材料強(qiáng)韌化處理第二部分

第二部分材料表面強(qiáng)化第二章表面強(qiáng)化工件表面強(qiáng)化的含義①概念：指將已經(jīng)經(jīng)過(guò)常規(guī)熱處理的零件表面進(jìn)行某種表面處理使其具有某些特殊物理、化學(xué)及機(jī)械性能。②類(lèi)型：零件表面強(qiáng)化包括化學(xué)熱處理、表面淬火、表面涂覆、離子注入、噴丸強(qiáng)化、堆焊等。③零件表面強(qiáng)化后僅限于精加工。④工件表面強(qiáng)化以后能獲得的特殊性能有：耐磨性、抗粘著性、熱疲勞性、機(jī)械疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、耐蝕性、減磨性。（不同于集體的特殊性能）工件強(qiáng)化的目的（以模具為例）提高模具表面硬度、耐磨性和高溫抗氧化性能，提高模具使用壽命。提高模具表面抗擦傷能力和脫模能力提高生產(chǎn)效率。降低成本。修復(fù)模具。模具表面飾紋，提高塑料制品檔次和附加值。工件表面強(qiáng)化分類(lèi)按表面狀態(tài)分類(lèi)按保處理溫度不同分類(lèi)需要進(jìn)行表面強(qiáng)化的零件要求表面耐磨、耐蝕、高溫抗氧化性好、抗疲勞性能好，只需強(qiáng)度、韌性要求的零件通過(guò)在碳素鋼或者合金鋼基體上進(jìn)行表面強(qiáng)化，能賦予表面與基體不同的性能。如模具、齒輪、曲軸、彈簧等。【怎么選擇表面強(qiáng)化方法？了解工件的工作條件（如力學(xué)性能、溫度、腐蝕介質(zhì)）及性能要求，確定零件的失效形式是關(guān)鍵】零件（模具）失效分類(lèi)失效形式可以分為變形失效、斷裂失效、表面損傷失效三大類(lèi)。模具等工件在達(dá)到正常的使用壽命是主要的失效形式的疲勞和磨損，這兩種失效形式均發(fā)生在表面或起源于表面。（一）磨損失效1、由于模具表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而從模具的接觸表面逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象。2、磨損失效：當(dāng)磨損是模具的尺寸發(fā)生變化或者模具的表面狀態(tài)發(fā)生改變而使其不能正常工作。3、磨損分類(lèi)：磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。（1）、磨粒磨損a、定義：配合表面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因外來(lái)硬顆?；蛘弑砻嫖⑼贵w的作用而造成表面損傷（被犁削形成的溝槽）的磨損為磨粒磨損。b、影響因素：c、減少磨粒磨損的措施提高模具表面的硬度；及時(shí)清理模具及工件表面的磨粒。、粘著磨損定義：兩個(gè)金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘著（固相粘著），是材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面或者被撕下的磨料留在兩個(gè)表面之間的現(xiàn)象稱為粘著磨損?！緝刹牧系木w結(jié)構(gòu)越接近，越容易產(chǎn)生疲勞磨損】影響因素c、減少粘著磨損的措施、疲勞磨損定義：在循環(huán)應(yīng)力下，兩接觸面相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的表面金屬疲勞剝落的現(xiàn)象。影響因素c、提高工件抗疲勞磨損的措施腐蝕磨損定義：腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)中，而發(fā)生的一種表面損耗。它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用的結(jié)果。腐蝕磨損是模具表面與周?chē)沫h(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)，以及模具與工件之間的摩擦作用而引起的模具表面材脫落的現(xiàn)象。b、影響因素?cái)嗔咽Фx：模具在工作中出現(xiàn)較大裂紋或者部分分離而喪失正常服役能力的現(xiàn)象。分類(lèi)按斷裂性質(zhì)分類(lèi)按斷裂機(jī)理分類(lèi)一次性斷裂沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展而造成材料脆性斷裂的現(xiàn)象。（高溫、雜質(zhì)偏聚相的不連續(xù)易出現(xiàn)）穿晶斷裂：因拉應(yīng)力作用沿特定的晶面的斷裂，也稱解理斷裂。（低溫使用是易出現(xiàn)）晶界、晶內(nèi)強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如下圖所示：疲勞斷裂定義：在較低的循環(huán)應(yīng)力下，工作一段時(shí)間后，有裂紋緩慢擴(kuò)展，直至最后斷裂的現(xiàn)象。疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展影響因素主要是結(jié)構(gòu)因素（截面突變、凹槽、尖角）模具材料韌性：材料的韌性越好，越有利于防止裂紋的萌生和擴(kuò)展。端口特征①韌性斷裂的特征宏觀特征：宏觀變形方式為縮頸，典型斷口為杯椎狀斷口，底部呈纖維狀剪切口，其平面和拉伸軸大致呈角微觀特征：蛇形滑移和延伸，間距不等，短且平行，不連續(xù)的韌窩，大小相當(dāng)于纖維空洞。③其他斷裂形式主要是疲勞斷裂和蠕變斷裂。工件失效分析目的：揭示零件失效的根本原因。研究手段：宏觀、微觀失效分析主要方法無(wú)損檢測(cè)：（X射線、超聲波）是針對(duì)材料在冶金、加工、使用過(guò)程中，產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無(wú)損探傷法進(jìn)行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。斷口分析：脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂是對(duì)斷口進(jìn)行全面的宏觀（肉眼、低倍顯微鏡）及微觀（高倍顯微鏡、電子顯微鏡）觀察分析，確定裂紋的發(fā)源地、擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機(jī)理。金相分析：通過(guò)觀察分析零件（特別是失效源周?chē)╋@微組織構(gòu)成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細(xì)、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨別各種組織缺陷及失效源周?chē)慕M織變化，對(duì)組織是否正常作出判斷?；瘜W(xué)分析：檢驗(yàn)材料整體或者局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計(jì)要求。力學(xué)分析：檢查分析失效零件的應(yīng)力分布、承載能力以及脆性斷裂傾向。提高模具使用壽命的關(guān)鍵影響模具材料耐磨性的因素硬度、晶體結(jié)構(gòu)、晶體的互溶性、溫度、摩擦表面的殘余應(yīng)力。提高模具耐磨性基本原則1、提高硬度2、減少摩擦系數(shù)3、減少粘著系數(shù)4、減少摩擦表面的殘余應(yīng)力（三）提高耐磨性的技術(shù)措施1、淬火硬化2、化學(xué)熱處理3、表面淬火4、摩擦表面形成具有金屬特性的硬化層5、使鋼表面形成金屬化合物層6、用非金屬化合物抑制粘著磨損（四）提高金屬疲勞性能的強(qiáng)化途徑1、合理設(shè)計(jì)零件的幾何尺寸，提高模具或工件的加工精度，降低表面的粗糙度，減少應(yīng)力集中。2、在保證心部具有足夠韌度的條件下，提高材料的硬度和強(qiáng)度，抑制在循環(huán)應(yīng)力作用下表層產(chǎn)生局部塑形變形。3、細(xì)化材料表層顯微組織，減少材料內(nèi)部的非金屬夾雜物，提高冶金質(zhì)量。5、使材料表面處于較高的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，滲C、N、滾壓強(qiáng)化及噴丸強(qiáng)化等表面處理。化學(xué)熱處理概念是指將工件放在一定的活性介質(zhì)中加熱，使金屬元素?cái)U(kuò)散到工件表層中，同時(shí)改變工件的表面成分和組織的一種表面熱處理強(qiáng)化工藝。二、分類(lèi)根據(jù)表面成分變化特點(diǎn)滲入非金屬元素：?jiǎn)我辉兀篊.N.O.S.B多元共滲：C-N.N-S.C-N-S.N-C-O.N-C-B滲入金屬元素：?jiǎn)我粷B入：Al.Cr.Zr.V.Ti多元滲入：Al-Cr.Al-Si3.滲入金屬和非金屬元素：Ti-C.Ti-N.Cr-C(二)根據(jù)鋼中元素和滲入元素之間的相互作用而形成相結(jié)構(gòu)純擴(kuò)散：也稱固溶擴(kuò)散，即滲入元素溶于溶劑元素的晶格中形成金屬固溶體反應(yīng)擴(kuò)散:a、擴(kuò)散元素富化以致其濃度超過(guò)固溶度，則鋼中元素與滲入元素相互作用形成有序相（金屬相化合物）如滲氮。b、滲入元素在溶劑元素晶格中的固溶度非常小以致基體元素和滲入元素之間形成有序相，如滲B。（三）根據(jù)滲入元素對(duì)鋼的表面性能的作用1.提高滲層硬度和耐磨性的表面處理（如滲C、N、B、V、Cr、Si）2.改善零件間抗咬合性和提高抗擦傷能力的表面處理（如滲S、P、N）3.使工件具有抗氧化性的高溫性能（如滲Al、Cr、Ni）(四)熱處理的三個(gè)基本過(guò)程1.分解：滲劑分解出活性原子2.吸附：活性原子被工件吸附3.擴(kuò)散：吸附在工件表面的活性原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散（五）化學(xué)熱處理對(duì)滲劑的要求1.要有足夠活性2.要有良好的工藝性3.要有良好的安全性4.成本低（六）影響滲劑活性活劑的因素滲劑的化學(xué)反應(yīng)：aA+bB=c［C］+dD則化學(xué)平衡常數(shù)：當(dāng)T一定時(shí)，K一定，［C］與A、B濃度有關(guān)當(dāng)T發(fā)生改變時(shí)，K=Z·對(duì)于某一定的反應(yīng)來(lái)說(shuō)，E、Z為常數(shù)，K與T有關(guān)。T↑，［C］↑.第四章滲碳概論什么是滲碳？將工件置于含有活性碳介質(zhì)中，加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，使碳原子滲入工件的表面的化學(xué)熱處理工藝。滲碳目的與應(yīng)用目的：是工件表面具有較高的硬度和耐磨性，而心部具有良好的強(qiáng)韌性，同時(shí)表面壓力↑，疲勞壽命↑。應(yīng)用：主要用于熱塑性塑料模的注射模、機(jī)械零件齒輪等。滲碳方法固體滲碳：成本低，操作簡(jiǎn)單液體滲碳：腐蝕設(shè)備，溶劑易老化，產(chǎn)生氫化物污染環(huán)境氣體滲碳：應(yīng)用廣泛真空滲碳：獲得光亮表面，硬度叫均勻，成本高離子滲碳：獲得光亮表面，硬度叫均勻，成本高滲碳工藝的技術(shù)要求表面硬度：HRC58-62【碳含量越高，硬度越低原因：①增加；②網(wǎng)狀碳化物】表面碳含量：0.8-1.05％滲碳深度當(dāng)溫度一定時(shí)，x=k,t為時(shí)間，x為滲碳層深度。因此，在一定溫度下，滲碳的時(shí)間由滲層深度決定。滲層深度一般在0.5-2.5mm,但使其具體情況而定，一般說(shuō)來(lái)，小型的薄壁件：0.1-0.3mm;大型滾動(dòng)軸承：4-10mm。滲層組織滲層過(guò)厚，C％↑↑，塊狀↑，且出現(xiàn)網(wǎng)狀；滲層太薄，C％↓↓，HRC↓。滲碳用鋼及合金元素的作用一般為低碳鋼，含碳量在0.12-0.25%之間，以保證心部得到強(qiáng)韌性好的板條M。滲碳常用的鋼種低碳碳素鋼如15、20低碳低合金鋼如20Mn、20Cr，如適應(yīng)于承受輕載的零件，：10~12kg.m/;:50~80kg/。低碳中合金鋼（Me：2~5%）如18CrMnMo、20CrMnTi、20MnTiB、20MnTiBR,適用于承受中等載荷的零件，：9~12kg.m/;:90~100kg/。4、低碳高碳合金鋼（Me>5%）如18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A，適用于承受重載荷的零件，：8~10kg.m/;:120~140kg/?！続代表高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼】合金元素的作用常加入的合金元素有：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si、V、Ti、B等。對(duì)性能的影響：提高鋼材的萃透性，提高工件強(qiáng)度和韌性;V、Ti可以細(xì)化奧氏體。對(duì)滲碳工藝的影響：改變滲碳層的滲碳濃度和滲層深度。碳化物形成元素對(duì)滲碳的影響：增加鋼表面吸收碳元素的能力。增大滲碳表面的滲碳濃度。阻礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散。前兩個(gè)因素加速滲碳，有利于滲碳層的厚度加大，而后一因素不利于滲碳層的加厚，總的效果是Cr、Mo、Mn等元素加大滲碳層的厚度，Ti減少滲碳層厚度。非碳化物形成元素對(duì)滲碳層的作用與碳化物形成元素相反：①總的效果是：Ni、Si、Mo等元素減慢滲碳，不利于滲碳層的加厚。②碳化物形成元素含量過(guò)多，將在滲碳層中產(chǎn)生許多塊狀碳化物，造成表現(xiàn)脆性，所以合金元素含量要適量。③Mn是一個(gè)較好的合金元素，既可以加速滲碳層加厚，又能提高滲碳層的含碳量。表4-1合金元素對(duì)滲碳工藝和滲碳層性能影響合金含量碳擴(kuò)散系數(shù)表層碳量滲層深度濃度梯度萃透性晶粒長(zhǎng)大傾向含量范圍質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ti↓↓↑↑↓變陡不定↓↓<0.12V<0.30W↓↑↓變陡↑↓0.4~0.12Mo↑0.2~0.6Cr↑<2Mn影響小↓↑平緩↑↑~2Ni↑↓↓平緩↑影響小~4Si↑↓↓平緩↑影響小<0.8氣體滲碳工藝溫度（一般取910~930），即在奧氏體狀態(tài)下滲碳。滲碳介質(zhì)及其組成常用滲碳介質(zhì)有兩大類(lèi)：一類(lèi)是碳?xì)浠衔镉袡C(jī)液體，如煤油、丙酮；另一類(lèi)是氣體介質(zhì)，如液化石油氣、天然氣。飽和碳?xì)浠衔铮ǎ?[C]+2－Q含量控制在1~1.5%；太多，會(huì)形成炭黑，阻礙滲碳。不飽和碳?xì)浠衔铮ǎ┛刂圃?.5以下=6[C]+6反應(yīng)產(chǎn)物是焦油的主要成分，加熱分解析出，并在零件表面形成炭黑，過(guò)多，阻礙滲碳。CO（弱滲碳劑）滲碳?xì)夥罩械闹饕煞?CO=[C]+2+Q隨溫度升高，反應(yīng)速度減慢。因此，在滲碳溫度下，CO是一個(gè)弱滲碳劑，在滲碳過(guò)程中，起稀釋作用。主要組成之一，延緩分解，阻礙不飽和烴的形成和炭黑的形成，和通過(guò)氫作為還原劑，保證鋼的表面不被氧化。在滲碳過(guò)程中，爐內(nèi)保持的必須是還原性的氣氛，如果有氧化性氣氛，則在工件表面形成一層炭黑，使繼續(xù)滲碳困難。[C]+=+=（阻礙形成炭黑）、、屬于氧化性氣氛，即脫碳?xì)夥?，含碳量?yīng)<0.5%,極少量存在，促進(jìn)碳?xì)浠衔锓纸猓篠有害成分氣體滲碳工藝（以煤油作為滲碳劑、材料為18CrMnTi）1：爐子降溫期2：加熱期，15min，90d/min3：保溫期，30min，90/min4：強(qiáng)滲期，3~4h，60d/min5：擴(kuò)散期，1.5~2h，35d/min6：冷卻期滲碳劑的消耗量滲碳時(shí)間控制X=k表4-2滲碳時(shí)間與滲碳層的關(guān)系滲碳時(shí)間/h34567滲碳層深度/mm0.4~0.60.6~0.80.8~1.21.2~1.41.2~1.6操作要點(diǎn)去油、污、銹?！居臀凼共牧袭a(chǎn)生軟點(diǎn)】長(zhǎng)條形工件應(yīng)懸掛；若采用裝箱，則工件之間有一定的距離。（井式爐：橫放易彎曲）可控氣氛滲碳可控氣氛滲碳即根據(jù)滲碳各階段的碳勢(shì)要調(diào)整爐氣成分。碳勢(shì)即滲碳?xì)夥张c奧氏體之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)鋼的表面含碳量。.原理可利用兩種不同的可控氣氛原理二：氣體主要成分：CO、、、C、、C,其中CO和C為滲碳?xì)怏wCO+=C+用露點(diǎn)儀器測(cè)量，用紅外線儀測(cè)C可換氣滴入式可控氣氛（原理一：測(cè)CO）和通氣式可控氣氛（原理二：測(cè)C）固體滲碳特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，但滲碳速度慢，效率低，勞動(dòng)力條件差，質(zhì)量難以控控制。滲碳劑：85~90%木炭+10%~15%BaC(NaC).填充劑：3%CaC以防燒結(jié)。2C+=2CO2CO=CO+[C]BaC(或NaC)=BaO+CC+C=2CO溫度：930時(shí)間：由滲碳層深度決定平均滲速：0.10~0.15/h液體滲碳1、603無(wú)毒液體滲碳：10%NACl+10KCl+80木炭粉碳化硅鹽浴液體滲碳：75~85%NaC、10~15%NACl、6~8%SiC2NaC+SiC=NaCO+NaO+2CO+[C]日本無(wú)公害滲碳24%NaCl、37%KCl、10%石墨粉（20~30目）非滲碳面的防護(hù)預(yù)留加工余量，為滲層深度的1.5~2倍。鍍銅法（不利于環(huán)境保護(hù)，已被禁止使用）涂層法：耐火泥、細(xì)沙、石綿粉、水玻璃混合滲碳工件的熱處理工藝：淬火低溫回火淬火工藝有直接淬火、一次淬火、二次淬火，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼可以直接淬火。直接淬火特點(diǎn)：方便、生產(chǎn)效率高，零件脫碳少、變形小，但適合于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。淬火回火組織（兩種冷卻方式的比較）方式：①表面：片狀M+A；心部：片狀M采用該工藝操作簡(jiǎn)單，但是變形比較大，對(duì)于短小的簡(jiǎn)單零件可采用。②表面：FeC+A+M；心部：板條M采用該方法可減少變形，提高耐磨性。一次淬火方式：①滲碳后，冷卻至室溫，再加熱到稍高于A溫度淬火組織：表面：回火M（高碳片狀）+A心部：回火板條M（低碳）特點(diǎn)：心部晶粒小，心部不出現(xiàn)游離的F，表面不出現(xiàn)網(wǎng)狀FeC，但此溫度遠(yuǎn)高于表層正常淬火溫度，表面晶粒會(huì)粗大。適應(yīng)范圍：適于心部需要較高的強(qiáng)度和韌性本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。②淬火溫度在A和A，之間(通常采用的方法)組織：表面：片狀M+FeC+A心部：板條M+游離F特點(diǎn)：表面晶粒細(xì)小，心部晶粒未細(xì)化。適應(yīng)范圍：適合表面需要較高耐磨性的工件。二次淬火（1）第一次淬火：溫度高于A，該溫度遠(yuǎn)高于表面的正常淬火溫度。目的：細(xì)化心部晶粒及消除表層可能網(wǎng)狀碳化物。缺點(diǎn)：表層晶粒粗化。（2）第二次：在A溫度以上。目的：細(xì)化表層晶粒。組織：表層：細(xì)小的片狀M+粒狀碳化物+少量A心部：板條M+F適應(yīng)范圍：適合本質(zhì)粗晶粒鋼。缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，易變形，氧化脫碳傾向大。低碳高合金鋼的熱處理工藝低碳高合金鋼的熱處理工藝圖滲碳工件的質(zhì)量檢測(cè)HRC的檢查正常表面的硬度為HRC58~63，心部硬度為HRC33~42。滲層深度（退火狀態(tài)下的檢測(cè)）測(cè)量方法：a、斷口法（一般用于低碳鋼和中碳合金鋼）粗略測(cè)量：將淬火以后的工件切斷，滲碳層含碳量高及片狀M呈脆性斷裂，斷口為亮白色，未滲碳層淬火后為韌性斷裂，斷口為灰暗色。較精確的測(cè)量：將試樣斷口磨平，用4%硝酸酒精腐蝕后，滲碳層呈暗灰色，心部呈淺灰色。b、金相測(cè)量對(duì)于碳素滲碳鋼，由表面至過(guò)渡層1/2（含碳量約為0.4%處）為滲碳層深度。對(duì)于合金鋼，由表面至基體至過(guò)渡層的分界線部分為滲碳層深度。金相組織的檢測(cè)網(wǎng)狀或粒狀碳化物，分為8級(jí)，1~5級(jí)為合格；自由F，分為8級(jí)，1~5級(jí)為合格；M及殘余A，分為8級(jí)，1~5級(jí)為合格。真空滲碳特點(diǎn)：不產(chǎn)生氧化，可以獲得光亮的表面；環(huán)境污染少，操作條件好；適應(yīng)于特殊工藝。工藝參數(shù)滲碳介質(zhì)：甲烷、丙烷溫度：950~1100C供氣條件：恒溫、脈沖滲碳時(shí)間和擴(kuò)滲比：式中：t滲碳時(shí)間；t擴(kuò)散時(shí)間;C滲碳時(shí)所達(dá)到的表面碳量;C擴(kuò)散時(shí)應(yīng)達(dá)到的表面碳量；C原始材料中的原始碳量；K系數(shù)則有：擴(kuò)滲比=滲碳時(shí)間/擴(kuò)散時(shí)間滲碳條件的缺陷分析網(wǎng)狀或大塊碳化物產(chǎn)生原因：a、含碳量