第6章_鋼的表面熱處理

1、6.7 鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理 定義：僅對工件表層進行熱處理以改變其定義：僅對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的工藝稱為表面熱處理。組織和性能的工藝稱為表面熱處理。 分類：分類： 表面淬火和化學熱處理表面淬火和化學熱處理 目的：目的： 生產(chǎn)中常常生產(chǎn)中常常采用表面熱處理的采用表面熱處理的方法，以達到強化方法，以達到強化工件表面的目的。工件表面的目的。 應用：應用：1.某些在沖擊載荷、某些在沖擊載荷、交變載荷及摩擦條交變載荷及摩擦條件下工作的機械零件下工作的機械零件，如主軸、齒輪、件，如主軸、齒輪、曲軸等，曲軸等， 2.某些工作表面要承受較高的應力，要某些工作表面要承受較高的應力，要求

2、工件的這些表面層具有高的硬度、求工件的這些表面層具有高的硬度、耐磨性及疲勞強度，而工件的心部要耐磨性及疲勞強度，而工件的心部要求具有足夠的塑性和韌性。求具有足夠的塑性和韌性。6.7.1 鋼的表面淬火鋼的表面淬火 定義：將工件的表層迅速加熱到淬火溫度進定義：將工件的表層迅速加熱到淬火溫度進行淬火的工藝方法稱為表面淬火行淬火的工藝方法稱為表面淬火(surface hardening)。 性能：工件經(jīng)表面淬火后，表層得到馬氏體性能：工件經(jīng)表面淬火后，表層得到馬氏體組織，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍為組織，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍為淬火前的組織，具有足夠的強度和韌性。淬火前的組織，具有足夠的強

3、度和韌性。 分類：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬分類：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火火 一、感應加熱淬火基本原理一、感應加熱淬火基本原理 鐵制零件在高頻交變磁鐵制零件在高頻交變磁場中，鐵的內(nèi)部將產(chǎn)生很大場中，鐵的內(nèi)部將產(chǎn)生很大的的感應電流感應電流。電流在金屬體。電流在金屬體內(nèi)自行閉合，稱為內(nèi)自行閉合，稱為渦流渦流。由。由于工件阻抗很小，渦流很大。于工件阻抗很小，渦流很大。受受集膚效應集膚效應的影響，越靠近的影響，越靠近工件表面電流越大。感應電工件表面電流越大。感應電流快速將零件的表面加熱到流快速將零件的表面加熱到

4、Ac3或或Acm以上，快速冷卻以上，快速冷卻后即可在零件表層獲得馬氏后即可在零件表層獲得馬氏體組織。體組織。 第二節(jié)第二節(jié) 感應加熱淬火技術(shù)感應加熱淬火技術(shù)1感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火 定義：利用感應電流通過定義：利用感應電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應，使工件所產(chǎn)生的熱效應，使工件表面迅速加熱并進行工件表面迅速加熱并進行快速冷卻的淬火工藝稱為快速冷卻的淬火工藝稱為感應加熱表面淬火。感應加熱表面淬火。 （1）感應加熱表面淬火的基）感應加熱表面淬火的基本原理本原理 工件放入用空心工件放入用空心紫銅管繞成的感應器內(nèi)，紫銅管繞成的感應器內(nèi)，給感應器通入一定頻率的給感應器通入一定頻率的交流電，周圍便存

5、在同頻交流電，周圍便存在同頻率的交變磁場，于是在工率的交變磁場，于是在工件內(nèi)部產(chǎn)生同頻率的感應件內(nèi)部產(chǎn)生同頻率的感應電流電流(渦流渦流)。 由于感應電流的集膚效應由于感應電流的集膚效應(電流集中分布在工件表電流集中分布在工件表面面)和熱效應，使工件表層迅速加熱到淬火溫度，和熱效應，使工件表層迅速加熱到淬火溫度，而心部則仍處于相變點溫度以下，隨即快速冷卻，而心部則仍處于相變點溫度以下，隨即快速冷卻，從而達到表面淬火的目的。從而達到表面淬火的目的。 分類及應用：高頻感應加熱、中頻感應加分類及應用：高頻感應加熱、中頻感應加熱和工頻感應加熱熱和工頻感應加熱 高頻感應加熱表面淬火：常用頻率為高頻感應加熱

6、表面淬火：常用頻率為200300kHz，淬硬層深度為，淬硬層深度為0.52.0mm 適用：中、小模數(shù)的齒輪及中、小尺寸的軸類適用：中、小模數(shù)的齒輪及中、小尺寸的軸類零件的表面淬火零件的表面淬火中頻感應加熱表面淬火中頻感應加熱表面淬火:常用頻率為常用頻率為25008000Hz，淬硬層深度為，淬硬層深度為210mm。適用：較大尺寸的軸類零件和大模數(shù)齒輪的表適用：較大尺寸的軸類零件和大模數(shù)齒輪的表面淬火；面淬火；工頻感應加熱表面淬火工頻感應加熱表面淬火:電流頻率為電流頻率為50Hz，淬硬層深度為淬硬層深度為1020mm。 適用：較大直徑適用：較大直徑 機械零件的表面淬火，如軋輥、機械零件的表面淬火，

7、如軋輥、火車車輪等?；疖囓囕喌?。（2）感應加熱表面淬火的特點與應用）感應加熱表面淬火的特點與應用 優(yōu)點：優(yōu)點： 與普通加熱淬火相比，感應加熱表面淬火加熱速與普通加熱淬火相比，感應加熱表面淬火加熱速度快，加熱時間短；度快，加熱時間短；淬火質(zhì)量好，淬火后晶粒細小，表面硬度比普通淬火質(zhì)量好，淬火后晶粒細小，表面硬度比普通淬火高，淬硬層深度易于控制；淬火高，淬硬層深度易于控制；勞動條件好，生產(chǎn)率高，適于大批量生產(chǎn)。勞動條件好，生產(chǎn)率高，適于大批量生產(chǎn)。缺點：感應加熱設備較昂貴，調(diào)整、維修比較困缺點：感應加熱設備較昂貴，調(diào)整、維修比較困難，對于形狀復雜的機械零件，其感應圈不易制難，對于形狀復雜的機械零件

8、，其感應圈不易制造，且不適合于單件生產(chǎn)。造，且不適合于單件生產(chǎn)。 應用：碳的質(zhì)量分數(shù)為應用：碳的質(zhì)量分數(shù)為0.4%0.5%的碳素鋼與的碳素鋼與合金鋼合金鋼 ，如，如45鋼、鋼、40Cr等。也可以用于高碳工等。也可以用于高碳工具鋼、低合金工具鋼以及鑄鐵等材料。具鋼、低合金工具鋼以及鑄鐵等材料。 2火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火 定義：火焰加熱表面淬火是采用氧定義：火焰加熱表面淬火是采用氧-乙炔乙炔(或其它或其它可燃氣體可燃氣體)火焰，噴射在工件的表面上，使其快速火焰，噴射在工件的表面上，使其快速加熱，當達到淬火溫度時立即噴水冷卻，從而獲加熱，當達到淬火溫度時立即噴水冷卻，從而獲得預期的硬度和有

9、效淬硬層深度的一種表面淬火得預期的硬度和有效淬硬層深度的一種表面淬火方法方法 。應用：應用： 中碳鋼（如中碳鋼（如35、40、45鋼等）和中碳低合金鋼鋼等）和中碳低合金鋼（如（如40Cr、45Cr等）。等）。 還可用于對鑄鐵件（如灰鑄鐵、合金鑄鐵等）還可用于對鑄鐵件（如灰鑄鐵、合金鑄鐵等）進行表面淬火。進行表面淬火。適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型工件，以及需適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型工件，以及需要局部淬火的工具或工件，如大型軸類、大模要局部淬火的工具或工件，如大型軸類、大模數(shù)齒輪、錘子等。數(shù)齒輪、錘子等。6.7.2 鋼的化學熱處理鋼的化學熱處理 定義：定義：化學熱處理（化學熱處理（chemic

10、o-thermal treatment）是將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中）是將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。 方法分類：方法分類：滲碳、滲氮、碳氮共滲以及滲金屬滲碳、滲氮、碳氮共滲以及滲金屬等。等。 三個基本過程三個基本過程 （1）分解）分解 化學介質(zhì)在一定的溫度下發(fā)生分解，化學介質(zhì)在一定的溫度下發(fā)生分解，產(chǎn)生能夠滲入工件表面的活性原子。產(chǎn)生能夠滲入工件表面的活性原子。（2）吸收）吸收 吸收就是活性原子進入工件表面溶于吸收就是活性原子進入工件

11、表面溶于鐵形成固溶體或形成化合物。鐵形成固溶體或形成化合物。 （3）擴散）擴散 滲入的活性原子由表面向中心擴散，滲入的活性原子由表面向中心擴散，形成一定厚度的擴散層。形成一定厚度的擴散層。1鋼的滲碳鋼的滲碳 定義：定義：滲碳滲碳(carburizing)是為了增加鋼件表層是為了增加鋼件表層的含碳量和一定的碳濃度梯度，將鋼件在滲碳介的含碳量和一定的碳濃度梯度，將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫使碳原子滲入表層的化學熱處理質(zhì)中加熱并保溫使碳原子滲入表層的化學熱處理工藝。工藝。 滲碳目的：滲碳目的：提高工件表面的碳成分，以便熱處提高工件表面的碳成分，以便熱處理淬火后獲得硬度、耐磨性及疲勞強度，并使其心理淬

12、火后獲得硬度、耐磨性及疲勞強度，并使其心部保持良好的塑性和韌性。部保持良好的塑性和韌性。（1）滲碳用鋼）滲碳用鋼 為為0.1%0.25%的低碳鋼和的低碳鋼和低碳合金鋼。低碳合金鋼。（2）滲碳方法）滲碳方法 分為固體滲碳、液體滲碳和分為固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳三種。氣體滲碳三種。 氣體滲碳：氣體滲碳： 工件在氣體滲碳介質(zhì)中工件在氣體滲碳介質(zhì)中進行滲碳的工藝。進行滲碳的工藝。 加熱溫度：加熱溫度： 900950設備：設備： 密封的滲碳爐內(nèi)，溫度測控設備密封的滲碳爐內(nèi)，溫度測控設備滲碳劑：滴入煤油、丙酮或甲醇。滲碳劑：滴入煤油、丙酮或甲醇。機理：滲碳劑在高溫下分解，產(chǎn)生的活性碳原機理：滲碳劑在高

13、溫下分解，產(chǎn)生的活性碳原子滲入工件表面并向內(nèi)部擴散（每小時子滲入工件表面并向內(nèi)部擴散（每小時0.100.15mm）形成滲碳層）形成滲碳層 固體滲碳方法：固體滲碳方法： 把工件和固體滲碳劑裝入把工件和固體滲碳劑裝入滲碳箱中，用蓋子和耐火泥封好后，送入滲碳箱中，用蓋子和耐火泥封好后，送入爐中加熱到爐中加熱到900950，保溫一定的時間，保溫一定的時間后出爐，零件便獲得了一定厚度的滲碳層。后出爐，零件便獲得了一定厚度的滲碳層。 固體滲碳劑：由一定粒度的木炭和少量的固體滲碳劑：由一定粒度的木炭和少量的碳酸鹽（碳酸鹽（BaCO3或或Na2CO3）混合組成。）混合組成。木炭提供滲碳所需要的活性碳原子，碳酸

14、木炭提供滲碳所需要的活性碳原子，碳酸鹽只起催化作用。鹽只起催化作用。 （3）滲碳后的組織）滲碳后的組織 成分：工件經(jīng)滲碳后，含碳量從表面到心成分：工件經(jīng)滲碳后，含碳量從表面到心部逐步減少，表面碳的質(zhì)量分數(shù)可達部逐步減少，表面碳的質(zhì)量分數(shù)可達0.80%1.05%，而心部仍為原來的低碳成，而心部仍為原來的低碳成分。分。 組織：若工件滲碳后緩慢冷卻，從表面到組織：若工件滲碳后緩慢冷卻，從表面到心部的組織為珠光體心部的組織為珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體、珠網(wǎng)狀二次滲碳體、珠光體、珠光體光體、珠光體+鐵素體鐵素體 （4）滲碳后的熱處理）滲碳后的熱處理 工件滲碳后的熱工件滲碳后的熱處理工藝通常為淬火及低溫回火。

15、處理工藝通常為淬火及低溫回火。 熱處理后的組織：熱處理后的組織： 表層組織為回火馬氏體和細粒狀碳化物，表表層組織為回火馬氏體和細粒狀碳化物，表面硬度可高達面硬度可高達5864HRC； 心部組織心部組織 常為為低碳馬氏體或珠光體常為為低碳馬氏體或珠光體+鐵素體鐵素體組織，硬度較低，組織，硬度較低， 2鋼的滲氮鋼的滲氮 定義：滲氮也稱氮化，是在一定溫度下定義：滲氮也稱氮化，是在一定溫度下 使使活性氮原子滲入工件表面（得活性氮原子滲入工件表面（得AlN、CrN、MoN、VN、TiN）的化學熱處理工藝。）的化學熱處理工藝。 滲氮的目的：提高工件的表面硬度、耐磨滲氮的目的：提高工件的表面硬度、耐磨性以及

16、疲勞強度和耐蝕性。性以及疲勞強度和耐蝕性。（1）滲氮用鋼）滲氮用鋼 對于以提高耐蝕性為主的滲氮，可選用優(yōu)質(zhì)碳素對于以提高耐蝕性為主的滲氮，可選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如結(jié)構(gòu)鋼，如20、30、40鋼等；鋼等； 對于以提高疲勞強度為主的滲氮，可選用一般合對于以提高疲勞強度為主的滲氮，可選用一般合金結(jié)構(gòu)鋼，如金結(jié)構(gòu)鋼，如40Cr、42CrMo等；等； 對于以提高耐磨性為主的滲氮，一般選用滲氮專對于以提高耐磨性為主的滲氮，一般選用滲氮專用鋼用鋼38CrMoAlA。（2）滲氮方法）滲氮方法 常用的滲氮方法有氣體常用的滲氮方法有氣體滲氮和離子滲氮等滲氮和離子滲氮等 氣體滲氮：在專門的氮化爐中進行，是利用氨在氣體

17、滲氮：在專門的氮化爐中進行，是利用氨在500600的溫度下分解，產(chǎn)生活性氮原子，分的溫度下分解，產(chǎn)生活性氮原子，分解反應如下：解反應如下： 2NH33H2+2N 分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)層擴分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)層擴散，形成一定深度的滲氮層。散，形成一定深度的滲氮層。 （3）滲氮的特點與應用）滲氮的特點與應用 特點：特點： 滲氮后工件無需淬火便具有高的硬度、耐滲氮后工件無需淬火便具有高的硬度、耐磨性和熱硬性，良好的抗蝕性和高的疲勞強度，磨性和熱硬性，良好的抗蝕性和高的疲勞強度，滲氮溫度低，工件的變形小。滲氮溫度低，工件的變形小。 缺點：滲氮的生產(chǎn)周期長。一般要得到

18、缺點：滲氮的生產(chǎn)周期長。一般要得到0.30.5mm的滲氮層，氣體滲氮時間約需的滲氮層，氣體滲氮時間約需3050小時，小時，成本較高；滲氮層薄而脆，不能承受沖擊。成本較高；滲氮層薄而脆，不能承受沖擊。 應用：要求表面高硬度，耐磨、耐蝕、耐高溫的應用：要求表面高硬度，耐磨、耐蝕、耐高溫的精密零件，如精密機床主軸、絲桿、鏜桿、閥門精密零件，如精密機床主軸、絲桿、鏜桿、閥門等。等。一、一、 噴丸強化技術(shù)噴丸強化技術(shù)1 噴丸強化技術(shù)原理噴丸強化技術(shù)原理 小彈丸高速射向金屬工件表面，小彈丸高速射向金屬工件表面，使金屬表層發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生大使金屬表層發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生大量的量的位錯位錯和較大的和較大的殘余

19、壓應力殘余壓應力，從，從而提高金屬表面的硬度、強度、抗而提高金屬表面的硬度、強度、抗疲勞強度和疲勞強度和抗應力腐蝕抗應力腐蝕能力。能力。第七節(jié)第七節(jié) 表面形變強化技術(shù)表面形變強化技術(shù)噴丸強化層深度一般在噴丸強化層深度一般在0.10.8mm之間。之間。（1） 葉輪拋丸式葉輪拋丸式：利用高速：利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的離心力將彈旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的離心力將彈丸高速射向工件。丸高速射向工件。2 噴丸強化方法噴丸強化方法 適合處理形狀簡單、批量適合處理形狀簡單、批量較大的工件。較大的工件。（2） 壓縮空氣式壓縮空氣式：利用壓縮空氣將彈丸噴向工件，：利用壓縮空氣將彈丸噴向工件，彈丸的飛行速度取決于壓縮空氣的壓力。噴丸有干噴彈丸的飛行速度取決于壓縮空氣的壓力。噴丸有干噴和濕噴兩種。和濕噴兩種。噴丸強化方法噴丸強化方法吸入式噴砂槍 常用彈丸材料有常用彈丸材料有鑄鐵鑄鐵、不銹鋼不銹鋼、鋼絲鋼絲、玻璃玻璃、陶瓷陶瓷等，選擇時主要考慮被處理工件材料的硬度、等，選擇時主要考慮被處理工件材料的硬度、表面粗糙度、強化深度、殘余應力等。表面粗糙度、強化深度、殘余應力等。3 噴丸材料噴丸材料（1）噴丸增加金屬表面的）噴丸增加金屬表面的粗糙度粗糙度。4 噴丸強化對表面形貌和性能的影響噴丸強化對表面形貌和性能的影響（1）表 62 彈丸直徑對表面粗糙度的影響