钢的表面热处理
钢的表面热处理教案
一、定义
将金属或合金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。
配合视频
二、种类 渗碳； 渗氮； 碳氮共渗等。
演示
三、化学热处理的基本过程：
分解：化学介质在高温下释放出待渗的活性原子，例如：2CO
→ CO2 +〔C〕；
吸收：活性原子被零件表面吸收和溶解；
钢的表面热处理教案
课程
机械制造基础
专业 模具设计与制造 学 时 2
一、教学课题： 4.4 钢的表面热处理
二、教学目的 掌握部分：1、表面热处理的目的、分类； 2、常用的表面热处理工艺（感应加热表面淬火、渗碳）。 了解部分：表面热处理的典型零件。
三、教学重点、难点： 重点：钢的化学热处理工艺(渗碳)。 难点：表面淬火与化学热处理的区别。
物 AlN、MoN、CrN 等）-过渡层-基体； 3、层深：一般小于 1.0mm； 4、硬度：69-73HRC； 5 、 工 艺 ： 加 热 温 度 500-600 ℃ ( 温 度 较 低 ) ， 保 温 时 间 ：
0.3-0.5mm/20-50h； 6、热处理特点：氮化前调质处理，氮化后不需要后续处理； 7、材料：中碳，0.25-0.6%，通常是含有 Al、Cr、Mo 等元素， 如 38CrMoAl、35CrMo、40Cr 等； 8、应用：要求精度高、冲击载荷小，抗热、抗腐蚀的耐磨件：
4.4.1.2、火焰加热表面淬火 一、概念 火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧等进行淬火。 火焰加热表面淬火示意图：
二、特点
1、设备简单, 操作方便, 成本低；
2、淬火质量不稳定；
3、适于单件、小批量及大型零件的生产。
钢的表面热处理工艺
试棒 零件 渗碳剂
固体渗碳法示意图
2.2.渗碳
渗 碳 层 的 组 织
过共析组织(P+Fe3CⅡ) 共析组织(P)
过渡区亚共析组织(P+F)
原始亚共析组织(F+P)
2.2.渗碳
➢ 渗碳后缓冷组织（由表面至心部）：
心部 ← 亚共析（P＋F） ← 共析（P） ← 过共析P＋Fe3CⅡ
20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织：
碳原子的扩散
扩散：获得一定深度渗碳层的必要条件 扩散驱动力：表层与心部间的碳质量分数梯度。 扩散速度：取决于碳浓度梯度和扩散系数D。
31350 D (0.04 0.08 wc ) exp( RT )
扩散距离(渗碳层深度)：服从Fick定律 k t
δ：渗层深度，k：扩散系数，k：扩散时间。
2.2 渗碳
感应加热( 高、中、工频 )
*工艺方法 火焰加热
电接触加热法等
1.2 快速相变特点
01
02
03
04
提高相变 临界温度
奥氏体起 始晶粒得 到细化
奥氏体成 分均匀性 降低
降低过冷 奥氏体的 稳定性
1.3.感应表面淬火
水
1.4.火焰表面淬火
*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。
易控；难以兼顾工件表层和心部的性能。
工程案例1
组合式滚轮、滚轮刀轴结构见图所示，材料为20CrNiMo。加工过程：锻造 →正火→机加工→表面渗碳→机加工→淬火+回火→机加工→装配→焊接
主要热处理工艺
1
正火
正火温度930±10℃，时间 2h，散开空冷
钢的表面热处理
第八章钢的表面热处理知识要点：表面热处理的目的、分类；常用的表面热处理工艺（感应加热表面淬火和渗碳）；了解表面热处理的典型零件。
一、表面热处理的目的1．提高零件的表面性能，具有高硬度、高耐磨和高的疲劳强度。
→保证高精度2．使零件心部具有足够高的塑性和韧性。
→防止脆性断裂。
“表硬心韧”二、表面热处理的分类及工艺特点主要有两大类：表面淬火和化学热处理。
（一）表面淬火1．工艺：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。
工艺特点：（1）不改变工件表面化学成分，只改变表面组织和性能；（2）表面与心部的成分一致，组织不同。
2．所用材料一般多用中碳钢、中碳合金钢，也有用工具钢、球墨铸铁等。
典型零件:如用40、45钢制作的机床齿轮齿面的强化、主轴轴颈处的硬化等。
3．常用表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火。
（1）感应加热表面淬火原理：通以一定频率交变电流的感应线圈，产生的交变磁场在工件内产生一定频率的感应电流（涡流），利用工件的电阻而将工件加热；由于感应电流的集肤效应，使工件表层被快速加热至奥氏体化，随后立即快速冷却，在工件表面获得一定深度的淬硬层。
感应线圈→交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表层加热，快冷→淬硬层。
工件淬硬层的深度与频率有关：A. 0.2～2mm，高频感应加热（100—500KHz），适用于中小型齿轮、轴等零件；B．2～10mm，中频感应加热（0.5—10KHz），大中型齿轮、轴；C．〉10—15mm，工频感应加热（50Hz），用于大型轴、轧辊等零件。
特点：淬火质量好，表层组织细密、硬度高、脆性小、疲劳强度高；生产频率高、便于自动化，但设备较贵，不适于单件和小批量生产。
应用：主要零件类型是轴类、齿轮类、工模具，最常见的有：齿轮，如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿山机械等上的大模数齿轮。
钢的热处理及表面热处理
钢的热处理及表面热处理热处理1.定义：指在固态下将材料加热至一定温度，保持一定时间，并以适当速度冷却，以获得所需微观结构和性能的工艺方法。
2．热处理的工艺过程。
包括三个阶段：加热、保温和冷却，如图所示。
加热：热处理的第一道工序。
不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。
保温：目的是确保工件充分燃烧，防止脱碳、氧化等。
保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材料直接相关。
一般按每分钟1~2mm计算；工件越大，材料的导热性越差，保温时间越长。
冷却：最后一道工序，也是最重要一道工序。
冷却速度不同，工件热处理后的组织和性能不同。
3.目的和作用在工业生产中，热处理的应用很广泛。
据统计，在机床制造中，约60%～70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%～80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。
总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。
目的：第一，提高材料的使用性能，延长零件的使用寿命。
二是提高材料的工艺性能，保证后续加工的顺利进行。
它们的共同点是，它们只改变内部组织结构，而不改变表面形状和大小。
4．基本类型（1）根据加热和冷却方法的不同分类，以及微观结构和性能的特点（见教材）（2）根据热处理在零件生产过程中的地位和作用预备热处理：是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。
最终热处理：指能够提供工件使用性能的热处理。
其目的是使通过成形过程达到所需形状和尺寸的零件达到所需的使用性能。
根据铁碳平衡相图，共析钢加热到超过a1温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢加热到a3和acm以上获得单相奥氏体。
通常，加热过程中的实际临界温度标有字母“C”，如AC1、AC3和ACCM；冷却过程中的实际临界温度标有字母“R”，如AR1、Ar3、ARCM等。
其物理含义为：ac1：加热时珠光体向奥氏体转变的温度；ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；AC3：加热过程中所有共析铁素体转变为奥氏体的最终温度；Ar3：冷却过程中奥氏体向铁素体转变的起始温度；ACCM：加热过程中所有二次渗碳体溶解为奥氏体的最终温度；ARCM：冷却过程中二次渗碳体从奥氏体中析出的温度。
钢的表面热处理工艺
低温气体碳氮 中温气体碳氮共渗 共渗
500～600 1～6
以渗氮为主 0.1～0.4mm
不需要 HRC54～63 合金工具钢
800～860 1～8
以渗碳为主 0.5～0.8mm 淬火+低温回火 HRC53～60 合金结构钢
20 CrMnTi 钢碳氮共渗层组织 ( 化染 ) 针状M + 残余A ; 混合M + 残余A ; 板条M + 针状M
2.火焰加热表面淬火 1)火焰加热表面淬火的基本方法
2)火焰加热表面淬火的特点:
*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。
二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )
一)定义:将零件置于一定的化学介质中 , 通过 加热、保温,使介质中一种或几种元 素原子渗入工件表层,以改变钢表层 的化学成分和组织的热处理工艺。
固体渗碳法示意图
泥封
盖
渗碳箱
试棒
零件 渗碳剂
气体渗碳法示意图
5)工艺: 加热温度为900～950℃; 渗碳时间一般为3～9小时;
6)渗碳后的组织:
表面
中心
零件
1%C P+Fe3CⅡ P P+F
0.2%C F + P少
20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 )
580
表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体
3.钢的碳氮共渗---氰化处理 ( Carbonitriding of steel )
1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原 子的过程。
2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。
3)方法:
钢的表面热处理
钢的表面热处理
钢的表面热处理是一种常见的工艺，用于改变钢材表面的性质以满足特定的功能要求。
常见的钢表面热处理包括渗碳、淬火、淬灭火、调质等。
1. 渗碳：钢材表面经过高温处理，与碳源（如固体碳或气体）接触，使碳原子渗透到钢材表面，形成高碳含量的渗碳层。
渗碳层可以提高钢材的表面硬度和耐磨性。
2. 淬火：将钢材加热至临界温度以上，然后迅速冷却。
这种快速冷却可以使钢材表面形成马氏体组织，提高钢材的硬度和强度。
淬火还可以改善钢材的耐磨性和韧性。
3. 淬灭火：将淬火后的钢材立即放入温和的液体中（如水或油）进行冷却。
淬灭火可以减缓淬火速度，从而减少残余应力和减少变形。
4. 调质：淬火后的钢材经过再加热，然后放置在适当的温度下保持一段时间，使钢材内部的残留应力得到释放和分散，从而提高钢材的韧性和强度。
钢的表面热处理可以根据具体要求选择不同工艺，以满足钢材的特定性能要求，如硬度、耐磨性、韧性等。
表面热处理
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。
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 → 活性原子从工件表层向内部的扩散
7.3.2、表面化学热处理
一、什么是化学热处理？
钢件和铸铁件
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、钢的渗氮 四、钢的碳氮和氮碳共渗
化学热处理
1）、气体渗碳 ➢ 按热源分为电加热炉和煤气加热炉。 井式气体渗碳炉
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900～950℃(常用
930℃)，向炉内滴入煤油、苯、 甲醇、丙酮等有机液体，在高 煤油
风扇电机
温下分解成CO、CO2、H2及 CH4等气体组成的渗碳气氛。
（3）二次淬火 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。
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
常用钢热处理工艺
常用钢热处理工艺热处理是一种通过改变金属结构来改善其力学性能的方法。
常用钢热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和表面淬火等。
下面对这几种常用钢热处理工艺进行详细介绍。
1. 退火退火是指将钢加热到一定温度，然后缓慢冷却。
退火工艺分为完全退火和等温退火两种。
完全退火是将钢材加热至超过临界温度，然后慢慢降温。
等温退火是将钢材加热至超过临界温度，然后在等温时间内，使钢材的温度均匀，从而使钢材的组织变得均匀，于是提高了钢材的韧性。
2. 正火正火是将钢加热到一定温度，然后快速冷却。
正火一般分为低温正火，中温正火和高温正火三种。
低温正火使钢材的硬度提高，但是韧性降低。
高温正火使钢材的韧性提高，但是硬度降低。
中温正火平衡了钢材的硬度和韧性。
3. 淬火淬火是指将钢加热到超过临界温度，然后快速冷却。
淬火一般分为油淬、水淬和气淬三种。
油淬适用于要求较低的钢材，水淬适用于要求较高的钢材，气淬适用于要求最高的钢材。
淬火后钢材的硬度很高，但是韧性降低，此时需要回火来消除内部应力，提高钢材的韧性。
4. 回火回火是将淬火后的钢在一定温度下加热一段时间，然后由于自然冷却所形成的工艺。
回火分为低温回火和高温回火两种。
低温回火提高了钢材的韧性，但是硬度降低。
高温回火提高了钢材的韧性，但是硬度降低。
5. 表面淬火表面淬火是一种特殊的热处理工艺，用于提高钢材的表面硬度和耐磨性。
表面淬火和淬火不同的是，只在钢材表面进行加热和快速冷却。
这种技术对钢材表面的耐磨性提高很大，但是对钢材硬度的提高不大。
总之，钢材热处理是提高钢材力学性能的重要方法，常用的钢热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和表面淬火等。
选择适当的热处理工艺可以使钢材达到最佳的机械性能。
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2013年“教学质量月优秀教案评选”参评教案
课程：金属材料与热处理 2013—2014学年第一学期教师
教学过
程
教学内容附记
一、组织教学（2分钟）1、点名，稳定学生情绪。
2、分成四个学习小组。
二、复习提问（7分钟）常用的回火方法有哪几种？并分别指出其获得的组织、性
能及适用范围。
参考答案：
1、低温回火（150℃~250℃）：回火马氏体，具有较高的硬
度、耐磨性和一定韧性，主要用于刀具、冷作模具、轴承
零件及其它要求硬而耐磨的零件等。
2、中温回火（350℃~500℃）：回火屈氏体，具有高的弹性
极限、屈服强度和适当的韧性，主要用于弹性零件及热作
模具等。
3、高温回火（500℃~650℃）：回火索氏体，具有良好的综
合力学性能，强度、硬度、塑性和韧性具有良好的配合，
广泛应用于连杆、曲轴、齿轮等承受交变载荷或冲击载荷
的重要零件等。
巩固旧知
识，承接
新知识，
加强知识
的连贯
性。
三、任务提出（6分钟）
右图为活塞销的实物
图。
活塞销通常在冲击载
荷、交变载荷和强烈摩擦条
件下工作，活塞销选用20
钢制造。
试根据其化学成分
和使用性能要求，选择正确
的热处理方法。
鼓励学生
结合生活
实际，积
极思考，
踊跃回
答。
五、相关知识（40分钟）
表面热处理是一种对工件表面进行硬化的热处理方
法，根据硬化机制不同，表面热处理可分为表面淬火和化
学热处理两大类。
（一）表面淬火
1、定义：对工件表层进行淬火的工艺。
2、适用范围：中碳钢和中碳合金钢。
3、分类：
（1）火焰加热表面淬火
特点：用氧—乙炔火焰对
零件表面进行加热，随之快速
冷却的工艺。
加热温度及淬硬层
不易控制，质量不稳定。
应用：适用于单件或小批量
生产。
（2）感应加热表面淬火
特点：利用感应电流通过
工件所产生的热效应，使工件表面局部加热，
然后快速冷却的工艺。
加热速度快，淬硬层深度易于控制，淬火质量
高。
应用：适用于大批量生产。
（二）化学热处理
1、定义：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。
化学热处理不仅改变了钢的组织，而且其表层的化
学成分也发生了改变，因而更能有效地改善零件表层的组
织。
2、化学热处理的过程：
化学热处理是通过以下三个基本过程来完成：
（1）分解介质在一定温度下发生化学分解，产生活
性原子。
提问：为
什么低碳
钢不能进
行表面淬
火？
提示学生
注意：热
处理工艺
中，只有
化学热处
理不仅改
变了组
织，还改
变了化学
成分。