热处理与表层改性工艺对零件性能的影响
45钢的热处理及表层改性
1 序言45钢是应用最广泛的钢种之一，几乎所有的热处理工作者都和它打过交道，大多数同仁认为45钢是很难缠的“对手”，水淬易裂，油淬不硬。
该钢主要用于制造各种锻件，大锻件在正火状态下使用，也可调质；小锻件基本施以调质。
根据需要，淬火后也可低温或中温回火。
随着国民经济的发展和外向型经济的需求，45钢不仅用来制造工程上的各种构件，而且可以制造低档模具，以及慢速切削丝锥、板牙等刀具，还可以用来制造钢丝钳、扳手、起子、榔头等各种五金工具，以及各种园林工具和农机工具。
以下简介45钢热处理工艺及表层改性方面的工艺，供业界同仁参考。
2 45钢的化学成分、热处理临界点及通用工艺45钢的化学成分见表1，热处理临界点见表2。
表1 45钢的化学成分（质量分数）（%）C Si Mn S P Cr Ni Cu0.42~0.500.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.035≤0.25≤0.30≤0.25表2 45钢的热处理临界点（℃）Ac1Ac3Ar1Ms72478075130045钢的通用热处理工艺如下：1）毛坯软化处理：740~760℃×4~6h，以50~100℃/h的冷却速度，炉冷至600℃出炉空冷。
2）正火：850~870℃加热，出炉后空冷。
3）调质：840~860℃加热淬火，450~550℃回火。
4）淬火+回火：820~840℃加热淬火，根据实际情况，选择合适的冷却剂；回火工艺根据工件要求的力学性能而定。
3 45钢的沸水淬火45钢的淬透性较差，自来水冷却时的临界淬火直径为10~15mm，盐水冷却时也不超过25mm。
工件尺寸若超过临界淬火直径，则调质效果差，尺寸越大效果越差。
因此，45钢的大截面工件调质处理，沿截面不会得到均匀的组织，达不到调质的效果。
为了改善这一状况，一般采用提高加热温度或选用剧烈的冷却介质，前者会引起氧化脱碳，且能耗大，后者易引起变形开裂。
因此，对于超过临界直径淬火的工件，往往采用正火作为最终处理，但正火除冷却速度较慢外，冷却速度还要受到环境、气温、温度的影响，使硬度无法控制，正火的质量难以保证。
表面改性技术
1。
3.3表面改性技术1.喷丸强化：它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成。
喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸校形、喷丸强化等。
其中喷丸强化不同于一般的喷丸工艺,它要求喷丸过程中严格控制工艺参数,使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力,从而大幅度地提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。
2.表面热处理：它是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。
主要方法有感应加热淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火、脉冲加热淬火、激光热处理和电子束加热处理等。
3。
化学热处理：它是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。
按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等等。
渗入元素介质可以是固体、液体和气体，但都要经过介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应（或表面反应)和工件中扩散四个过程，具体方法有许多种。
4。
等离子扩渗处理（PDT）：又称离子轰击热处理，是指在通常大气压力下的特定气氛中利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行热处理的工艺。
常见的有离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗等,尤以离子渗氮最普遍。
等离子扩渗的优点是渗剂简单，无公害，渗层较深，脆性较小，工件变形小,对钢铁材料适用面广，工作周期短.5。
激光表面处理：它是主要利用激光的高亮度、高方向性和高单色性的三大特点,对材料表面进行各种处理，显著改善其组织结构和性能。
设备一般由激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统、软件编程系统等构成。
主要工艺有激光相变非晶化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化。
6。
电子束表面处理：通常由电子枪阴极灯丝加热后发射带负电的高能电子流,通过一个环状的阳极，经加速射向工件表面使其产生相变硬化，熔覆和合金化等作用，淬火后可获细晶组织等。
表面改性技术
5
（二）喷丸表面形变强化工艺及应用
1、喷丸材料
铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液 体喷丸介质 黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷 丸 有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸
2、喷丸强化用的设备
按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。 （1）机械离心式喷丸机 功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。 适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。
此涡流能将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布 由表面至心部呈指数规律衰减。因此涡流主要分布在工件表面，工件 内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肤效应。
感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到 淬火温度的。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或 浸水冷却，实现表面淬火工艺。
⑥ 生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度易于控制，适 于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛的应用。 缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。
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2. 感应加热表面淬火原理
图 感应加热表面淬火原理图
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当感应圈中通过一定频率交流电时，在其内外将产生与电流变化频率 相同的交变磁场。将工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内 就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。感应电流沿工件 表面形成封闭回路，通常称之为涡流。
得微细的马氏体组织，提高零件的表面硬度和耐磨性，
零件心部未发生相变。
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表面淬火工艺主要有：
感应加热表面淬火、脉冲表面淬火、火焰加热表面 淬火、接触电阻加热表面淬火、浴炉加热表面淬火、 电解液加热表面淬火及表面保护加热处理等。
钢的热处理及其对组织和性能的影响
钢的热处理及其对组织和性能的影响一、实验目的1．熟悉钢的几种基本热处理操作（退火、正火、淬火及回火）；2．研究加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能的影响；3．观察和研究碳素钢经不同形式热处理后显微组织的特点；4．了解材料硬度的测定方法，学会正确使用硬度计。
二、实验概述钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。
普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。
加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。
正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。
1.加热温度选择（1）退火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(20～30)℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至A C1＋(20～30)℃（球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。
（2）正火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃；过共析钢加热至A Cm＋(30～50)℃，即加热到奥氏体单相区。
退火和正火加热温度范围选择见图3-1。
图1 退火和正火的加热温度范围图2 淬火的加热温度范围（3）淬火加热温度一般亚共析钢加热至A C3＋(30～50)℃；共析钢和过共析钢则加热至A C1＋(30～50)℃，加热温度范围选择见图3-2。
淬火按加热温度可分为两种：加热温度高于A C3时的淬火为完全淬火；加热温度在A C1和A C3（亚共析钢）或A C1和A CCm（过共析钢）之间是不完全淬火。
在完全淬火时，钢的淬火组织主要是由马氏体组成；在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织，过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。
亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。
而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。
在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。
表面改性技术
二、 表面热处理强化
表面热处理:
指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变 表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，
是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。（包括表 面化学热处理是一个专业——热处理）
集肤效应：零件表面的电流密度最大，电阻的热效应使工件表面被迅速
加热。并，频率f越大，被加热的表面厚度越小。
二、 表面热处理强化
2、 感应加热方式 方式：同时加热和连续加热方式。
同时加热方式淬火时，零件需要淬火 的区域整个被感应器包围，通电加热到淬 火温度后迅速冷却淬火。此法适用于大批 量生产。 连续加热方式淬火时，零件与感应器 相对移动，使加热和冷却连续进行。适用 于淬硬区较长，设备功率又达不到同时加 热要求的情况。
四、三束表面改性处理
金属表面非晶态处理 纺纱机钢令跑道表面硬度低，易生锈，造成钢令使用 寿命低，纺纱断头率高。用激光非晶化处理后，钢令 跑道表面的硬度提高至1000HV以上，耐磨性提高1.3倍， 纺纱断头率下降75％，经济效益显著。 汽车凸轮轴和柴油机铸钢套外壁经激光表面非晶态 处理后，强度和耐腐蚀性均明显提高。 在真空中采用连续气相沉积激光技术, 在软的基材表 面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。
二 、 表面热处理强化
强化基本思想:
当工件表面层快速加热时，工件截面上 的温度分布是不均匀的，工件表层温度高 且由表及里逐渐降低。 如果表面的温度超过相变点以上达到奥 氏体状态时，随后的快冷可获得马氏体组 织，而心部仍保留原组织状态。
结果: 得到硬化的表面层，即通过表面层
的相变达到强化工件表面的目的。
材料及其热处理方式和性能影响
淬火+回火
获得一定的强度和韧性
表面热处理和化学热处理
一、表面淬火
表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺。
目的：为了获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，提高工件的硬度和耐磨性。
表面淬火加热的方法很多，如感应加热、火焰加热、电接触加热、激光加热等。
二、化学热处理
化学热处理是将金属和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。
B.屈服极限 : 材料产生屈服现象时的应力称为屈服极限或屈服強度,符号σS。
C.抗拉強度: 材料在拉断前所能承受的最大应力为抗拉強度 或強度极限，符号σb。
2.
金属材料在断裂前发生塑性变形的能力称为塑性。延伸率 (δ)和断面收缩率(ψ)是衡量金属材料塑性的指标。
3.
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，称为冲击韧性。
根据渗碳时介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，其中气体渗碳应用最广泛。
【气体渗碳工艺】
采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂，如：煤油、甲苯或含碳的气体。
渗碳温度T=900~950℃。
保温时间—取决于要求的渗碳层深度，从几小时到十几小时不等。
零件表面含碳量Wc=0.8~1.1%
渗层深度：0.5~2mm
4.
回火是把淬火后的金属制件重新加热到某一温度，保温一段时间，然后置于空气或油中冷却的热处理工艺。
回火的目的：为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低金属材料的淬性，使它具有一定的韧性。
根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。
（1）低温回火：回火温度为150～250℃。低温回火能消除一定的内应力，适当地降低钢的脆性，提高韧性，同时工件仍保持高硬度、高耐磨性，应用于各种量具和刃具。
热处理工艺对材料性能的影响分析
热处理工艺对材料性能的影响分析引言：材料工程领域中，热处理工艺在提高材料性能方面发挥着至关重要的作用。
通过对材料进行加热和冷却等操作，可以改变材料的晶体结构和力学性能。
本文将探讨热处理工艺对材料性能的影响，并分析常见的几种热处理工艺以及其对材料性能的影响。
第一部分：退火工艺退火是最常见的热处理工艺之一。
通过高温短时间的加热和缓慢冷却，可以消除材料内部的应力，降低硬度并改善可加工性。
退火后的材料晶体结构更加均匀，晶界有序性提高，从而增强了材料的韧性和延展性。
此外，退火还可以减少材料的内含气体和夹杂物，提高材料的强度和耐腐蚀性。
有些材料在退火过程中还能实现晶粒的再长大，进一步优化性能。
第二部分：淬火工艺淬火是以快速冷却来提高材料硬度和强度的热处理工艺。
在加热至临界温度以上的情况下，通过迅速浸入冷却介质中，材料的晶体结构在极短的时间内发生相变，由高温下的面心立方结构转变为金属冷却时的马氏体结构。
这种相变会导致材料表面和内部产生残留应力，从而提高硬度。
淬火还能增加材料的强度，但与此同时也减少了材料的韧性和可塑性。
第三部分：渗碳处理工艺渗碳处理是将含有一定碳含量的介质浸入材料表面，通过加热和冷却使碳原子在材料中扩散，从而改变材料的表层组织结构。
渗碳处理可以增加材料的表面硬度和耐磨性，形成一定深度的碳化层。
这种处理方法常用于制造机械零部件，如齿轮和轴承，以提高它们的耐用性和使用寿命。
第四部分：时效处理工艺时效处理是将材料加热至较低的温度下保温一段时间后再冷却，用以改变材料组织结构和性能。
时效处理通常用于合金材料，可以提高材料的强度和硬度。
在时效过程中，合金中的固溶体相长大和析出相的形成可以显著改善材料的耐热性和耐腐蚀性能。
此外，时效处理还能减少合金材料的塑性变形和变形硬化，提高其可塑性。
结论：热处理工艺在材料工程领域中拥有广泛的应用，并且对材料性能的影响不可忽视。
不同的热处理工艺可以通过改变材料的晶体结构和组织性能来实现对材料性能的优化。
表面改性技术
表面改性技术班级：材料092姓名：朱光辉学号：109012042 课程: 现代表面技术表面改性技术概述：表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。
表面改性技术的研究和应用已有多年。
70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。
表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。
（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。
（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。
（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。
表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。
表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。
表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。
喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。
已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。
喷丸强化原理：（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。
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热处理与表层改性工艺对零件性能的影响热处理与表层改性赋予先进材料极限性能和关键构件极限服役性能，属于国家核心技术，它在中国从材料大国和机械制造大国走向强国的进程中具有举足轻重的作用。
因此，提高认识，倾举国之力，优先发展热处理与表层改性技术，改变落后状况具有战略意义。
表层改性功效有：①抑制关键构件疲劳强度应力集中敏感。
一旦采用了表层改性技术，关键构件的疲劳强度便与应力集中无关，并恢复到材料的固有疲劳强度水平。
②表层硬化提高传动关键构件疲劳寿命。
③提高转动关键构件疲劳寿命。
④提高高温转动关键构件的疲劳寿命。
⑤解决了关键构件重大服役故障问题。
⑥飞机起落架疲劳寿命达到国外先进水平。
⑦表层改性引发机械制造新理念。
将关键构件从现行的“成形”制造，跨越发达国家的表面完整性制造到达抗疲劳制造。
以打造成“精密-高效-经济-清洁-产业”中国特色热处理与表层改性产业：1）建立表层硬化技术体系与产业，2）建立传统、高能、高能复合表层改性技术体系和产业，达到国际先进水平，3）建立真空热处理技术体系和产业，营造精密、清洁的环境，满足各种关键构件和元器件需求，4）聚焦特大型和轴类关键构件，建立中国特色感应热处理技术体系和产业，5）聚焦关键构件的特殊部位和特殊性能要求，自主创新并建立激光束、电子束、太阳能束表面热处理技术体系与产业，6）建立精密热处理技术体系，7）自主创新并建立中国特色特大型关键构件热处理产业，8）以特大型关键构件为切入点，自
主创新并建立虚拟热处理技术体系和产业，9）自主创新淬火冷却介质并建立技术体系，快速形成无污染的中国特色关键构件淬火冷却介质产业，10）自主创新热处理和表层改性传感器及其技术体系，快速形成产业，11）建立热处理和表层改性设备技术体系和产业，12）建立热处理和表层改性工程化技术体系和规模产业。
中国只有抓住这次机遇，“精密-高效-经济-清洁-产业”将把中国热处理、表层改性技术与关键构件带入一个国际先进水平、竞争发展的轨道。