第6章_钢的表面热处理

6.7 钢的表面热处理
• 定义：仅对工件表层进行热处理以改变其 组织和性能的工艺称为表面热处理。 • 分类： 表面淬火和化学热处理
• 目的： 生产中常常 采用表面热处理的 方法，以达到强化 工件表面的目的。 • 应用： 1.某些在冲击载荷、 交变载荷及摩擦条 件下工作的机械零 件，如主轴、齿轮、 曲轴等，
2.某些工作表面要承受较高的应力，要 求工件的这些表面层具有高的硬度、 耐磨性及疲劳强度，而工件的心部要 求具有足够的塑性和韧性。
6.7.1 钢的表面淬火 • 定义：将工件的表层迅速加热到淬火温度进 行淬火的工艺方法称为表面淬火(surface hardening)。 • 性能：工件经表面淬火后，表层得到马氏体 组织，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍为 淬火前的组织，具有足够的强度和韧性。 • 分类：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬 火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬 火
（3）渗碳后的组织
• 成分：工件经渗碳后，含碳量从表面到心 部逐步减少，表面碳的质量分数可达 0.80%～1.05%，而心部仍为原来的低碳成 分。 • 组织：若工件渗碳后缓慢冷却，从表面到 心部的组织为珠光体+网状二次渗碳体、珠 光体、珠光体+铁素体
（4）渗碳后的热处理 工件渗碳后的热 处理工艺通常为淬火及低温回火。
• 气体渗氮：在专门的氮化炉中进行，是利用氨在 500～600℃的温度下分解，产生活性氮原子，分 解反应如下： 2NH3→3H2+2［N］ • 分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向内层扩 散，形成一定深度的渗氮层。
（3）渗氮的特点与应用
• 特点： 渗氮后工件无需淬火便具有高的硬度、耐 磨性和热硬性，良好的抗蚀性和高的疲劳强度， 渗氮温度低，工件的变形小。 • 缺点：渗氮的生产周期长。一般要得到0.3～ 0.5mm的渗氮层，气体渗氮时间约需30～50小时， 成本较高；渗氮层薄而脆，不能承受冲击。 • 应用：要求表面高硬度，耐磨、耐蚀、耐高温的 精密零件，如精密机床主轴、丝杆、镗杆、阀门 等。
（1）渗氮用钢
• 对于以提高耐蚀性为主的渗氮，可选用优质碳素 结构钢，如20、30、40钢等； • 对于以提高疲劳强度为主的渗氮，可选用一般合 金结构钢，如40Cr、42CrMo等； • 对于以提高耐磨性为主的渗氮，一般选用渗氮专 用钢38CrMoAlA。
（2）渗氮方法 常用的渗氮方法有气体 渗氮和离子渗氮等
5 喷丸强化技术的应用（1） 汽车板簧喷丸强化处理后可延长寿命5倍。
渗碳齿轮喷丸处理后可提高使用寿命4倍。
20CrMnTi 钢渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余 压应力为－ 880Mpa ，寿命从 55 万次提高到 150 ～ 180 万次； 40CrNiMo 钢调质后再经喷丸处理，残余压应力为 －880MPa，寿命从4.6×105次提高到1.04×107次以上； 铝合金 LD2 ，经喷丸处理后，寿命从 1.1×106 次提 高到1×108次以上。
2．火焰加热表面淬火
• 定义：火焰加热表面淬火是采用氧-乙炔(或其它 可燃气体)火焰，喷射在工件的表面上，使其快速 加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获 得预期的硬度和有效淬硬层深度的一种表面淬火 方法 。
• 应用：
中碳钢（如35、40、45钢等）和中碳低合金钢 （如40Cr、45Cr等）。 ② 还可用于对铸铁件（如灰铸铁、合金铸铁等） 进行表面淬火。 ③ 适用于单件或小批量生产的大型工件，以及需 要局部淬火的工具或工件，如大型轴类、大模 数齿轮、锤子等。
• 由于感应电流的集肤效应(电流集中分布在工件表 面)和热效应，使工件表层迅速加热到淬火温度， 而心部则仍处于相变点温度以下，随即快速冷却， 从而达到表面淬火的目的。
•
分类及应用：高频感应加热、中频感应加 热和工频感应加热 ① 高频感应加热表面淬火：常用频率为 200～300kHz，淬硬层深度.2 钢的化学热处理 • 定义：化学热处理（chemico-thermal
treatment）是将工件置于一定温度的活性介质中 保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变 其化学成分、组织和性能的热处理工艺。
• 方法分类：渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗金属
等。
• 三个基本过程
（1）分解 化学介质在一定的温度下发生分解， 产生能够渗入工件表面的活性原子。 （2）吸收 吸收就是活性原子进入工件表面溶于 铁形成固溶体或形成化合物。 （3）扩散 渗入的活性原子由表面向中心扩散， 形成一定厚度的扩散层。
喷丸强化对表面形貌和性能的影响（2）
（2）硬化层的深度：
弹丸越硬或弹丸动能越大， 硬化层越深，硬化效果越好。
喷丸强化对表面形貌和性能的影响（3） （3）疲劳强度：喷丸后在金属表层生成数百兆帕的 残余压应力，有利于提高金属的疲劳强度。
表 6—6 不同弹丸材料对残余应力的影响 弹丸材料 弹丸直径 残余应力／Mpa ／mm 表面 剥层(0.09mm) 剥层(0.12mm) 0.5~1.0 500 900 325 铸钢丸 0.5~1.0 500 1100 400 切割钢丸 0.5~1.0 600 1150 550 铸铁丸 1000 陶瓷丸 片状
适用：中、小模数的齿轮及中、小尺寸的轴类 零件的表面淬火
② 中频感应加热表面淬火:常用频率为
2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm。
• 适用：较大尺寸的轴类零件和大模数齿轮的表 面淬火；
③ 工频感应加热表面淬火:电流频率为50Hz，
淬硬层深度为10～20mm。
• 适用：较大直径 机械零件的表面淬火，如轧辊、 火车车轮等。
•
①
热处理后的组织：
表层组织为回火马氏体和细粒状碳化物，表 面硬度可高达58～64HRC； ② 心部组织 常为为低碳马氏体或珠光体+铁素体 组织，硬度较低，
2．钢的渗氮
• 定义：渗氮也称氮化，是在一定温度下 使 活性氮原子渗入工件表面（得AlN、CrN、 MoN、VN、TiN）的化学热处理工艺。 • 渗氮的目的：提高工件的表面硬度、耐磨 性以及疲劳强度和耐蚀性。
第二节
感应加热淬火技术
一、感应加热淬火基本原理
铁制零件在高频交变磁 场中，铁的内部将产生很大 的感应电流。电流在金属体 内自行闭合，称为涡流。由 于工件阻抗很小，涡流很大。 受集肤效应的影响，越靠近 工件表面电流越大。感应电 流快速将零件的表面加热到 Ac3 或 Acm 以上，快速冷却 后即可在零件表层获得马氏 体组织。
4 喷丸强化对表面形貌和性能的影响（1） （1）喷丸增加金属表面的粗糙度。
表 6－2 弹丸直径对表面粗糙度的影响 弹丸粒度 弹丸名义直径/mm 表面粗糙度 Ra/μ m 0.2 4.4 ~ 5.5 S—70 0.3 6.0 ~ 7.0 S—110 0.6 7.0 ~ 8.5 S—230 0.8 8.0 ~ 10.0 S—330
1．感应加热表面淬火
• 定义：利用感应电流通过 工件所产生的热效应，使 工件表面迅速加热并进行 快速冷却的淬火工艺称为 感应加热表面淬火。 （1）感应加热表面淬火的基 本原理 工件放入用空心 紫铜管绕成的感应器内， 给感应器通入一定频率的 交流电，周围便存在同频 率的交变磁场，于是在工 件内部产生同频率的感应 电流(涡流)。
（2）感应加热表面淬火的特点与应用 • 优点： ① 与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火加热速 度快，加热时间短； ② 淬火质量好，淬火后晶粒细小，表面硬度比普通 淬火高，淬硬层深度易于控制； ③ 劳动条件好，生产率高，适于大批量生产。 • 缺点：感应加热设备较昂贵，调整、维修比较困 难，对于形状复杂的机械零件，其感应圈不易制 造，且不适合于单件生产。 • 应用：碳的质量分数为0.4%～0.5%的碳素钢与 合金钢 ，如45钢、40Cr等。也可以用于高碳工 具钢、低合金工具钢以及铸铁等材料。
适合处理形状简单、批量 较大的工件。
喷丸强化方法
（2） 压缩空气式：利用压缩空气将弹丸喷向工件， 弹丸的飞行速度取决于压缩空气的压力。喷丸有干喷 和湿喷两种。
吸入式喷砂枪
3 喷丸材料
常用弹丸材料有铸铁、不锈钢、钢丝、玻璃、 陶瓷等，选择时主要考虑被处理工件材料的硬度、 表面粗糙度、强化深度、残余应力等。
第七节 一、 喷丸强化技术
表面形变强化技术
1 喷丸强化技术原理
小弹丸高速射向金属工件表面， 使金属表层发生塑性变形并产生大 量的位错和较大的残余压应力，从 而提高金属表面的硬度、强度、抗 疲劳强度和抗应力腐蚀能力。 喷丸强化层深度一般在0.1~0.8mm之间。
2 喷丸强化方法
（1） 叶轮抛丸式：利用高速 旋转的叶轮产生的离心力将弹 丸高速射向工件。
1．钢的渗碳 • 定义：渗碳(carburizing)是为了增加钢件表层
的含碳量和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介 质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理 工艺。
• 渗碳目的：提高工件表面的碳成分，以便热处
理淬火后获得硬度、耐磨性及疲劳强度，并使其心 部保持良好的塑性和韧性。
（1）渗碳用钢 为0.1%～0.25%的低碳钢和 低碳合金钢。 （2）渗碳方法 分为固体渗碳、液体渗碳和 气体渗碳三种。
• 气体渗碳： 工件在气体渗碳介质中 进行渗碳的工艺。
加热温度： 900～950℃ ② 设备： 密封的渗碳炉内，温度测控设备 ③ 渗碳剂：滴入煤油、丙酮或甲醇。 ④ 机理：渗碳剂在高温下分解，产生的活性碳原 子渗入工件表面并向内部扩散（每小时0.10～ 0.15mm）形成渗碳层
①
• 固体渗碳方法： 把工件和固体渗碳剂装入 渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好后，送入 炉中加热到900～950℃，保温一定的时间 后出炉，零件便获得了一定厚度的渗碳层。 • 固体渗碳剂：由一定粒度的木炭和少量的 碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）混合组成。 木炭提供渗碳所需要的活性碳原子，碳酸 盐只起催化作用。