表面热处理与化学热处理.ppt

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1、2023/5/25,1,表面工程,第三章 表面热处理及化学热处理,2023/5/25,2,主要内容,3.1 表面热处理3.2 化学热处理,2023/5/25,3,3.1 表面热处理,定义：仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺。,2023/5/25,4,3.1.1 表面淬火技术的原理和特点,一、表面淬火技术的定义与分类（1）定义：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）之上，快速冷却，发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺，称表面淬火技术。（2）分类：根据热源不同，可分为：感应加热火焰加热激光加热 电子束加热,2023/5/25,5,（3）适用范围碳含

2、量在0.35%1.20%的中、高碳钢；基体相当于中碳钢的普通灰铁、球铁、可锻铸铁、合金铸铁；中碳钢与球铁最适合。,2023/5/25,6,中碳钢最适合表面淬火的原因,中碳钢经预先热处理（正火或调质）后进行表面淬火，不但心部有较高综合力学性能，且表面有较高硬度和耐磨性；高碳钢表面淬火后，表面硬度和耐磨性虽高，但心部塑性与韧性较低；低碳钢表面强化效果不显著。,2023/5/25,7,二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别,加热速度高，钢的相变点温度大幅度提高；快速加热，奥氏体晶粒及亚结构显著细化；加热速度很高时，钢产生无扩散奥氏体相变；冷却速度比整体淬火快，硬度比普通淬火高；热源能量密度越高，加热速

3、度越快，硬度越高。快速加热，渗碳体难以充分溶解，奥氏体成分不均匀，显微硬度不均匀；常需预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、细小分布。,2023/5/25,8,三、表面淬火层的组织与性能,1、组织沿试样横截面分三个区：淬硬区、过渡区、心部（1）淬硬区：全部马氏体（2）过渡区：马氏体+自由铁素体（3）心部：原始组织,2023/5/25,9,2、表面淬火层的性能硬度比普通淬火工艺高2-5HRC；耐磨性比普通淬火好；提高轴类零件的疲劳强度；缺口敏感性下降。,2023/5/25,10,（1）原理：工件放在有足够功律的输出的感应线圈中，在高频交流磁场作用下，产生很大感应电流，由于集肤效应而集中分布于工件

4、表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度之上，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表层获得马氏体。,3.1.1 感应加热表面热处理,2023/5/25,11,高频(200300KHz),=0.52mm 中频(25008000Hz),=25mm工频(50Hz),=1015mm,碳钢：,钢中电流透入深度的计算简化公式：,式中，f为电流频率。,2023/5/25,12,过热度大 细小隐晶M组织，高23HRC 表层存在很大的残余压应力 无氧化、脱碳，工件变形很小 易于实现机械化与自动化,(2)适用的钢种,中碳钢和中碳低合金钢，例：45、40Cr、40MnB先正火或调质心部综合性能好，表面硬（50HRC）,

5、(3)特点,最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，称为隐晶马氏体。,2023/5/25,13,缺点：设备较贵；易产生尖角效应尖角棱边过热；形状复杂零件处理困难。,2023/5/25,14,感应加热表面淬火实物及示意图,2023/5/25,15,3.1.2 火焰加热表面热处理,火焰加热表面淬火示意图,原理：将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，然后在淬火介质中冷却。,2023/5/25,16,优点：设备简单，成本低，方法灵活，简便易行。缺点：生产率低，易过热，质量难控制，不均匀。应用：适于单件、小批量及大型零件局部表面淬火。,燃料：乙炔-氧或煤气-氧,2023/

6、5/25,17,激光器,冷水机组,数控加工机床,总控制台,3.1.3 激光表面热处理,激光加工系统设备组成,2023/5/25,18,(1)定义：激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧升温到相变点以上，激光移开后，高温薄层在基底冷却下，进行自冷淬火，从而产生相变硬化。,2023/5/25,19,（2）影响淬硬层的主要因素,材料成分：淬硬性和淬透性深度、硬度。如：钢含碳量增加马氏体含量增加硬度高。工艺参数：淬火层宽度光斑直径D 淬硬层深度功率P、光斑直径D、扫描速度V表面预处理状态：a、表面组织准备细化 b、表面黑化处理通过对激光的吸收率,2023/5/25,20,生产率高 变形很小，局部表面 过热

7、度大(50200)，硬度高 无介质、无污染 不接触、光能照到就能淬火 易于自动化,（3）特点：,2023/5/25,21,2023/5/25,22,2023/5/25,23,碳钢：20、35、40、45、T10、T12合金结构钢：40Cr、30CrMnSiA、40CrNiMoA、38CrNi3MoV合金工具钢：GCr15、9SiCr，9CrWMn、CrWMn，4Cr5MoV1Si、W302，W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、M42、W9Mo3Cr4V、R18、R6M5K5不锈钢：2Cr13铸铁：HT200、HT300、QT400-17、QT600-2硬质合金：YG8、YG20钛合金：TC4

8、，铝合金：,激光相变硬化已研究的材料,2023/5/25,24,火车缸套,轧辊,（4）激光相变硬化应用,2023/5/25,25,柴油机缸套淬火,激光相变硬化应用,2023/5/25,26,抽油泵筒,激光相变硬化应用,2023/5/25,27,激光硬化区的表面形貌,2023/5/25,28,激光硬化区的横截面及深度,2023/5/25,29,激光相变区的金相组织,2023/5/25,30,硬化层的重叠,2023/5/25,31,搭接区的金相组织,2023/5/25,32,（1）定义：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织的热处

9、理工艺。渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝,（2）目的：提高耐磨性、耐蚀性、抗氧化性以及疲劳强度等。渗层的组织类型：固溶体、化合物,3.2 化学热处理,2023/5/25,33,（4）三个基本过程介质的分解：形成活性原子；表面吸收和溶解：形成固溶体或化合物；原子扩散：形成一定的扩散层。,（3）方法气体法：应用最广液体法：熔融液体，热浸锌固体法：粉末、膏剂，渗硼等离子法：低真空中辉光放电产生的离子轰击表面,2023/5/25,34,（1）渗碳：活性碳原子C渗入钢的表层。（2）目的：增加表面C含量，淬火低温回火，表面硬，心部韧,（3）渗碳方法：气体、固体和液体渗碳,（4）适合的钢种：低碳钢和低碳合金

10、钢，如20、20Cr、20CrMnTi等,3.2.1 渗碳,2023/5/25,35,（5）工艺：900950，1h,0.5mm；4h,1mm渗碳层厚度：从表面到过渡层的一半处，0.52.5mm,（6）热处理：淬火（直接、一次和二次）低温回火,（7）组织与性能:表层：高碳回火M碳化物A心部：低碳回火M或F、T性能：表面硬度高，58HRC64HRC；耐磨性好；心部 韧性好，硬度较低，疲劳强度高、表面压应力,2023/5/25,36,问题：缓冷组织？P+碳化物、P、P+F，原始组织。,渗碳后的热处理示意图,2023/5/25,37,气体渗碳炉,2023/5/25,38,低碳钢缓冷后的显微组织,20

11、23/5/25,39,2023/5/25,40,（3）工艺：气体渗氮 2NH33H2+2N 200以上,3.2.2 渗氮,（1）氮化：在一定温度下使活性氮原子N渗入工件表面。,（2）目的：提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等,2023/5/25,41,（4）特点：氮化温度低 500600 时间长 2050h，厚度 0.30.5mm 催化剂（苯、苯胺、氯化胺等）0.33倍 氮化前钢件须调质处理,（5）组织表层为白色（Fe2N）或（Fe4N）相中间为暗黑色含氮共析体（+）心部为回火S,2023/5/25,42,Fe-N相图,2023/5/25,43,38CrMoAl钢氮化工艺曲线图,2

12、023/5/25,44,（6）性能：硬度高（1000HV1100HV），很高的耐磨性和热硬性表面压应力，疲劳强度温度低，零件变形小耐蚀性好,（7）氮化用钢：35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等,2023/5/25,45,3.2.3 碳氮共渗,同时渗入碳氮氰化,（1）工艺（高温气体碳氮共渗工艺）煤油+氨气温度：830850，保温12h，0.20.5mm淬火+低温回火,（2）机械性能表面含氮M，耐磨性更好较高的压应力，更高疲劳强度、耐蚀性,2023/5/25,46,几种表面热处理和化学热处理的比较,2023/5/25,47,作业：,1、总结比较各种表面热处理和化学热处理方法、特点及应用领域的异同。,2023/5/25,48,谢谢！,