钢的表面热处理

钢的表面热处理常用表面热处理的方法有表面淬火和化学热处理两大类。•表面淬火：仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。•原理：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火，得到马氏体组织。•目的：使工件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性，以提高其在扭转、弯曲、循环应力或在摩擦、冲击、接触应力等工作条件下的使用寿命。一、表面淬火•适用：中碳钢、中碳合金钢。•方法：火焰加热表面淬火、感应加热表面淬、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火。（1）感应加热表面淬火1）感应加热基本原理•利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺。•特点：①加热速度快。②淬火质量好。③淬硬层深度易于控制，易实现机械化和自动化，适用于大批量生产。2）感应加热表面淬火类型①高频感应加热表面淬火•常用频率为200～300kHz，淬硬层深度为0.5～2mm。•用于淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸轴类零件等。②中频感应加热表面淬火•常用频率为2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm。•主要用于大、中模数齿轮和较大直径轴类零件等。③工频感应加热表面淬火•电流频率为50Hz，淬硬层深度为lO～20mm。•用于大直径零件（如轧辊、火车车轮等）的表面淬火和大直径钢件的穿透加热。二、表面化学热处理•化学热处理——将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。•不仅改变了钢表面的组织，而且表面层的化学成分也发生了变化，因而能更有效地改变零件表层的性能。•根据渗入元素分类：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。•化学热处理的基本过程分解吸收扩散（1）钢的渗碳及其应用•渗碳——将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。•目的：提高钢件表层的含碳量，淬火与回火后表面硬、心部韧。•材料：低碳钢、低碳合金钢。•渗碳后处理：淬火及低温回火。•工艺路线：锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火。•渗碳方法：固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法三种。★渗碳后的组织及热处理•低碳钢件渗碳后表层含碳量0.85％～1.05％为最佳。表层为过共析组织（珠光体和网状二次渗碳体），与其相邻为共析组织（珠光体），再向里为亚共析组织的过渡层（珠光体和铁素体），心部为原低碳钢组织（铁素体和少量珠光体）•工件的渗碳层深度取决于工件尺寸和工作条件，一般为0.5～2.5mm。•为使工件表面具有高硬度、高耐磨性，必须对渗碳工件进行淬火和低温回火。★渗碳后常用的淬火方法1）直接淬火•工件从渗碳温度预冷到略高于心部Ar3的某一温度，立即放入水或油中。预冷是为了减少淬火应力和变形。2）一次淬火•第一次淬火是为了改善心部组织和消除表面网状二次渗碳体，加热温度为Ac3以上30～50℃。3）二次淬火•第二次淬火是为细化工件表层组织，获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体，加热温度为Ac1以上30～50℃，二次淬火法工艺复杂，生产周期长，成本高，变形大，只适用于表面耐磨性和心部韧性要求高的零件。（2）钢的渗氮（氮化）渗氮：在一定温度，一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。•目的：提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。l）渗氮用钢•渗氮用钢一般是含有Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的钢，这些元素能与N形成颗粒细小、分布均匀、硬度高的各种氮化物（CrN、MoN、AlN），渗氮后工件表面有很高的硬度（1000～1200HV，相当于72HRC）和耐磨性，因此渗氮后不需再进行淬火。2）常用渗氮方法①气体渗氮：在有活性氮原子的气体中进行渗氮。②离子渗氮：在低于1×105Pa的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺。3）渗氮和渗碳相比有何特点？•氮原子的渗入使渗氮层内形成残留压应力，可提高疲劳强度（25％～35％）；渗氮层表面由致密的、连续的氮化物组成，使工件具有很高的耐蚀性；渗氮温度低，工件变形小；渗氮层很薄（＜0.6～0.70mm），渗氮后只能精磨、研磨或抛光。渗氮层较脆，不能承受冲击力，生产周期长（例如0.3～0.5mm的渗层，需要30～50h），成本高。•渗氮前零件须经调质处理，获得回火索氏体组织，以提高心部的性能。渗氮后不需再热处理。•渗氮用于耐磨性和精度要求高的精密零件或承受交变载荷以及要求耐热、耐蚀、耐磨的零件的重要零件。（3）碳氮共渗技术•两种方法：一种是以渗碳为主碳氮共渗，另一种是以渗氮为主的软氮化。1）以渗碳为主的碳氮共渗•目的：提高工件表面的硬度和耐磨性。•碳氮共渗后要进行淬火、低温回火。共渗层表面组织为回火马氏体、粒状碳氮化合物。渗层深度0.3～0.8mm。碳氮共渗用钢：低碳或中碳钢、低合金钢及合金钢。•特点：具有温度低、时间短、变形小、硬度高、耐磨性好、生产率高等优点。用于机床和汽车上的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类等零件。（4）渗铝、渗铬、渗硼化学热处理1）渗铝：向工件表面渗入铝原子的过程。适用于石油、化工、冶金等方面的管道和容器。2）渗铬：向工件表面渗入铬原子的过程。渗铬工件具有耐蚀、抗氧化、耐磨和较好的抗疲劳性能，兼有渗碳、渗氮、渗铝的优点。3）渗硼:向工件表面渗入硼原子的过程。渗硼工件具有高硬度、高耐磨性和好的热硬性（可达800℃）。三.表面气相沉积•分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两类（1）化学气相沉积（CVD）•化学气相沉积：将工件置于炉内加热到高温后，向炉内通人反应气（低温下可汽化的金属盐），使其在炉内发生分解或化学反应，并在工件上沉积成一层所要求的金属或金属化合物薄膜的方法。•碳素工具钢、渗碳钢、轴承钢、高速工具钢、铸铁、硬质合金等材料均可进行气相沉积。（2）物理气相沉积（PVD）•通过蒸发或辉光放电、弧光放电、溅射等物理方法提供原子、离子，使之在工件表面沉积形成薄膜的工艺。•方法：蒸镀、溅射沉积、磁控溅射、离子束沉积等。热处理工艺的应用热处理技术条件是指对零件采用的热处理方法以及所应达到的性能要求的技术性的文件。具体应根据零件性能要求，在零件图样上标出，内容包括最终热处理方法（如调质、淬火、回火、渗碳等）以及应达到的力学性能判据等，作为热处理生产及检验时的依据。力学性能通常只标出硬度值，且有一定误差范围，如弹簧淬火回火硬度45～50HRC。1.热处理工艺代号热处理工艺代号由基础分类工艺代号和附加分类工艺代号组成。基础分类工艺代号根据工艺总称、工艺类型、工艺名称（按获得的组织状态或渗人元素进行分类），将热处理工艺按三个层次进行分类，均有相应的代号。•表4－6热处理工艺分类及代号工艺总称总称代号工艺类型类型代号工艺名称名称代号热处理5整体热处理1退火1正火2淬火3淬火和回火4调质5稳定化处理6固溶处理，水韧处理7固溶处理＋时效8表面热处理2表面淬火和回火1物理气相沉积2化学气相沉积3等离子体增强化学气相沉积4离子注人5化学热处理3渗碳1碳氮共渗2渗氮3氮碳共渗4渗其他非金属5渗金属6多元共渗7表4－7加热方式及代号加热方式可控气氛（气体）真空盐浴（液体）感应火焰激光电子束等离子体固体装箱液态床电接触代号0102030405060708091011表4－8退火工艺及代号退火工艺去应力退火均匀化退火再结晶退火石墨化退火脱氢退火球化退火等温退火完全退火不完全退火代号StHRGDSpIFP表4-9淬火冷却介质和冷却方法及代号冷却介质和方法空气油水盐水有机聚合物水溶液热浴加压淬火双介质淬火分级淬火等温淬火变形淬火气冷淬火冷处理代号AOWBPoHPrIMAtAfGC2.热处理工序位置安排（1）预先热处理工序位置（退火、正火、调质）•安排在毛坯生产之后、切削加工之前，或粗加工之后、半精加工之前。1）退火、正火工序位置•毛坯生产退火（或正火）切削加工。2）调质工序位置•下料锻造正火（或退火）粗加工（留余量）调质半精加工（或精加工）（2）最终热处理工序位置（淬火、回火、渗碳、渗氮）1）淬火工序位置（整体淬火和表面淬火）（1）整体淬火工序位置•下料锻造退火（或正火）粗加工、半精加工（留余量）淬火、回火（低、中温）磨削。2）表面淬火工序位置•下料锻造退火（或正火）粗加工调质半精加工（留余量）表面淬火、低温回火磨削。3）渗碳工序位置（整体渗碳和局部渗碳）•下料锻造正火粗、半精加工（留防渗余量或镀铜）渗碳淬火、低温回火磨削切除防渗余量4）渗氮工序位置•下料锻造退火粗加工调质半精加工去应力退火（高温回火）粗磨渗氮精磨、研磨或抛光。