13 表面化學(xué)熱處理 鋼合金化 表面技術(shù)

1、2.4.4 鋼的表面熱處理,僅對(duì)鋼的表面加熱、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝稱為表面熱處理, 也叫表面淬火。,感應(yīng)加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火 激光加熱表面淬火,工藝的核心:使零件具有“表硬里韌” 的力學(xué)性能。,表面淬火用鋼:,選用中碳或中碳低合金鋼。 40、45、40Cr、40MnB等。,表面淬火加工的方法: 感應(yīng)加熱( 高、中、工頻 )、 火焰加熱、電接觸加熱法等。,一、感應(yīng)加熱表面淬火 感應(yīng)圈通交流電，內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。 工件置于磁場(chǎng)中，工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，電阻的作用工件被加熱。,感應(yīng)加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬火示意圖,交流電集膚效應(yīng)，工件表面的電流密度大，表面溫度快速升高到相變點(diǎn)

2、以上。中心電流密度幾乎為零，溫度仍在相變點(diǎn)以下。 用水或聚乙烯醇水溶液噴射，表面被淬火。,感應(yīng)加熱表面淬火,感應(yīng)加熱表面熱處理的特點(diǎn) (1) 感應(yīng)加熱時(shí)，鋼的奧氏體化在較大的過熱度（Ac3以上80 150 )進(jìn)行，晶核多。時(shí)間短，晶粒細(xì)。,(2) 表面層淬得馬氏體后, 體積膨脹，表面造成較大的殘余壓應(yīng)力, 提高工件的疲勞強(qiáng)度。,(3) 加熱速度快，時(shí)間短，工件氧化脫碳少。內(nèi)部未加熱，工件的淬火變形小。,(4) 加熱溫度和淬硬層厚度容易控制。,工藝要求: * 表面淬火前,必須對(duì)零件進(jìn)行正火 或調(diào)質(zhì)處理,以保證零件有良好的 基體。 * 表面淬火后,必須對(duì)零件進(jìn)行低溫 回火處理,以降低淬火應(yīng)力和脆性

3、。,生產(chǎn)特點(diǎn): 淬火件的質(zhì)量好; 工件變形小;不易氧化及脫碳;淬火層容易控制;生產(chǎn)率高。設(shè)備投資大,不適于復(fù)雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。,感應(yīng)加熱表面淬火組織： 表面為馬氏體，心部組織不變。 如先經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，心部組織為回火索氏體。,工程應(yīng)用：用于中碳鋼和中碳低合金鋼,如45、40Cr、40MnB鋼等。用于齒輪、主軸、曲軸等零件的表面硬化，提高耐磨性。,低溫回火：淬火后進(jìn)行180 200 低溫回火。 表面為回火馬氏體，降低淬火應(yīng)力，保持高硬度和高耐磨性。 心部為回火索氏體。保證強(qiáng)韌性。,二、火焰加熱表面淬火,火焰加熱表面淬火的特點(diǎn):,*設(shè)備簡(jiǎn)單, 操作方便, 成本低。 *淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。 *適于單件

4、、小批量及大型零件的生產(chǎn)。,三、激光加熱表面淬火,工藝： 將高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加熱到奧氏體區(qū)，依靠工件本身熱傳導(dǎo)迅速自冷而獲得一定淬硬層的工藝操作。 硬化層：12mm 應(yīng)用：汽車、拖拉機(jī)汽缸套、汽缸、活塞環(huán)、凸輪軸等零件； 特點(diǎn)：淬火質(zhì)量好，組織超細(xì)化，硬度高、脆性極小、工件變形小、不需要回火、節(jié)約能源、無污染、效率高、便于自動(dòng)化，但是設(shè)備昂貴 。,2.4.5 鋼的化學(xué)熱處理,化學(xué)熱處理 將鋼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面，改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理過程。,滲碳 氮化 碳氮共滲 滲硫 滲鋁 滲鉻,化學(xué)熱處

5、理的基本過程:,2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解。,3.擴(kuò)散: 活性原子由零件表面向內(nèi)部擴(kuò) 散, 形成一定的擴(kuò)散層。,化學(xué)熱處理進(jìn)行的條件:,1. 滲入元素的原子必須是活性原子而 且具有較大的擴(kuò)散能力。,2. 零件本身具有吸收滲入原子的能力, 即對(duì)滲入原子有一定的溶解度或能 與之化合 ,形成化合物。,化學(xué)熱處理的種類: 滲碳; 滲氮; 碳氮共滲; 滲硼; 滲鋁; 滲硫; 滲硅; 滲鉻等。,一、滲碳 1.工藝 為了增加表層的碳含量和獲得一定碳濃度梯度, 鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面的工藝稱為滲碳。,低碳鋼滲碳緩冷后的顯微組織,低碳鋼（20鋼）滲碳緩冷后的顯微組織,表面,

6、心部,1%C P+Fe3C,0.2%C F + P少,表面,中心,零 件,P,P+F,表面 珠光體+二次滲碳體 過渡區(qū) 珠光體 心部 珠光體+鐵素體,(1) 直接淬火 滲碳溫度高, 奧氏體晶粒長(zhǎng)大, 淬火后馬氏體較粗, 殘余奧氏體較多, 耐磨性較低, 變形較大。為了減少淬火時(shí)的變形, 滲碳后常將工件預(yù)冷到830 850 后淬火。,2. 滲碳后的熱處理,(2) 一次淬火 滲碳緩冷后, 重新加熱到臨界溫度以上保溫后淬火。 受載不大但表面性能要求較高的零件, 淬火溫度Ac1以上30 50 , 使表層晶粒細(xì)化。 心部組織要求高時(shí)，淬火加熱溫度略高于Ac3。,(3) 低溫(150 200 )回火 以消除

7、淬火應(yīng)力和提高韌性。,3.鋼滲碳、淬火、回火后的組織與性能 組織：表面 回火M(高碳）+碳化物+殘余A 心部 回火M(低碳）,性能： (1) 表面硬度高 表面硬度58 HRC64 HRC以上, 耐磨性好； 心部硬度30 HRC45 HRC，心部強(qiáng)韌。 (2) 疲勞強(qiáng)度高 表層體積膨脹大，心部體積膨脹小，表層中造成壓應(yīng)力，零件的疲勞強(qiáng)度提高。,實(shí)際應(yīng)用：20、20Cr、20CrMnTi等低碳鋼和低碳合金鋼制造的齒輪、軸、銷,二、氮化 氮化 向鋼件表面滲入氮的工藝。 氮化的目的：更大地提高鋼件表面的硬度和耐磨性，提高疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。 常用的氮化鋼有35CrAlA, 38CrMoAlA, 38Cr

8、WVAlA等。,1.工藝 （1）氮化前預(yù)處理 材料先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，獲得回火索氏體組織,改善機(jī)加工性能，保證較高的強(qiáng)度和韌性。 形狀復(fù)雜或精度要求高的零件，精加工后要進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火，以減少氮化時(shí)的變形。,38CrMoAl鋼氮化工藝曲線圖,（2）氮化工藝 目前廣泛應(yīng)用的是氣體氮化。氨被加熱分解出活性氮原子： 2NH33H2+2N 氮原子被鋼吸收并溶入表面, 在保溫過程中向內(nèi)擴(kuò)散, 形成滲氮層。溫度一般為500 600 。氮化時(shí)間長(zhǎng)，一般為20 h50 h。,2.組織和性能： 組織 外層：白色或相的氮化物薄層，很脆，用精磨磨去。 中間：暗黑色含氮共析體（）層。 心部：原始回火索氏體組織。,Fe-

9、N相圖 38CrMoAl鋼氮化層顯微組織 400倍,性能 （1）氮化后硬度很高 (1000 HV1100 HV), 在600 650 不下降, 具有很高的耐磨性和熱硬性。 （2）滲氮層體積增大, 造成表面壓應(yīng)力, 疲勞強(qiáng)度大大提高。 （3）氮化溫度低, 零件變形小。 （4）表面形成致密的化學(xué)穩(wěn)定性較高的相層, 耐蝕性好, 在水中、過熱蒸氣和堿性溶液中均很穩(wěn)定。 實(shí)際應(yīng)用：絲杠、鏜床主軸,三、碳氮共滲 碳氮共滲：同時(shí)向零件表面滲入碳和氮的化學(xué)熱處理工藝，也稱氰化。 一般采用高溫或低溫兩種氣體碳氮共滲。低溫碳氮共滲以氮為主，實(shí)質(zhì)為軟氮化。,1.高溫碳氮共滲工藝工件放爐內(nèi)，加熱到830 850 ，滴

10、入煤油，同時(shí)通氨氣，保溫1 h2 h后，共滲層可達(dá)0.2 mm0.5 mm。 高溫碳氮共滲主要是滲碳，氮的滲入使碳濃度很快提高，使共滲溫度降低和時(shí)間縮短。 碳氮共滲后淬火, 再低溫回火。,2.碳氮共滲后的性能、應(yīng)用 (1) 共滲并淬火后, 得到含氮馬氏體, 耐磨性比滲碳的更好。 (2) 共滲層具有比滲碳層更高的壓應(yīng)力, 疲勞強(qiáng)度更高, 耐蝕性也較好。 實(shí)際應(yīng)用：齒輪、凸輪軸,2.4.6 其它熱處理技術(shù) 一、可控氣氛熱處理 在爐氣成分可控制的爐內(nèi)進(jìn)行的熱處理稱為可控氣氛熱處理。 把燃料氣（天然氣、煤氣、丙烷）按一定比例空氣混合后，通入發(fā)生器進(jìn)行加熱，或者靠自身的燃燒反應(yīng)而制成的氣體。也可用液體有

11、機(jī)化合物（如甲醇、乙醇、丙酮等）滴入熱處理爐內(nèi)所得到氣氛。 用于滲碳、碳氮共滲、軟氮化、保護(hù)氣氛淬火和退火等。,二、真空熱處理 在真空爐中進(jìn)行的熱處理稱為真空熱處理。 真空退火、真空淬火、 真空回火、真空化學(xué)熱處理,減少變形 在真空中加熱，升溫速度很慢，工件變形小。 凈化表面 在真空中, 氧化物、油污發(fā)生分解, 工件可得光亮的表面, 提高耐磨性、疲勞強(qiáng)度。防止工件表面氧化。 脫氣作用 有利于改善鋼的韌性，提高工件的使用壽命。,三、離子滲擴(kuò)熱處理 真空室中介質(zhì)氣體在電場(chǎng)的作用下被電離，離子轟擊工件并滲入工件表面的熱處理。,離子滲擴(kuò)熱處理原理,1.離子氮化 介質(zhì)：一般為氨氣 壓強(qiáng)：1.3102 P

12、a1.3103 Pa 溫度：500 560 , 滲層組織：Fe2N、Fe4N等氮化物，具有很高的耐磨性、耐蝕性和耐疲勞性。,不銹鋼活塞環(huán)表面滲氮,離子氮化的優(yōu)點(diǎn)： 滲速是氣體滲氮的34倍。 滲層具有一定的韌性。 處理后變形小, 表面銀白色, 質(zhì)量好。 能量消耗低, 滲劑消耗少, 對(duì)環(huán)境幾乎無污染。,工程應(yīng)用：用于輕載、高速條件下工作的需要耐磨耐蝕的零件及精度要求較高的細(xì)長(zhǎng)桿類零件。 鏜床主軸，精密機(jī)床絲杠、閥桿、閥門,2.離子氮碳共滲+離子滲硫復(fù)合處理 先進(jìn)行離子氮碳共滲, 介質(zhì)為氨氣+丙酮蒸汽, 共滲溫度為530 580 , 后再進(jìn)行離子滲硫。,復(fù)合滲層抗摩耐磨性好, 適于模具、刃具, 提高

13、使用壽命。,四、形變熱處理 將鋼加熱到穩(wěn)定的奧氏體區(qū)域，進(jìn)行塑性變形，然后立即淬火和回火的熱處理。,形變熱處理同普通熱處理相比，不但能提高鋼的強(qiáng)度，而且能顯著提高鋼的塑性和韌性，使鋼的綜合機(jī)械性能得到明顯改善。,形變熱處理工藝曲線示意圖,時(shí)間,溫度,Ms,A1,A3,實(shí)例1: 螺栓的熱處理 汽車車輪固定螺栓用45鋼制造，需要強(qiáng)度高，韌性好，具有很好的綜合機(jī)械性能。 其最終熱處理工藝為： 830840加熱、保溫，用水淬火。 580620回火，回火后油冷。 組織為回火S。 抗拉強(qiáng)度大于600MPa，沖擊功大于39J。,2.4.8 熱處理的工程應(yīng)用,實(shí)例2: 鏈條滾輪的熱處理 自行車鏈條滾輪用15鋼

14、制造，需要較高的強(qiáng)度，表面要求硬度高、耐磨。 其最終熱處理工藝為： 920930滲碳，預(yù)冷至830850，用水淬火。 180200回火。 表面組織為高碳回火M+ Fe3C+殘余A。 心部組織為低碳回火M。 表面硬度達(dá)60HRC62HRC。,實(shí)例3: 鋸條的熱處理 手用鋸條用T10鋼制造，刃部要求硬度高、耐磨，鋸條兩端要求有一定的韌性。 其最終熱處理工藝為： 760770加熱，用水淬火。 180200回火。 鋸條兩端用鹽浴加熱進(jìn)行350400回火。 刃部組織為高碳回火M+ Fe3C+殘余A，硬度達(dá)60 HRC62HRC。鋸條兩端組織為回火T+Fe3C，具有一定的韌性。,實(shí)例4: 確定下列鋼件退火

15、方法，并指出退火目的及退火后組織 （1）經(jīng)熱軋后15鋼鋼板，要求降低硬度； （2）ZG270-500鑄造齒輪； （3）鍛造過熱的60鋼鍛坯； （4）改善T12鋼切削加工性能；,（1）經(jīng)熱軋后15鋼鋼板，要求降低硬度：再結(jié)晶退火 退火目的：削除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)鋼板的韌性和塑性。 再結(jié)晶退火后組織：生成與鋼板冷軋前晶格類型相同的細(xì)小的等軸晶。15鋼為低碳亞共析鋼，退火后組織為F+P。,（2）ZG270-500鑄造齒輪：完全退火 退火目的：通過完全重結(jié)晶，使鑄造過程中生成的粗大、不均勻的組織均勻化、細(xì)化，削除魏氏組織，提高性能，同時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力。 退火后組織：F+P,擴(kuò)散退火+正火,退火目的：通過擴(kuò)

16、散退火，減少鑄件的化學(xué)成分和組織的不均勻性。擴(kuò)散退火后鋼的晶粒很粗大，需進(jìn)行完全退火或正火處理。正火可以細(xì)化晶粒，使組織均勻化，提高強(qiáng)度、硬度和韌性，同時(shí)改善其切削加工性能。 擴(kuò)散退火+正火后組織：F+S,（3）鍛造過熱的60鋼鍛坯：去應(yīng)力退火 目的：削除加工過程中在工件中造成的殘余應(yīng)力。去應(yīng)力退火是將鋼件加熱至低于Ac1r 的某一溫度（一般為500650C），保溫，然后隨爐冷卻，這種處理可以消除約50%80%的殘余內(nèi)應(yīng)力，不引起組織變化。,（4）改善T12鋼切削加工性能：球化退火 退火目的：使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化，以降低硬度，改善切削加工性能，并為以后的淬火做組織準(zhǔn)備。 退火后

17、的組織：球化體（鐵素體基體+球狀滲碳體）,實(shí)例5: 指出下列工件的淬火溫度和回火溫度，并說出回火后獲得的組織 （1）45鋼小軸（要求綜合機(jī)械性能好）；,45鋼小軸經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，綜合性能好， 其淬火溫度為830840C（水冷），回火 溫度為580600C。 回火后組織為：回火索氏體,（2）60鋼彈簧；,60鋼彈簧的淬火溫度為840C（油冷）， 回火溫度為480C。 回火后獲得的組織：回火屈氏體,（3）T12鋼銼刀,T12鋼銼刀的淬火溫度為830840C（水冷），回火溫度為580600C。 回火后組織：回火馬氏體,鍛造正火 球化退火機(jī)加工淬火、低溫回火磨加工 正火：得到鐵素體+均勻細(xì)化組織，消除網(wǎng)狀

18、二次滲碳體，為球化退火做準(zhǔn)備； 球化退火：使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球化，得到球化體。改善機(jī)加工性能，同時(shí)為淬火做準(zhǔn)備； 淬火：得到馬氏體+粒狀滲碳體+殘余奧氏體。提高硬度，提高耐磨性； 低溫回火：得到回火馬氏體+粒狀滲碳體+殘余奧氏體，降低殘余應(yīng)力，提高工件韌性，同時(shí)保證淬火后的高硬度和高耐磨性。,實(shí)例6:用T10鋼制造形狀簡(jiǎn)單的車刀，其工藝路線為：鍛造熱處理機(jī)加工熱處理磨加工 （1）寫出熱處理工序和名稱； （2）制定最終的熱處理工藝規(guī)范，并指出車刀在使用狀態(tài)的顯微組織和大致硬度。,鋼的熱處理工藝 (1)退火（完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火） (2)正火

19、(3)淬火 (4)回火（低溫回火、中溫回火、高溫回火） (5)表面淬火 (6)化學(xué)熱處理（滲碳、氮化、碳氮共滲） (7)可控氣氛熱處理 (8)真空熱處理 (9)離子滲擴(kuò)熱處理,2.5 鋼的合金化 2.5.1 合金元素與鐵、碳的作用 合金元素主要以三種形式存在鋼中： 溶于鐵中，形成固溶體； 與碳化合，形成碳化物； 形成金屬間化合物。,1.擴(kuò)大相區(qū)的元素（奧氏體穩(wěn)定化元素） Mn、Ni、Co、C、N、Cu等, 使A4點(diǎn)( 轉(zhuǎn)變點(diǎn))上升, A3點(diǎn)( 轉(zhuǎn)變點(diǎn))下降, 擴(kuò)大相范圍。,一、溶于鐵中形成固溶體 溶入奧氏體中, 形成合金奧氏體、 溶入鐵素體中，形成合金鐵素體,Ni、Mn等加入到一定量后，使相區(qū)

20、擴(kuò)大到室溫，稱完全擴(kuò)大相區(qū)元素。 C、N、Cu等，相區(qū)不能擴(kuò)大到室溫，稱為部分?jǐn)U大相區(qū)的元素。,(a)Fe-Cu相圖 (b)Fe-Mn相圖 擴(kuò)大A相區(qū)的相圖,2.縮小相區(qū)元素（鐵素體穩(wěn)定化元素） Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr 使A3點(diǎn)上升, A4點(diǎn)下降(鉻除外, 鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7%時(shí), A3點(diǎn)下降; 大于7%后,A3點(diǎn)迅速上升), 縮小相區(qū)存在的范圍, 使鐵素體區(qū)擴(kuò)大。,Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等：完全封閉相區(qū)的元素 B、Nb、Zr等：部分縮小相區(qū)的元素。,(a) Fe-Nb相圖 (b) Fe-Cr相圖 縮小-相區(qū)的相圖,二、形成碳化物 合金元素按與鋼中碳的

21、親和力的大小, 分為：碳化物形成元素、非碳化物形成元素,碳化物形成元素：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等(按碳化物的穩(wěn)定性程度由強(qiáng)到弱排列) 固溶于基體相中:F(Mn)、A(Cr) 形成合金滲碳體:(Fe、Cr)3C 形成合金碳化物：Cr7C3、VC、WC,非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。都溶于鐵素體和奧氏體中。,2.5.2 合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響 Mn、Ni、Co、C、N、Cu擴(kuò)大Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)，使S點(diǎn)下降； Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等縮小Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)，使S點(diǎn)上升。,合金元素使共析反應(yīng)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行

22、。 幾乎所有的合金元素都使S點(diǎn)和E點(diǎn)左移, 強(qiáng)碳化物形成元素作用強(qiáng)烈。,Ni或Mn的含量較多時(shí), 可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織。 如1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼 ZGMn13高錳鋼 Cr、Ti、Si等超過一定含量時(shí), 可使鋼在室溫獲得單相鐵素體組織。 如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼,思考：為什么碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鉻鋼屬于過共析鋼？,因?yàn)榧尤?2%Cr，使共析點(diǎn)S和E點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，即S點(diǎn)和E點(diǎn)左移，使合金鋼的平衡組織發(fā)生變化（不能完全用Fe-Fe3C來分析），碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鉻鋼出現(xiàn)了P+Fe3C的組織，因而屬于過共析鋼。,2.5.3

23、 合金元素對(duì)鋼熱處理的影響 一、合金元素對(duì)加熱時(shí)相變的影響 1、對(duì)奧氏體形成速度的影響 Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物形成元素與碳形成難溶于奧氏體的合金碳化物, 顯著減慢奧氏體形成速度； Co、Ni等部分非碳化物形成元素, 因增大碳的擴(kuò)散速度, 使奧氏體的形成速度加快； Al、Si、Mn等合金元素對(duì)奧氏體形成速度影響不大。,2、對(duì)奧氏體晶粒大小的影響 強(qiáng)烈阻礙晶粒長(zhǎng)大的元素：V、Ti、Nb、Zr等； 中等阻礙晶粒長(zhǎng)大的元素：W、Mo、Cr等； 對(duì)晶粒長(zhǎng)大影響不大的元素：Si、Ni、Cu等； 促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的元素：Mn、P等。,二、合金元素對(duì)過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響 對(duì)淬透性影響 除Co外, 幾乎所

24、有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性, 推遲珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變, 使C曲線右移, 即提高鋼的淬透性。 常用提高淬透性的元素： Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。 兩種或多種合金元素同時(shí)加入( 鉻錳、鉻鎳), 比單個(gè)元素對(duì)淬透性的影響要強(qiáng)得多。,提示 加入的合金元素, 只有溶于奧氏體時(shí), 才能提高淬透性。如果未完全溶解, 則碳化物會(huì)成為珠光體的核心, 反而降低鋼的淬透性。,合金元素對(duì)過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響,對(duì)殘余奧氏體量的影響 除Co、Al外, 多數(shù)合金元素都使Ms和Mf點(diǎn)下降。 作用大小的次序：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。Mn的作用最強(qiáng), Si影響很小。 Ms和Mf點(diǎn)的下降, 使淬火

25、后鋼中殘余奧氏體量增多。,殘余奧氏體量過多時(shí)，進(jìn)行冷處理(冷至Mf點(diǎn)以下), 轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體; 或進(jìn)行多次回火，殘余奧氏體因析出合金碳化物會(huì)使Ms、Mf點(diǎn)上升，在回火后冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體(二次淬火)。,三、合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響 1.提高回火穩(wěn)定性 推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(在較高溫度才開始分解和轉(zhuǎn)變)； 提高鐵素體的再結(jié)晶溫度； 使碳化物難以聚集長(zhǎng)大。 合金元素提高鋼的回火穩(wěn)定性（鋼對(duì)回火軟化的抗力）。 提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有： V、Si、Mo、W、Ni、Co等。,2. 產(chǎn)生二次硬化 Mo、W、V含量較高的合金鋼回火時(shí), 硬度不是隨回火溫度升高單調(diào)降低, 到

26、某一溫度(約400 )后開始增大, 并在更高溫度(一般為550 左右)達(dá)到峰值。稱二次硬化現(xiàn)象。,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的鉬鋼硬度與回火溫度的關(guān)系,（1）當(dāng)回火溫度低于450 時(shí), 鋼中析出滲碳體，硬度降低。 在450 以上滲碳體溶解, 鋼中開始沉淀出彌散穩(wěn)定的難熔碳化物Mo2C、W2C、VC等, 使硬度升高, 稱為沉淀硬化。 （2）回火時(shí)冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火也導(dǎo)致硬度升高。,產(chǎn)生二次硬化的原因,3. 增大回火脆性 和碳鋼一樣, 合金鋼也產(chǎn)生回火脆性, 而且更明顯。這是合金元素的不利影響。,鉻鎳鋼的韌性與 回火溫度的關(guān)系,高溫回火脆性： 在450 600 間發(fā)生的第二類回

27、火脆性。主要與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān), 多發(fā)生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金鋼中。,提示 回火后快冷(通常用油冷)可防止回火脆性發(fā)生。鋼中加入適當(dāng)Mo或W(0.5%Mo, 1%W)可基本上消除這類脆性。,2.5.4 合金元素對(duì)鋼的工藝性能的影響 一、合金元素對(duì)鋼熱加工性能的影響 Cr、Mo、V、Ti、Al等在鋼中形成高熔點(diǎn)碳化物或氧化物質(zhì)點(diǎn), 增大鋼的粘度, 降低流動(dòng)性, 使鑄造性能惡化。 合金元素溶入固溶體中, 或形成碳化物, 都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降，容易鍛裂。一般合金鋼的熱加工性能比碳鋼要差得多。 合金元素都提高鋼的淬透性, 促進(jìn)脆性組

28、織(馬氏體)的形成, 使焊接性能變壞。鋼中含有少量Ti和V, 可改善鋼的焊接性能。,二、合金元素對(duì)鋼冷加工性能的影響,合金元素溶于固溶體，加劇鋼的加工硬化, 使鋼變硬、變脆, 易開裂或難于繼續(xù)變形。 Si、Ni、Cr、V、Cu等降低鋼的深沖性能, Nb、Ti、Zr和Re能改善碳化物的形態(tài), 可提高鋼的沖壓性能。 鋼適合于切削加工的硬度范圍為170 HB230 HB。一般合金鋼的切削性能比碳鋼差。但適當(dāng)加入S、P、Pb等元素可以大大改善鋼的切削性能。,三、合金元素對(duì)鋼熱處理工藝性能的影響 熱處理工藝性能反映鋼熱處理的難易程度和熱處理產(chǎn)生缺陷的傾向。,合金鋼的淬透性高，淬火時(shí)采用比較緩慢的冷卻方法

29、，減少工件變形和開裂。 Mn、Si會(huì)增大鋼的過熱敏感性。 Mn、Cr、Ni增加高溫回火脆性， Mo、W 基本消除高溫回火脆性。 Si促進(jìn)脫碳，Cr降低脫碳。,加入合金元素的主要目的之一是。提高鋼的強(qiáng)度。提高強(qiáng)度, 要設(shè)法增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。 金屬中的強(qiáng)化機(jī)制主要有 固溶強(qiáng)化 位錯(cuò)強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化 第二相(沉淀和彌散)強(qiáng)化 合金元素的強(qiáng)化作用, 正是利用了這些強(qiáng)化機(jī)制。,2.5.5 合金元素對(duì)鋼的性能的影響,一、合金元素對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響,1.對(duì)正火狀態(tài)下鋼的力學(xué)性能的影響 合金元素降低共析點(diǎn)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（S點(diǎn)左左移)，使C曲線右移, 使組織中的珠光體增多, 珠光體層片減薄, 鋼的強(qiáng)度增加, 塑

30、性下降。 合金鋼在正火（空冷）狀態(tài)下可得到層片距離更小的珠光體, 或貝氏體甚至馬氏體組織, 強(qiáng)度大為增加。 Mn、Cr、Cu的強(qiáng)化作用較大。,2.對(duì)退火狀態(tài)下鋼的力學(xué)性能的影響,退火態(tài)鋼 :形成合金鐵素體, 固溶強(qiáng)化, 提高強(qiáng)度和硬度, 塑性和韌性有所降低。,3.對(duì)淬火、回火狀態(tài)下鋼的力學(xué)性能的影響 獲得馬氏體并回火是鋼的最經(jīng)濟(jì)和最有效的強(qiáng)化方法。,回火時(shí)析出碳化物, 造成強(qiáng)烈的第二相強(qiáng)化，同時(shí)使韌性大大改善。,形成位錯(cuò)馬氏體；,固溶強(qiáng)化鐵素體或馬氏體；,細(xì)化晶粒；,合金元素提高淬透性，使鋼容易得到馬氏體。合金元素提高回火穩(wěn)定性, 使馬氏體保持到較高溫度。合金元素在回火時(shí)析出第二相更細(xì)小、均勻

31、和穩(wěn)定。合金鋼比碳鋼具有更高的強(qiáng)度、韌性。,二、對(duì)其他性能的影響,1.提高紅硬性 W、Mo、V 鋼在高溫保持高硬度的能力。 2.提高耐蝕性 Cr、Ni 3.提高耐熱性 Cr、 W、Mo、Al、Si 4.提高耐磨性 W、Mo、V、Ti,碳鋼的淬透性低，在制造大尺寸和形狀復(fù)雜的零件時(shí)，不能保證性能均勻和形狀不變。 碳鋼的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比較低，使工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備笨重。 普通碳鋼Q235鋼的s為235 Mpa。 低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345 (16Mn)的s則為345 MPa以上。 40鋼的s /b僅為0.43。 合金鋼35CrNi3Mo的s /b高達(dá)0.74。,2.5.6 合金化的工程應(yīng)用,碳鋼回火穩(wěn)定性差。在進(jìn)

32、行調(diào)質(zhì)處理時(shí)，很難保證韌結(jié)合，綜合機(jī)械性能不高。 碳鋼在抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨損等方面往往較差，不能滿足特殊使用性能的需求。 為了提高鋼的性能，在鐵碳合金中特意加入合金元素，所獲得的鋼稱為合金鋼。,實(shí)例1: 40鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，調(diào)質(zhì)處理后其最低為355MPa。 只能制造強(qiáng)度、韌性要求不高的螺栓、軸類零件。 如果冶煉時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Cr，成為低合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr，調(diào)質(zhì)處理后其最低為785MPa。 淬透性和強(qiáng)度得到提高。 可以制造強(qiáng)度、韌性要要求高的螺栓、連桿。,實(shí)例2： 20鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，其耐蝕性、耐熱性差。 只能制造常溫、無腐蝕性介質(zhì)作用條件下使用的零件。

33、 如果冶煉時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的Cr，成為不銹鋼2Cr13，耐蝕性、耐熱性大大提高。 可以制造高溫、腐蝕性介質(zhì)作用條件下使用的零件，如汽輪機(jī)葉片、化工設(shè)備用耐蝕螺栓、螺母、軸類等零件。,本節(jié)小結(jié) 常用合金元素 非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B 碳化物形成元素：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn,合金元素作用 強(qiáng)化作用：固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、 二次硬化 改善熱處理性能：提高淬透性、回火穩(wěn)定性， 消除回火脆性（Mo、W) 提高其它性能：紅硬性、耐蝕性、耐磨性,2.6 表面技術(shù) 概述,表面技術(shù) 通過物理、化學(xué)工藝方法使材料表面具有與基體材料不同的組織結(jié)構(gòu)、化

34、學(xué)成分和物理狀態(tài)，使表面具有與基體材料不同的性能的技術(shù)。,表面處理后的材料，基體材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能并未發(fā)生變化，但表面卻具有一些特殊性能， 如高的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性、耐熱性、導(dǎo)電性、電磁特性、光學(xué)性能等。,表面工程技術(shù)分類 表面熱處理、化學(xué)熱處理 表面機(jī)械強(qiáng)化處理（噴丸強(qiáng)化） 電鍍、電刷鍍 熱噴涂 氣相沉積鍍膜 高能束(激光、電子束）表面處理,2.6.1 電刷鍍技術(shù) 一、電鍍 把工件置于裝有電鍍液的鍍槽中，工件接直流電源的負(fù)極，作為陰極。陽極板接直流電源的正極，鍍液中金屬離子在陰極上得到電子還原成金屬原子，工件表面得到電鍍層。,電鍍示意圖,鍍銅： CuSO4 Cu+2+SO4-2

35、Cu+2+2e Cu,二、電刷鍍,電刷鍍是電鍍的一種特殊方式，不用鍍槽。用鍍筆在工件表面擦涂，獲得電鍍層。電刷鍍又稱無槽鍍。,1. 電刷鍍過程 直流電源的正極與鍍筆相聯(lián)，負(fù)極和工件相聯(lián)。電流方向由鍍筆流向工件時(shí)為正向電流，發(fā)生電沉積，稱正接。形成鍍層。,平面零件電刷鍍,軸類零件電刷鍍過程,2.6.2 熱噴涂技術(shù),熱噴涂技術(shù) 將金屬或非金屬固體材料加熱至熔化或半熔軟化狀態(tài)，然后將它們高速噴射到工件表面上，形成牢固涂層的表面加工方法。,熱噴涂方法,1.火焰噴涂 以氧-乙炔火焰為熱源，以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。,火焰噴涂噴槍 火焰噴涂,氧-乙炔火焰溫度大約為3000 ，噴射速度約150 m/s

36、，結(jié)合強(qiáng)度5 MPa10 MPa。適合噴涂塑料、金屬、合金粉末或絲材。,2. 電弧噴涂 以電弧為熱源，以金屬或合金絲材作為噴涂材料的熱噴涂方法。,電弧噴涂原理圖 電弧噴涂,電弧溫度大約為5000 ，噴射速度約200 m/s，結(jié)合強(qiáng)度20 MPa40 MPa。適合噴涂金屬、合金或包裹有陶瓷粉末的合金絲材。,3.等離子噴涂 等離子噴涂是以等離子弧為熱源，以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。 直流電弧把工作氣體加熱電離成高溫等離子體從噴嘴噴出形成等離子焰。工作氣體可用氬氣、氮?dú)狻?等離子弧溫度大約為5000 12000 ，噴射速度約500 m/s1500 m/s，結(jié)合強(qiáng)度30 MPa70 MPa。適合噴涂金屬、合金、陶瓷粉末。,等離子噴涂原理圖,2.6.3 氣相沉積技術(shù),氣相沉積技術(shù) 在真空下用各種方法獲得的氣相原子或分子在基體材料表面沉積以獲得薄膜的技術(shù)。,制備超硬、耐蝕、耐熱、抗氧化的薄膜； 制備磁記錄、光敏、熱敏、光電轉(zhuǎn)換等功能薄膜； 制備裝飾性鍍膜。,氣相沉積技術(shù)分為： 化學(xué)氣相沉積CVD(Chemical Vapour Deposition) 物理氣相沉積P