表面熱處置和化學(xué)熱處置市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、表面工程第三章 表面熱處理及化學(xué)熱處理10/10/1第1頁主要內(nèi)容3.1 表面熱處理3.2 化學(xué)熱處理10/10/2/48第2頁3.1 表面熱處理定義：僅對(duì)鋼表面加熱、冷卻而不改變其成份熱處理工藝。10/10/3第3頁3.1.1 表面淬火技術(shù)原理和特點(diǎn)一、表面淬火技術(shù)定義與分類（1）定義：采取特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）之上，快速冷卻，發(fā)生馬氏體相變，形成表面強(qiáng)化層工藝，稱表面淬火技術(shù)。（2）分類：依據(jù)熱源不一樣，可分為：感應(yīng)加熱火焰加熱激光加熱 電子束加熱10/10/4第4頁（3）適用范圍碳含量在0.35%1.20%中、高碳鋼；基體相當(dāng)于中碳鋼普通灰

2、鐵、球鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵；中碳鋼與球鐵最適合。10/10/5第5頁中碳鋼最適合表面淬火原因中碳鋼經(jīng)預(yù)先熱處理（正火或調(diào)質(zhì)）后進(jìn)行表面淬火，不但心部有較高綜協(xié)力學(xué)性能，且表面有較高硬度和耐磨性；高碳鋼表面淬火后，表面硬度和耐磨性雖高，但心部塑性與韌性較低；低碳鋼表面強(qiáng)化效果不顯著。10/10/6第6頁二、表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)區(qū)分加熱速度高，鋼相變點(diǎn)溫度大幅度提升；快速加熱，奧氏體晶粒及亞結(jié)構(gòu)顯著細(xì)化；加熱速度很高時(shí)，鋼產(chǎn)生無擴(kuò)散奧氏體相變；冷卻速度比整體淬火快，硬度比普通淬火高；熱源能量密度越高，加熱速度越快，硬度越高?？焖偌訜?，滲碳體難以充分溶解，奧氏體成份不均勻，顯微硬度不均勻；常

3、需預(yù)先熱處理，使碳化物或自由鐵素體均勻、細(xì)小分布。10/10/7第7頁三、表面淬火層組織與性能1、組織沿試樣橫截面分三個(gè)區(qū)：淬硬區(qū)、過渡區(qū)、心部（1）淬硬區(qū)：全部馬氏體（2）過渡區(qū)：馬氏體+自由鐵素體（3）心部：原始組織10/10/8第8頁2、表面淬火層性能硬度比普通淬火工藝高2-5HRC；耐磨性比普通淬火好；提升軸類零件疲勞強(qiáng)度；缺口敏感性下降。10/10/9第9頁（1）原理：工件放在有足夠功律輸出感應(yīng)線圈中，在高頻交流磁場作用下，產(chǎn)生很大感應(yīng)電流，因?yàn)榧w效應(yīng)而集中分布于工件表面，使受熱區(qū)快速加熱到鋼相變臨界溫度之上，然后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使工件表層取得馬氏體。 3.1.1 感應(yīng)加熱表

4、面熱處理10/10/10第10頁高頻(200300KHz), =0.52mm 中頻(25008000Hz), =25mm工頻(50Hz), =1015mm碳鋼：鋼中電流透入深度計(jì)算簡化公式：式中，f為電流頻率。10/10/11第11頁 過熱度大 細(xì)小隱晶M組織，高23HRC 表層存在很大殘余壓應(yīng)力 無氧化、脫碳，工件變形很小 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化(2) 適用鋼種中碳鋼和中碳低合金鋼，例：45、40Cr、40MnB先正火或調(diào)質(zhì)心部綜合性能好，表面硬（50HRC）(3)特點(diǎn)最大尺寸馬氏體片小到光學(xué)顯微鏡無法分辨時(shí)，稱為隱晶馬氏體。10/10/12第12頁缺點(diǎn)： 設(shè)備較貴；易產(chǎn)生尖角效應(yīng)尖角棱邊過

5、熱；形狀復(fù)雜零件處理困難。10/10/13第13頁感應(yīng)加熱表面淬火實(shí)物及示意圖10/10/14第14頁3.1.2 火焰加熱表面熱處理火焰加熱表面淬火示意圖原理：將高溫火焰或燃燒著熾熱氣體噴向工件表面，使其快速加熱到淬火溫度，然后在淬火介質(zhì)中冷卻。10/10/15第15頁優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)備簡單，成本低，方法靈活，簡便易行。缺點(diǎn)： 生產(chǎn)率低，易過熱，質(zhì)量難控制，不均勻。應(yīng)用： 適于單件、小批量及大型零件局部表面淬火。 燃料：乙炔-氧或煤氣-氧10/10/16第16頁激光器冷水機(jī)組數(shù)控加工機(jī)床總控制臺(tái)3.1.3 激光表面熱處理激光加工系統(tǒng)設(shè)備組成10/10/17第17頁(1)定義：激光快速掃描工件表面，表

6、面薄層急劇升溫到相變點(diǎn)以上，激光移開后，高溫薄層在基底冷卻下，進(jìn)行自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。 10/10/18第18頁（2）影響淬硬層主要原因材料成份：淬硬性和淬透性深度、硬度。 如：鋼含碳量增加馬氏體含量增加硬度高。工藝參數(shù)： 淬火層寬度光斑直徑D 淬硬層深度功率P、光斑直徑D 、掃描速度V表面預(yù)處理狀態(tài)： a、表面組織準(zhǔn)備細(xì)化 b、表面黑化處理經(jīng)過對(duì)激光吸收率 10/10/19第19頁 生產(chǎn)率高 變形很小，局部表面 過熱度大(50200)，硬度高 無介質(zhì)、無污染 不接觸、光能照到就能淬火 易于自動(dòng)化（3）特點(diǎn)：10/10/20第20頁10/10/21第21頁10/10/22第22頁碳鋼：

7、20、35、40、45、T10、T12合金結(jié)構(gòu)鋼：40Cr、30CrMnSiA、 40CrNiMoA、38CrNi3MoV合金工具鋼：GCr15、9SiCr，9CrWMn、CrWMn，4Cr5MoV1Si、 W302， W6Mo5Cr4V2、 W18Cr4V、 M42、W9Mo3Cr4V、R18、R6M5K5不銹鋼：2Cr13鑄鐵：HT200、HT300、QT400-17、QT600-2硬質(zhì)合金：YG8、YG20鈦合金：TC4，鋁合金：激光相變硬化已研究材料10/10/23第23頁火車缸套軋輥（4）激光相變硬化應(yīng)用10/10/24第24頁柴油機(jī)缸套淬火激光相變硬化應(yīng)用10/10/25第25頁

8、抽油泵筒激光相變硬化應(yīng)用10/10/26第26頁激光硬化區(qū)表面形貌10/10/27第27頁激光硬化區(qū)橫截面及深度10/10/28第28頁激光相變區(qū)金相組織10/10/29第29頁硬化層重合10/10/30第30頁搭接區(qū)金相組織10/10/31第31頁（1）定義：將鋼件置于一定溫度活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中一個(gè)或幾個(gè)元素原子滲透工件表面，以改變鋼件表層化學(xué)成份和組織熱處理工藝。 滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁（2）目標(biāo)：提升耐磨性、耐蝕性、抗氧化性以及疲勞強(qiáng)度等。滲層組織類型：固溶體、化合物3.2 化學(xué)熱處理10/10/32第32頁（4）三個(gè)基本過程介質(zhì)分解：形成活性原子；表面吸收和溶解：形成固

9、溶體或化合物；原子擴(kuò)散：形成一定擴(kuò)散層。（3）方法氣體法：應(yīng)用最廣液體法：熔融液體，熱浸鋅固體法：粉末、膏劑，滲硼等離子法：低真空中輝光放電產(chǎn)生離子轟擊表面10/10/33第33頁（1）滲碳：活性碳原子C滲透鋼表層。（2）目標(biāo)：增加表面C含量，淬火低溫回火，表面硬，心部韌 （3）滲碳方法： 氣體、固體和液體滲碳（4）適合鋼種：低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi等3.2.1 滲碳10/10/34第34頁（5）工藝： 900950，1h, 0.5mm； 4h, 1mm滲碳層厚度：從表面到過渡層二分之一處，0.52.5mm（6）熱處理：淬火（直接、一次和二次）低溫回火（7）組織與

10、性能:表層：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 韌性好，硬度較低，疲勞強(qiáng)度高、表面壓應(yīng)力10/10/35第35頁問題：緩冷組織？P+碳化物、P、P+F，原始組織。滲碳后熱處理示意圖 10/10/36第36頁氣體滲碳爐10/10/37第37頁低碳鋼緩冷后顯微組織10/10/38第38頁10/10/39第39頁（3）工藝：氣體滲氮 2NH33H2+2N 200以上3.2.2 滲氮（1）氮化：在一定溫度下使活性氮原子N滲透工件表面。（2）目：提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等10/10/40第40頁（4）特點(diǎn)： 氮化溫度低

11、500600 時(shí)間長 2050h，厚度 0.30.5mm 催化劑（苯、苯胺、氯化胺等）0.33倍 氮化前鋼件須調(diào)質(zhì)處理（5）組織表層為白色（Fe2N）或（Fe4N）相中間為暗黑色含氮共析體（+）心部為回火S10/10/41第41頁Fe-N相圖 10/10/42第42頁38CrMoAl鋼氮化工藝曲線圖 10/10/43第43頁（6）性能：硬度高（1000HV1100HV），很高耐磨性和熱硬性表面壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度溫度低，零件變形小耐蝕性好（7）氮化用鋼：35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等10/10/44第44頁3.2.3 碳氮共滲同時(shí)滲透碳氮氰化（1）工藝（高溫氣體碳氮共滲工藝）煤油+氨氣溫度：830850，保溫12h，0.20.5mm淬火+低溫回火（2）機(jī)械性能表面含氮M，耐磨性更加好較高壓應(yīng)力，更高疲勞強(qiáng)度、耐蝕性10/10/45第45頁幾個(gè)表面熱處理和化學(xué)熱處理比較熱處理方法表面淬火滲碳氮化碳氮共滲處理工藝表面加熱淬火低溫回火滲碳，淬火低溫回火調(diào)質(zhì)氮化碳氮共滲，淬火低溫回火生產(chǎn)周期很短，幾秒到幾分鐘長，約3h9h很長，約20h50h短，約1h2h表層深度/mm0.57.00.52.00.30.50.20.5硬度/HRC55586