工程材料精品课件：第五章 钢的热处理r.ppt

1、第五章钢的热处理,改善钢的性能的主要途径：,1、调整钢的化学成份，即合金化，第六章内容。,2、钢的热处理，本章讲。,热处理：钢在固体下通过加热、保温、冷却的方法，改变钢的组织结构，获得所需要的性能的一种加工方法。,加热,保温,冷却,保温时间,温度,原始组织结构,热处理组织结构,时间,热处理的分类：,热处理,普通 热处理,表面热处理,退火,正火,淬火,回火,表面淬火,化学热处理,火焰加热,感应加热,渗碳,氮化,其它,其它,第一节钢在加热时的转变,钢加热到A1（PSK）以上时都将发生P A，但是， 亚共析钢需加热到A3 （GS）以上，过共析钢需加热到 Acm （ES）以上才能完全奥氏体化。这种转变

2、是一种扩散型的转变。,一、奥氏体的形成,通常A1、A3 或 Acm加热时用AC1、Ac3 或 Accm表示，冷却时用Ar1 、Ar3 或 Arcm表示。,A1,Ar1,AC1,Acm,Arcm,Accm,A3,Ac3,Ar3,A,F,P,F+P,P+Fe3CII,A+Fe3CII,A+F,温度,含碳量,Fe,G,P,S,E,K,第三步：残余渗碳体溶解,通过碳原子的扩散，使铁素体向奥氏体转变，和渗碳体溶解来完成。,第二步：奥氏体的长大。,形核部位在铁素体和渗碳体的相界面处。,第一步：奥氏体晶核的形成。,（一）基本过程,下面以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。,第四步：奥氏体均匀化,1、加热温度和加

3、热速度 加热温度高，加热速度快，转变速度快。 原因：碳原子扩散能力大，碳浓度差大加速奥氏体的形成。,（二）影响珠光体向奥氏体转变的因素,亚共析钢与过共析钢奥氏体的形成过程，在以上步骤后,当加热到AC3和Accm以上时铁素体将全部转变为奥氏体，渗碳体将全部溶入奥氏体。,3、化学成分 含碳量增加，转变速度快。 原因：渗碳体增加 F/Fe3C相界面增多，奥氏体的形核部位增加。 大部分合金元素减慢奥氏体的形成速度 原因：主要是减慢碳在奥氏体中的扩散速度。,2、原始组织 原始组织越细，转变速度快。 原因： F/Fe3C相界面增多，奥氏体的形核部位增加。,二、奥氏体晶粒的长大及其影响因素,（一）奥氏体晶粒

4、度的概念,根据奥氏体的形成过程和晶粒长大的情况，奥氏体的晶粒度可有三种定义：,1、起始晶粒度：珠光体刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。一般较小。,2、本质晶粒度：通常采用标准实验方法：把钢加热到930 10 ，保温3-8小时侯测定其奥氏体晶粒的大小。根据标准晶粒度等级图谱评级， 14级为本质粗晶粒钢，58为本质细晶粒钢。如下图：,本质晶粒度只反应了钢在930 以下的奥氏体晶粒长大的倾向性。,3、实际晶粒度：具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒大小。 实际晶粒度直接影响钢的性能，比起始晶粒度大。 实际加热温度越高，保温时间越长，奥氏体的实际晶粒度越粗大，钢的机械性能越下降。,第二节 钢在冷却

5、时的转变,获得细小均匀的奥氏体晶粒仅是热处理的第一步，钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键步骤，它将最终决定钢的使用性能。钢在加热后的冷却方式有两种，如图：,奥氏体冷至临界温度以下处于不稳定的状态，称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在不同过冷度下分别可转变为珠光体（P）、贝氏体(B)、马氏体(M)。,图5-3 连续冷却曲线与等温冷却曲线,一、过冷奥氏体等温转变曲线图,将共析钢的过冷奥氏体在A1以下某一温度进行等温转变，测定过冷奥氏体转变开始的时刻及终了的时刻，分别将其时刻点用光滑的曲线连接起来，在温度时间坐标上，可得到两条曲线，如图：,等温转变曲线图又称C曲线或TTT曲线。,图形分析：A1是奥氏体和

6、珠光体共存温度，左线为转变开始线，右线为转变终了线。开始线左方是过冷奥氏体区（A），终了线右方是转变产物区（P、B），两线中间是转变进行区（AP或B）。MS是马氏体转变或形成的开始温度，Mf是马氏体转变或形成的终止温度，中间为马氏体转变区。,奥氏体转变有孕育期，在鼻尖处孕育期最短。从上到下可分为珠光体、贝氏体和马氏体转变三个区。,(一)过冷奥氏体的转变产物及性能,1、珠光体型组织,温度区间：C曲线鼻尖上部（A1-550）。,转变过程：通过形核和长大来完成。铁素体和渗碳体交替互相促进形核并长大。如图：,转变特点：1）扩散型转变、碳原子和铁原子的扩散，生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体。 2）晶格的重

7、构，由面心立方的奥氏体转变为体心立方的铁素体和复杂晶格的渗碳体。,组织特点：层片状的铁素体与渗碳体的机械混合物。,贫碳A,富碳A,Fe3C,F,A晶界,Fe3C,P团,根据片间距的大小珠光体类型组织分三类: 1,珠光体（P），形成温度A1650，最粗. 2,索氏体（S），形成温度650600，较细 3,屈氏体（T），形成温度600550，最细,性能：与片层间距与有关，其强度和硬度关系如下：珠光体索氏体屈氏体,2、马氏体类型组织,马氏体（M）：含过饱和碳的固溶体。,温度区间：Ms Mf,特点： 马氏体的转变从Ms点开始，随温度下降，数量不断增加，Mf点温度终止，转变量最多。,MS 和Mf由奥氏体

8、的含碳量及合金元素含量决定,不受冷却速度的影响,例如含碳量增加，MS 和Mf点降低。,马氏体转变不完全，有残余奥氏体存在，用A或A残表示。,非扩散型的转变，在极大的冷速下，极大的过冷下，铁、碳原子无扩散的可能，奥氏体直接转变成含碳过饱和的固溶体。马氏体的含碳量与原奥氏体的含碳量相同。,1、板条马氏体（低碳马氏体，位错型马氏体）奥氏体含碳量小于百分0.3时形成板条马氏体，显微组织为一束束细条状组织，亚结构为高密度位错。因为碳的过饱和程度小和高密度位错，性能，韧性和塑性较好。,马氏体类型：,2、片状马氏体（高碳马氏体，孪晶马氏体），显微组织为双凸透镜状，亚结构主要是孪晶。因为碳的过饱和程度大和孪晶

9、，性能，韧性和塑性差。,产生的条件：1.0%C片状马氏体，中间，混合型。 获得马氏体是强化钢材的主要方法之一。 随含碳量的增加，马氏体硬度增加。,贝氏体(B)特点: 半扩散型转变，碳原子扩散，铁原子不扩散。过饱和的铁素体和渗碳体组成。,转变温度：550-Ms温度范围内,3、贝氏体类型组织,（一）上贝氏体（B上） 形成温度550350。组织特征：从晶界向晶内生长的成束的铁素体条，渗碳体以不连续的短杆状分布于铁素体条之间。 典型组织：具有羽毛状的特征。,（二）下贝氏体（B下），形成温度350MS，组织特征：片状铁素体和其内部沉淀碳化物。典型组织，具有黑针状特征。,机械性能：下贝氏体的强度、塑性、和

10、韧性高于上贝氏体。原因，上贝氏体形成温度高，铁素体条宽，渗碳体分布条状铁素体晶界。下贝氏体位错 密度高，碳化物于晶内析出。,贝氏体类型：,碳钢中，共析钢过冷奥氏体最稳定（随含碳量的增加，亚共析钢的C曲线右移，过共析钢的C曲线左移）。 亚共析钢的C曲线与过共析钢的C曲线比共析钢的C曲线左上方多一条先共析线。,（二）影响C曲线的因素,C曲线的位置和形状十分重要，决定奥氏体的等温转变速度；转变产物的性质；钢的淬透性；指导热处理工艺的制定。,影响因素主要有：,1、碳的影响,2、合金元素的影响除Co以外，所有的合金元素溶入奥氏体后，都增大其稳定性，使C曲线右移。某些碳化物形成元素改变C曲线的形状。,3、

11、加热温度和保温时间的影响 随加热温度的提高和保温时间的延长，C曲线右移。,特点：共析钢CCT图位于TTT图右下方。PS和PZ分别表示AP转变开始线和终了线。K表示中止线。冷却曲线碰到K线过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而一直保持到MS点以下转变为马氏体。,二、过冷奥氏体连续转变曲线,在生产实践中，奥氏体大多数在连续冷却中转变，因此需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线图（CCT图）。,临界冷却曲线（VK）：在CCT图上获得全部马氏体的最小冷却速度。,与VK相对应称VK为TTT图的临界冷却速度，显然，VKVK,通过C曲线可以定性分析连续冷却条件下的组织转变规律。如图：,3、细化晶粒，改善组织以提高

12、钢的机械性能。作为最终热处理或为最终热处理作好组织上的准备。,第三节 钢的退火和正火,退火和正火: 将钢加热、保温后在炉内缓冷（退火）或空冷（正火）的操作。,主要目的：,1、调整钢件硬度（HB160-230）以便进行机械加工。,2、消除残余应力以防钢件的变形和开裂。,主要应用：亚共析成份的各类碳钢和合金钢的铸、锻、焊接件的热处理，降低硬度，以便切削。常作为不重要零件的最终热处理或某些重要零件的预先热处理。,一、完全退火,完全退火：（又称重结晶退火）：将钢件加热到AC3以上3050，保温一定时间后随炉缓慢冷却至500以下出炉在空气中冷却。,组织：铁素体与珠光体的平衡组织。,目的：降低硬度，改善切

13、削加工性能细化晶粒，均匀组织，不适用于低碳钢和过共析钢。,二、等温退火：将某些合金钢件加热到AC3以上3050保温奥氏体后以较快速度冷却到C曲线鼻尖处，进行等温转变，然后空冷到室温，得到适合切削加工的索氏体，缩短退火时间。如高速钢的退火。,应用：过共析碳钢及合金工具钢，使其组织由层片状和网状渗碳体变为粒状。主要目的降低硬度，改善切削加工性，为以后淬火作好组织准备。 对网状渗碳体严重者可先进行一次正火。,三、球化退火：使钢在AC1-Accm之间长期保温，后缓慢冷却，使碳化物球化，获得球化组织的热处理工艺。,组织：粒状珠光体。由粒状渗碳体和铁素体组成的珠光体组织。,主要用于消除铸造件、锻件、焊接件

14、、热轧件、冷拉件的残余应力。,四、去应力退火,去应力退火（又称低温退火）：将钢件缓慢加热到500650（AC1）,长期保温后，随炉缓冷到200300出炉。,（3）普通结构件的最终热处理，提高普通零件的机械性能。,五、钢的正火,正火：将钢件加热到Ac3或Accm以上3050保温后从炉中取出，在空气中冷却。,与退火的区别，冷却速度较快，组织较细。,主要应用： （1）改善低碳钢或低合金结构钢的切削加工性，低碳钢或低合金结构钢退火后硬度低，切削易粘刀，正火后提高硬度，便于切削加工。,（2）用于过共析钢，消除网状渗碳体，为球化退火作好准备。,目的：为了获得马氏体，提高钢的强度、硬度等机械性能，是强化钢材

15、常用的手段，与回火配合获得所需要的性能。,第四节 钢的淬火与回火,一、钢的淬火,（一）淬火的目的,淬火：将钢加热到AC3或AC1以上3050，保温后以大于Vk的速度冷却得到马氏体的热处理工艺。,过共析钢在AC13050。得到均匀细小的马氏体和粒状碳化物的混合组织。淬火温度过高，马氏体粗大；变形严重；开裂倾向大；残余奥氏体增加，硬度和耐磨性下降。温度低，得到非马氏体组织，硬度不足。对合金钢加热温度可以高一些。,（二）淬火温度的选择,亚共析钢在AC33050，得到细小的马氏体组织，温度过高，得到粗大马氏体，钢件易变形，甚至开裂。温度低，出现铁素体，硬度不足，强度不高。,要求：即得到马氏体又不产生变

16、形和开裂，理想的冷却介质是在650550冷却速度快，其余温度冷却速度慢。 常用介质有：水、盐水、油。,（三）淬火冷却介质,图5-15 淬火时的理想冷却曲线示意图,（四）常用淬火方法,1单液淬火法 工件在一种介质中连续冷却到室温的操作方法。如水淬，油淬。,2双液淬火法 在Ms以上，在冷却能力较强的介质中冷却，接近Ms时转入冷却能力较弱的介质中冷却，如水淬油冷法，以防在马氏体相变时开裂。,3 分级淬火法 热浴淬火法，使工件先在稍高于Ms （150260）的硝盐或碱浴中冷却，减小表面和心部温差后，再取出在空气中冷却。减小钢的内应力，变形，适用于小件，复杂件。 组织：获得马氏体和残余奥氏体。,4 等温

17、淬火法 将钢件淬入稍高于MS温度的硝盐浴或碱浴中，保温足够时间，使其发生下贝氏体转变，随后在空气中冷却。 组织：获得下贝氏体。,5 冷处理 冷处理：将淬火冷至室温的零件继续深冷至Mf以下的致冷剂中，保持一段时间，使残余奥氏体充分转变成马氏体的操作方法。 目的：为了减少钢中的残余奥氏体以获得最大数量的马氏体，防止工件在保存或使用中发生组织转变。,淬透性：钢在奥氏体化后淬火时获得马氏体而不形成其它组织（珠光体等）的能力。 淬透性大小用淬透层深度表示，淬透层深度由钢的表面至内部马氏体组织占50处的距离来表示。淬透层越深，钢的淬透性越好。,二 钢的淬透性,（一）淬透性、淬硬性的定义及影响因素,淬硬性与

18、含碳量有关，含碳量越高，得到的马氏体的硬度越高。而淬透性与C曲线的位置有关，主要取决于合金元素的含量与种类。 淬透性差，性能分布不均，冲击韧性、屈强比、疲劳极限都要下降。,淬硬性：指钢在正常淬火条件下，以超过VK的速度冷却所形成的马氏体组织所能达到的最高硬度。,决定性因素是临界冷却速度（VK）。VK越小，钢的淬透性越大；VK越大，淬透性越小。 影响VK的因素与影响C曲线的因素相同（含碳量；合金元素；奥氏体化温度）。,影响淬透性的因素,（二）淬透性的测定及表示方法,1.临界淬透直径法,钢在某种介质中淬火时心部获得半马氏体的最大直径，称为临界淬透直径，用D0表示。,2. 末端淬火法,将标准试样按规

19、定淬火温度加热后置于试验机支架上对其末端喷水淬火，在统一的冷却条件下冷却后测定离末端不同距离的硬度，绘制硬度与末端距离的关系曲线。如图：,（3）稳定组织和尺寸。淬火后的组织马氏体和残余奥氏体是极不稳定的组织，会自发的向铁素体和碳化物转变，利用回火可以使其充分的转变到一定的程度，使组织结构稳定化，保证工件在使用中不在发生尺寸和形状的改变。,三、淬火钢的回火,回火:将淬火钢加热到临界温度AC1以下某一温度，保温一定时间然后冷却到室温的一种热处理工艺。,回火的目的：,（1）消除脆性，降低内应力，防止变形和开裂。,（2）调整钢的机械性能。淬火后工件硬而脆通过适当的回火配合调整硬度，减小脆性，得到所需要

20、的塑性和韧性。,1、 碳化物的析出 在100回火，无明显的转变，马氏体中只有碳原子的偏聚，而没有开始分解。 在100250回火，马氏体（M）开始分解，析出与马氏体共格联系的碳化物，在此阶段转变的产物称回火马氏体（M或M回），即过饱和的固溶体和与母相晶格联系的碳化物组成。该阶段的转变：M（过饱和相 ）M（过饱和相 + 碳化物）。性能：硬度无明显变化。,（一）淬火钢在回火时的组织变化,淬火钢在回火时会发生以下几种组织变化：,Fe3C形成 ： 300-400 碳化物开始转变为Fe3C；马氏体中碳的过饱和度降到饱和状态，转变为铁素体（ 相 ），这时的回火组织由铁素体和极细的粒状渗碳体组成，称为回火屈氏

21、体（T或T回） M（过饱和相+ 碳化物） T（ 相+ Fe3C ） 温度高于400 时，渗碳体颗粒聚集长大，此时铁素体与颗粒状的渗碳体的混合物称为回火索氏体（S或S回）。,由于淬火的马氏体晶粒不是稳定的等轴状，而且晶内缺陷较多，所以与冷塑性变形金属相似，在回火过程中也会发生回复与再结晶。在400以上铁素体将发生回复与再结晶，大约在600 再结晶过程将全部完成，此时回火索氏体中的铁素体为等轴状的晶粒。,2. 残余奥氏体的分解,在200300回火，残余奥氏体将转变为相 + 碳化物，一般认为是回火马氏体或下贝氏体。 A M或B下（相+ 碳化物）,3. 铁素体的回复与再结晶,1、硬度变化 如图：总趋势

22、随回火温度的升高而降低，低于300基本保持淬火时的高硬度，马氏体转变成M(过饱和的固溶体和与母相晶格联系的碳化物)和残余奥氏体分解成B下 组织.高于300，马氏体分解加剧，碳化物粗化，硬度下降。,（二）回火时机械性能的变化,对工具材料低温回火，保证高硬度、高耐磨性。 弹性零件中温回火可以得到较高的弹性极限。 对于塑性、韧性要求较高，并具有一定强度的零件高温回火可以获得良好的综合性能。,2、强度与塑性的变化,随回火温度升高，强度b、s不断下降，塑性、不断升高，塑性在500-600达到较高值，弹性在300-400达最高值。,3、钢的回火脆性,钢的冲击韧性随回火温度的升高在250400和500650

23、出现明显的降低，这种冲击韧性随回火温度降低的现象称回火脆性。如图：,第一类回火脆性（250400），又称低温回火脆性；不可逆回火脆性。产生原因，马氏体条间析出碳化物薄壳有关。,2）等温淬火或加入使脆性区向高温方向移动的合金元素（Si、Cr、Mn）。,产生原因：钢中的合金元素铬、镍及杂质元素硫磷锑砷等向原奥氏体晶界偏聚有关。主要在合金钢中出现，一般碳钢不产生第二类回火脆性，将在第六章合金钢中介绍。,消除方法：,1）不在脆化温度范围回火。,第二类回火脆性（500650）又称高温回火脆性；可逆回火脆性。,三、回火的种类及应用,回火决定了钢最终的机械性能，根据回火温度的不同可分为三类：,目的：降低钢中

24、的残余应力和脆性，保持其淬火后的高硬度和耐磨性，硬度为HRC5864。主要用于各种高碳和合金钢的工模具，轴承，表面淬火和渗碳淬火的零件。,（一）低温回火,回火温度为150250，保温后空冷，获得回火马氏体组织，,目的：得到强度、塑性、和韧性都较好的综合机械性能。硬度HRC1535左右。,目的：得到高弹性极限具有一定的韧性，硬度HRC3550左右，主要用于各类弹簧处理。,（二）、中温回火,回火温度为350500，保温后空冷。得到回火屈氏体组织，,（三）高温回火,回火温度为500600，保温后空冷，得到回火索氏体组织。,调质处理广泛的用于各种重要的结构件，特别是在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及

25、轴类。,重要概念：调质处理（简称调质）：淬火加高温回火相结合的热处理。,第五节 钢的表面淬火,表面淬火：利用快速加热装置将工件表面迅速加热至淬火温度，而不等热量传至中心，便立即进行淬火冷却的一种热处理工艺方法。,目的：组织上，使表层被淬硬为马氏体，而心部仍为未淬火的组织（退火、正火、调质状态的组织）。性能上，使钢的表面具有高的强度、硬度、高耐磨性和疲劳极限，而心部仍保持足够的塑性和韧性。,方法：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电阻加热表面淬火等。,应用：扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷下工作的零件，表面承受着比心部高的应力需要强化钢材的表面，使其具有高强度、高硬度，或表面有摩擦的场合。如：齿

26、轮、凸轮、曲轴颈、轧辊等。,（一）感应加热的基本原理 把钢件放在空心铜管绕制的感应圈中，在感应圈中通入一定频率的交电流，于是工件中就感应出同频率的感应电流，感应电流在工件中自成回路，这种电流分布不均匀，有“集肤效应”，即工件表面电流密度大，心部几乎等于零，由于钢件本身有电阻使工件表面迅速加热到淬火温度，而心部仍接近室温，然后迅速喷水淬火冷却使表层淬硬。,一、感应加热表面淬火,3、工频淬火，频率在50HZ，用于大直径钢材的穿透加热及淬硬层深的大工件的表面淬火，如轧辊和火车车轮，可以获得10-15mm以上的硬化层。,生产上根据零件的尺寸和硬化层深度的要求选择感应加热的电流频率。根据电流频率，分三类

27、：,1、高频淬火，频率在20万30万HZ，用于中小零件，如小模数齿轮，中小型轴类件，可得到0.5-2.5mm的硬化层,2、中频淬火，频率在25008000HZ，用于淬硬层较深的零件，模数较大的齿轮和直径较大的轴类件，可以获得3-6mm的硬化层。,5. 生产率高，淬硬层易控制，易实现机械化和自动化，适用于大批量生产。,（一）感应加热表面淬火的特点,1. 加热速度极快，奥氏体转变温度范围扩大 ，转变所需时间短。,2. 加热时间短，奥氏体不易长大，淬火后表面得到极细的隐晶马氏体，硬度比普通淬火高HRC2-3度。,3. 疲劳强度高。由于马氏体转变，表面产生残余压应力，提高了疲劳强度。,4. 加热速度快

28、，无保温时间，钢件表面不易氧化、脱碳；心部未加热，变形小。,缺点：设备昂贵，不适用于单件生产。,使用钢材：中碳钢（40、45、50号钢）和中碳合金钢（40Cr、40MnB）。提高含碳量增加淬硬层硬度，降低心部塑性、韧性，并增加淬火开裂倾向。降低含碳量，降低表面淬硬层硬度和耐磨性。表面淬火前常进行预先热处理，如正火、调质，目的是提高心部的综合机械性能。,一般工艺路线：下料锻造 正火或退火 机械（粗）加工调质处理机械（精）加工感应加热表面淬火低温回火 磨削加工。,感应加热表面淬火技术条件（略）,二、火焰加热表面淬火,用乙炔-氧或煤气-氧混合气体燃烧得到的高温火焰喷射到工件的表面，当工件的表面的温度

29、达到淬火温度，喷水快冷，获得表面层硬度和淬硬层深度的一种表面淬火方法。如图：,特点：方法简单、无需特殊设备，适用于单件小批生产，如大型零件、大模数齿轮的局部淬火。其缺点质量难以控制。,化学热处理：将金属工件放入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热和保温，使介质中的活性原子被吸收、扩散渗入工件一定深度的表层，改变表层的化学成份和组织，并获得与心部不同的性能的热处理工艺。与普通热处理不同，不仅有组织变化，同时也有表层成分的变化。,第六节 钢的化学热处理,种类：渗碳，渗氮、渗硼、渗金属等,某种元素渗入工件表面的条件：,1.钢具有吸收渗入活性原子的能力。该原子能溶入铁晶格中形成固溶体，在铁中有一定的

30、溶解度，或与铁有较强亲和力形成化合物。,1.将工件加热到一定温度，使之有利于溶入活性原子或与之形成化合物。 2. 利用化合物分解或离子转化得到渗入元素活性原子。 3.活性原子吸附，溶入钢件表层，并在保温过程中由表层向内 扩散，形成一定层深的扩散层。,2.渗入元素的原子必须是具有化学活性的活性原子，处于高能状态，能克服钢件表面铁原子的结合力，渗入钢件表层。,下面重点介绍渗碳和氮化。,化学热处理的基本过程：,主要使用的钢材：心部要求不高，尺寸较小的渗碳件常用低碳钢15、20号钢或低碳合金钢15Cr、20Cr。要求较高，尺寸较大的零件则用20CrMnTi、 20MnVB等制造。 低碳钢能满足心部韧性

31、，但表面硬度低，不耐磨；高碳钢，热处理后表面硬度高，耐磨，但心部韧性太差，低碳钢渗碳淬火后能很好的满足要求。,一、钢的渗碳,（一）渗碳的目的及用钢,目的：向钢的表层渗入碳原子，表层具有高的含碳量，经热处理后表层具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的韧性和塑性。,（二）渗碳方法：,渗碳剂：渗碳用的介质。 根据渗碳剂的不同，渗碳方法分为：气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳。,1、气体渗碳,将工件置于密封的加热炉中，通入气体渗碳剂，在900950加热、保温、使钢件表面层进行渗碳。,常用的渗碳剂有煤油、甲醇等液体，在高温下反应生成活性碳原子。,2. 固体渗碳将工件置于四周填满固体渗碳剂的箱中，加盖

32、密封后送入炉中加热到900-950，保温足够时间达到渗碳层深度后出炉,常用的固体渗碳剂由木炭粒和催渗剂组成,气体渗碳生产率高、劳动条件好、渗碳质量易控制，易实现机械化、自动化，应用广。固体渗碳时间长，生产率低、劳动条件差、渗碳质量不易控制，但设备工艺简单，适宜单件小批生产。液体渗碳淘汰。,主要考虑的两个工艺参数：,渗碳时间：由渗层深度决定。时间越长，渗层越深。,1. 渗碳温度,渗碳温度选择原则：一方面有利于钢容纳更多碳原子和碳原子的扩散，应在较高温度奥氏体区进行；另一方面，又不能使晶粒粗大，性能变坏，变形严重，温度不能过高。一般在900950。,（三）渗碳后热处理及组织性能,1. 渗层深度：渗

33、碳的主要技术指标之一。,表示方法：（1）通过显微组织确定。钢渗碳后缓冷的组织，由表及里分别为过共析、共析、亚共析、中心原始组织，共析至原始组织之间为过渡区，渗层深度规定从表面到过渡区的一半距离。（2）硬度法，指经渗碳，淬火后由表层到HRC50处的垂直距离。,心部组织：低碳钢（15、20钢）为F+P, 硬度HRC15-20。,选择原则：根据性能要求及材料成分决定。,2. 渗碳后热处理：淬火+低温回火,淬火可用直接淬火法（渗后预冷至860-800直接淬火+低温回火）或一次淬火法（空冷至室温，然后重新加热至 AC1 +30-50 ，淬火+低温回火）,3. 钢件渗碳、淬火、低温回火后的最终的组织：,表

34、面组织：细小片状M +少量碳化物，硬度HRC58-62,低碳合金钢（20CrMnTi）为板条状M+F+T，硬度HRC35-45。,4. 工艺路线：下料锻造 正火 机械（粗）加工渗碳淬火+低温回火机械（精）加工。,（四）渗碳后淬火与表面淬火的比较 渗碳后淬火比表面淬火淬硬层均匀、硬度高，性能好、使用寿命长。见书表5-6。,5.渗层厚度的选择：见书表5-4。,二、钢的氮化,氮化：向钢的表面渗入氮原子，形成坚硬化合物层的化学热处理。,（一）氮化的原理和工艺 氮化工艺有气体氮化、液体氮化、固体氮化、离子氮化等。这里介绍应用较多的气体氮化。利用氨加热分解出氮原子，然后被钢表面吸收，形成氮化层。氮化温度5

35、00570，设备在密闭的井式炉中进行。,1、氮化往往是最后一道加工工序（有时需精磨），氮化层很薄，所以精磨余量一般仅为0.10-0.15mm。为保证心部的综合机械性能，氮化前工件要进行调质处理。 2、氮化件具有极高的硬度和耐磨性，其硬度高于渗碳，工件氮化后不必进行淬火。 3，具有较高的红硬性（能保持硬度在HRC60以上的最高温度）氮化后的硬度可以保持到相当高的温度（约600-650 ），而渗碳件在300 以上明显下降。,（二）氮化处理的特点,主要应用：高精度的齿轮及机床主轴等。变向负荷工作条件下要求疲劳强度很高的零件（高速柴油机曲轴）及变形小的耐磨、耐蚀、耐热零件（如阀门等） 。,4、抗腐蚀性好，氮化物结构致密，化学稳定性好，耐自来水、大气、蒸汽、碱液的腐蚀，但不耐酸腐蚀。 5、要求心部有足够的强度，氮化层薄、硬度高、脆性大、要求心部有足够强度支撑且有较好的综合机械性能，通常氮化前进行调质处理。 6、处理温度低，变形小。,（三）氮化用钢：采用中碳合金钢，常用38CrMoAl，35CrMo，18CrNiW等。,氮化典型工艺路线：锻造退火粗加工调质精加工去应力粗磨氮化精磨或研磨,第五章结束,