机械制造基础第5章钢的热处理剖析

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1、工程材料工程材料机械制造基础机械制造基础 第第5 5章章 钢的热处理钢的热处理 第五章第五章 钢的热处理钢的热处理 ( Heat Treatment of Steel )l l概述概述l l钢的热处理原理钢的热处理原理l l钢的普通热处理钢的普通热处理l l钢的表面热处理钢的表面热处理 概述概述1.热处理的定义热处理的定义: :时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却却2.热处理的主要目的热处理的主要目的: :改变钢的性能。改变钢的性能。3.热处理的应用范围热处理的应用范围: :整个制造业。整个制造业。4.热处理的分类热处理的分类热处理热处理普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处

2、理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳; 渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗; 第一节第一节 钢的热处理原理钢的热处理原理l l钢在加热时的转变钢在加热时的转变l l钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变一一.钢在加热时的转变钢在加热时的转变奥奥氏氏体体的的形形成成FFe3C未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残余残余Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化奥氏体晶粒度及对奥氏体晶粒度及对 力学性能的影响力学性能的影响一一)奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度: 1.起始晶粒度起始晶粒度:珠光体刚刚

3、转变成奥氏珠光体刚刚转变成奥氏 体的晶粒大小。体的晶粒大小。 2.实际晶粒度实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏热处理后所获得的奥氏 体晶粒的大小。体晶粒的大小。 3.本质晶粒度本质晶粒度:度量钢本身晶粒在度量钢本身晶粒在930 以下以下,随温度升高随温度升高,晶粒长晶粒长 大的程度。大的程度。钢的钢的本质晶粒度示意图本质晶粒度示意图二二)奥氏体晶粒大小对钢的奥氏体晶粒大小对钢的 力学性能的影响力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂

4、。工件产生较大的变形甚至开裂。奥氏体晶粒大小的影响因素奥氏体晶粒大小的影响因素l l加热温度和保温时间加热温度和保温时间l l原始组织：粒状珠光体比片层珠光体奥氏原始组织：粒状珠光体比片层珠光体奥氏体化后的晶粒更细小。体化后的晶粒更细小。l l加入合金元素：加入形成稳定碳化物的合加入合金元素：加入形成稳定碳化物的合金元素，形成氧化物、氮化物的元素都会金元素，形成氧化物、氮化物的元素都会阻碍奥氏体晶粒长大；锰、磷促进奥氏体阻碍奥氏体晶粒长大；锰、磷促进奥氏体晶粒长大。晶粒长大。二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变l l钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式l l过冷奥氏体的等温

5、冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变l l过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却（一）（一） 过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的等温冷却转变一一) 建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转 变曲线变曲线 - TTT曲线曲线 ( C 曲线曲线 )T - timeT - temperatureT - transformation 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间时间(s)3001021031041010800-10010

6、0200500600700温度温度()0400A1二二) 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线的分析曲线的分析稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过过冷冷奥奥氏氏体体区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A +产产 物物 区区产产物物区区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变; P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区; 半扩散型转变半扩散型转变; 贝氏体贝氏体( B ) 转变区转变区;230 - 50; 低温转低温转变区变区; 非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体 ( M ) 转变区。转变区。时间(s)300102103104101080

7、0-100100200500600700温度()0400A1MsMf三三) 转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能1.珠光体型珠光体型 ( P ) 转变转变 ( A1550 ) :A1650 : P ; 525HRC; 片间距为片间距为0.60.7m ( 500 )。650600 : 细片状细片状P-索氏体索氏体(S); 片间距为片间距为0.20.4m (1000); 2536HRC。600550:极细片状极细片状P-屈氏体屈氏体(T); 片间距为片间距为0.2m ( 电镜 ); 3540HRC。 珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌光镜形貌电镜形貌索索

8、 氏氏 体体 形形 貌貌 像像 屈屈 氏氏 体体 形形 貌貌 像像电镜形貌光镜形貌三三) 转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能2.贝氏体型贝氏体型 ( B ) 转变转变 ( 550230 ) :550350: B上上; 4045HRC;B上上 =过饱和碳过饱和碳 -Fe条状条状 + Fe3C细条状细条状过饱和碳过饱和碳-Fe条状条状 Fe3C细条状细条状羽毛状羽毛状 上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图三三) 转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能2.贝氏体型贝氏体型 ( B ) 转变转变 ( 550230 ) :350230: B下下; 5060HRC;B下下 =过饱和碳过饱和碳 -F

9、e针叶状针叶状 + Fe2.4C细片状细片状过饱和碳过饱和碳 -Fe针叶状针叶状Fe2.4C细片状细片状针叶状针叶状下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图三三) 转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能3.马氏体型马氏体型 ( M ) 转变转变 ( 230 -50 ) :1)定义定义:马氏体是一种碳在马氏体是一种碳在 Fe中的中的 过饱和和固溶体。固溶体。2)转变特点转变特点:在一个温度范围内在一个温度范围内连续冷却完成连续冷却完成;转变速度极快转变速度极快,即即瞬间形核与长大瞬间形核与长大;无扩散转变无扩散转变( Fe、C原子均不扩散原子均不扩散 ), M与原与原A的成分相同的成分相同,造成晶

10、格畸变。造成晶格畸变。转变不完全性转变不完全性, QM = f ( T )奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响6007005003004002001000-100-2000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.21.4 1.6 1.8 2.00温度 Wc 100MsMf90805070406020301000.60.90.80.71.00.51.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wc 100残余奥氏体量 ( % )奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响3)马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构: 由于碳的过饱和作由于碳的

11、过饱和作 用用,使使 Fe晶格由晶格由体心立方体心立方变成体心成体心 正方晶格。正方晶格。4)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:板条状板条状 - 低碳马氏体低碳马氏体(0.2%C ); 3050HRC ; = 917%。 低碳板条状马氏体组织金相图低碳板条状马氏体组织金相图4)马氏体的组织形态马氏体的组织形态:针、片状针、片状 - 高碳马氏体高碳马氏体(1%C); 66HRC左右左右 ; 1%。 高碳针片状马氏体组织金相图高碳针片状马氏体组织金相图马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0硬度 ( HRC )

12、2000抗拉强度b ( Mpa ) 1800 1400 1000 600 2005)马氏体的性能马氏体的性能: 主要取决于马氏体中的主要取决于马氏体中的碳浓度。碳浓度。 亚共析钢的亚共析钢的TTT曲线曲线 FAP + FS + FTBM + A残残A3时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf 过共析钢的过共析钢的TTT曲线曲线P + Fe3CS + Fe3CTBM + A残残 Fe3CAACM时间时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度温度()0400A1MsMf

13、 四四) 影响影响 TTT 曲线形状曲线形状 与位置的因素与位置的因素1.奥氏体中含碳量的影响奥氏体中含碳量的影响:过过共共析钢析钢共共析析 钢钢亚亚共共析钢析钢时间温度A12.奥氏体中含合金元素的影响奥氏体中含合金元素的影响: 除除Co、Al (2.5% ) 外外,所有合金所有合金元元 素溶入奥氏体中素溶入奥氏体中,会引起会引起:向右移向右移向向下下移移MsA1A1Ms含含Cr合金钢合金钢3.加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响: 加热温度越高加热温度越高, 保温时间越长保温时间越长, 碳化物溶解充分碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀奥氏体成分均匀, 提高了过冷奥氏体的稳定性提高了

14、过冷奥氏体的稳定性, 从而从而 使使 TTT曲线向右移。曲线向右移。过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变一一) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线变曲线 - CCT 曲线曲线 C - continuousC - coolingT - transformationVk 一一) 共析碳钢共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图曲线建立过程示意图时间( lg )温度A1PfPsA+PKMsMf水冷水冷油冷油冷Vk1炉冷炉冷空冷空冷二二) 共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲线的比较曲线的比较稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031

15、041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMfCCT曲线曲线TTT曲线曲线稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf三三) 在连续冷却过程中在连续冷却过程中 TTT 曲线的应用曲线的应用V1V2VkV3V4V1 = 5.5/s :炉冷炉冷 ; PV2 = 20/s :空冷空冷 ; SV3 = 33/s :油冷油冷;T+M+A残残V4 138/s :水冷水冷 ; M+A残残 第二节第二节 钢的普通热处理钢的普通热处理毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械

16、加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理 : 退火退火 ; 正火正火最终热处理最终热处理 : 淬火淬火 ; 回火回火一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:一一.钢的退火钢的退火(Annealing of steel)一一)定义定义: 把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 随炉冷却随炉冷却。 二二)目的目的: 消除应力消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。 三三) 种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火

17、退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去去应力退火应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化普通球化 退退 火火等温球化等温球化 退退 火火四四) 工艺参数工艺参数:温温 度度 ( C )名名 称称Ac3 3 + 3050完全退火完全退火Ac1 1 + 3050球化球化退火退火500600去去应力退火应力退火Ac3 3 + 150250扩散退火扩散退火四四) 工艺参数工艺参数:五五)热处理后的组织和用途热处理后的组织和用途 :1完全退火完全退火：组织：组织：P+F目的：目的：细化，均匀化粗大、不均匀组织细化，均匀化粗大、不均匀组织接近平衡组织接近平衡组织

18、调整硬度调整硬度切切削性削性消除内应力消除内应力应用范围：亚共析钢，共析钢，不应用范围：亚共析钢，共析钢，不适用于过共析钢适用于过共析钢 l l2球化退火（不完全退火）l l组织：球状P（F+球状Cem）l l目的：l l使Cem球化HRC，韧性切削性l l为淬火作准备l l应用范围：过共析钢，共析钢l3扩散退火（均匀化退火）l l组织：P+F或P+Fe3CIIl l目的：消除偏析l l后果：粗大晶粒（应用完全退火消除）l4再结晶退火l l加热温度：Ac1以下50-150，或T再+30-50 l l目的：消除加工硬化二二.钢的正火钢的正火( Normalizing of steel )一一)定

19、义定义: 把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 3050,保温一段时间保温一段时间,然后然后 在空气中冷却在空气中冷却。 二二)目的目的: 消除应力消除应力;调整硬度调整硬度;细化晶细化晶 粒粒;均匀成分均匀成分;为最终热处理为最终热处理 作好组织准备。作好组织准备。 三三) 工艺参数工艺参数:温温 度度 ( C )名名 称称Ac3 3 + 3050亚亚共析钢共析钢Ac1 1 + 3050共析钢共析钢Accm cm + 3050过过共析钢共析钢四四) 工艺参数工艺参数:四四) )热处理后的组织热处理后的组织: :S + Fe3C (Wc=0.61.4%) S+F (Wc0.6%)五

20、五) 应用范围应用范围: 1.预备热处理预备热处理:调整低、中碳钢的硬调整低、中碳钢的硬 度度;消除过共析钢中的消除过共析钢中的Fe3C。 2.最终热处理最终热处理:用于力学性能要求不用于力学性能要求不 高的普通零件。高的普通零件。三三.钢的淬火钢的淬火 ( Quenching of steel )一一)定义定义: 把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上 30 50,保温一段时间保温一段时间,然然 后后快速冷却快速冷却 ( 水冷水冷 )。 二二)目的目的: 为了获得马氏体组织为了获得马氏体组织,提高钢提高钢 的硬度和耐磨性。的硬度和耐磨性。 三三) 工艺参数工艺参数:温温 度度 (

21、C )名名 称称Ac3 3 + 3050亚亚共析钢共析钢Ac1 1 + 3050共析钢共析钢Ac1 1 + 3050过过共析钢共析钢三三)工艺参数工艺参数:四四)热处理后的组织热处理后的组织 : M+Fe3 3C+A残残残残 Ac1 1+3050过共析钢过共析钢 M + A残残残残 Ac1 1+3050 共析钢共析钢 M + A残残残残 Ac3 3+3050亚共析钢亚共析钢WWc c0.5%0.5% M Ac3 3+3050亚亚共析钢共析钢WWc0.5%c0.5% 最终组织最终组织淬火温度淬火温度() 钢种钢种五五)淬火加热时间淬火加热时间 ( ) 的选择的选择: = K D工工 件件 有有

22、效效 厚厚 度度(尺寸最小部位尺寸最小部位)装装炉量有关系数炉量有关系数一般一般 K = 11.5加热系数加热系数,与钢种与钢种及加热介质有关及加热介质有关六六) 淬火冷却介质淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf2.常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名名名 称称称称 最大冷却速度时最大冷却速度时最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度平均冷却速度平均冷却速度/ /( ( s s-1-1) )所在温所在温所在温所在温度度度度/ / 冷却速度冷却速度冷却速

23、度冷却速度 / /( ( s s- -1 1) )650650550 550 300300200 200 2020静止水静止水静止水静止水3403407757751351354504504040静止水静止水静止水静止水2852855455451101104104106060静止水静止水静止水静止水220220275275808018518510%10%NaClNaCl 溶液溶液溶液溶液58058020002000190019001000100010%NaOH 10%NaOH 溶液溶液溶液溶液560560283028302750275077577520201010号机油号机油号机油号机油4304

24、302302306060656580801010号机油号机油号机油号机油4304302302307070555520203 3号锭子油号锭子油号锭子油号锭子油5005001201201001005050七七) 常用的淬火方法常用的淬火方法单液淬火单液淬火双液淬火双液淬火分级淬火分级淬火等温淬火等温淬火时间时间温度MsA1八八) 钢的淬透性钢的淬透性 ( Hardenability of steel )1.定义定义:是指钢在淬火时所能得到的是指钢在淬火时所能得到的淬淬 硬层硬层 (马氏体组织占马氏体组织占50%处处) 的的 深度。深度。2.影响钢的淬透性的因素影响钢的淬透性的因素:主要是主要是临

25、界临界 淬火冷却速度淬火冷却速度VK 的大小的大小, VK 越越 大大,钢的淬透性越小。钢的淬透性越小。工件淬硬层与冷却速度的关系工件淬硬层与冷却速度的关系钢的淬硬性钢的淬硬性 ( Hardening of steel )（1）定义）定义:是指钢在淬火后所能是指钢在淬火后所能达到的达到的最高硬度。最高硬度。（2）影响钢的淬硬性的因素）影响钢的淬硬性的因素:主要取决于主要取决于 马氏体的马氏体的含碳量。含碳量。3.淬硬性与淬透性之间的关系淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬透性淬淬硬性硬性钢钢 种种小小低低碳素结构钢碳素结构钢 ( 20 )小小高高碳素碳素工具钢工具钢( T12A )大大低低低碳低

26、碳合金结构钢合金结构钢( 20Cr2Ni4A )大大高高高碳高高碳高合金工具钢合金工具钢( W18Cr4V )4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响未未淬淬透透钢钢淬淬透透钢钢5影响淬透性的因素VK，C曲线l lC%: 亚共析钢亚共析钢 C%淬硬性淬硬性 过共析钢过共析钢C%淬硬性淬硬性l l奥氏体化温度奥氏体化温度: Tt淬透性淬透性l l合金元素合金元素: 除除Co%以外，以外，C曲线右移，曲线右移，淬透性淬透性6. 6. 淬透性的应用：淬透性的应用：受力情况：动载荷、拉力和压力的重要工件受力情况：动载荷、拉力和压力的重要工件 只承受弯、扭

27、负荷的轴、齿轮只承受弯、扭负荷的轴、齿轮弹弹 簧：要求大的屈强比簧：要求大的屈强比(s/b)阶阶 梯梯 轴：可初车后淬火轴：可初车后淬火焊焊 接接 件：不宜选择淬透性高的钢材件：不宜选择淬透性高的钢材淬透性好的钢采用冷却速度缓慢的冷却介质，淬透性好的钢采用冷却速度缓慢的冷却介质，淬透性低的大尺寸工件，淬火前采用切削加淬透性低的大尺寸工件，淬火前采用切削加工，去掉不必要的部分。工，去掉不必要的部分。四四.钢的回火钢的回火 ( Tempering of steel )一一)定义定义: 把把淬火后淬火后的零件重新加温到的零件重新加温到 A1线以下某个温度线以下某个温度,保温一段保温一段 时间时间,然

28、后冷却到窒温。然后冷却到窒温。二二)目的目的: 消除淬火应力消除淬火应力,降低脆性降低脆性;稳定稳定 工件尺寸工件尺寸;调整淬火零件的力调整淬火零件的力 学性能。学性能。 三三) 钢在回火时的组织转变l la. a. 马氏体分解（马氏体分解（80800 0C-300C-3000 0C C） 析出析出e e碳化物（亚稳定）碳化物（亚稳定） 回火组织为：过饱和回火组织为：过饱和a a固溶体十亚稳定固溶体十亚稳定e e 碳化物碳化物（极细的）（极细的）回火回火M M（MM）晶格畸变降低，淬火晶格畸变降低，淬火应力有所下降。应力有所下降。l lb. b. 残余残余A A有分解有分解 200-30020

29、0-3000 0C C：A MA Ml lc. c. 碳化物的聚集长大碳化物的聚集长大 （2802800 0C-400C-4000 0C C） ee碳化物碳化物Fe3CFe3C片片细粒状细粒状FeFe3C3C 组织：组织：组织：组织：铁素体铁素体+ +细粒状细粒状FeFe3C 3C 回火回火T Tl ld.d.铁素体的回复与再结晶：多边形铁素体的回复与再结晶：多边形F+F+粗粗粒状粒状FeFe3C3C耐磨件耐磨件M回回=0.3%C+150250低温回火低温回火弹簧等弹簧等T T回回回回=F=F针针针针+Fe3C+Fe3C粒粒粒粒350500中温回火中温回火调质件调质件S S回回回回=F=F多多

30、多多+Fe3C+Fe3C球球球球500650高温回火高温回火高高高高合金钢合金钢合金钢合金钢P P回回回回=F=F多多多多+Fe3C+Fe3C粒粒粒粒650A1高温软化高温软化四四) 工艺参数工艺参数淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质处理调质处理用途用途组组 织织温度温度()名名 称称淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质处理调质处理回火索氏体组织金相图回火索氏体组织金相图 回火屈氏体组织金相图回火屈氏体组织金相图 回火马氏体组织金相图回火马氏体组织金相图五）回火温度与机械性能的关系l l200以下，HRC不变。l l200-300 ，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低不大，高碳钢硬

31、度有一定的升高。l l300 ，HRC降低。l l韧性：400 开始升高，600 最高。l l弹性极限：在300-400 最高。l l塑性：在600-650 最高。回火组织的性能l l高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差韧性差l l低碳回火马氏体：高的强度与韧性，硬度、低碳回火马氏体：高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好耐磨性也较好l l回火屈氏体：屈服强度与弹性极限高回火屈氏体：屈服强度与弹性极限高l l回火索氏体：综合机械性能。回火索氏体：综合机械性能。六）回火脆性 l l指随回火温度升高时，在指随回火温度升高时，在250-400250-400和和4

32、50-650450-650两个区两个区间出现冲击韧性明显下降的脆化现象。间出现冲击韧性明显下降的脆化现象。防止措施第三节第三节 钢的表面热处理钢的表面热处理l l表面淬火表面淬火l l化学热处理化学热处理工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧” 的力学性能。的力学性能。一一.表面淬火表面淬火( Surface Hardening )一一) 定义定义:是一种不改变钢表层化学成是一种不改变钢表层化学成 分分,但改变表层组织的局部热但改变表层组织的局部热 处理工艺。处理工艺。二二) 工艺特征工艺特征:通过快速加热使钢的表通过快速加热使钢的表 层奥氏体化层奥氏体化,然后急冷然后急

33、冷,使表层使表层 形成马氏体组织形成马氏体组织,而心部仍保而心部仍保 持不变。持不变。 三三)表面淬火用钢表面淬火用钢: 选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。等。四四)表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: 感应加热感应加热( 高、中、工频高、中、工频 )、火火 焰加热焰加热、电接触加热法等。、电接触加热法等。1、感应加热表面淬火、感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理感应加热的基本原理:l感应电流感应电流 - 涡流涡流l l 集肤效应集肤效应l淬火层深度淬火层深度()与电流与电流频率频率( f )的关系的关系: = 500 / f （mm） 集肤

34、效应集肤效应感应加热表面淬火的分类感应加热表面淬火的分类l l高高频频701000KHz，常常用用200300KHz，淬淬硬硬深深度度为为0.52mm。中中小小模模数数齿齿轮轮、轴轴类零件等。类零件等。l l中中频频50010000Hz，常常用用25008000Hz，淬淬硬硬深深度度210mm，直直径径较较大大的的轴轴类类和和较大模数的齿轮等。较大模数的齿轮等。l l工工频频50Hz，淬淬硬硬深深度度达达1015mm。直直径径大于大于300mm的轧辊及轴类零件等。的轧辊及轴类零件等。2)工艺要求工艺要求: * 表面淬火前表面淬火前,必须对零件进行必须对零件进行正火正火 或调质处理或调质处理,以

35、保证零件有良好的以保证零件有良好的 基体。基体。 * 表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行必须对零件进行低温低温 回火处理回火处理,以降低淬火应力和脆性。以降低淬火应力和脆性。3)生产特点生产特点: 淬火件的质量好淬火件的质量好; 工件变工件变 形小形小;不易氧化及脱碳不易氧化及脱碳;淬火层容易淬火层容易 控制控制;生产率高。设备投资大生产率高。设备投资大,不适不适 于复杂形状零件和小批量生产。于复杂形状零件和小批量生产。2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法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火焰加热表面淬火的特点:*设备简单设备简单, 操作方便操

36、作方便, 成本低。成本低。*淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。二二.化学热处理化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )一一)定义定义:将零件置于一定的化学介质将零件置于一定的化学介质 中中 , 通过加热、保温通过加热、保温,使介质使介质 中一种或几种元素原子渗入中一种或几种元素原子渗入 工件表层工件表层,以改变钢表层的化以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。学成分和组织的热处理工艺。 二二) 化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:2.吸收吸收: 活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶零件表面吸

37、收和溶 解。形成固溶体和化合物。解。形成固溶体和化合物。3.扩散扩散: 活性原子由零件表面向内部扩活性原子由零件表面向内部扩 散散, 形成一定的扩散层形成一定的扩散层。1.分解分解: 化学介质在高温下释放出待渗化学介质在高温下释放出待渗 的的活性原子活性原子。 2CO CO2 +C三三) 化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件:1. 渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子, 而而 且且具有较大的扩散能力具有较大的扩散能力。2. 零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的即对渗入原子有一定的溶解度溶解度或能或能 与之化合与之化合, 形

38、成化合物形成化合物。四四) 化学热处理的种类化学热处理的种类: 渗碳渗碳; 渗氮渗氮; 碳氮碳氮 共渗共渗; 渗硼渗硼; 渗铝渗铝; 渗硫渗硫; 渗硅渗硅; 渗铬等。渗铬等。（一）钢的渗碳（一）钢的渗碳 ( Carburize of steel )1)定义定义: 向钢的向钢的表面渗入碳原子表面渗入碳原子的过程。的过程。2)目的目的: 获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)用钢用钢: 低碳钢低碳钢和和低碳合金钢。低碳合金钢。4)方法方法: 固体、气体、固体、气体、液体渗碳。液体渗碳。固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱 气体渗

39、碳法示意图气体渗碳法示意图1、气体渗碳（、气体渗碳（1）9 钢的化学热处理l l5）工艺：）工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900900950(950(常用常用930)930)，向炉内滴入煤油、苯、，向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成COCO、COCO2 2、H H2 2及及CHCH4 4等气体组成的渗碳气氛，在高温下等气体组成的渗碳气氛，在高温下与工件接触时便在工件表面进行下列反应，生与工件接触时便在工件表面进行下列反应，生成活性碳原子。成活性碳原子。 2COC+CO2COC+CO2 2 CHCH

40、4 4C+2HC+2H2 2 CO+HCO+H2 2C+HC+H2 2O O 随随后后活活性性碳碳原原子子被被钢钢表表面面吸吸收收而而溶溶入入奥奥氏氏体体中，并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。中，并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。6)渗碳后的组织渗碳后的组织: 1%CP+Fe3C0.2%C F + P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F7) 渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺渗碳层的热处理（渗碳层的热处理（1）直接淬火法直接淬火法 预冷至预冷至850880后直接淬入油中或水后直接淬入油中或水中，中，180200进行低温回火。进行低温回火。预冷目的预冷目的 ：减少淬火变形及开裂，使表层析

41、出碳化物，减少淬火变形及开裂，使表层析出碳化物，降低奥氏体的含碳量，从而降低淬火后的残余奥氏体量，降低奥氏体的含碳量，从而降低淬火后的残余奥氏体量，提高表层硬度。提高表层硬度。特特 点：点： 操作简单、成本低，生产率高，但在高操作简单、成本低，生产率高，但在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大，影响淬火后工件的温下长期保温，奥氏体晶粒易长大，影响淬火后工件的性能，故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况性能，故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况下；此外预冷过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状下；此外预冷过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出，对工件淬火后的性能不利。析出，对工件淬火后的性

42、能不利。用途：用途：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。 渗碳层的热处理（渗碳层的热处理（2）一次淬火法一次淬火法 ： 工件经渗碳空冷后，再重新加热至淬火温度工件经渗碳空冷后，再重新加热至淬火温度（如（如830860）进行淬火，然后在）进行淬火，然后在180200回火。这种方法在工件重新加热时奥氏体回火。这种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细化，使钢的性能得到提高。晶粒得到细化，使钢的性能得到提高。用途用途 适用于比较重要的零件，如高速柴油机齿轮适用于比较重要的零件，如高速柴油机齿轮等。等。渗碳层的热处理（渗碳层的热处理（3）二次淬火法二次淬火法 渗碳

43、空冷后，先加热到渗碳空冷后，先加热到AcAc3 3以上以上( (一一般为般为850850900900) )油淬，使心部组织细化，消除油淬，使心部组织细化，消除表层网状渗碳体；然后再加热到表层网状渗碳体；然后再加热到AcAc1 1以上以上( (一般为一般为750750800800) )油淬，最后在油淬，最后在180180200200进行回火。进行回火。二次淬火法使工件表层和心部组织被细化，从而二次淬火法使工件表层和心部组织被细化，从而获得较好的力学性能。但工艺复杂，成本高；工获得较好的力学性能。但工艺复杂，成本高；工件经反复加热冷却后易产生变形和开裂。所以只件经反复加热冷却后易产生变形和开裂。所

44、以只适用于少数对性能要求特别高的工件。适用于少数对性能要求特别高的工件。 渗碳工件的一般工艺路线渗碳工件的一般工艺路线 锻造锻造正火（目的）正火（目的）机械加工【可否与渗碳工艺倒置】机械加工【可否与渗碳工艺倒置】渗碳（组织渗碳（组织）淬火淬火+ +低温回火低温回火精加工精加工8 8）渗碳工件的最终组织）渗碳工件的最终组织淬火淬火+ +低温回火：低温回火： 针状回火马氏体针状回火马氏体+ +碳化物碳化物+ +少量残余奥氏体少量残余奥氏体 硬度为硬度为58586464HRCHRC，而心部则随钢的淬透性而而心部则随钢的淬透性而定。定。 对于低碳钢如对于低碳钢如1515、2020钢，其心部组织为铁素体

45、钢，其心部组织为铁素体+ +珠光体，硬度相当于珠光体，硬度相当于10101515HRCHRC； 对于低碳合金钢如对于低碳合金钢如2020CrMnTiCrMnTi，心部组织为回火心部组织为回火低碳马氏体低碳马氏体+ +铁素体，硬度为铁素体，硬度为35354545HRCHRC。2.钢的渗氮钢的渗氮 ( Nitridation of steel )1)定义定义:向钢的向钢的表面渗入氮原子表面渗入氮原子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧及抗蚀表硬里韧及抗蚀性能性能 的零件。的零件。3)用钢用钢:中碳合金钢。中碳合金钢。4)方法方法:气体气体渗氮。渗氮。5)工艺工艺:加热温度加热温度

46、500600; 保温时间保温时间0.30.5mm/2050h。6)热处理特点热处理特点: 渗氮前需调质处理渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织渗氮处理后的组织 表层表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部心部 : S回回。8)常用的钢种常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢氮化王牌钢 ) 等。等。（二）钢的氮化（渗氮）（二）钢的氮化（渗氮）渗渗氮氮一一般般在在AcAc1 1温温度度以以下下使使活活性性氮氮原原子子渗入工件表面的化学热处理工艺。渗入工件表面的化学热处理工艺。

47、目目的的提提高高工工件件表表面面硬硬度度、耐耐磨磨性性、疲疲劳性质、耐蚀性及热硬性。劳性质、耐蚀性及热硬性。分类分类气体渗氮和离子渗氮。气体渗氮和离子渗氮。1 1、气体氮化（、气体氮化（1 1）气气体体渗渗氮氮 在在气气体体介介质质中中进进行行渗渗氮氮的的工工艺艺称称为气体渗氮。为气体渗氮。工工艺艺过过程程 在在渗渗氮氮炉炉内内通通入入氨氨气气，在在380380以上氨分解出活性氮原子以上氨分解出活性氮原子:2NH:2NH3 33H3H2 2+2N+2N活活性性氮氮原原子子被被工工件件表表面面吸吸收收并并溶溶入入表表面面，在保温过程中向里扩散，形成渗氮层。在保温过程中向里扩散，形成渗氮层。1 1

48、、气体氮化（、气体氮化（2 2）工艺特点：工艺特点：温温度度低低：500500600600常常用用550550570570，远远低低于于渗渗碳碳温温度度。由由于于氮氮在在铁铁素素体体中中有有一一定定的的溶溶解解能能力，无需加热到高温。力，无需加热到高温。时间长：时间长：202050h50h，氮化层厚度为氮化层厚度为0.40.40.6mm0.6mm。需需调调质质预预处处理理：改改善善机机加加工工性性能能和和获获得得均均匀匀的的回回火索氏体组织，保证较高的强度和韧性。火索氏体组织，保证较高的强度和韧性。1 1、气体氮化（、气体氮化（3 3）渗氮件的性能渗氮件的性能表面强化和表面保护表面强化和表面保

49、护高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性合金氮化物层，合金氮化物层，100010001100HV1100HV，而且而且在在600600650650下保持不下降；下保持不下降；疲劳极限高疲劳极限高渗氮层的体积增大产生残余压应力，疲劳极渗氮层的体积增大产生残余压应力，疲劳极限提高达限提高达15%15%35%35%；高的耐蚀性能高的耐蚀性能致密的耐蚀的氮化物，使工件在水、过热致密的耐蚀的氮化物，使工件在水、过热的蒸气和碱性溶液中都很稳定；的蒸气和碱性溶液中都很稳定；变形很小变形很小这是由于渗氮温度低。这是由于渗氮温度低。1 1、气体氮化（、气体氮化（4 4）应应 用：用：交变载荷下工作并要求耐磨的重要结构

50、零件，交变载荷下工作并要求耐磨的重要结构零件，如高速传动的精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床如高速传动的精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床主轴及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件如齿轮套、主轴及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件如齿轮套、阀门、排气阀等。阀门、排气阀等。技术要求：技术要求：需选用含与需选用含与N N亲合力大的亲合力大的AlAl、CrCr、MoMo、TiTi、V V等合金元素的合金钢，如等合金元素的合金钢，如38CrMoAlA38CrMoAlA、35CrAlA35CrAlA、38CrMo38CrMo等。等。1 1、气体氮化（、气体氮化（5 5）技技术术要要求求：应应注注明明氮

51、氮化化层层深深度度、表表面面硬硬度度、氮氮化化部部位位、心心部部硬硬度度等等，对对于于零零件件上上不不需需渗渗氮氮的的部部位位镀镀锡锡或或镀镀铜铜保保护护，或或增增加加加加工工余余量量、氮氮化化后去除。后去除。工艺路线：工艺路线：锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质 精加工精加工去应力去应力粗磨粗磨氮化氮化 精磨或研磨精磨或研磨 渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否处理后是否需要热处理需要热处理处理时处理时间间 ( h )处理温度处理温度( )名称名称需要需要39900950渗碳渗碳不不需要需要2050500600渗氮渗氮3.钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗-氰化处理氰化处理 ( Car

52、bonitriding of steel )1)定义定义:向钢的向钢的表面同时渗入碳和氮原表面同时渗入碳和氮原 子子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)方法方法:固体碳氮共渗固体碳氮共渗气体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗液体碳氮共渗高温高温中温中温低温低温4)工艺工艺:合金结构钢合金结构钢HRC5360中温气体碳中温气体碳氮共渗氮共渗80086018以渗碳为主以渗碳为主0.50.8mm淬火淬火+低温回火低温回火合金工具钢合金工具钢HRC5463低温气体碳低温气体碳氮共渗氮共渗50060016以渗氮以渗氮为主为主0.10.4mm不不需要需要材料材料性能性能名称名称温度温度()时间时间(h)作用作用渗层渗层热处理热处理