表面热处理与化学热处理1课件

主要内容主要内容3.1 3.1 表面热处理表面热处理3.2 3.2 化学热处理化学热处理7/21/20247/21/20241 13.1 表面热处理表面热处理l定义：定义：仅对钢的表面加热、冷却而不仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺。改变其成分的热处理工艺。7/21/202423.1.1 表面淬火技术的原理和特点表面淬火技术的原理和特点n一、表面淬火技术的一、表面淬火技术的定义与分类定义与分类n（1）定义：采用特定热源将钢铁材料表面快速加）定义：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到热到Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）之上，（过共析钢）之上，快速冷却，发生马氏体相变，形成表面强化层的快速冷却，发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺，称工艺，称表面淬火技术表面淬火技术。n（2）分类：根据热源不同，可分为：）分类：根据热源不同，可分为：感应加热感应加热火焰加热火焰加热激光加热激光加热 电子束加热电子束加热7/21/20243n（3）适用范围）适用范围1.碳含量在碳含量在0.35%1.20%的中、高碳钢；的中、高碳钢；2.基体相当于中碳钢的普通灰铁、球铁、可锻铸基体相当于中碳钢的普通灰铁、球铁、可锻铸铁、合金铸铁；铁、合金铸铁；3.中碳钢与球铁最适合。中碳钢与球铁最适合。7/21/20244中碳钢最适合表面淬火的原因中碳钢最适合表面淬火的原因n中碳钢经预先热处理（正火或调质）后进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；能，且表面有较高硬度和耐磨性；n高碳钢表面淬火后，表面硬度和耐磨性虽高碳钢表面淬火后，表面硬度和耐磨性虽高，但心部塑性与韧性较低；高，但心部塑性与韧性较低；n低碳钢表面强化效果不显著。低碳钢表面强化效果不显著。7/21/20245二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别1.加热速度高，钢的相变点温度大幅度提高；加热速度高，钢的相变点温度大幅度提高；2.快速加热，奥氏体晶粒及亚结构显著细化；快速加热，奥氏体晶粒及亚结构显著细化；3.加热速度很高时，钢产生无扩散奥氏体相变；加热速度很高时，钢产生无扩散奥氏体相变；4.冷却速度比整体淬火快，硬度比普通淬火高；冷却速度比整体淬火快，硬度比普通淬火高；5.热源能量密度越高，加热速度越快，硬度越高。热源能量密度越高，加热速度越快，硬度越高。6.快速加热，渗碳体难以充分溶解，奥氏体成分不快速加热，渗碳体难以充分溶解，奥氏体成分不均匀，显微硬度不均匀；均匀，显微硬度不均匀；7.常需预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、常需预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、细小分布。细小分布。7/21/20246三、表面淬火层的组织与性能三、表面淬火层的组织与性能n1、组织、组织n沿试样横截面分三个区：淬硬区、过渡区、心沿试样横截面分三个区：淬硬区、过渡区、心部部（1）淬硬区：全部马氏体）淬硬区：全部马氏体（2）过渡区：马氏体）过渡区：马氏体+自由铁素体自由铁素体（3）心部：原始组织）心部：原始组织7/21/20247n2、表面淬火层的性能、表面淬火层的性能n硬度比普通淬火工艺高硬度比普通淬火工艺高2-5HRC；n耐磨性比普通淬火好；耐磨性比普通淬火好；n提高轴类零件的疲劳强度；提高轴类零件的疲劳强度；n缺口敏感性下降。缺口敏感性下降。7/21/20248（1 1）原原理理：工工件件放放在在有有足足够够功功律律的的输输出出的的感感应应线线圈圈中中，在在高高频频交交流流磁磁场场作作用用下下，产产生生很很大大感感应应电电流流，由由于于集集肤肤效效应应而而集集中中分分布布于于工工件件表表面面，使使受受热热区区迅迅速速加加热热到到钢钢的的相相变变临临界界温温度度之之上上，然然后后在在冷冷却却介介质质中中快快速速冷冷却却，使使工工件件表表层层获得马氏体。获得马氏体。3.1.1 感应加热表面热处理感应加热表面热处理7/21/20249高频高频(200300KHz),=0.52mm 中频中频(25008000Hz),=25mm工频工频(50Hz),=1015mm碳钢：碳钢：钢中电流透入深度钢中电流透入深度 的计算简化公式：的计算简化公式：式中，式中，f为电流频率。为电流频率。7/21/202410 过热度大过热度大 细小隐晶细小隐晶M组织，高组织，高23HRC 表层存在很大的残余压应力表层存在很大的残余压应力 无氧化、脱碳，工件变形很小无氧化、脱碳，工件变形很小 易于实现机械化与自动化易于实现机械化与自动化(2)(2)适用的钢种适用的钢种中碳钢和中碳低合金钢，例：中碳钢和中碳低合金钢，例：4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB先正火或调质先正火或调质心部综合性能好，表面硬（心部综合性能好，表面硬（50HRC50HRC）(3)(3)特点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。晶马氏体。7/21/202411缺点：缺点：设备较贵；设备较贵；易产生尖角效应易产生尖角效应尖角棱边过热；尖角棱边过热；形状复杂零件处理困难。形状复杂零件处理困难。7/21/202412感应加热表面淬火实物及示意图感应加热表面淬火实物及示意图7/21/2024133.1.2 火焰加热表面热处理火焰加热表面热处理火焰加热表面淬火示意图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。度，然后在淬火介质中冷却。7/21/202414l优点：优点：设备简单，成本低，方法灵活，简便易行。设备简单，成本低，方法灵活，简便易行。l缺点：缺点：生产率低，易过热，质量难控制，不均匀。生产率低，易过热，质量难控制，不均匀。l应用：应用：适于单件、小批量及大型零件适于单件、小批量及大型零件局部表面淬火。局部表面淬火。燃料：燃料：乙炔乙炔-氧氧或煤气或煤气-氧氧7/21/202415激光器激光器冷水机组冷水机组数控加工数控加工机床机床总控制台总控制台3.1.3 激光表面热处理激光表面热处理激光加工系统设备组成激光加工系统设备组成7/21/202416(1)定义：定义：激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧升温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，到相变点以上，激光移开后，高温薄层在基底冷却下，进行进行自冷淬火自冷淬火，从而产生相变硬化。，从而产生相变硬化。7/21/202417（2）影响淬硬层的主要因素）影响淬硬层的主要因素n材料成分：淬硬性和淬透性材料成分：淬硬性和淬透性深度、硬度。深度、硬度。如：钢如：钢含碳量增加含碳量增加马氏体含量增加马氏体含量增加硬度高。硬度高。n工艺参数：工艺参数：淬火层宽度淬火层宽度光斑直径光斑直径D 淬硬层深度淬硬层深度功率功率P、光斑直径、光斑直径D、扫描速度、扫描速度Vn表面预处理状态：表面预处理状态：a、表面组织准备、表面组织准备细化细化 b、表面黑化处理、表面黑化处理通过对激光的吸收率通过对激光的吸收率 7/21/202418 生产率高生产率高 变形很小，局部表面变形很小，局部表面 过热度大过热度大(50200)，硬度高，硬度高 无介质、无污染无介质、无污染 不接触、光能照到就能淬火不接触、光能照到就能淬火 易于自动化易于自动化（3 3）特点：）特点：7/21/2024197/21/2024207/21/202421碳钢：碳钢：2020、3535、4040、4545、T10T10、T12T12合金结构钢：合金结构钢：40Cr40Cr、30CrMnSiA30CrMnSiA、40CrNiMoA 40CrNiMoA、38CrNi3MoV38CrNi3MoV合金工具钢：合金工具钢：GCr15GCr15、9SiCr9SiCr，9CrWMn9CrWMn、CrWMnCrWMn，4Cr5MoV1Si4Cr5MoV1Si、W302 W302，W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V W18Cr4V、M42 M42、W9Mo3Cr4VW9Mo3Cr4V、R18R18、R6M5K5R6M5K5不锈钢：不锈钢：2Cr132Cr13铸铁：铸铁：HT200HT200、HT300HT300、QT400-17QT400-17、QT600-2QT600-2硬质合金：硬质合金：YG8YG8、YG20YG20钛合金：钛合金：TC4TC4，铝合金：，铝合金：激光相变硬化已研究的材料激光相变硬化已研究的材料7/21/202422火车缸套火车缸套轧辊轧辊（4）激光相变硬化应用）激光相变硬化应用7/21/202423柴油机缸套淬火柴油机缸套淬火激光相变硬化应用激光相变硬化应用7/21/202424 抽油泵筒抽油泵筒激光相变硬化应用激光相变硬化应用7/21/202425激光硬化区的表面形貌激光硬化区的表面形貌7/21/202426激光硬化区的横截面及深度激光硬化区的横截面及深度7/21/202427激光相变区的金相组织激光相变区的金相组织7/21/202428硬化层的重叠硬化层的重叠7/21/202429搭接区的金相组织搭接区的金相组织7/21/202430（1 1）定定义义：将将钢钢件件置置于于一一定定温温度度的的活活性性介介质质中中保保温温，使使介介质质中中的的一一种种或或几几种种元元素素原原子子渗渗入入工工件件表表面面，以以改改变变钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝（2 2）目的：）目的：提高耐磨性、耐蚀性、抗氧化性以及疲劳强度等。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、化合物渗层的组织类型：固溶体、化合物3.2 化学热处理化学热处理7/21/202431（4 4）三个基本过程）三个基本过程介质的分解：形成活性原子；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；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。原子扩散：形成一定的扩散层。（3 3）方法）方法气体法：应用最广气体法：应用最广液体法：熔融液体，热浸锌液体法：熔融液体，热浸锌固体法：粉末、膏剂，渗硼固体法：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等离子法：低真空中辉光放电产生的离子轰击表面7/21/202432（1 1）渗碳：）渗碳：活性碳原子活性碳原子C C渗入钢的表层。渗入钢的表层。（2 2）目的：）目的：增加表面增加表面C C含量，淬火低温回火，含量，淬火低温回火，表面硬，心部韧表面硬，心部韧（3 3）渗碳方法：）渗碳方法：气体气体、固体固体和和液体渗碳液体渗碳（4 4）适合的钢种：）适合的钢种：低碳钢低碳钢和和低碳合金钢低碳合金钢，如，如2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等等3.2.1 渗碳渗碳7/21/202433（5 5）工艺：）工艺：900950，1h,0.5mm；4h,1mm渗碳层厚度：从表面到过渡层的一半处，渗碳层厚度：从表面到过渡层的一半处，0.52.5mm（6 6）热处理：）热处理：淬火淬火（直接、一次和二次）（直接、一次和二次）低温回火低温回火（7）组织与性能）组织与性能:表层：高碳回火表层：高碳回火M碳化物碳化物A心部：低碳回火心部：低碳回火M或或F、T性能：表面硬度高，性能：表面硬度高，58HRC64HRC；耐磨性好；心部；耐磨性好；心部 韧性好，硬度较低，疲劳强度高、表面压应力韧性好，硬度较低，疲劳强度高、表面压应力7/21/202434问题：缓冷组织？问题：缓冷组织？P+碳化物、碳化物、P、P+F，原始组织。，原始组织。渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图 7/21/202435气体渗碳炉气体渗碳炉7/21/202436低碳钢缓冷后的显微组织低碳钢缓冷后的显微组织7/21/2024377/21/202438（3 3）工艺：）工艺：气体渗氮气体渗氮 2NH 2NH3 33H3H2 2+2N 200+2N 200以上以上3.2.2 渗氮渗氮（1 1）氮化：）氮化：在一定温度下使在一定温度下使活性氮原子活性氮原子N N渗入工件表面。渗入工件表面。（2 2）目的：）目的：提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等7/21/202439（4）特点：）特点：氮化温度低氮化温度低 500600 时间长时间长 2050h，厚度，厚度 0.30.5mm 催化剂（苯、苯胺、氯化胺等）催化剂（苯、苯胺、氯化胺等）0.33倍倍 氮化前钢件须氮化前钢件须调质处理调质处理（5）组织）组织表层为白色表层为白色（Fe2N）或）或（Fe4N）相）相中间为暗黑色含氮共析体（中间为暗黑色含氮共析体（+）心部为回火心部为回火S7/21/202440Fe-N相图相图 7/21/20244138CrMoAl钢氮化工艺曲线图钢氮化工艺曲线图 7/21/202442（6 6）性能：）性能：硬度高硬度高（1000HV1100HV），），很高的耐磨性和热硬性很高的耐磨性和热硬性表面压应力，表面压应力，疲劳强度疲劳强度温度低，零件变形小温度低，零件变形小耐蚀性好耐蚀性好（7 7）氮化用钢：）氮化用钢：35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等等7/21/2024433.2.3 碳氮共渗碳氮共渗同时渗入碳氮同时渗入碳氮氰化氰化（1 1）工艺）工艺（高温气体碳氮共渗工艺）（高温气体碳氮共渗工艺）煤油煤油+氨气氨气温度：温度：830850，保温，保温12h，0.20.5mm淬火淬火+低温回火低温回火（2 2）机械性能）机械性能表面含氮表面含氮M M，耐磨性更好，耐磨性更好较高的压应力，更高疲劳强度、耐蚀性较高的压应力，更高疲劳强度、耐蚀性7/21/202444几种表面热处理和化学热处理的比较几种表面热处理和化学热处理的比较热处理方法热处理方法表面淬火表面淬火渗碳渗碳氮化氮化碳氮共渗碳氮共渗处理工艺处理工艺表面加热淬火表面加热淬火低温回火低温回火渗碳，淬火渗碳，淬火低温回火低温回火调质调质氮化氮化碳氮共渗，淬火碳氮共渗，淬火低温回火低温回火生产周期生产周期很短，几秒到几很短，几秒到几分钟分钟长，约长，约3h9h很长，约很长，约20h50h短，约短，约1h2h表层深度表层深度/mm0.57.00.52.00.30.50.20.5硬度硬度/HRC555860656570(1000HV1100HV)5863耐磨性耐磨性较好较好良好良好最好最好良好良好疲劳强度疲劳强度良好良好较好较好最好最好良好良好耐蚀性耐蚀性一般一般一般一般最好最好较好较好热处理后变形热处理后变形较小较小较大较大最小最小较小较小应用举例应用举例机床齿轮机床齿轮曲轴曲轴汽车齿轮汽车齿轮爪形离合器爪形离合器油泵齿轮油泵齿轮制动器凸轮制动器凸轮精密机床主轴精密机床主轴丝杆丝杆7/21/202445作业：作业：1、总结比较各种表面热处理和化学热处理、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。方法、特点及应用领域的异同。7/21/202446谢谢！谢谢！7/21/20247/21/20244747