钢的表面淬火和化学热处理

表面热处理是只对工件表层进行热处理以改变其组织和性 能的热处理工艺，其中以表面淬火最为常用。 表面淬火不改变零件表层的化学成分，只改变表层的组 织，并且心部仍保留原来退火、正火或调质状态的组织。其目 的是使工件表层具有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的强度 和韧性。 表面淬火后，一般需进行低温回火，以减少淬火应力和降 低脆性。 工业上常用的表面淬火方法有感应淬火和火焰淬火。 １）感应加热表面淬火 感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应，使 工件表层、局部或整体加热，并快速冷却的淬火工艺，见下图 所示。 当感应线圈中通以交流电时，产生交变磁场，在工件中便 产生相同频率的感应电流，由于工件本身具有电阻，因而集中 于工件表面的电流可使表层迅速加热到淬火温度，而工件的心
部温度仍接近室温。感应加 热后，采用水、乳化液或聚 乙烯醇水溶液喷射淬火（合 金钢浸油），淬火后进行180 -200℃低温回火，以降低淬 火应力，并保持高硬度和高 耐磨性。
感应电流透入工件表层的深度主要取决于交流电频率的高 低；频率越高，淬硬层深度越小。 由于电源频率不同感应加热表面淬火分高频淬火、中频淬 火和工频淬火，此外还有20世纪60年代后发展起来的超音频感 应加热，它的频率为30～40 kHZ，适用硬化层略深于高频且要 求硬化层沿表面均匀分布的零件，例如中、小模数齿轮、链轮、 轴、机床导轨等。 生产中常用的电流频率与淬硬层深度的关系如下表所示：
钢的表面淬火 和化学热处理
王德春
六、钢的表面淬火
表面：硬度高，耐磨
心部：硬度低， 韧性高
在生产中，有很多零件是在磨擦、冲击和交变载荷作用下 工作，要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高， 有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。
表面和心部性能要求不同的零件实例
例如齿轮工作时表面接触应力大，摩擦严重，要求表层高硬 度，而齿轮心部通过轴传递动力、冲击力，即心部要求较高的塑 性和韧性。而低碳钢可满足心部要求，表面要求不能满足；高碳 钢可满足表面要求，心部要求不能满足； 在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法， 都不能满足其要求。 解决这一问题的方法就是钢的表面淬火 （表面热处理）和化学热处理
２）钢的渗氮（氮化） 渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热 处理工艺，又称氮化。 渗氮能使零件获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性以及提 高其耐腐蚀性和疲劳强度。 （１）气体氮化 目前应用最广的是气体渗氮。气体渗氮是将工件置于通有 氨气（NH3）的密闭炉内，加热到500～560℃，氨分解产生的 活性氮离子[N]被工件表面吸收，并逐渐向心部扩散，从而形成 渗氮层。渗氮层的深度一般为0.1～0.6mm。 C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\热处理 录像4（钢的表面热处理与化学热处理）\氮化.rm
感应加热表面淬火种类及应用
名称 频率
淬硬深度 （mm)
适用零件 淬硬层较薄的中、 小型零件，如小模 数齿轮、小的轴
承受较大载荷和磨 损零件，如大模数 齿轮、较大凸轮等 要求硬层深的大型 零件和钢材的穿透 加热，如轧辊、火 车车轮等
高频感应加热
100~500 kHZ
0.5~2.5中频感应加热1 Nhomakorabea10 kHZ
钢的形变热处理、喷丸热处理和冷处理 １、钢的形变热处理 形变热处理是把塑性变形（锻、轧等）和热处理工艺紧密结 合的一种热处理方法。由于它可以使钢同时受到形变强化和相变 强化，因此可以大大提高钢的综合力学性能，另外，它还能大大 简化钢件生产流程，节省能源，因而受到愈来愈广泛的重视。 根据形变温度的高低，可分为中温形变热处理和高温形变热 处理两种。 ２、喷丸处理 喷丸处理是利用高速喷射的沙丸或铁丸，对工件表面进行强 烈的冲击，使其表面发生塑性变形，从而达到强化表面和改变表 面状态的一种工艺方法。喷丸的方法通常有手工操作和机械操作 两种。 喷丸主要目的是清除表面杂质。当较大铁件经过调质以后， 表面会附有厚度不一的氧化层，利用高速的硬质钢丸冲击表面。 可以在到理想的去杂效果。其原理和抛丸差不多。其主要作用是 去除零部件表面残余应力、除锈和提高金属表面的疲劳强度。
渗氮最常用的钢是38CrMoAl，渗氮前应进行调质处理。 因渗氮后表面形成一层坚硬的氮化物，渗氮层硬度高达 1000～1200HV，耐磨性好；渗氮温度低，工件变形小；渗氮层 存在压应力，耐疲劳性好；渗氮层致密，耐蚀性较好。所以， 渗氮主要用于耐磨性和精度要求高的精密零件、承受交变载荷 的重要零件及较高温度下工作的耐磨零件，如精密丝杠、镗床 主轴、汽轮机阀门、高精度传动齿轮、高速柴油机曲轴等。但 渗氮生产周期长，成本高，渗氮层薄而脆，因而不宜承受集中 重载荷。 为克服渗氮工艺时间长、成本高等缺点，出现了碳氮共渗、 离子氮化等新方法。
3、热处理常用加热设备 热处理中常用的加热设备主要有加热炉、测温仪表、冷却设 备和硬度计等。其中加热炉有很多种，常用电阻炉和盐浴炉。 1）电阻炉 电阻炉是利用电流通过电热元件产生的热量来加热工件。根 据加热的温度不同，可分为高温电阻炉、中温电阻炉和低温电阻 炉等。又根据形状不同分为箱式电阻炉和井式电阻炉等多种。这 种炉子的结构简单，操作容易，价格较低，主要用于中、小型零 件的退火、正火、淬火、回火等热处理。其主要缺点是加热易氧 化、脱碳，是一种周期性作业炉，生产率低。 2）盐溶炉 盐浴炉是用熔融盐作为加热介质（即工件放入熔融的盐中 加热）的加热炉。使用较多的是电极式盐浴炉和外热式盐浴炉。 盐浴炉常用的盐为氯化钡、氯化钠、硝酸钾和硝酸钠。由于工件 加热是在熔融盐中进行，与空气隔开，工件的氧化、脱碳少，加 热质量高，且加热速度快而均匀。盐浴炉常用于小型零件及工、 模具的淬火和回火。
（２）离子氮化 离子氮化是将工件放在低于一个大气压的真空容器内，通 入氨气或氮、氢混合气体，以真空容器为阳极，工件为阴极， 在两极间加直流高压，迫使电离后的氮正离子高速冲击工件 （阴极）使其渗入工件表面，并向内扩散形成氮化层。 离子氮化优点是氮化时间短，仅为气体氮化的1/2～ 1/3， 易于控制操作，氮化层质量好，脆性低一些。此外，省电、省 气、无公害。缺点是工件形状复杂或截面相差悬殊时，由于温 度均匀性不够，很难达到同一硬度和渗层深度。 C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\热处理录 像4（钢的表面热处理与化学热处理）\离子氮化.rm
解的有机液体（如煤油、丙酮等），保温一段时间，渗碳气体 或有机液体在高温下分解产生活性碳原子，活性碳原子逐渐滲 入工件表面，并向心部扩散，形成一定深度的渗碳层。渗碳层 深度可通过控制保温时间来达到，一般为0.5～2.5mm。
井式渗碳炉
第1章 机械工程材料
工件渗碳后必须进行淬火和低温回火，最终表层为细小片 状的回火高碳马氏体及少量的渗碳体，这样表面可获得高的硬 度（60～64HRC）、耐磨性及疲劳强度；而心部组织取决于 钢的淬透性，一般低碳钢心部组织为铁素体和珠光体，硬度为 110～150HBS，低合金钢（20CrMnTi钢）通常心部组织为回 火低碳马氏体和少量铁素体，硬度为35～45HRC，具有较高 的强韧性和塑性。 气体渗碳的渗碳层质量高，渗碳过程易于控制，生产率 高，劳动条件好，易于实现机械化和自动化，适于成批或大量 生产。主要用于受磨损和较大冲击载荷的零件，如齿轮、活塞 销、凸轮、轴类等。
七、钢的化学热处理简介 化学热处理是将工件放入一定温度的活性介质中加热并保 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。其特点是既改变工件表面层的组织， 又改变化学成分。它可比表面淬火获得更高的硬度、耐磨性和 疲劳强度，并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗氧化性。 各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的。 1）分解： 由介质中分解出渗入元素的活性原子。 2）吸收：工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种， 即活性原子由钢的表面进入铁的晶格形成固溶体，或与钢中的 某种元素形成化合物。 3）扩散：已被工件表面吸收的原子，在一定温度下，由表面往 里迁移，形成一定厚度的扩散层。 化学热处理的种类很多，最常用的是渗碳、氮化、碳氮共 渗、渗硼、渗铬、渗铝等。
（３）钢的碳氮共渗 分气体碳氮共渗和气体氮碳共渗 ①、气体碳氮共渗 在一定温度下同时将碳、氮渗入工件表层奥氏体中，并以 渗碳为主的化学热处理工艺称碳氮共渗。 由于共渗温度（ 850℃～ 880℃）较高，它是以渗碳为主的 碳氮共渗过程，因此处理后要进行淬火和低温回火。共渗深度 一般为0.3~0.8mm。 气体碳氮共渗所用的钢大多为低碳钢或中碳钢和合金钢。 气体碳氮共渗与渗碳相比，处理温度低且便于直接淬火， 因而变形小，共渗速度快、时间短、生产率高、耐磨性高。 ②、气体氮碳共渗 工件表面渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理，称为 氮碳共渗。常用的共渗温度为560℃～ 570℃，由于共渗温度较 低，共渗1～3h，渗层可达0.03~0.02mm，又称低温碳氮共渗。 与气体氮化相比，渗层硬度较低，故又称软氮化。
3）电接触加热表面淬火 电接触表面淬火可显著提高工件表面的耐磨性和抗擦伤能 力。设备及工艺简单易行，硬化层薄，一般为0.15～0.35mm。 适用于表面形状简单的零件，目前广泛用于机床导轨、汽缸套 等表面淬火。 4）激光加热表面淬火 这种表面淬火方法是用激光束扫描工件表面，使工件表面迅 速加热到钢的临界点以上，而当激光束离开工件表面时，由于 基体金属的大量吸热，使表面获得急速冷却而自淬火，故无需 冷却介质。特点如下： 激光淬火硬化层深度与宽度一般为：深度＜0.75mm，宽度小 于1.2mm。 激光淬火后表层可获得极细马氏体组织，硬度高且耐磨性好。 激光淬火能对形状复杂，特别是某些部位用其它表面淬火方 法极难处理的(如拐角、沟槽、盲孔底部或深孔)工件。
3~10
工频感应加热
50HZ
10~20
感应加热速度极快，时间很短仅为几秒钟，加热淬火有 如下特点： 表面性能好，硬度比普通淬火高2HRC～3HRC。疲劳强度较高， 一般工件可提高20％～30%； 工件表面质量高，不易氧化脱碳，淬火变形小； 淬硬层深度易于控制，操作易于实现机械化、自动化，生产 率高。 感应加热淬火零件的加工工艺路线为： 下料-----锻造-----调质或正火------切削加工----感应加热淬火+低温回火-----精加工-----检验