第6章鋼的表面熱處理

6.7鋼的表面熱處理定義：僅對(duì)工件表層進(jìn)行熱處理以改變其組織和性能的工藝稱為表面熱處理。分類：表面淬火和化學(xué)熱處理目的：生產(chǎn)中常常采用表面熱處理的方法，以達(dá)到強(qiáng)化工件表面的目的。應(yīng)用：1.某些在沖擊載荷、交變載荷及摩擦條件下工作的機(jī)械零件，如主軸、齒輪、曲軸等，

2.某些工作表面要承受較高的應(yīng)力，要求工件的這些表面層具有高的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，而工件的心部要求具有足夠的塑性和韌性。5.7.1鋼的表面淬火定義：將工件的表層迅速加熱到淬火溫度進(jìn)行淬火的工藝方法稱為表面淬火(surfacehardening)。性能：工件經(jīng)表面淬火后，表層得到馬氏體組織，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍為淬火前的組織，具有足夠的強(qiáng)度和韌性。分類：感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火

1．感應(yīng)加熱表面淬火定義：利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面迅速加熱并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝稱為感應(yīng)加熱表面淬火。（1）感應(yīng)加熱表面淬火的基本原理工件放入用空心紫銅管繞成的感應(yīng)器內(nèi)，給感應(yīng)器通入一定頻率的交流電，周圍便存在同頻率的交變磁場(chǎng)，于是在工件內(nèi)部產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流(渦流)。

由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)(電流集中分布在工件表面)和熱效應(yīng)，使工件表層迅速加熱到淬火溫度，而心部則仍處于相變點(diǎn)溫度以下，隨即快速冷卻，從而達(dá)到表面淬火的目的。分類及應(yīng)用：高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱和工頻感應(yīng)加熱高頻感應(yīng)加熱表面淬火:常用頻率為200～300kHz，淬硬層深度為0.5～2.0mm。適用:中、小模數(shù)的齒輪及中、小尺寸的軸類零件的表面淬火；中頻感應(yīng)加熱表面淬火:常用頻率為2500～8000Hz，淬硬層深度為2～10mm。適用：較大尺寸的軸類零件和大模數(shù)齒輪的表面淬火；工頻感應(yīng)加熱表面淬火:電流頻率為50Hz，淬硬層深度為10～20mm。適用：較大直徑機(jī)械零件的表面淬火，如軋輥、火車車輪等。（2）感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)與應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：與普通加熱淬火相比，感應(yīng)加熱表面淬火加熱速度快，加熱時(shí)間短；淬火質(zhì)量好，淬火后晶粒細(xì)小，表面硬度比普通淬火高，淬硬層深度易于控制；勞動(dòng)條件好，生產(chǎn)率高，適于大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：感應(yīng)加熱設(shè)備較昂貴，調(diào)整、維修比較困難，對(duì)于形狀復(fù)雜的機(jī)械零件，其感應(yīng)圈不易制造，且不適合于單件生產(chǎn)。應(yīng)用：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～0.5%的碳素鋼與合金鋼，如45鋼、40Cr等。也可以用于高碳工具鋼、低合金工具鋼以及鑄鐵等材料。

2．火焰加熱表面淬火定義：火焰加熱表面淬火是采用氧——乙炔(或其它可燃?xì)怏w)火焰,噴射在工件的表面上，使其快速加熱，當(dāng)達(dá)到淬火溫度時(shí)立即噴水冷卻，從而獲得預(yù)期的硬度和有效淬硬層深度的一種表面淬火方法應(yīng)用：中碳鋼（如35、40、45鋼等）和中碳低合金鋼（如40Cr、45Cr等）。還可用于對(duì)鑄鐵件（如灰鑄鐵、合金鑄鐵等）進(jìn)行表面淬火。適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型工件，以及需要局部淬火的工具或工件，如大型軸類、大模數(shù)齒輪、錘子等。3．激光加熱表面淬火方法：激光加熱表面淬火是將激光束照射到工件表面上，在激光束能量的作用下，使工件表面迅速加熱到奧氏體化狀態(tài)，當(dāng)激光束移開后，由于基體金屬的大量吸熱而使工件表面獲得急速冷卻，以實(shí)現(xiàn)工件表面自冷淬火的工藝方法。特點(diǎn)：激光是一種高能量密度的光源，能有效地改善材料表面的性能。激光能量集中，加熱點(diǎn)準(zhǔn)確，熱影響區(qū)小，熱應(yīng)力小；應(yīng)用：可對(duì)工件表面進(jìn)行選擇性處理，能量利用率高，尤其適合于大尺寸工件的局部表面加熱淬火；可對(duì)形狀復(fù)雜或深溝、孔槽的側(cè)面等進(jìn)行表面淬火，尤其適合于細(xì)長(zhǎng)件或薄壁件的表面處理0.2～0.8mm。案例：1）繪制45鋼C曲線？？（電腦板書）

2）在C曲線上繪制45鋼表面淬火時(shí)鋼件表面和心部的熱處理工藝曲線？（電腦板書）

3）分析表面和心部淬火組織？課堂練習(xí)一：

1）繪制心部和表面的淬火組織示意圖？

2）預(yù)測(cè)表面和心部的硬度差異？

3）比較45鋼與20鋼和T10鋼表面淬火后心部韌性和表面硬度？課堂練習(xí)二：

1）指出感應(yīng)加熱表面淬火，火焰加熱表面淬火，激光加熱表面淬火的冷卻方式？

2）分析激光加熱表面淬火不用冷卻介質(zhì)的原因？激光加熱表面淬火有何缺點(diǎn)？5.7.2鋼的化學(xué)熱處理定義：化學(xué)熱處理（chemico-thermaltreatment）是將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。方法分類；滲碳、滲氮、碳氮共滲以及滲金屬等。三個(gè)基本過程（1）分解化學(xué)介質(zhì)在一定的溫度下發(fā)生分解，產(chǎn)生能夠滲入工件表面的活性原子。（2）吸收吸收就是活性原子進(jìn)入工件表面溶于鐵形成固溶體或形成化合物。（3）擴(kuò)散滲入的活性原子由表面向中心擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層。1．鋼的滲碳定義；滲碳(carburizing)是為了增加鋼件表層的含碳量和一定的碳濃度梯度，將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝。滲碳目的：提高工件表面的碳成分，以便熱處理淬火后獲得硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，并使其心部保持良好的塑性和韌性。（1）滲碳用鋼為0.1%～0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼。（2）滲碳方法分為固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳三種。氣體滲碳：工件在氣體滲碳介質(zhì)中進(jìn)行滲碳的工藝。加熱溫度：900～950℃設(shè)備：密封的滲碳爐內(nèi)，溫度測(cè)控設(shè)備滲碳劑：滴入煤油、丙酮或甲醇。機(jī)理：滲碳劑在高溫下分解，產(chǎn)生的活性碳原子滲入工件表面并向內(nèi)部擴(kuò)散（每小時(shí)0.10～0.15mm）形成滲碳層，固體滲碳方法：把工件和固體滲碳劑裝入滲碳箱中，用蓋子和耐火泥封好后，送入爐中加熱到900～950℃，保溫一定的時(shí)間后出爐，零件便獲得了一定厚度的滲碳層。固體滲碳劑：由一定粒度的木炭和少量的碳酸鹽（BaCO3或Na2CO3）混合組成。木炭提供滲碳所需要的活性碳原子，碳酸鹽只起催化作用。

（3）滲碳后的組織成分：工件經(jīng)滲碳后，含碳量從表面到心部逐步減少，表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)0.80%～1.05%，而心部仍為原來的低碳成分。組織：若工件滲碳后緩慢冷卻，從表面到心部的組織為珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體、珠光體、珠光體+鐵素體（4）滲碳后的熱處理工件滲碳后的熱處理工藝通常為淬火及低溫回火。熱處理后的組織：

表層組織為回火馬氏體和細(xì)粒狀碳化物，表面硬度可高達(dá)58～64HRC；心部組織常為為低碳馬氏體或珠光體+鐵素體組織，硬度較低，案例：1）繪制滲碳后心部（0.15%C）和表面(1.0%C)鋼C曲線？（電腦板書）

2）在各自C曲線上繪制淬火時(shí)鋼件表面和心部的熱處理工藝曲線？（電腦板書）

3）分析表面和心部淬火組織？課堂練習(xí)一：

1）預(yù)測(cè)表面和心部的硬度差異？

2）比較15鋼與45鋼和T10鋼滲碳淬火后心部韌性和表面硬度？2．鋼的滲氮定義：滲氮也稱氮化，是在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面（得AlN、CrN、MoN、VN、TiN）的化學(xué)熱處理工藝。滲氮的目的：提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲勞強(qiáng)度和耐蝕性。（1）滲氮用鋼對(duì)于以提高耐蝕性為主的滲氮，可選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如20、30、40鋼等；對(duì)于以提高疲勞強(qiáng)度為主的滲氮，可選用一般合金結(jié)構(gòu)鋼，如40Cr、42CrMo等；對(duì)于以提高耐磨性為主的滲氮，一般選用滲氮專用鋼38CrMoAlA。

（2）滲氮方法常用的滲氮方法有氣體滲氮和離子滲氮等氣體滲氮：在專門的氮化爐中進(jìn)行，是利用氨在500～600℃的溫度下分解，產(chǎn)生活性氮原子，分解反應(yīng)如下：

2NH3—→3H2+2［N］分解出的活性氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)層擴(kuò)散，形成一定深度的滲氮層。

（3）滲氮的特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)：滲氮后工件無需淬火便具有高的硬度、耐磨性和熱硬性，良好的抗蝕性和高的疲勞強(qiáng)度，滲氮溫度低，工件的變形小。缺點(diǎn)：滲氮的生產(chǎn)周期長(zhǎng)。一般要得到0.3～0.5mm的滲氮層，氣體滲氮時(shí)間約需30～50小時(shí)，成本較高；滲氮層薄而脆，不能承受沖擊。應(yīng)用：要求表面高硬度，耐磨、耐蝕、耐高溫的精密零件，如精密機(jī)床主軸、絲桿、鏜桿、閥門等。3．鋼的碳氮共滲與氮碳共滲1）碳氮共滲定義：碳氮共滲(nitrocarburizing)是在一定溫度下同時(shí)將碳、氮滲入工件表層奧氏體中并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝。分類：碳氮共滲有氣體碳氮共滲和液體碳氮共滲兩種，目前常用的是氣體碳氮共滲。工藝：氣體碳氮共滲工藝與滲碳基本相似，常用滲劑為煤油+氮?dú)獾?，加熱溫度?20～860℃。2）氮