 可控气氛渗碳炉 渗碳回火炉 一、化学热处理的基本过程 l1、介质(渗剂)的分解: 分解的同 时释放出活性原子。 l如：渗碳 CH42
5、H2+C 2CO CO2 + C 氮化 2NH33H2+2N l2、工件表面的吸收: 活性原子向 固溶体溶解或与钢中某些元素形 成化合物。 l3、原子向内部扩散。 氮化扩散层 二、钢的渗碳 是指向钢的表面渗入碳原子的过程。 l1、渗碳目的 l提高工件表面硬度 、耐磨性及疲劳强 度，同时保持心部 良好的韧性。 l2、渗碳用钢 l为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。 经渗碳的机车从动齿轮 气体渗碳 法示意图 l3、渗碳方法 l 气体渗碳法 l将工件放入密封炉内，在 高温渗碳气氛中渗碳。 l渗剂为气体 (煤气、液化 气等)或有机液体(煤油、 甲醇等)。 l优点: 质量好, 效率高；
6、 缺点: 渗层成分与深度不易控制。 l 固体渗碳法 l将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳. l渗剂为木炭。 l优点：操作简单； l缺点：渗速慢，劳动条件差。 l 真空渗碳法 l将工件放入真空渗碳炉中，抽真 空后通入渗碳气体加热渗碳。 l优点: 表面质量好, 渗碳速度快。 真空渗碳炉 l4、渗碳温度：为900-950。 l渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）： 一般为0.5-2mm。 低碳钢渗碳缓冷后的组织 l渗碳层表面含碳量： 以0.85-1. 05为最好。 l渗碳缓冷后组织：表 层为P+网状Fe3C; 心部为F+P; 中间为 过渡区。 l5、渗碳后的热处理 l淬火+低温回火,
7、回火温度为160-180. 淬火方法有： l 预冷淬火法 l渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。 渗碳后的热处理示意图 l一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。 l 二次淬火法： l即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细 化心部；第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。 渗碳后的热处理示意图 l常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50 淬火+低温回火。此时组织为： l表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量) l心部：M回+F（淬透时） 渗碳淬火后的表层组织 M+F 三、钢的氮化 l氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。 l1、氮化用钢 井式气体氮化炉 l为含Cr、Mo、Al
8、、Ti、V 的中碳钢。 l常用钢号为38CrMoAl。 l2、氮化温度为500-570 l氮化层厚度不超过0.6- 0.7mm。 l3、常用氮化方法 l气体氮化法与离子氮化法 。 l气体氮化法与气体渗碳法 类似，渗剂为氨。 l离子氮化法是在电场作用 下，使电离的氮离子高速 冲击作为阴极的工件。与 气体氮化相比，氮化时间 短，氮化层脆性小。 离子氮化炉 辉光放电V-I特性曲线 离子氮化原理 离子氮化特点 l1、使用温度范围广，可实现低温共渗；（气体渗氮： 500680；离子渗氮：300680） l2、应用范围广，不仅限于钢铁材料，可应用于铝合金、 钛合金等有色合金的改性； l3、渗速快，一般可使
9、周期减少33%-50%； l4、环境污染小。 l缺点：边缘效应及空心阴极效应。 l4、氮化的特点及应用 l 氮化件表面硬度高(HV1000-2000)，耐磨性高。 l 疲劳强度高. 由于表面存在压应力。 氮化层组织 38CrMoAl氮化层硬度 l工件变形小. 因氮化温度低，氮化后不需热处理。 l 耐蚀性好. 因表层形成的氮化物化学稳定性高。 l氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。 l用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀 件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。 缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴 不需要2050500600渗氮 需要39920930渗碳 处理后是否需 要热处理 处理
10、时间 ( h ) 处理温度 ( ) 名称 渗氮可以和调质工艺同时进行 渗碳与渗氮的工艺特点对比渗碳与渗氮的工艺特点对比 其他表面处理新技术 l近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展， 开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。 全方位离子注入与沉积设备 一、热喷涂技术 l将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气 流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为 热喷涂。 l利用热喷涂技术可改善材 料的耐磨性、耐蚀性、耐 热性及绝缘性等。 l广泛用于包括航空航天、 原子能、电子等尖端技术 在内的几乎所有领域。 等离子热喷涂 l1、涂层的结构 l热喷涂层是由无数变形 粒子相互交错呈波浪式
11、 堆叠在一起的层状结构 ，粒子之间存在着孔隙 和氧化物夹杂缺陷。 l喷涂层与基体之间以及 喷涂层中颗粒之间主要 热喷涂层组织 是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次 是微区冶金结合及化学键结合。 l2、热喷涂方法 l常用的热喷涂方法有： l 火焰喷涂: 多用氧 - 乙炔火焰作为热源。 l 电弧喷涂: 丝状喷涂 材料作为自耗电极、电 弧作为热源的喷涂方法 l 等离子喷涂: 是一种 利用等离子弧作为热源 进行喷涂的方法。 火焰热喷涂 电弧热喷 涂等离子喷涂 l3、热喷涂的特点及应用 l工艺灵活：热喷涂的对象小到 10mm的内孔, 大到铁塔、桥梁, 可整体喷涂，也可局部喷涂 l基体及喷涂材料广
12、泛：基体可 以是金属和非金属，涂层材料可 以是金属、合金及塑料、陶瓷等 l涂层可控: 从几十m到几mm l生产效率高 l工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺) 涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层) 由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差 异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及 修复并满足特殊功能的需要。 热喷涂 二、气相沉积技术 l气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通 过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一 种新型镀膜技术。 l根据沉积过程的原理 不同，气相沉积技术 可分为物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉 积(CVD)两大类。 物理气相沉积物理气相沉积TiAlTi
13、Al靶靶 l1、物理气相沉积（PVD） l物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法， 使材料汽化成原子、分 子或电离成离子，并通 过气相过程，在材料表 面沉积一层薄膜的技术 。 l物理沉积技术主要包括 真空蒸镀、溅射镀、离子 镀三种基本方法。 磁控溅射镀膜设备 l真空蒸镀是蒸发成膜材料使 其汽化或升华沉积到工件表 面形成薄膜的方法。 真空蒸镀TiN活塞环 真空蒸镀Al膜的塑料制品 l溅射镀是在真空下通过 辉光放电来电离氩气， 氩离子在电场作用下加 速轰击阴极，溅射下来 的粒子沉积到工件表面 成膜的方法。 溅射镀示意图 磁控溅射镀膜机 磁控溅射镀Al的塑料制品 l离子镀是在真空下利用气体放电技
14、术，将蒸发的原 子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒 多弧离子镀膜机 子一起沉积到工件表面成 膜的方法。 l物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广; 工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附 着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。 l广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业 离子镀产品 等领域制备耐磨、 耐蚀、耐热、导电 、绝缘、光学、磁 性、压电、滑润、 超导薄膜。 l2、化学气相沉积(CVD) l化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基 CVD设备 体表面相互作用而在基 体表面形成金属或化合 物薄膜的方法。 例如, 气态的TiCl4与 N2 和 H2 在受热钢的表 面
15、反应生成 TiN，并沉 积在钢的表面形成耐磨 抗蚀的沉积层。 由于化学气相沉 积膜层具有良好 的耐磨性、耐蚀 性、耐热性及电 学、光学等特殊 性能，已被广泛 用于机械制造、 航空航天、交通 运输、煤化工等 工业领域。 经CVD处理的模具 经CVD处理 的活塞环 三、三束表面改性技术 l三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束( 合称“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，使之发生物理、化学 变化，以获得特殊表面性能的技术。 激光束加工激光束加工 电子束加工 等离子束加工 进行快速加热和快速冷却, 使表层的结构和成分发生 大幅度改变(如形成微晶、 纳米晶
16、、非晶、亚稳成分 固溶体和化合物等), 从而 获得所需要的特殊性能。 l束流技术还具有能量利用 率高、工件变形小、生产 效率高等特点。 l由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面 离子束溅射系统离子束溅射系统 l1、激光束表面改性技术 l激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短时间内将工 件表面快速加热或融化, 而心部温度基本不变; 当激 光辐射停止后, 由于散热速度 快，又会产生 “自激冷”。 l激光表面改性 技术主要应用 于以下几方面: CO2激光器 l 激光表面淬火（激光相变硬化） l激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高1520%)、 耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。 l已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、 冷作模具等。 激光表面淬火件 激光表 面淬火 l 激光表面合金化 l预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷 到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜 与基体材料表层融合在一起 并迅速凝固，从而
