表面热处理.ppt
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1、7.3 钢的表面热处理 以上谈到的是普通热处理的“四把火”,它们在生产实践应用十分广泛,也有局限性。 对于零件的表面及心部性能要求不同的情况下,如: 表面高硬度、高耐磨 (1)表硬里韧 心部足够的塑韧性 (2)表面要求具有良好的物理化学性能就只能采用: 表面热处理,途径有二,改变钢的表层组织,不改变化学成份表面淬火,改变钢的表层化学成份化学热处理,7.3.1表面淬火,一、感应加热表面淬火,二、火焰加热表面淬火,1、感应加热的基本原理,2、感应加热频率选用,3、感应加热表面淬火的特点,提高表面硬度,保持心部良好的塑韧性。使零件具有 “表硬里韧”的力学性能。,7.3.1表面淬火,*目的 :,是将工
2、件表面快速加热到淬火温度,然后迅速冷却,仅使表面层获得淬火组织,而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。,*表面淬火:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组 织的局 部热处理工艺。,表面淬成M硬;,心部保持正火或调质态韧。,1、感应加热的基本原理,感应加热表面淬火示意图,一、感应加热表面淬火,(mm),感应表面淬火使采用电磁感应方法使零件表面迅速加热,然后迅速喷水冷却的一种热处理操作方法。,*热源:“涡流 效应”产生的焦耳热。,因为涡流的“集肤效应” *电流透入深度:,Q=0.24I2Rt,涡流产生的热量Q:,为什么只能表面加热?,I 涡流强度; R材料电阻 ; t时间,f 交流电频率Hz 电流
3、透入深度mm,2、感应加热电流频率选用,式中: f 交流电频率Hz 电流透入深度mm,电流透入深度:,Q=0.24I2Rt,式中:Q涡流产生的热量 I涡流强度 R材料电阻 t时间,涡流产生的热量:,感应加热淬火机床,*预备热处理,正火或调质,3、表面淬火用钢 用钢:中C钢或中C合金钢(0.4-0.5%C) 淬火后表面硬 度HRC 58-60,改善心部组织,以达到性能要求 使表层原始组织细化,在进行表面淬火时 获得成分均匀的M.,举例:机床齿轮 45,下料锻造正火加工齿形 高频淬火低温回火磨齿装配,目的:,*钢件表面淬火后应进行低温回火或自回火。 表层为M细(隐晶M),中心为原始组织 具有“表硬
4、里韧”的性能。,热处理:,3). 疲劳强度高表层为残余压应力,4). 可实现自动化、生产率高、成本降低,4、感应加热表面淬火的特点,1). 淬火温度高 (Ac3+80150 ),加热速度快 、时间短 不易氧化、脱碳,变形小。,2). M细,同一种材料,比普通淬火硬度提高23HRC,且韧性好;,* 不 足:设备较贵、复杂零件的感应器不易制造。,应用氧气-乙炔(或其它可燃气)火焰对工件表面进行加热,随之快速冷却的工艺。这种方法可获得26mm的淬透深度,设备简单,成本低,适于单件或小批量生产。,(26mm),1. 火焰加热表面淬火,二、火焰加热表面淬火,用氧乙炔焰快速加热零件表面,使其达到奥氏体化温
5、度,并迅速喷水冷却,使其表层获得一定深度的淬硬层。,2. 火焰加热表面淬火应用及其缺点,应用:中碳钢、中碳合金钢及铸铁件、小批生产, 或大工件的表面淬火。,缺点:加热不均匀,表面质量不高、生产率不高。,*设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产,3,火焰加热表面淬火的特点,三、电接触加热表面淬火,采用低电压、大电流,通过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路,靠接触电阻热实现快速加热,滚轮移去后即进行自激冷淬火。 淬硬层达0.15-0.35mm,硬度均匀,且变形小,目前主要用于导轨的强化。,7.3.2 化学热处理,一、化学热处理原理,二、钢的渗碳,三
6、、钢的渗氮,四、钢的碳氮和氮碳共渗,化学热处理,一、化学热处理原理,定义: 将工件置于特定的介质中加热、保温,使介质 中的活性原子渗入工件表层,以改变表层的化学成 分、组织和性能的一种热处理工艺。,活性原子从工件表层向内部的扩散,化学热处理的基本过程:,渗剂分解出活性原子,工件表面吸收活性原子,一、什么是化学热处理?,钢件和铸铁件,非金属元素、金属元素,C、N、O、S、B,与Fe形成间隙固溶体和化合物,强化表面,提高表面的力性,与Fe形成置换固溶体,Cr提高抗蚀性、Al提高抗氧化性、Si提高抗酸性能,7.3.2、表面化学热处理,化学热处理:就是把工件放在一定温度的化学介质中保温,让一些化学元素
7、渗入工件的表层,改变表面的化学成分,进 而改变组织及性能的热处理工艺。,(1)工件有吸收这些元素的能力,化学热处理应具备的条件:,即:有溶解度或能形成化合物,(2)渗入元素应具备活性,即:能产生活性原子,“活性原子”是指那些在一定的化学反应中刚产生的,以原子状 态存在的元素。,2).吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶解。 零件本身具有吸收渗入原子的能力即对 渗入原子有一定的溶解度或能与之化合, 形成化合物。,3).扩散: 活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一 定的扩散层(渗层)。,1).渗剂分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性 原子。 2CO CO2 +C,分解吸收一扩散,化学热处理的一般
8、过程:,在整个化学热处理进程中,上述三个基本过程是同时发生而又彼此密切相关的。三者互相配合,互相制约。,热处理工作者的任务就是合理控制各种工艺参数(如温度、渗剂、炉压与时间等),调节好分解、吸收与扩散三者的关系,以获得理想的化学热处理速度和合理的渗层组织。 扩散层的组织与渗入元素和基体金属所组成的相图有关。如果渗入元素与基体金属可以无限互溶,则扩散层的组织只是单一的固溶体,表层与心部的差别只是浓度不同。如果渗入元素与基体金属之间组成有限固溶体,并能形成一系列的化合物时,情况就比较复杂,扩散层内常常有相变过程发生,伴随着化合物的形成。,适用钢种:0.100.25C 低碳钢、低碳合金钢,二、钢的渗
9、碳,目的:使钢件表层获得高的硬度、耐磨性和疲劳强 度,而心部仍保持一定的强度和较高的韧性。,1、定义:将钢件置于渗碳介质中加热、保温,使活性 碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。,气体渗碳 固体渗碳 液体渗碳 目前广泛应用的是气体渗碳法。,2、渗碳方法,井式气体渗碳炉,1)、气体渗碳,按热源分为电加热炉和煤气加热炉。,1)、气体渗碳,方法:滴注式渗碳 介质:苯、醇、煤油等液体,工艺:将工件装在密封的渗碳炉中,加热到900950(常用930),向炉内滴入煤油、苯、 甲醇、丙酮等有机液体,在高 温下分解成CO、CO2、H2及 CH4等气体组成的渗碳气氛。,大型井式渗碳炉,2)、 固体渗碳,常用的渗
10、碳剂:木炭或骨炭等,常用的催渗剂:碳酸钡或碳酸钠 渗碳工艺:工件+渗碳剂密封装入渗碳箱中, 加热至900950保温。,固体渗碳法示意图,3)、液体渗碳,设备:内热式或外热式盐炉,液体渗碳(无毒)盐浴的组成: 供碳剂木碳粉、尿素(NH2)2CO 基体盐NaCl2+KCl(加热介质) 催渗剂Na2CO3等,将零件在盐浴中加热并渗碳,3、渗碳后的组织,(由表面至心部):,亚共析组织(PF),4、渗碳后的组织,过共析组织(PFe3C),共析组织(P),(与渗入元素和基体金属所组成的相图有关),3、工艺: 加热温度为900950; 渗碳时间一般为39小时;,表面的含碳量最高:wc=1.0%左右,由表及里
11、,含碳量逐渐降低,直至原始含碳量。 渗碳层的缓冷组织,渗碳层的组织,过共析组织(P+Fe3C),共析组织(P),过渡区亚共析组织(P+F),原始亚共析组织(F+P),渗碳层的缓冷组织(由表面至心部):,渗碳后缓冷组织(由表面至心部):,渗碳缓冷后的显微组织,1).常用的淬火方法,4、渗碳后的热处理,淬火低温回火,(1)预冷直接淬火法,优点:操作简便、生产效率高、成本低;减少加热和冷却次数,故减小工件的淬火变形及表面氧化脱碳。,应用:本质细晶粒钢(如20CrMnTi、20MnVB 钢等);载荷小、耐磨性要求较低的工件。,(2)一次淬火法,淬火温度选择:应兼顾表面和心部的要求,通常: 心部性能要求
12、较高时:TH Ac3, 以心部性能 表面性能要求较高时:TH Ac1, 以表面性能,应用:仅适用于本质细晶粒钢,如合金钢和不重要的碳钢,碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。,渗碳后缓冷,重新加热淬火及低温回火。,目的:,防止Fe3C的过量析出 细化晶粒 防止变形,目的: 第一次淬火TH Ac3,细化心部组织其性能 第二次淬火TH Ac1,细化表层组织其性能 故可获得表面具有高硬度、耐磨性和疲劳强度,心部具有良好的强韧性和塑性。,应用: 仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高的工件。这种方法工艺较复杂,因加热次数多,工件易氧化、脱碳和变形,成本高等缺点,故目前该工艺已很少采用。,(3)二次淬火,
13、钢经渗碳、淬火、低温回火后的组织与性能:,目的: 消除淬火应力,韧性,保持高硬度与耐磨性。,2). 低温回火(160200),淬透时: 未淬透时:,针状M回碳化物A残,低碳M回,P(T、 S )F、,表层:,心部:,HRC 5864,HRC 3045,HRC 1015,表层硬度高而耐磨性较好,心部韧性较好;并有较高的疲劳强度。,渗碳后淬火及低温回火后的显微组织,20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织:,节园:M回KA,心部:低碳M,齿顶: M回KA,下料,锻造,正火,机加工,渗碳,淬火,低温回火,喷丸,磨削,7、渗碳件的加工工艺路线,5、常用的渗碳钢-低碳钢 C0.25,20、20
14、Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等,6、局部防渗,镀铜 涂上专用防渗剂或水玻璃加石棉绳 整体渗碳,局部淬火;渗碳缓冷后,把不需 要渗碳的部分切削掉,然后整体加热整体淬火。,锻造(问题) 正火(目的) 机械加工【可否与渗碳工艺倒置】 渗碳(组织) 淬火+低温回火(工艺) 精加工 渗碳工件的最终组织、性能,渗碳工件的一般工艺路线,1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。,2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。,三、钢的渗氮(俗称氮化),1、渗氮,3)渗氮原理:,NH3,分解活性N,达到一定渗层0.400.60mm,2、方法及工艺:,常用的渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗(软氮化)
15、等。生产中应用较多的是气体渗氮。,井式气体氮化炉,渗氮工艺: 加热温度 500600; 保温时间 2050h。,(离子渗氮15 20h),气体渗氮。,在渗氮炉内通入氨气,在380以上氨分解出活性氮原:2NH33H2+2N 活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面,在保温过程中向里扩散,形成渗氮。,氮化层厚度 0.30.5mm,氮化层厚度,3、渗氮后的组织,氮化用钢: 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢 ) 等。,表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。,渗氮用钢 为wC=0.15%0.45%的合金结构钢。,应用高速传
16、动的精密齿轮,高精度机床主轴等,纯铁氮化时可能形成四种相,相-为氮在Fe中的固溶体(含氮铁素体)。 相-为氮在Fe中的固溶体(实质上是含氮的奥氏体)。,相-为一可变成分的化合物Fe4N 。,相-为一可变成分的化合物 Fe2N 。,渗层的组织与渗入元素和基体金属所组成的相图有关。,38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 红色区 : ( Fe4N ) ; 蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。,40Cr钢,钢渗氮缓冷至室温的显微组织,45钢,由表至里为:+相 相 相心部, ( Fe2-3N ),
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