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1、材料科学与工程基础,钢的热处理工艺3,钢的表面热处理,钢的表面热处理工艺,表面淬火 化学热处理,工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能。,表面淬火齿轮,1.表面淬火,定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺。,工艺特征:通过快速加热使钢的表 层奥氏体化,然后急冷,使表层 形成马氏体组织,而心部仍保 持原有组织不变。,表面淬火用钢:,选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。,表面淬火加工的方法: 感应加热( 高、中、工频 )、火 焰加热、激光加热、电子束加热法等。,1.感应加热表面淬火,1)感应加热的基本原理:,电子感应-感应电流 - 涡流
2、,工件表面产生密度很高的感应电流，使之迅速加热到奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。,集肤效应,电流透入深度()与电流频率( f )的关系: = 500 / f （mm）,高频 801000kHz 0.52mm 中频 25008000Hz 36mm 工频 50Hz 1015mm,2)工艺要求: * 表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。 * 表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性。,3)生产特点: 淬火件的质量好; 工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产。,2.
3、火焰加热表面淬火,1)火焰加热表面淬火的基本方法,2)火焰加热表面淬火的特点:,设备简单, 操作方便, 成本低。 淬火质量不稳定。 适于单件、小批量及大型零件的生产。,化学热处理,定义:将零件置于一定的化学介质 中 , 通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。,1. 化学热处理的基本过程:,2)吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解。,3)扩散: 活性原子由零件表面向内部扩 散, 形成一定的扩散层。,1)分解: 化学介质在高温下释放出待渗 的活性原子。 2CO CO2 +C,2.化学热处理进行的条件:,1)渗入元素的原子必须是活性
4、原子, 而 且具有较大的扩散能力。,2)零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物。,3. 化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮 共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗硅; 渗铬等。,1)钢的渗碳 ( Carburize of steel ),定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。,目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。,用钢:,低碳钢和低碳合金钢。,方法: 固体、气体、离子渗碳。,固体渗碳法示意图,气体渗碳法示意图,工艺: 加热温度为900950; 渗碳时间一般为39小时;,渗碳后的组织:,20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网
5、状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体,渗碳后的热处理工艺,930,850,方案1,方案2,渗 碳,淬火,加热,渗碳后的热处理工艺,热处理后的组织,低碳M回+F,M回+Fe3C+A残,低碳 合金钢,F+P,M回+Fe3C+A残,低碳钢,常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。,20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 ),2)钢的渗氮,定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。,目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。,用钢:,中碳合金钢。,方法:气体渗
6、氮。,工艺:加热温度500600; 保温时间0.30.5mm/2050h。,热处理特点: 渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。,渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。,常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢 ) 等。,38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 红色区 : ( Fe4N ) ; 蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。,渗碳与渗氮的工艺特点,热处理新技术,可控气氛热处
7、理,真空热处理,形变热处理,化学热处理,电子束表面淬火,激光热处理,热处理新技术,热处理新技术简介,1.可控气氛热处理,在炉气成分可控的热处理炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。在热处理时实现无氧化加热是减少金属氧化损耗，保证制件表面质量的必备条件。 正确控制热处理炉内的炉气成分，可为某种热处理过程提供元素的来源，金属零件和炉气通过界面反应，其表面可以获得或失去某种元素。也可以对加热过程的工件提供保护。 如可使零件不被氧化，不脱碳或不增碳，保证零件表面耐磨性和抗疲劳性。从而也可以减少零件热处理后的机加工余量及表面的清理工作。缩短生产周期，节能、省时，提高经济效益。可控气氛热处理已成为最成熟的，
8、在大批量生产条件下应用最普遍的热处理技术之一。,2.真空热处理 真空热处理是在0.0133Pa1.33Pa真空度的真空介质中对工件进行热处理的工艺。真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化的特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、脱气，避免表面污染和氢脆；同时可以实现控制加热和冷却，减少热处理变形。提高材料性能；还具有便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点。近年已被广泛采用，并获得迅速发展。 几乎全部热处理工艺均可以进行真空热处理，如退火、淬火、回火、渗碳、氮化、渗金属等。而且淬火介质也由最初仅能气淬，发展到现在的油淬、水淬、硝盐淬火等。,3.离子渗扩热处理 离子渗扩热处理是利用阴极(工件)和
9、阳极间的辉光放电产生的等离子体轰击工件，使工件表层的成分、组织及性能发生变化的热处理工艺。离子渗碳的硬度、疲劳强度、耐磨性等力学性能比传统渗碳方法都高，而且渗碳速度快，特别是对狭小缝隙和小孔能进行均匀的渗碳，渗碳层表面碳浓度和渗层深度容易控制，工件不易产生氧化；表面洁净，耗电省和无污染。根据同样的原理，离子轰击热处理还可以进行离子碳氮共渗、离子硫氮共渗、离子渗 金属等，所以在国内外具有很大的发展前途。,激光束能量密度高，加热/冷却快，加工时间短； 精确可控，可以实现对复杂形状合金部件的加工处理； 无污染，安全可靠，操作简单，效率高。,4.激光加热表面淬火,5.形变热处理 形变热处理是将形变强化与相变强化综合起来的一种复合强韧化处理方法。从广义上来说，凡是将零件的成形工序与组织改善有效结合起来的工艺都叫形变热处理。 形变热处理的强化机理是：奥氏体形变使位错密度升高，由于动态回复形成稳定的亚结构，淬火后获得细小的马氏体，板条马氏体数量增加，板条内位错密度升高，使马氏体强化。此外，奥氏体形变后位错密度增加，为碳氮化物弥散析出提供了条件，获得弥散强化效果。弥散析出的碳氮化物阻止奥氏体长大，转变后的马氏体板条更加细化，产生细晶强化。马氏体板条的细化及其数量的增加，碳氮化物的弥散析出，都能使钢在强化的同时得到韧化。,
