表面熱處理與化學(xué)熱處理

關(guān)于表面熱處理與化學(xué)熱處理07.04.2024107.04.20242主要內(nèi)容3.1表面熱處理3.2化學(xué)熱處理第2頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202433.1表面熱處理定義：僅對鋼的表面加熱、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝。第3頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202443.1.1表面淬火技術(shù)的原理和特點一、表面淬火技術(shù)的定義與分類（1）定義：采用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）之上，快速冷卻，發(fā)生馬氏體相變，形成表面強化層的工藝，稱表面淬火技術(shù)。（2）分類：根據(jù)熱源不同，可分為：感應(yīng)加熱火焰加熱激光加熱電子束加熱第4頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.20245（3）適用范圍碳含量在0.35%—1.20%的中、高碳鋼；基體相當(dāng)于中碳鋼的普通灰鐵、球鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵；中碳鋼與球鐵最適合。第5頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.20246中碳鋼最適合表面淬火的原因中碳鋼經(jīng)預(yù)先熱處理（正火或調(diào)質(zhì)）后進行表面淬火，不但心部有較高綜合力學(xué)性能，且表面有較高硬度和耐磨性；高碳鋼表面淬火后，表面硬度和耐磨性雖高，但心部塑性與韌性較低；低碳鋼表面強化效果不顯著。第6頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.20247二、表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別加熱速度高，鋼的相變點溫度大幅度提高；快速加熱，奧氏體晶粒及亞結(jié)構(gòu)顯著細化；加熱速度很高時，鋼產(chǎn)生無擴散奧氏體相變；冷卻速度比整體淬火快，硬度比普通淬火高；熱源能量密度越高，加熱速度越快，硬度越高?？焖偌訜?，滲碳體難以充分溶解，奧氏體成分不均勻，顯微硬度不均勻；常需預(yù)先熱處理，使碳化物或自由鐵素體均勻、細小分布。第7頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.20248三、表面淬火層的組織與性能1、組織沿試樣橫截面分三個區(qū)：淬硬區(qū)、過渡區(qū)、心部（1）淬硬區(qū)：全部馬氏體（2）過渡區(qū)：馬氏體+自由鐵素體（3）心部：原始組織第8頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202492、表面淬火層的性能硬度比普通淬火工藝高2-5HRC；耐磨性比普通淬火好；提高軸類零件的疲勞強度；缺口敏感性下降。第9頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202410（1）原理：工件放在有足夠功律的輸出的感應(yīng)線圈中，在高頻交流磁場作用下，產(chǎn)生很大感應(yīng)電流，由于集膚效應(yīng)而集中分布于工件表面，使受熱區(qū)迅速加熱到鋼的相變臨界溫度之上，然后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使工件表層獲得馬氏體。

3.1.1感應(yīng)加熱表面熱處理第10頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202411高頻(200~300KHz),δ=0.5~2mm中頻(2500~8000Hz),δ=2~5mm工頻(50Hz),δ=10~15mm碳鋼：鋼中電流透入深度的計算簡化公式：式中，f為電流頻率。第11頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202412①過熱度大②細小隱晶M組織，高2～3HRC③表層存在很大的殘余壓應(yīng)力④無氧化、脫碳，工件變形很?、菀子趯崿F(xiàn)機械化與自動化(2)適用的鋼種中碳鋼和中碳低合金鋼，例：45、40Cr、40MnB先正火或調(diào)質(zhì)→心部綜合性能好，表面硬（＞50HRC）(3)特點最大尺寸的馬氏體片小到光學(xué)顯微鏡無法分辨時，稱為隱晶馬氏體。第12頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202413缺點：①設(shè)備較貴；②易產(chǎn)生尖角效應(yīng)——尖角棱邊過熱；③形狀復(fù)雜零件處理困難。第13頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202414感應(yīng)加熱表面淬火實物及示意圖第14頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.2024153.1.2火焰加熱表面熱處理火焰加熱表面淬火示意圖原理：將高溫火焰或燃燒著的熾熱氣體噴向工件表面，使其迅速加熱到淬火溫度，然后在淬火介質(zhì)中冷卻。第15頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202416優(yōu)點：

設(shè)備簡單，成本低，方法靈活，簡便易行。缺點：

生產(chǎn)率低，易過熱，質(zhì)量難控制，不均勻。應(yīng)用：

適于單件、小批量及大型零件局部表面淬火。

燃料：乙炔-氧或煤氣-氧第16頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202417激光器冷水機組數(shù)控加工機床總控制臺3.1.3激光表面熱處理激光加工系統(tǒng)設(shè)備組成第17頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202418(1)定義：激光快速掃描工件表面，表面薄層急劇升溫到相變點以上，激光移開后，高溫薄層在基底冷卻下，進行自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。第18頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202419（2）影響淬硬層的主要因素材料成分：淬硬性和淬透性——深度、硬度。如：鋼—含碳量增加—馬氏體含量增加—硬度高。工藝參數(shù)：淬火層寬度—光斑直徑D

淬硬層深度——功率P、光斑直徑D、掃描速度V表面預(yù)處理狀態(tài)：

a、表面組織準備—細化

b、表面黑化處理—通過對激光的吸收率

第19頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202420①生產(chǎn)率高②變形很小，局部表面③過熱度大(50~200℃)，硬度高④無介質(zhì)、無污染⑤不接觸、光能照到就能淬火⑥易于自動化（3）特點：第20頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202421第21頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202422第22頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202423碳鋼：20、35、40、45、T10、T12合金結(jié)構(gòu)鋼：40Cr、30CrMnSiA、40CrNiMoA、38CrNi3MoV合金工具鋼：GCr15、9SiCr，9CrWMn、CrWMn，4Cr5MoV1Si、W302， W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、M42、W9Mo3Cr4V、R18、R6M5K5不銹鋼：2Cr13鑄鐵：HT200、HT300、QT400-17、QT600-2硬質(zhì)合金：YG8、YG20鈦合金：TC4，鋁合金：激光相變硬化已研究的材料第23頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202424火車缸套軋輥（4）激光相變硬化應(yīng)用第24頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202425柴油機缸套淬火激光相變硬化應(yīng)用第25頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202426

抽油泵筒激光相變硬化應(yīng)用第26頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202427激光硬化區(qū)的表面形貌第27頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202428激光硬化區(qū)的橫截面及深度第28頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202429激光相變區(qū)的金相組織第29頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202430硬化層的重疊第30頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202431搭接區(qū)的金相組織第31頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202432（1）定義：將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素原子滲入工件表面，以改變鋼件表層化學(xué)成分和組織的熱處理工藝。滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁（2）目的：提高耐磨性、耐蝕性、抗氧化性以及疲勞強度等。滲層的組織類型：固溶體、化合物3.2化學(xué)熱處理第32頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202433（4）三個基本過程①介質(zhì)的分解：形成活性原子；②表面吸收和溶解：形成固溶體或化合物；③原子擴散：形成一定的擴散層。（3）方法氣體法：應(yīng)用最廣液體法：熔融液體，熱浸鋅固體法：粉末、膏劑，滲硼等離子法：低真空中輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊表面第33頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202434（1）滲碳：活性碳原子［C］滲入鋼的表層。（2）目的：增加表面C含量，淬火＋低溫回火，表面硬，心部韌

（3）滲碳方法：氣體、固體和液體滲碳（4）適合的鋼種：低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi等3.2.1滲碳第34頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202435（5）工藝：

900~950℃，1h,0.5mm；4h,1mm滲碳層厚度：從表面到過渡層的一半處，0.5~2.5mm（6）熱處理：淬火（直接、一次和二次）＋低溫回火（7）組織與性能:表層：高碳回火M＋碳化物＋A’心部：低碳回火M或F、T性能：表面硬度高，58HRC~64HRC；耐磨性好；心部韌性好，硬度較低，疲勞強度高、表面壓應(yīng)力第35頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202436問題：緩冷組織？P+碳化物、P、P+F，原始組織。滲碳后的熱處理示意圖

第36頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202437氣體滲碳爐第37頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202438低碳鋼緩冷后的顯微組織第38頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202439第39頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202440（3）工藝：氣體滲氮2NH3→3H2+2[N]200℃以上3.2.2滲氮（1）氮化：在一定溫度下使活性氮原子［N］滲入工件表面。（2）目的：提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等第40頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202441（4）特點：①氮化溫度低500~600℃②時間長

20~50h，厚度0.3~0.5mm

催化劑（苯、苯胺、氯化胺等）↑0.3~3倍③氮化前鋼件須調(diào)質(zhì)處理（5）組織表層為白色ε（Fe2N）或γ’（Fe4N）相中間為暗黑色含氮共析體（α+γ’）心部為回火S第41頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202442Fe-N相圖第42頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.20244338CrMoAl鋼氮化工藝曲線圖第43頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.202444（6）性能：硬度高（1000HV~1100HV），很高的耐磨性和熱硬性表面壓應(yīng)力，↑疲勞強度溫度低，零件變形小耐蝕性好（7）氮化用鋼：35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等第44頁,共48頁，2024年2月25日，星期天07.04.2024453.2.3碳氮共滲同時滲入碳氮——氰化（1）工藝（高溫氣體碳氮共滲工藝）煤油+氨氣溫度：830