工艺第10章 钢的表面淬火
材料表面处理技术
操作过程： 工件用汽油或酒精去油后晾干，在渗箱底部撒
5毫米厚的渗剂，垂直放置工件，以减少弯曲变形， 然后填满渗剂(非工作面可用旧渗剂填充，以减少 渗剂用量)，用水玻璃调粘土封箱。出炉或随炉冷 至室温开箱，渗硼后开箱直接淬火即可。渗剂可重 复使用，一般用旧渗剂和硝酸酒精溶液腐蚀后，检
查硼化层厚度及硬度。
电镀和化学镀
化学镀
气相沉积技术
离子注入
堆焊
熔覆技术
件带出和熔盐本身的消耗使熔盐变浅，需不断补充新盐。 （1）仅要求表面耐磨、抗介质腐蚀而对基体无强度要求的
零件为渗铬→空冷→沸水清除粘附残盐。 （2）对基体有一定强度要求的本质细晶粒钢件：渗铬→淬火
(水或油)→在加有缓蚀剂的沸腾的5％硫酸水溶液(以下简称含 酸沸水)中煮去未脱落的残盐→回火。 （3）淬火温度高于渗铬温度的高合金钢：渗铬后随炉升温→ 淬火→含酸沸水煮去残盐→回火。 （4）对基体强度有严格要求的本质粗晶粒钢件，渗铬后要重
含铝共渗及复合渗
钢铁和镍基、钴基等合金渗铝后，能提高抗高温 氧化能力，提高在硫化氢、含硫和氧化钒的高温 燃气介质中的抗腐蚀能力。为了改善铜合金和钛 合金的表面性能，有时也采用渗铝工艺 。
渗铝的方法很多。冶金工业中主要采用粉末法、 热浸、静电喷涂或电泳沉积后再进行热扩散的方 法。
含铬共渗及复合渗
碳素钢和合金钢（包括耐热钢和高温合金）在 渗铬后，可提高耐蚀、耐磨和抗高温氧化性 能。
感应加热 感应加热多数用于工业金属零件表面淬火， 是使工件表面产生一定的感应电流，迅速 加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属 热处理方法。
金属材料与热处理课后习题答案
4、γ—Fe转变为α—Fe时，纯铁体积会（ ）。
A、收缩 B、膨胀 C、不变
四、名词解释
1、晶格与晶包
2、晶粒与晶界
3、单晶体与多晶体
五、简述
1、生产中细化晶粒的常用方法有哪几种为什么要细化晶粒
2、如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸铁晶粒的大小。
（1）金属模浇注与砂型浇注
4、金属的实际结晶温度均低于理论结晶温度。（ ）
5、金属结晶时过冷度越大，结晶后晶粒越粗。（ ）
6、一般说，晶粒越细小，金属材料的力学性能越好。（ ）
7、多晶体中各晶粒的位向是完全相同的。（ ）
8、单晶体具有各向异性的特点。（ ）
9、在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。（ ）
10、同素异构转变过程也遵循晶核形成与晶核长大的规律。（ ）
5、渗碳体的含碳量为（ ）%。
A、 B、 C、
6、珠光体的平均含碳量为（ ）%。
A、 B、 C、
7、共晶白口铸铁的含碳量为（ ）%。
A、 B、 C、
8、铁碳合金共晶转变的温度是（ ）℃。
A、727 B、1148 C、1227
9、含碳量为%的铁碳合金，在室温下的组织为（ ）。
A、珠光体 B、珠光体加铁素体 C、珠光体加二次渗碳体
11、金属材料抵抗 载荷作用而 的能力，称为冲击韧性。
12、填出下列力学性能指标的符号：屈服点 ，抗拉强度 ，洛氏硬度C标尺 ，伸长率 ，断面收缩率 ，冲击韧性 ，疲劳极限 。
二、判断（正确打“√”，错误打“×”，下同）
1、弹性变形能随载荷的去除而消失。（ ）
2、所有金属材料在拉伸试验时都会出现显着的屈服现象。（ ）
钢的化学热处理
3. 渗氮的特点 （1）高硬度和高耐磨性 渗氮： 70HRC 500℃ 渗碳：60~62HRC 200℃ （2）高的疲劳强度 残余压应力 （3）变形小而规律性强 铁素体状态下进行 无需热处理 变形原因只有渗氮层的体积膨胀
（4）较好的抗咬合能力 高硬度 高温硬度 （5）较高的抗蚀性能 ε化合物层（化学稳定性高而且非常致密） 缺点： 处理时间长：生产成本高 渗氮层薄：不能承受太高的接触应力和冲 击载荷，脆性大
3. 硬度法 取样并进行表面处理 垂直于渗碳表面测量维氏硬度（试验力为 9.8N），做出硬度与至表面距离关系曲线， 以硬度大于550HV之层深作为有效渗碳层 深度。 优点：测量便捷、结果精确、设备简单
七．渗碳件的常见缺陷 1. 表面硬度偏低 原因：表面脱碳或出现了非马氏体组织 2. 渗碳层深度不足或不均匀 原因：渗碳温度偏低、渗碳时间过短、炉内 碳势偏 低 不均匀：炉气循环不良或温度不均
（2）二次加热淬火 定义：工件渗碳冷却后两次加热淬火。 淬火温度的选择：一次淬火加热温度一般为心部 成分的Ac3以上，目的是细化心部组织，消除表层 网状碳化物；二次淬火一般加热到Ac1以上，使渗 层获得细小粒状碳化物和隐晶马氏体，以保证获 得高强度和高耐磨性。 缺点：工艺复杂、成本高、效率低，变形大 适用：要求表面高耐磨性和心部高韧性的重要零 件
四．渗氮用钢及渗氮强化机理 1. 38CrMoAl 普通碳钢渗氮后无法获得高硬度高耐磨性 铬、钼、铝合金元素在渗氮时可形成硬度 很高，弥散分布的合金氮化物 38CrMoAl缺点：加工性差；淬火温度较高； 易于脱碳；渗氮后脆性较大
2. 强化机理 氮和合金元素原子在α 相中偏聚，形成混合G.P区， 成盘状，与基体共格，引起较大点阵畸变，从而使 硬度提高。 Fe16 N2 型过渡氮化物析出，也会引起硬度的强 烈提高。
表面淬火定义
表面淬火定义表面淬火是一种金属热处理技术，通过控制金属材料的加热和冷却过程，使其表面形成一层具有较高硬度和耐磨性的淬火层。
这种技术广泛应用于各种机械零件和工具的制造中，能够提高其使用寿命和性能。
表面淬火的过程可以分为加热、保温和冷却三个阶段。
首先，将金属材料加热到适当的温度，以激活材料内部的晶体结构。
然后，通过保温使材料中的晶体结构重新排列，形成一种具有高硬度的相态结构。
最后，通过迅速冷却来固定这种相态结构，使其在表面形成一层淬火层。
表面淬火的关键是控制加热和冷却的速度。
加热温度和时间的选择需要根据金属材料的性质和要求进行调整。
过高的温度和时间可能导致材料内部的晶体结构发生变化，影响淬火效果；过低的温度和时间则无法激活和重组晶体结构。
冷却过程一般采用水、油或盐浴等介质，通过迅速吸热来实现快速冷却。
冷却介质的选择取决于材料的类型和形状。
表面淬火的优点是能够在保持材料的韧性和强度的同时，提高其硬度和耐磨性。
淬火层的硬度一般远高于材料的基体，能够有效抵抗磨损和变形。
因此，表面淬火广泛应用于汽车发动机零件、工具刀具、轴承等高负荷和高磨损的零件制造中。
然而，表面淬火也存在一些局限性和注意事项。
首先，淬火层的深度一般较浅，只有几个毫米左右，对于需要较深淬火层的零件不适用。
其次，淬火过程中会产生应力，可能导致材料的变形和开裂。
因此，在淬火后需要进行适当的回火处理，以减缓应力并提高材料的韧性。
最后，表面淬火的工艺要求较高，需要严格控制加热和冷却的参数，以保证淬火效果的稳定性和一致性。
表面淬火是一种能够提高金属材料硬度和耐磨性的热处理技术。
通过控制加热和冷却的过程，能够在材料表面形成一层具有高硬度的淬火层。
这种技术在机械制造和工具制造中得到广泛应用，能够提高零件的使用寿命和性能。
然而，表面淬火也存在一些局限性和注意事项，需要在实际应用中进行合理选择和控制。
金属工艺学复习题参考答案
《金属工艺学》复习题一、填空题第一章钢铁材料及热处理1. 机械设计时常用屈服点和抗拉强度两种强度指标。
2．金属材料的力学性能主要有强度、硬度、塑性、冲击韧性等。
3．工程上常用的硬度值有布氏硬度和洛氏硬度。
4．Q235A是碳素结构钢，其中“A”的含义是A级，235表示屈服点。
5．45钢是优质碳素结构钢，45表示含碳量为0.45 %。
6．T8钢是碳素工具钢，8表示含碳量为0.8 %。
7．常见的金属晶胞结构有体心立方晶格和面心立方晶格。
8．铁碳合金在室温时的基本组织有铁素体、渗碳体和珠光体三种。
9．珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，其含碳量为0.77 %。
10．奥氏体只在高温时存在，其晶格结构为面心立方晶格，最大含碳量可达2.11 %。
11．钢的热处理一般可分为加热、保温、冷却三个步骤。
12，钢的热处理方法主要有退火、正火、淬火、回火。
13．回火可分为低温回火、中温回火、高温回火三种。
14．生产中常用的调质处理是淬火加高温回火。
15．钢的表面热处理有表面淬火和化学热处理两类。
16． 1Cr18Ni9Ti是不锈钢钢，其碳的质量分数是0.1 %。
17．在Fe-Fe3C相图中，钢与铸铁分界点的含碳量为 2.11 %。
18．QT600-03为球墨铸铁，其中的“600”的含义是抗拉强度为600MPa。
19．HT200为灰口铸铁，其中的“200”的含义是抗拉强度为200MPa。
第二章铸造1．通常把铸造方法分为_砂型铸造和特种铸造两类.2．特种铸造是除砂型铸造以外的其他铸造方法的统称, 如金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造等。
3．制造砂型和芯用的材料，分别称为型砂和芯砂，统称为造型材料。
4．为保证铸件质量，造型材料应有足够的_耐火性_，和一定强度、透气性、退让性等性能。
5．用_芯砂和芯盒制造型芯的过程叫造芯。
6．为填充型腔和冒口儿开设于铸型中的系列通道称为浇注系统，通常由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道组成。
第九章钢的热处理原理第十章钢的热处理工艺课后题答案
第九章钢的热处理原理第十章钢的热处理工艺1,.金属固态相变有哪些主要特征？哪些因素构成相变阻力？答：金属固态相变主要特点：1、不同类型相界面，具有不同界面能和应变能2、新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 3、相变阻力大4、易于形成过渡相5、母相晶体缺陷对相变起促进作用6、原子的扩散速度对固态相变起有显著影响…..阻力：界面能和弹性应变能2、何为奥氏体晶粒度？说明奥氏体晶粒大小对钢的性能的影响。
答：奥氏体晶粒度是指奥氏体晶粒的大小。
金属的晶粒越细小,晶界区所占的比例就越大，晶界数目越多（则晶粒缺陷越多，一般位错运动到晶界处即停），在金属塑变时对位错运动的阻力越大，金属发生塑变的抗力越大，金属的强度和硬度也就越高。
晶粒越细，同一体积内晶粒数越多，塑性变形时变形分散在许多晶粒内进行，变形也会均匀些，虽然多晶体变形具有不均匀性，晶体不同地方的变形程度不同，位错塞积程度不同，位错塞积越严重越容易导致材料的及早破坏，晶粒越细小的话，会使金属的变形更均匀，在材料破坏前可以进行更多的塑性变形，断裂前可以承受较大的变形，塑性韧性也越好。
所以细晶粒金属不仅强度高，硬度高，而且在塑性变形过程中塑性也较好。
3..珠光体形成时钢中碳的扩散情况及片,粒状珠光体的形成过程?4、试比较贝氏体转变、珠光体转变和马氏体转变的异同。
答：从以下几个方面论述：形成温度、相变过程及领先相、转变时的共格性、转变时的点阵切变、转变时的扩散性、转变时碳原子扩散的大约距离、合金元素的分布、等温转变的完全性、转变产物的组织、转变产物的硬度几方面论述。
试比较贝氏体转变与珠光体转变的异同点。
对比项目珠光体贝氏体形成温度高温区（A1以下）中温区（Bs以下）转变过程形核长大形核长大领先相渗碳体铁素体转变共格性、浮凸效应无有共格、表面浮凸转变点阵切变无有转变时扩散Fe、C均扩散Fe不扩散、C均扩散转变合金分布通过扩散重新分布不扩散等温转变完全性可以不一定转变组织α+Fe3C α+Fe3C （上贝氏体）α+ε—Fe3C（下贝氏体）转变产物硬度低中5..珠光体、贝氏体、马氏体的特征、性能特点是什么？片状P体，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好；粒状P体，Fe3C颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。
热处理工艺
３、不完全退火： 亚共析钢在Ａc１～Ac3之间或过共析钢在Ａc１～
4、球化退火：是使钢中的碳化物球化，获 得粒状珠光体的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ种热处理工艺。
用途：主要应用于共析钢、过共析钢和高碳合金工具钢。 目的：降低硬度、均匀组织、改善切削加工性能，为淬 火做准备。 工艺参数： 加热温度：Ａc1＋20～30℃；过高-过低过共析钢球化退火后的组织：铁素体和球状渗碳体的混 合物，叫做球状珠光体或粒状珠光体，用P粒表示； 加热时间：一般为2～4小时或按公式计算 冷却速度：炉冷或Ar1以下〒20℃长时间等温，600 ℃ Q 8 .5 以后出炉空冷。 4
二、钢的正火（正常化或常化）
１、定义：是指将钢加热到Ａc3（或ＡCcm）以上约 30~50℃，保温，完全Ａ化后，从炉中取出空冷以得 到珠光体类型组织的热处理工艺，称为正火。 ２、应用： ①改善切削加工性能：预备热处理 （含碳低于0.25%的---HB140-190）低碳钢 ②消除热加工缺陷，为淬火做组织准备：（中碳结构钢 铸、锻、轧件、焊接件的魏氏组织、粗大晶粒、带状 组织） ③消除过共析钢中的Fe3CⅡ，有利于球化退火的进行 （抑制二次碳化物的析出，获得伪共析体。） ④提高普通结构件的机械性能：作为最终热处理，代替 调质处理，力学性能要求不高的 中低碳钢和中低合金钢件
过共析钢的室温平衡组织为： P+Fe3CⅡ，不 仅硬度高，而且增大了钢的脆性，所以切削加 工困难，淬火时易变形、开裂；； 加热温度为Ac1以上20~30℃，在A中保留大 量的未溶渗碳体质点，并造成A的碳浓度分布 不均匀，在随后的缓冷过程中，或以原有的渗 碳体质点为核心，或在A富碳区产生新的核心， 均匀的形成颗粒状渗碳体； 球化退火前，若二次渗碳体网较厚，可先正火。
表面淬火
3、高频感应加热表面淬火后的组织和性能
快速加热时钢的相变特点
1）临界温度升高，转变在较宽的温度范围内完成 2）奥氏体晶粒较细 3）奥氏体成分不均匀
ρ—工件电阻率 μ——工件的相对导磁率 f——电流频率 可见： 1）f愈高， δ小，淬硬层深度越浅。 2） ρ愈大， μ愈小，δ越大。
工频：50Hz，功率密度0.1～100W/cm2； 中频：＜10kHz，功率密度＜ 5 W/cm2；
3.3、表面淬火
3.3 、表面淬火 3.3、表面淬火
• 要点：用快速加热法，使零件表面层很快地达到淬火温 度（A化），在热量传至内部之前，立即冷却使表 面层淬硬。 • 材料：中碳钢及中碳合金钢，如40、45、40Cr。 感应加热 • 分类（加热方法） 火焰加热 激光加热
（一）感应加热表面淬火
感应加热表面淬火示意图
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集肤效应示意图
表面淬火的发展
感应淬火原
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金属热处理工艺 , SMSE,CUMT
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返
回
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2、分类（按电源频率）
预处理： 表面淬火前，须对零件进行正火或调质处理，以保证 零件心部具有良好的综合性能。 硬化层深度的确定： 抗磨损：1～6.5mm 抗疲劳：2～12mm 感应加热淬火温度 由于感应加热速度快，但组织转变又具有热滞后，为使组织 转变充分，所以感应加热温度应比常规加热温度提高30～50℃。 后处理： 表面淬火后，一般要对零件进行低温（160～200 ℃）回火 处理，以降低淬火应力和脆性。
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一、表面淬火的目的、分类及应用 二、表面淬火工艺原理
三、表面淬火方法
钢的表面热处理
一、表面淬火的目的、分类及应用
定义：表面淬火是指被处理工件在表面有限深度范围内 加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范 围内达到淬火目的。 目的：表层为马氏体，心部为淬火前组织（调质或正火 状态）。表层硬度高，心部韧性好。 表面淬火是强化金属材料表面的重要手段之一。
这里所以出现马氏体加珠光体区，因快速加热时 淬火加热时沿截面温度的分布有关。 奥氏体是在一个温度区间、井非在一个恒定温度 形成的，其界限相当于沿截面温度曲线的奥氏体 原始组织为退火状态的共析钢： 介始形成温度及奥氏体形成终了温度。
淬火以后金相组织自表面向心部应分为三区，马氏体区 (M) 原始组织为正火状态的45钢： 较复杂，如果采用的是淬火烈度很大的淬火介质，淬火后其
大电流） 4、电解液加热表面淬火
5、激光加热表面淬火
6、电子束（等离子）加热表面淬火 钢的表面热处理
表面淬火的应用：
表面淬火主要应用于中碳调质钢或球铁件；
高碳钢表面淬火后由于心部塑、韧性低，应用较少； 低碳钢表面淬火后强化效果不明显，很少应用。
钢的表面热处理
二、表面淬火工艺原理
1、钢在非平衡加热时的相变特点
(包括残余奥氏体)＋马氏体加珠光体 (M十P)＋珠光体 (P)区。
金相组织自表面向中心可分为四区，马氏体区(M)＋马氏体加铁
素体(M+F）＋马氏体加铁素体加珠光体区＋珠光体加铁素体。
钢的表面热处理
原始组织为调质状态45钢
由于回火索氏体为粒状渗碳体均匀分
布在铁素体基体上的均匀组织，淬火组织 也较均匀。 Ac1-Ac3温度区的淬火组织中，未溶铁素 体分布比较均匀； Ac1-至相当于调质回火温度区（C 区），由于其温度高于原调质回火温度而 又低于临界点，因此将发生进一步回火现 象。表面淬火将导致这一区域硬度下降。
余压应力。
钢的表面热处理
三、表面淬火方法
1、感应加热表面淬火 定义：利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热， 然后快速冷却，获得马氏体组织的工艺。 原理：利用电磁感应原理，使工件表面产生感应电流（集肤效应）。 钢本身具有电阻，产生热效应，加热工件表面，而后冷却，实现表面淬火。 分类：高频加热淬火（100～500kHz）
表面淬火可提高硬度、耐磨性，与心部组织相配合，获
得强韧性、高疲劳强度。
钢的表面热处理
分类：
表面淬火的加热能量密度极高，因此，表面淬火常以供 给表面能量的形式不同而命名及分类。目前表面淬火可以分 成以下几类： 1、感应加热表面淬火 2、火焰加热表面淬火
3、电接触加热表面淬火－利用电阻发热进行加热（低电压
表面淬火时的能量密度很高，钢处于非平衡加热，钢在非
平衡加热时有如下特点： 1）在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高；
2）奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大；
3）提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒； 4）快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响。
钢的表面热处理
2、表面淬火的金相组织 钢件经表面淬火后的金相组织与钢种、淬火前的原始组织及
一般分为三个部分。（1）内层。带蓝色，因供氧不足，燃烧不 完全，温度最低，有还原作用。称内焰或还原焰。（2）中层。 明亮。温度比内层高。（3）外层。无色。因供氧充足，燃烧完 全，温度最高，有氧化作用。称外焰或氧化焰。 或分为焰心、内焰和外焰，火焰温度由内向外依次增高。（1） 焰心。中心的黑暗部分，由能燃烧而还未燃烧的气体所组成。 （2）内焰。包围焰心的最明亮部分，是气体未完全燃烧的部分。 含着碳粒子，被烧热发出强光，并有还原作用，也称还原焰。 （3）外焰。最外面几乎无光的部分，是气体完全燃烧的部分。 含着过量而强热的空气，有氧化作用，也称氧化焰。
中频加热淬火（500～10000Hz）
工频加热淬火（50Hz）
500 ~ 600 f
(m)
钢的表面热处理
快速灵活的感应加热表面淬火
钢的表面热处理
工艺：
●设备频率的选择 主要根据硬化层深度来选择。 2500
2 ●比功率的选择（工件单位表面所吸收的电功率）
f
频率一定时，要求硬化层深，比功率要小；
钢的表面热处理
火焰结构及其特性：
火焰分三区：焰心、还原区及全
燃区。其中还原区温度最高。 火焰淬火可用下列混合气体作 为燃料。 煤气和氧气（1：0.6） 天然气和氧气（1：1.2至1：2.3） 丙烷和氧气（1：4至1：5） （温度最低，2650℃）
乙炔和氧气（1：1至1：1.5）
（温度最高，3100℃） 钢的表面热处理
钢的表面热处理
感应加热表面淬火的特点：
●由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间内达到相变 临界点以上，而心部仍处于相变点以下。淬火后，由表及里为马氏 体、马氏体＋铁素体＋屈氏体、铁素体＋珠光体＋索氏体组织； ●工件表面为细小的隐晶马氏体组织，硬度较普通淬火高 （HRC2～3），脆性低，疲劳强度高，耐磨性高； ●不易氧化和脱碳，变形小； ●淬火层深度易于控制，易实现机械化和自动化。 缺点：设备费用昂贵，维修困难，形状复杂的感应器不易制 造，不适用单件生产。
钢的表面热处理
3、表面淬火后的性能
1）表面硬度
快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。与加热温 度及加热速度有关，快速加热时奥氏体成分不均匀性、奥氏体晶粒及亚结构 细化。 2）耐磨性 快速表面淬火的耐磨性优于普通淬火的。与其奥氏体晶粒细化、奥氏 体成分的不均匀，表面硬度较高及表面压应力状态等因素有关。 3）疲劳强度 表面淬火可显著提高零件的抗疲劳性能。 原因：除与表层本身的强度增高外，主要是因为在表层形成很大的残
钢的表面热处理
2、火焰加热表面淬火
定义：用气体燃烧的火焰在工件表面上若干尺寸范围
内加热，达到淬火温度后立即冷却，从而得到预期的硬 度和淬硬层深度（2～6mm）的工艺。 优点：设备简单、使用方便、成本低； 不受工件体积大小的限制，可灵活使用； 淬火后表面清洁，无氧化、脱碳形象，变形小。 缺点：表面容易过热； 较难得到小于2mm的淬硬层深度。
相同硬化层深度时，频率较高，比功率要小，频率
较低，比功率要大。
钢的表面热处理
●冷却方式和冷却介质的选择
喷射冷却法
浸液冷却法 埋油淬火法
对细、薄工件或合金钢齿轮，为减小变形、开裂，可将感应器与工
件同时放入油槽中加热，断电后冷却。 回火工艺 感应加热后一般只进行低温回火，以降低残余应力和脆性，而又 不降低硬度。 炉中回火： 150～180℃，1～2h；自回火