低碳合金钢表面热处理技术
渗碳工艺介绍
渗碳定义渗碳是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分. 相似的还有低温渗氮处理。
这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。
简介渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。
也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25％)。
渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。
工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。
渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。
渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。
最早是用固体渗碳介质渗碳。
液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。
美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。
30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。
60年代高温(960～1100℃)气体渗碳得到发展。
至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。
原理渗碳与其他化学热处理一样﹐也包含3个基本过程。
①分解：渗碳介质的分解产生活性碳原子。
②吸附：活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。
③扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。
碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。
渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小於0.25％)。
渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。
工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。
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。
钢铁材料的热处理介绍
(1)高温回火
将淬火后的钢件加热到500～650ºC，经过保温以后冷却,主要用于要求高强度、高韧性的重要结构零件，如主轴、曲轴、凸轮、齿轮和连杆等
使钢件获得较好的综合力学性能，即较高的强度和韧性及足够的硬度，消除钢件因淬火而产生的内应力
5．调质
将淬火后的钢件进行高温(500～600ºC)回火多用于重要的结构零件，如轴类、齿轮、连杆等调质一般是在粗加工之后进行的
7．化学热处理
将钢件放到含有某些活性原子(如碳、氮、铬等)的化学介质中，通过加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些原子渗入到钢件的表层，从而达到改变钢件表层的化学成分，使钢件表层具有某种特殊的性能
化
学
热
处
理
(1)钢渗的碳
将碳原子渗入钢件表层
常用于耐磨并受冲击的零件，如:轮、齿轮、轴、活塞销等
使表面具有高的硬度(HRC60～65)和耐磨性，而中心仍保持高的韧性
细化晶粒，均匀组织，降低硬度，充分消除内应力完全退火适用于含碳量(质量分数)在O．8％以下的锻件或铸钢件
(2)球化退火
将钢件加热到临界温度以上20～30ºC，经过保温以后，缓慢冷却至500℃以下再出炉空冷
降低钢的硬度，改善切削性能，并为以后淬火作好准备，以减少淬火后变形和开裂,球化退火适用于含碳量(质量分数)大于O．8％的碳素钢和合金工具钢
①改善组织结构和切削加工性能
②对机械性能要求不高的零件，常用正火作为最终热处理
③消除内应力
3．淬火
将钢件加热到淬火温度，保温一段时间，然后在水、盐水或油(个别材料在空气中)中急速冷却
①使钢件获得较高的硬度和耐磨性
②使钢件在回火以后得到某种特殊性能，如较高的强度、弹性和韧性等
合金钢及其热处理工艺
合金钢及热处理工艺第一篇结构钢各类结构钢的含碳量及热处理方法第一节调质钢调质钢分低淬透性调质钢中淬透性调质钢高淬透性调质钢一、低淬透性调质钢油淬临界直径最大为30~40mm，合金元素种类少，总含量不大于2.5%，常用的有铬钢、锰钢、铬硅钢和含硼钢。
如30Cr、35Cr、40Cr、45Cr、30Mn2、35Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn2、42Mn2V、40MnB等（一）40Cr过热倾向不大，淬火性较好，回火稳定性较高，经调质后能获得较高的综合机械性能。
因此它是应用最广的调质钢之一。
40Cr有两种加工路线；1）硬度较高（HB341~451）锻造-正火（退火）-加工-调质2）硬度较低（HB255~285）锻造-调质-加工调质前是否进行正火或退火，关键在于锻造的掌握上，掌握得好，可以从略。
淬火温度水淬830~850℃；油淬850~870℃。
40Cr也可以制造经表面硬化处理的零件，如气体碳氮共渗，感应加热。
（二）45Mn2能促进钢的晶粒长大，显著提高钢的淬透性，45Mn2有较敏感的回火脆性，高温回火后要快冷（水或油中冷却）。
淬火温度810~840℃，油淬。
（三）硅锰钢硅全部溶入铁素体，固溶强化效果显著，但含量过多（＞2%）将会较多地降低塑性和韧性。
硅能提高淬透性，单一不明显，与锰或铬复合加入，效果显著。
但与锰或铬共存，回火脆性敏感。
此外，含硅的钢易产生脱碳现象。
常用的有35SiMn和42SiMn，它们既没有锰钢那样容易过热，也没有硅钢那样容易脱碳，但高温回火后必须快冷。
（四）含硼调质钢硼突出的作用是提高淬透性，并且加入量很少（0.0005~0.001%）时就效果显著,当有效硼在0.001%以下时,淬透性随含硼量增加增加,当超过0.001%,淬透性保持不变,超过0.003%,冲击韧性下降,即”硼脆”超过0.007%引起热脆性,增加热加工困难.含硼量一般都控制在0.0005~0.0035%,可代替1.6%Ni、0.3%Cr、0.2%Mo、0.2~0.7%Mn 的作用.微量硼对钢的过热倾向与回火脆性倾向略有增大的作用,而对回火稳定性则无影响.在淬火冷却时，硼有促进未淬透部分出现针状铁素体的作用，使钢的韧性降低，40MnB锻造后，为改善组织，提高切削性，进行预先热处理，通常采用正火，而不是退火，以防止硼相析出造成硼脆。
20CrMnTi热处理工艺
20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺1. 前言1.1 20CrMnTi 钢概述20CrMnTi 是低碳合金钢，该钢具有较高的机械性能，零件表面渗碳 0.7-1.1mm 。
在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC ，心部硬度为30-45HRC 。
20CrMnTi 的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。
此外，20CrMnTi 还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直 接降温淬火。
且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。
适合于制造 承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi 钢是比较合适的。
经过910-940℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能 的抗拉强度³1100Mpa 、屈服强度³850Mpa 、延伸率³10％、断面收缩率³45％， 冲击韧性³680，硬度为58-62HRC 。
20CrMnTi 合金成分表1.1 C Si Mn Cr S P Ni Cu Ti0.17～0.230.17～0.370.80～1.101.00～1.30£0.035£0.035£0.030£0.0300.04～0.101.2 20CrMnTi 泵体齿轮的的工艺流程：1.3 20CrMnTi 钢常见的热处理工艺表1.2 20CrMnTi 钢常见的热处理工艺表热处理工艺 工艺参数硬度要求工艺特点完全退火加热860~880℃，保温，炉 冷£217HB S消除残余应力，降低硬度正火加热920~950℃，保温，空 冷156~2 07HBS 加热温度在Ac3825℃线之上，细化晶 粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少 量铁素体组织淬火 加热860~900℃，保温，油 冷 48~54 HRC 淬火温度高，淬透性中等，变形较大， 硬度不高，耐磨性差回火加热500~650℃，保温2h ， 油冷30~36HRC 回火索氏体组织下料 锻造 正火清洗淬火回火加工渗碳包装清洗检验气体渗碳加热900~920℃，以0.15~0.2mm/h计保温时间加热温度不超过920℃，以避免晶粒长大渗碳后淬火与回火淬火：加热820~850℃，保温后油冷60~63HRC心部保持良好韧性的同时，表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性回火：加热180~200℃，保温2h，空冷表：56~62HRC心：35~40HRC气体碳氮共渗共渗温度840~860℃，出炉油冷60~65HRC心部保持良好韧性的同时，表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性回火温度160~180℃，出炉空冷表：58~62HRC心：35~40HRC固体渗硼渗硼温度900℃，保温4h，油冷(渗硼剂：85%SiC+10%B4C+5%KBF4) 。
低碳合金钢铸件热处理调质工艺
低碳合金钢铸件热处理调质工艺材料：34CrNiMo热处理进度---------时间记录曲线淬火（℃） 温度（℃）0 时间（t ） 0 时间（t ）工艺针对紫圣（TDS 4090-38513）标准 1、装炉时：核对委托单位物流号、图件号、工件编号，工件与工件之间相互留有20～30mm 间隙。
2、工件允许叠装，上层与下层之间要有20～30mm 间隙。
3、同一批次编号装一炉，一炉装不下装两炉，以此类推，做好记号，同时，现场拍照备案。
4、对大件有效尺寸≥300mm 时，升温到600℃～650℃时根据工件形状需作1～3h 停留均热。
5、调质工件合格后，装盘按原顺序编号，待运。
材料：42CrMo Ø80热处理进度---------时间记录曲线淬火（℃） 温度（℃）0 时间（t ） 0 时间（t ）工艺针对紫圣（TDS 4090-38508e ）标准 6、装炉时：核对委托单位物流号、图件号、工件编号，工件与工件之间相互留有20～30mm 间隙。
7、工件允许叠装，上层与下层之间要有20～30mm 间隙。
8、同一批次编号装一炉，一炉装不下装两炉，以此类推，做好记号，同时，现场拍照备案。
9、对大件有效尺寸≥300mm 时，升温到600℃～650℃时根据工件形状需作1～3h 停留均热。
10、调质工件合格后，装盘按原顺序编号，待运。
材料：42CrMo Ø180热处理进度---------时间记录曲线淬火（℃） 温度（℃）0 时间（t ） 0 时间（t ）工艺针对紫圣（TDS 4090-38508e ）标准 11、装炉时：核对委托单位物流号、图件号、工件编号，工件与工件之间相互留有20～30mm 间隙。
12、工件允许叠装，上层与下层之间要有20～30mm 间隙。
13、同一批次编号装一炉，一炉装不下装两炉，以此类推，做好记号，同时，现场拍照备案。
14、对大件有效尺寸≥300mm 时，升温到600℃～650℃时根据工件形状需作1～3h 停留均热。
表面渗碳处理工艺
表面渗碳处理工艺渗碳与渗氮一般是指钢的表面化学热处理渗碳必须用低碳钢或低碳合金钢。
可分为固体、液体、气体渗碳三种。
应用较广泛的气体渗碳，加热温度900-950℃。
渗碳深度主要取决于保温时间，一般按每小时0.2-0.25mm估算。
表面含碳量可达百分之0.85-1.05。
渗碳后必须热处理，常用淬火后低温回火。
得到表面高硬度心部高韧性的耐磨抗冲击零件。
渗氮应用最广泛的气体渗氮，加热温度500-600℃。
氮原子与钢的表面中的铝、铬、钼形成氮化物，一般深度为0.1-0.6mm，氮化层不用淬火即可得到很高的硬度，这种性能可维持到600-650℃。
工件变形小，可防止水、蒸气、碱性溶液的腐蚀。
但生产周期长，成本高，氮化层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。
主要用来处理重要和复杂的精密零件。
涂层、镀膜是物理的方法。
“渗”是化学变化，本质不同。
钢的渗碳---就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900--950℃)，使活性碳原子渗入钢的表面，以获得高碳的渗层组织。
随后经淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力，而心部仍保持足够的强度和韧性。
渗碳钢的化学成分特点1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内，对于重载的渗碳体，可以提高到0.25--0.30％，以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。
但含碳量不能太低，否则就不能保证一定的强度。
2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性，细化晶粒，强化固溶体，影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。
在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。
常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类1)碳素渗碳钢中，用得最多的是15和20钢，它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。
但由于淬透性较低，只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件，如轴套、链条等。
2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。
20CrMnTi热处理工艺
20CrMnTi热处理⼯艺20CrMnTi 齿轮钢的热处理⼯艺1. 前⾔1.1 20CrMnTi 钢概述20CrMnTi 是低碳合⾦钢，该钢具有较⾼的机械性能，零件表⾯渗碳 0.7-1.1mm 。
在渗碳淬⽕低温回⽕后，表⾯硬度为58-62HRC ，⼼部硬度为30-45HRC 。
20CrMnTi 的⼯艺性能较好，锻造后以正⽕来改善其切削加⼯性。
此外，20CrMnTi 还具有较好的淬透性，由于合⾦元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬⽕。
且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬⽕后变形⼩。
适合于制造承受⾼速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的⼯作条件选⽤20CrMnTi 钢是⽐较合适的。
经过910-940℃渗碳，870℃淬⽕，180-200℃回⽕后机械性能的抗拉强度31100Mpa 、屈服强度3850Mpa 、延伸率310％、断⾯收缩率345％，冲击韧性3680，硬度为58-62HRC 。
1.2 20CrMnTi 泵体齿轮的的⼯艺流程：1.3 20CrMnTi 钢常见的热处理⼯艺下料锻造正⽕清洗淬⽕回⽕加⼯渗碳包装清洗检验1.4 20CrMnTi 钢的相变点/℃1.5 热处理的总⼯艺曲线热处理总⼯艺曲线2. 20CrMnTi 齿轮正⽕处理⼯艺2.1 正⽕⽬的细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+铁素体组织。
并使加⼯硬度适中，有利于切削。
2.2 正⽕设备选⽤RX3箱式电炉参数见表 2.12.3 正⽕温度20CrMnTi 钢AC3约为825℃，为促使奥⽒体均匀化，增⼤过冷奥⽒体稳定性，选择的加热温度在930~950 ℃。
2.4 加热⽅法采⽤到温加热的⽅法，是指当炉温加热到指定温度时，再将⼯件装进热处理炉进⾏加热。
这样做的原因是避免⾦属组织的出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间。
便于⼩批量⽣产。
2.5 加热介质加热介质为空⽓。
2.6 保温时间选定的依据：加热时间可按下列公式进⾏计算：t =a ×K ×D , 式中t 为加热时间（min ），K 为反映装炉时的修正系数，可根据表 2.2取K 为1.4。
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低碳钢及低碳合金钢表面热处理技术
椐统计，机械产品中80%以上零件的报废是由于表面失效造成的，而真正因材料整体强度不足产生断裂或变形的零件失效所占的比例很小（事实上，许多零件发生破裂，其裂纹也首先是从表面产生的）。
因此，提高材料表面耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性能及强度，是延长
零部件使用寿命、合理配置性能、保证系统稳定性的关键。
因此，表面热处理技术，得到了人们的极大关注，发展很快，对各类构件的性能的提高发挥着越来越重要的作用。
渗层深度一般为0.1~1.5mm，属中等深度，主要用于表面硬化。
表层组织为（马氏体+碳化物+残留奥氏体），表层应力状态为高残余压应力。
经淬火后，表面硬度可达58~65HRC，心部硬度一般为30HRC 左右，具有良好的耐磨性，有好的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、抗粘着咬合能力及较高冲击韧性。
热处理变形倾向较大，但不易开裂。
本工艺适用钢材为低碳钢和低碳合金钢，如15、20、12CeNi3、20Cr2Ni4、20Cr、15CrMo、20CrMo、20CrMnTi等及铁基粉末冶金材料，主要用于表面要求耐磨、耐疲劳，而心部韧性好的重载荷零件。
本工艺所用钢材成本较低或中等，设备投资较高。
本工艺渗层较浅，一般为0.1~1.0mm，大多用于表面硬化。
表层组织为（碳氮化合物+含氮马氏体+残留奥氏体），表层为高残余压应力状态。
淬火后，表面硬度达60~65HRC，耐磨性较高，有良好的接触疲劳强度和良好的弯曲疲劳强度及好的抗咬合能力和好的冲击韧性。
热处理变形倾向及开裂倾向同渗碳淬火工艺。
本工艺适用钢材为低
碳钢、低碳合金钢、中碳合金钢及铁基粉末冶金材料，如中碳合金钢40Cr、35CrMo、42CrMo等，低碳钢、低碳合金钢及铁基粉末冶金材料同渗碳淬火。
主要用于表面要求耐磨、耐疲劳，而心部韧性好的中载荷零件。
本工艺渗层较薄，一般为0.1~0.4mm，主要用于表面硬化。
表层组织为（氮碳化合物+含氮固溶体），表层为高残余压应力状态。
渗氮后，表面硬度一般为800~1200HV（63~71HRC），耐磨性很高，同时具有良好的接触疲劳强度、良好的弯曲疲劳强度、良好的抗咬合能力及较好的冲击韧性。
氮化处理变形倾向及开裂倾向很小。
渗氮后的零件，一般不再进行加工。
特殊情况下，只能进行加工量很小的精磨。
本工艺适用材料为中碳合金渗氮钢及球墨铸铁，如38CrMoAl、3Cr13、35CrMo、42CrMo、20CrMnTiT、QT600-3等。
主要用于表面耐磨性要求很高的重要零件。
渗层的化合物层一般为0.005~0.020mm，主要用于表面硬化。
表面硬化层组织为（表面碳氮化合物层+内部氮扩散层），表面为高残余压应力状态。
氮碳共渗后，表面硬度一般为500~800HV（50~63HRC），耐磨性较高，接触疲劳强度和弯曲疲劳强度较好，抗咬合能力最好。
氮碳共渗处理变形倾向及开裂倾向很小。
氮碳共渗处理，一般都是最后工序，不允许再经加工。
根据选用频率不同，硬化层范围为0.8~50mm，主要用于表面硬化。
表面组织为马氏体，表层为高的残余压应力状态。
表面硬度可达55~65HRC，具有高的耐磨性，好的接触疲劳强度，好的弯曲疲劳强度和较好的抗咬合能力。
变形及开裂倾向较小。
感应淬火后，一般都要经过磨削加工。
火焰淬火的表面硬化
层一般在1~12mm，主要用于表面硬化。
表层组织为淬火马氏体，表层为高的压应力状态。
表面硬度可达55~63HRC，表面耐磨性高，具有好的接触疲劳强度，好的弯曲疲劳强度和较好的抗咬合能力。
淬火变形及开裂倾向较小。
火焰淬火后，一般都要经过磨削加工。
本工艺适用材料为中碳钢或中碳合金钢。
主要用于表面要求耐磨的零件。