1、7.3 钢的钢的表面热处理表面热处理 以上谈到的是普通热处理的以上谈到的是普通热处理的“四把火四把火”，它们在，它们在生产实践应用十分广泛，也有局限性。生产实践应用十分广泛，也有局限性。对于零件的表面及心部性能要求不同的情况下，对于零件的表面及心部性能要求不同的情况下，如：如：表面高硬度、高耐磨表面高硬度、高耐磨 （1）表硬里韧）表硬里韧 心部足够的塑韧性心部足够的塑韧性 （2）表面要求具有良好的物理化学性能就只能采）表面要求具有良好的物理化学性能就只能采用：用：表面热处理表面热处理途径有二途径有二 改变钢的表层组织，不改变化学成份改变钢的表层组织，不改变化学成份表面淬火表面淬火 改变钢的表层
2、化学成份改变钢的表层化学成份化学热处理化学热处理 7.3.1表面淬火表面淬火二、火焰加热表面淬火二、火焰加热表面淬火1、感应加热的基本原理、感应加热的基本原理2、感应加热频率选用、感应加热频率选用提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。使使零件具有零件具有“表硬里韧表硬里韧”的力学性能。的力学性能。7.3.1表面淬火表面淬火*目的目的：是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。火前组织的热处理方法。*表面淬火表面淬火
3、:是一种是一种不改变钢表层化学成分不改变钢表层化学成分,但但改变表层组改变表层组 织织的局的局 部热处理工艺。部热处理工艺。*工艺方法工艺方法感应加热感应加热(高、中、工频高、中、工频)火焰加热火焰加热电接触加热法等电接触加热法等表面淬成表面淬成M硬硬；心部保持正火或调质态心部保持正火或调质态韧韧。1、感应加热的基本原理、感应加热的基本原理感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图 交流电交流电交变磁场交变磁场感应电流感应电流涡流涡流表层加热表层加热淬火冷却淬火冷却集肤效应集肤效应f500（mm）感应表面淬火使采用电磁感应方法使零件表面迅速加热，然感应表面淬火使采用电磁感应方法使零件表面迅速
4、加热，然后迅速喷水冷却的一种热处理操作方法。后迅速喷水冷却的一种热处理操作方法。*热源：热源：“涡流涡流 效应效应”产生的焦耳热。产生的焦耳热。因为涡流的因为涡流的“集肤效应集肤效应”*电流透入深度电流透入深度:Q=0.24I2Rt 涡流产生的热量涡流产生的热量Q：为什么只能表面加热？为什么只能表面加热？I 涡流强度涡流强度;R材料电阻材料电阻;t时间时间水水 f 交流电频率交流电频率Hz 电流透入深度电流透入深度mm高频高频感应加热感应加热中频中频感应加热感应加热工频工频感应加热感应加热频率范围频率范围200300kHz110 kHz50Hz淬硬层深度淬硬层深度0.52mm210mm1015
5、mm应应 用用 举举 例例在摩擦条件下工作的零件，如在摩擦条件下工作的零件，如小齿轮、小轴小齿轮、小轴承受扭矩、压力承受扭矩、压力载荷载荷的大型零的大型零件件，如冷轧辊等，如冷轧辊等感应加热表面淬火的电流频率感应加热表面淬火的电流频率 承受扭矩、压力载荷的零承受扭矩、压力载荷的零件，如曲轴、大齿轮等件，如曲轴、大齿轮等2、感应加热电流频率选用、感应加热电流频率选用式中：式中：f f 交流电频率交流电频率HzHz 电流透入深度电流透入深度mmmmf600500v 电流透入深度：电流透入深度：Q=0.24I2Rt式中：式中：Q涡流产生的热量涡流产生的热量 I涡流强度涡流强度 R材料电阻材料电阻 t
6、时间时间v 涡流产生的热量涡流产生的热量：感应加热淬火机床感应加热淬火机床 *预备热处理预备热处理 正火正火或或调质调质3、表面淬火用钢、表面淬火用钢用钢用钢：中中C钢或中钢或中C合金钢（合金钢（0.4-0.5%C）淬火后表面硬淬火后表面硬 度度HRC 58-60a)改善心部组织改善心部组织,以达到性能要求以达到性能要求b)使表层原始组织细化使表层原始组织细化,在进行表面淬火时在进行表面淬火时 获得成分均匀的获得成分均匀的M.举例举例：机床齿轮：机床齿轮45下料下料锻造锻造正火正火加工齿形加工齿形高频淬火低温回火高频淬火低温回火磨齿磨齿装配装配目的目的:*钢件表面淬火后应进行低温回火或自回火。
7、钢件表面淬火后应进行低温回火或自回火。表层为表层为M细（隐晶细（隐晶M），中心为原始组织），中心为原始组织 具有具有“表硬里韧表硬里韧”的性能。的性能。热处理热处理:3).疲劳强度高疲劳强度高表层为残余压应力表层为残余压应力4).可实现自动化、生产率高、成本降低可实现自动化、生产率高、成本降低1).淬火温度高淬火温度高(Ac3+80150)，加热速度快加热速度快、时间短时间短 不易氧化、脱碳，变形小。不易氧化、脱碳，变形小。2).M细细，同一种材料，比普通淬火硬度提高，同一种材料，比普通淬火硬度提高23HRC，且韧性好且韧性好；*不不 足：设备较贵、复杂零件的感应器不易制造。足：设备较贵、复杂
8、零件的感应器不易制造。应用氧气应用氧气-乙炔（或其它可燃气）火焰对工件表面进行乙炔（或其它可燃气）火焰对工件表面进行加热，随之快速冷却的工艺。加热，随之快速冷却的工艺。这种方法可获得这种方法可获得26mm的淬的淬透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。（26mm）1.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火二、火焰加热表面淬火二、火焰加热表面淬火 用氧乙炔焰快速加用氧乙炔焰快速加热零件表面，使其达到奥热零件表面，使其达到奥氏体化温度，并迅速喷水氏体化温度，并迅速喷水冷却，使其表层获得一定冷却，使其表层获得一定深度的淬硬层。深度的淬硬层。2.火焰加
9、热表面淬火火焰加热表面淬火应用及其缺点应用及其缺点应用：应用：中碳钢、中碳合金钢及铸铁件、小批生产，中碳钢、中碳合金钢及铸铁件、小批生产，或大工件的表面淬火。或大工件的表面淬火。缺点：缺点：加热不均匀，表面质量不高、生产率不高。加热不均匀，表面质量不高、生产率不高。*设备简单设备简单,操作方便操作方便,成本低。成本低。*淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产适于单件、小批量及大型零件的生产3，火焰加热表面淬火的特点火焰加热表面淬火的特点三、电接触加热表面淬火三、电接触加热表面淬火 采用低电压、大电流，通采用低电压、大电流，通过压紧在工件表面的过压紧在工件表面的滚轮滚
10、轮与与工件形成回路，靠接触电阻工件形成回路，靠接触电阻热实现快速加热，滚轮移去热实现快速加热，滚轮移去后即进行自激冷淬火。后即进行自激冷淬火。淬硬层淬硬层达达0.15-0.35mm，硬度均匀，且变形小，目前硬度均匀，且变形小，目前主要用于导轨的强化。主要用于导轨的强化。7.3.2 化学热处理化学热处理二、钢的渗碳二、钢的渗碳三、钢的渗氮三、钢的渗氮四、钢的碳氮和氮碳共渗四、钢的碳氮和氮碳共渗化学热处理化学热处理定义：定义：将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组
11、织和性能的一种热处理工艺。分、组织和性能的一种热处理工艺。活性原子从工件表层向内部的活性原子从工件表层向内部的扩散扩散化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:渗剂渗剂分解分解出活性原子出活性原子工件表面工件表面吸收吸收活性原子活性原子一、什么是化学热处理？一、什么是化学热处理？钢件和铸铁件钢件和铸铁件非金属元素、金属元素非金属元素、金属元素C、N、O、S、B，与，与Fe形成形成间隙固溶体和化合物，强化间隙固溶体和化合物，强化表面，提高表面的力性表面，提高表面的力性 与与Fe形成置换固溶体，形成置换固溶体，Cr提提高抗蚀性、高抗蚀性、Al提高抗氧化性、提高抗氧化性、Si提高抗酸性能提高抗酸性能
12、 7.3.2、表面化学热处理、表面化学热处理 化学热处理化学热处理：就是把就是把工件工件放在一定温度的化学介质中保温，放在一定温度的化学介质中保温，让一些化学让一些化学元素元素渗入工件的表层，改变表面的化学成分，渗入工件的表层，改变表面的化学成分，进进 而改变组织及性能的热处理工艺。而改变组织及性能的热处理工艺。（1）工件有吸收这些元素的能力）工件有吸收这些元素的能力化学热处理应具备的条件：化学热处理应具备的条件：即：有溶解度或能形成化合物即：有溶解度或能形成化合物（2）渗入元素应具备活性）渗入元素应具备活性即：能产生活性原子即：能产生活性原子“活性原子活性原子”是指那些在一定的化学反应中刚产
13、生的，以原子是指那些在一定的化学反应中刚产生的，以原子状状 态存在的元素。态存在的元素。2）.吸收吸收:活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶解。零件表面吸收和溶解。零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力即对即对 渗入原子有一定的渗入原子有一定的溶解度溶解度或能与之化合或能与之化合,形成化合物形成化合物。3）.扩散扩散:活性原子由零件表面向内部扩散活性原子由零件表面向内部扩散,形成一形成一 定的扩散层定的扩散层（渗层）。（渗层）。1）.渗剂分解渗剂分解:化学介质在高温下释放出待渗的化学介质在高温下释放出待渗的活性活性 原子原子。2CO CO2 +C分解吸收一扩散分解吸收一扩
14、散化学热处理的一般过程：化学热处理的一般过程：在整个化学热处理进程中，上述三个基本过程是同时在整个化学热处理进程中，上述三个基本过程是同时发生而又彼此密切相关的。三者互相配合，互相制约。发生而又彼此密切相关的。三者互相配合，互相制约。热处理工作者的任务就是合理控制各种工艺参数热处理工作者的任务就是合理控制各种工艺参数(如如温度、渗剂、炉压与时间温度、渗剂、炉压与时间等等)，调节好分解、吸，调节好分解、吸收与扩散三者的关系，以获得理想的化学热处理速收与扩散三者的关系，以获得理想的化学热处理速度和合理的渗层组织。度和合理的渗层组织。扩散层的组织扩散层的组织与渗入元素和基体金属所组成的相图与渗入元素
15、和基体金属所组成的相图有关。有关。如果渗入元素与基体金属可以无限互溶，则如果渗入元素与基体金属可以无限互溶，则扩散层的组织只是单一的固溶体，表层与心部的差扩散层的组织只是单一的固溶体，表层与心部的差别只是浓度不同。如果渗入元素与基体金属之间组别只是浓度不同。如果渗入元素与基体金属之间组成有限固溶体，并能形成一系列的化合物时，情况成有限固溶体，并能形成一系列的化合物时，情况就比较复杂，扩散层内常常有相变过程发生，伴随就比较复杂，扩散层内常常有相变过程发生，伴随着化合物的形成。着化合物的形成。适用钢种适用钢种：0.100.25C 低碳钢、低碳合金钢低碳钢、低碳合金钢二、钢的渗碳二、钢的渗碳目的：目
16、的：使钢件表层获得高的硬度、耐磨性和疲劳强使钢件表层获得高的硬度、耐磨性和疲劳强 度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性。度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性。1、定义：、定义：将钢件置于渗碳介质中加热、保温，使活性将钢件置于渗碳介质中加热、保温，使活性 碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。气体渗碳气体渗碳固体渗碳固体渗碳液体渗碳液体渗碳目前广泛应用的是气体渗碳法。目前广泛应用的是气体渗碳法。2、渗碳方法、渗碳方法井式气体渗碳炉井式气体渗碳炉1）、气体渗碳）、气体渗碳 按按热源热源分为分为电加热炉电加热炉和和煤气加热炉煤气加热炉。煤油煤油风扇电机风扇电机废
17、气火焰废气火焰炉盖炉盖电阻丝电阻丝耐热罐耐热罐工件工件炉体炉体1）、气体渗碳）、气体渗碳方法方法：滴注式渗碳滴注式渗碳介质：介质：苯、醇、煤油等液体苯、醇、煤油等液体工艺：工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900950(常用常用930)，向炉内滴入煤油、苯、，向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成温下分解成CO、CO2、H2及及CH4等气体组成的渗碳气氛。等气体组成的渗碳气氛。大型井式渗碳炉大型井式渗碳炉2 2）、）、固体渗碳固体渗碳v常用的常用的渗碳剂渗碳剂：木炭或骨炭等木炭或骨炭等v常用的常用的催渗剂催渗剂：碳
18、酸钡或碳酸钠碳酸钡或碳酸钠v渗碳渗碳工艺工艺：工件：工件+渗碳剂密封装入渗碳箱中，渗碳剂密封装入渗碳箱中，加热至加热至900950保温。保温。固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱3）、液体渗碳）、液体渗碳 设备：设备：内热式或外热式盐炉内热式或外热式盐炉 液体渗碳（无毒）盐浴的组成：液体渗碳（无毒）盐浴的组成：供碳剂供碳剂木碳粉、尿素木碳粉、尿素（NH2）2CO 基体盐基体盐NaCl2+KCl（加热介质）（加热介质）催渗剂催渗剂Na2CO3等等将零件在盐浴中加热并渗碳将零件在盐浴中加热并渗碳3、渗碳后的组织、渗碳后的组织（由表面至心部）：（由表面
19、至心部）：亚共析组织（亚共析组织（PF）4、渗碳后的组织、渗碳后的组织 过共析组织（过共析组织（PFe3C）共析组织（共析组织（P）（与渗入元素和基体金属所（与渗入元素和基体金属所组成的相图有关）组成的相图有关）A1A3AcmA+Fe3CA+F3 3、工艺、工艺:加热温度加热温度为为900950;渗碳时间渗碳时间一般为一般为39小时小时;表面表面中心中心 1%C0.2%CPP+F零零 件件P+Fe3CF+P少少表面的含碳量最高：表面的含碳量最高：wc=1.0%左右，由表及里，左右，由表及里，含碳量逐渐降低，直至原含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。始含碳量。渗碳层的渗碳层的缓冷组织缓冷组织 渗渗碳
20、碳层层的的组组织织过共析组织过共析组织(P+Fe3C)共析组织共析组织(P)过渡区亚共析组织过渡区亚共析组织(P+F)原始亚共析组织原始亚共析组织(F+P)渗碳层的渗碳层的缓冷组织缓冷组织（由表面至心部）：（由表面至心部）：渗碳后缓冷组织渗碳后缓冷组织（由表面至心部）：（由表面至心部）：过共析过共析PFe3C共析（共析（P）亚共析（亚共析（PF）心部心部渗碳温度渗碳温度Ac3（心部）（心部）Ar3（心部）（心部）Ac1时间时间温度温度/淬淬火火回火回火a）预冷直接淬火）预冷直接淬火b）一次淬火）一次淬火缓缓冷冷淬淬火火回火回火c）二次淬火）二次淬火缓缓冷冷淬淬火火淬淬火火回火回火1）.常用的淬
21、火方法常用的淬火方法4、渗碳后的热处理、渗碳后的热处理 淬火低温回火淬火低温回火（1）预冷直接淬火法）预冷直接淬火法优点：优点：操作简便、生产效率高、成本低；减少操作简便、生产效率高、成本低；减少加热和冷却次数，故减小工件的淬火变形及表加热和冷却次数，故减小工件的淬火变形及表面氧化脱碳。面氧化脱碳。应用：应用：本质细晶粒钢（如本质细晶粒钢（如20CrMnTi、20MnVB 钢等）；载荷小、耐磨性要求较低的工件。钢等）；载荷小、耐磨性要求较低的工件。渗碳渗碳+预冷预冷油淬油淬清洗清洗回火回火装试样装试样出试样出试样（2）一次淬火法）一次淬火法淬火温度选择：淬火温度选择：应兼顾表面和心部的要求，应
22、兼顾表面和心部的要求，通常：通常：心部性能要求较高时：心部性能要求较高时：TH Ac3，以以心部性能心部性能 表面性能要求较高时：表面性能要求较高时：TH Ac1，以以表面性能表面性能 应用：应用：仅适用于本质细晶粒钢，如合金钢和不重要仅适用于本质细晶粒钢，如合金钢和不重要的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。渗碳后缓冷，重新加热淬火及低温回火。渗碳后缓冷，重新加热淬火及低温回火。目的：目的：防止防止Fe3C的过量析出的过量析出细化晶粒细化晶粒防止变形防止变形目的目的：第一次淬火第一次淬火TH Ac3，细化心部组织，细化心部组织其性能其性能 第
23、二次淬火第二次淬火TH Ac1，细化表层组织，细化表层组织其性能其性能故可获得表面具有高硬度、耐磨性和疲劳强度，故可获得表面具有高硬度、耐磨性和疲劳强度，心部具有良好的强韧性和塑性。心部具有良好的强韧性和塑性。应用：应用：仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高仅适用于本质粗晶粒钢和使用性能要求很高的工件。的工件。这种方法工艺较复杂，因加热次数多，这种方法工艺较复杂，因加热次数多，工件易氧化、脱碳和变形，成本高等缺点，故目工件易氧化、脱碳和变形，成本高等缺点，故目前该工艺已很少采用。前该工艺已很少采用。（3）二次淬火）二次淬火钢经渗碳、淬火、低温回火后的组织与性能：钢经渗碳、淬火、低温回火后的组
24、织与性能：目的：目的：消除淬火应力，消除淬火应力，韧性，保持高硬度与耐磨性。韧性，保持高硬度与耐磨性。2）.低温回火（低温回火（160200）淬透时淬透时:未淬透时未淬透时:针状针状M回回碳化物碳化物A残残低碳低碳M回回P（T、S）F、表层：表层：心部：心部：HRC 5864HRC 3045HRC 1015表层硬度高而耐磨性较好，心部韧性较好；并表层硬度高而耐磨性较好，心部韧性较好；并有较高的疲劳强度。有较高的疲劳强度。渗碳后淬火及低温回火后的显微组织渗碳后淬火及低温回火后的显微组织20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织：低温回火后的组织：节园：节园：M回回KA心部
25、：低碳心部：低碳M齿顶：齿顶：M回回KA下料下料锻造锻造正火正火机加工机加工渗碳渗碳淬火淬火低温回火低温回火喷丸喷丸磨削磨削7、渗碳件的加工工艺路线、渗碳件的加工工艺路线5、常用的渗碳钢、常用的渗碳钢-低碳钢低碳钢 C0.2520、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等等6、局部防渗、局部防渗镀铜镀铜涂上专用涂上专用防渗剂防渗剂或或水玻璃加石棉绳水玻璃加石棉绳整体渗碳，局部淬火；渗碳缓冷后，把不需整体渗碳，局部淬火；渗碳缓冷后，把不需 要渗碳的部分切削掉，然后整体加热整体淬火。要渗碳的部分切削掉，然后整体加热整体淬火。锻造（问题）锻造（问题）正火正火（目的）（目的）机械加工【可否与渗碳
26、工艺倒置机械加工【可否与渗碳工艺倒置】渗碳渗碳（组织）（组织）淬火淬火+低温回火（工艺）低温回火（工艺）精加工精加工渗碳工件的最终组织、性能渗碳工件的最终组织、性能渗碳工件的一般工艺路线渗碳工件的一般工艺路线1)定义定义:向钢的向钢的表面渗入氮原子表面渗入氮原子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧及抗蚀表硬里韧及抗蚀性能的零件。性能的零件。三、钢的渗氮三、钢的渗氮(俗称氮化俗称氮化)1、渗氮渗氮3 3）渗氮原理：）渗氮原理：NH3550分解活性分解活性N表面形成固溶体或表面形成固溶体或氮化物氮化物达到一定渗层达到一定渗层0.400.60mm4070h2、方法及工艺：、方法及工
27、艺：常用的渗氮方法有常用的渗氮方法有气体渗氮气体渗氮、离子渗氮、离子渗氮、氮碳共氮碳共渗（软氮化）渗（软氮化）等。生产中应用较多的是等。生产中应用较多的是气体渗氮。气体渗氮。井式气体氮化炉井式气体氮化炉渗氮工艺渗氮工艺:加热温度加热温度 500600;保温时间保温时间 2050h。（离子渗氮（离子渗氮15 20h）气体渗氮。气体渗氮。在渗氮炉内通入氨气，在在渗氮炉内通入氨气，在380以上氨分解出活性氮原以上氨分解出活性氮原:2NH33H2+2N活性氮原子被工件表面吸收并溶入表活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面，在保温过程中向里扩散，形成渗氮面，在保温过程中向里扩散，形成渗氮。氮化层厚度氮化层厚
28、度 0.30.5mm氮化层厚度 3 3、渗氮后的组织、渗氮后的组织 氮化用钢氮化用钢:35 CrMo、18CrNiW、38 CrMoAlA(氮化王牌钢氮化王牌钢)等。等。表层表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。心部心部:S回。回。渗氮用钢渗氮用钢 为为wC=0.15%0.45%的合金结构钢。的合金结构钢。高速传动的精密齿轮，高精度机床主轴等高速传动的精密齿轮，高精度机床主轴等纯铁氮化时可能形成四种相纯铁氮化时可能形成四种相相相-为氮在为氮在Fe中的固溶中的固溶体体(含氮铁素体含氮铁素体)。相相-为氮在为氮在Fe中的固溶中的固溶体体(实质上是实质上是含含氮的奥氏体氮的
29、奥氏体)。相相-为一可为一可变成分的变成分的化合化合物物Fe4N。相相-为一可变为一可变成分的成分的化合物化合物 Fe2N。渗层的组织渗层的组织与渗入元素和基体金属所组成的相图有关。与渗入元素和基体金属所组成的相图有关。38 CrMoAl 气体渗氮层组织(化染)650 黄色区:(Fe2-3N)+(Fe4N);红色区:(Fe4N);蓝绿色区:含氮索氏体+脉状氮化物;绿黄色区:索氏体基体。45钢钢N化层（白亮层）化层（白亮层）N化层（白亮层）化层（白亮层）(Fe2-3N)(Fe4N)3、特点、特点 N化后不需淬火处理化后不需淬火处理 N化前需要调质化前需要调质“S回回”保证心部保证心部 N化温度化
30、温度A1（500600）(2050)小时小时 N化物具有高硬度化物具有高硬度 HRC6070，高的，高的抗蚀性和疲劳强度，脆性大。抗蚀性和疲劳强度，脆性大。渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点名称名称处理温度处理温度()处理时处理时间间(h)处理后是否处理后是否需要热处理需要热处理渗碳渗碳 90095039需要需要渗氮渗氮 500600 2050不需要不需要四四.钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗-氰化处理氰化处理1)定义定义:向钢的向钢的表面同时渗入碳和氮原表面同时渗入碳和氮原 子子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)方法方法:固体碳氮共渗固体
31、碳氮共渗气体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗液体碳氮共渗高温高温中温中温低温低温4)工艺工艺:合金结构钢合金结构钢HRC5360中温气体碳中温气体碳氮共渗氮共渗80086018以渗碳为主以渗碳为主0.50.8mm淬火淬火+低温回火低温回火合金工具钢合金工具钢HRC5463低温气体碳低温气体碳氮共渗氮共渗50060016以渗氮为主以渗氮为主0.10.4mm不需要不需要材料材料性能性能名称名称温度温度()时间时间(h)作用作用渗层渗层热处理热处理20 CrMnTi 钢碳氮共渗层组织钢碳氮共渗层组织1.针状M+残余A;2.混合M+残余A;3.板条M+针状M123 1.中温气体碳氮共渗（中温气体碳氮共
32、渗（820860）渗剂：渗剂：渗碳剂（如煤油）氨气渗碳剂（如煤油）氨气定义：定义：将工件置于能产生碳、氮活性原子的介质将工件置于能产生碳、氮活性原子的介质中加热并保温，使工件表面同时渗入碳和氮原子中加热并保温，使工件表面同时渗入碳和氮原子然后按适当方式冷却的化学热处理工艺。然后按适当方式冷却的化学热处理工艺。四、钢的碳氮和氮碳共渗四、钢的碳氮和氮碳共渗目的：目的：钢的硬度、耐磨性和疲劳强度钢的硬度、耐磨性和疲劳强度设备：设备：在各种普通渗碳炉的基础上，增加一套在各种普通渗碳炉的基础上，增加一套 供氨装置即可用于碳氮共渗。供氨装置即可用于碳氮共渗。应用：应用：可用于低、中碳钢和低中碳合金钢制造可
33、用于低、中碳钢和低中碳合金钢制造 的零件。如：的零件。如：汽车、机床上的各种齿轮、汽车、机床上的各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件等。蜗轮蜗杆和轴类零件等。C-N共渗淬火后的组织共渗淬火后的组织:心部：心部：工件尺寸较小淬透时为：工件尺寸较小淬透时为：M低碳低碳 工件尺寸较大淬不透时为：工件尺寸较大淬不透时为：M低碳低碳+B或或T、F渗层表层：渗层表层：含氮的高碳含氮的高碳M（细针状或隐晶状）（细针状或隐晶状）+少量少量A +碳氮化合物碳氮化合物K（颗粒状）（颗粒状）渗剂：渗剂：尿素（尿素（NH2）2CO、甲酰胺、三乙醇胺等、甲酰胺、三乙醇胺等设备：设备：一般的气体渗碳炉皆可。一般的气体渗碳炉皆可。
34、组织：组织：与渗氮层大致相同，但由于碳的作用，化合与渗氮层大致相同，但由于碳的作用，化合 物层的成分有所变化（物层的成分有所变化（Fe23（N，C)+Fe4N)。2.低温气体氮碳共渗（软氮化）低温气体氮碳共渗（软氮化）温度：温度：500570工艺特点：工艺特点：（1）抗咬合和抗檫伤抗咬合和抗檫伤 等性能高。等性能高。（3）与渗氮相比其渗层硬而韧，故不易产生剥落。）与渗氮相比其渗层硬而韧，故不易产生剥落。应用：应用：不受钢种限制。普遍用于模具、量具及耐磨不受钢种限制。普遍用于模具、量具及耐磨零件处理。零件处理。如如3Cr2W8压铸模经压铸模经5倍；倍；高速钢刀具经高速钢刀具经寿寿命可提高命可提高
35、20 200%。五、离子渗氮五、离子渗氮基本原理：基本原理：置于低真空度容器内的工件在辉光放电的作置于低真空度容器内的工件在辉光放电的作用下，带电氮离子轰击工件表面，使其温度升用下，带电氮离子轰击工件表面，使其温度升高，并渗入工件表层。高，并渗入工件表层。设备：设备：离子渗氮炉（井式或钟罩式）离子渗氮炉（井式或钟罩式）渗氮剂：渗氮剂：N2H2、氨气、氨分解气、氨气、氨分解气优点：优点：渗层质量高，工件变形小，处理温度范围渗层质量高，工件变形小，处理温度范围宽，工艺可控性强，易实现局部防渗，渗速快，宽，工艺可控性强，易实现局部防渗，渗速快，生产周期短，热效高，无污染，处理后工件洁生产周期短，热效
36、高，无污染，处理后工件洁净，工作环境好。净，工作环境好。q 钢的表面热处理钢的表面热处理 表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。火前组织的热处理方法。火焰表面淬火火焰表面淬火是氧炔焰等高温热源将工件表面许速是氧炔焰等高温热源将工件表面许速加热到形变温度以上，然后立即进行低温回火，或利用加热到形变温度以上，然后立即进行低温回火，或利用工件内部余热自身回火。工件内部余热自身回火。这种方法可获得这种方法可获得2 26mm6mm的淬的淬
37、透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。感应加热表面淬火的特点：感应加热表面淬火的特点：淬火温度高于一般淬火温度。淬火温度高于一般淬火温度。淬火后马氏体晶粒细化，表淬火后马氏体晶粒细化，表层硬度比普通淬火高层硬度比普通淬火高2 23HRC3HRC。表层存在很大的残余压应力。表层存在很大的残余压应力。不易产生变形和氧化脱碳。不易产生变形和氧化脱碳。易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行小淬火应力和降低脆性，需进行170170200200低温回火。低温回火。感应
38、加热是利用电磁感应原理，表层感应电流密度感应加热是利用电磁感应原理，表层感应电流密度大，温度高；心部几乎不受热。大，温度高；心部几乎不受热。钢的化学热处理是指将工件放在一定温度的活性介钢的化学热处理是指将工件放在一定温度的活性介质中保温，使介质中分解出的一种或几种元素的活性原质中保温，使介质中分解出的一种或几种元素的活性原子被钢件表面吸附并向表层扩散，从而改变其表层化学子被钢件表面吸附并向表层扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。基本过程基本过程：钢件加热时，化学介质分解出渗入元素的活性原子；钢件加热时，化学介质分解出渗入元素的活性
39、原子；活性原子被钢件表面吸附和溶解；活性原子被钢件表面吸附和溶解；原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗入钢的表层的工艺称为渗碳渗碳。其目的是其目的是通过渗碳通过渗碳及随后的淬火和低温回火，及随后的淬火和低温回火，使表面获得高碳回火马氏使表面获得高碳回火马氏体，具有高硬度、耐磨性体，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为和抗疲劳性能；而心部为低碳回火马氏体或索氏体，低碳回火马氏体或索氏体，具有一定的强度和良好的具有一定的强度和良好的韧性配合
40、。韧性配合。气体渗碳示意图气体渗碳示意图1 1）渗碳方法）渗碳方法 渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。广泛应用的是气体渗碳法。2 2）渗碳后的组织）渗碳后的组织 常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如1515、2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、12CrNi312CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体心部依次为：过共析组织（珠光体+碳化物）、共析组织碳化物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体（珠
41、光体）、亚共析组织（珠光体+铁素体）的过渡区，铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织。直至心部的原始组织。3 3）渗碳后的热处理）渗碳后的热处理 渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。和二次淬火法。渗碳后的淬火和低温回火示意图渗碳后的淬火和低温回火示意图 渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，在钢件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处工件表面，在钢件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨
42、性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。热硬性和耐蚀性等。常用的渗氮方法有常用的渗氮方法有气体渗氮气体渗氮、离子渗氮、离子渗氮、氮碳共渗氮碳共渗（软氮化）（软氮化）等。生产中应用较多的是气体渗氮。等。生产中应用较多的是气体渗氮。1 1）渗氮方法）渗氮方法2 2）渗氮后的组织）渗氮后的组织 3 3）渗氮后的钢件性能）渗氮后的钢件性能 氮化层氮化层HRCHRC为为69697373，在，在600600650650有较高红硬性；有较高红硬性；一般，一般，T T渗氮渗氮T T渗碳渗碳，无需进一步热处理，渗氮层各性，无需进一步热处理，渗氮层各性 能均优于渗碳层，工件不易变形；能均优于渗碳层，工件不易变形；氮化层比
43、碳化层薄且脆；且氮化层比碳化层薄且脆；且t t渗氮渗氮t t渗碳渗碳，生产效率低。，生产效率低。为提高工件心部强韧性，需在渗氮前进行调质处理。为提高工件心部强韧性，需在渗氮前进行调质处理。碳氮共渗新介质的研制是金属热处理研究的一个重要碳氮共渗新介质的研制是金属热处理研究的一个重要领域。领域。早期使用的早期使用的NaCN等氰盐均有剧毒，现已禁用。新等氰盐均有剧毒，现已禁用。新一代碳氮共渗介质往往同时考虑工艺性能和环保两方面的一代碳氮共渗介质往往同时考虑工艺性能和环保两方面的因素。常用的介质是煤气和氨气的混合物。因素。常用的介质是煤气和氨气的混合物。碳氮共渗碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的
44、化学热是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为处理工艺，也俗称为氰化氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。与渗氮零件之间。q 钢的热处理新工艺介绍钢的热处理新工艺介绍 利用可控气氛，即通过精确计量和微机控制技术对利用可控气氛，即通过精确计量和微机控制技术对炉内的气体组分加以控制。如含碳液体或气体的分解和炉内的气体组分加以控制。如含碳液体或气体的分解和裂解的碳浓度的控制。裂解的碳浓度的控制。目前钢和钛合金已在热处理中大量利用保护涂料来目前钢和钛合金已在热处理中大量利用保护涂料来避免工件氧化。涂料由避免工件氧化。涂料由AlAl2 2O O3 3
45、、SiOSiO2 2、SiCSiC和其他金属氧化和其他金属氧化物以及液态粘结剂配置而成。物以及液态粘结剂配置而成。在真空炉中受真空气氛保护，可防止工件氧化、减在真空炉中受真空气氛保护，可防止工件氧化、减小变形；但容易引起元素挥发。适于中小型零件的处理。小变形；但容易引起元素挥发。适于中小型零件的处理。目前，实际生产中还采用以下先进工艺：利用高能目前，实际生产中还采用以下先进工艺：利用高能量密度对零件作超高速加热，然后自激淬火，具有不氧量密度对零件作超高速加热，然后自激淬火，具有不氧化、不脱碳、变形小、表面光洁，提高硬度、耐磨性和化、不脱碳、变形小、表面光洁，提高硬度、耐磨性和疲劳强度等的疲劳强
46、度等的高频和超高频脉冲热处理高频和超高频脉冲热处理和和激光热处理激光热处理以以及及电子束热处理电子束热处理。强韧化处理强韧化处理是指同时提高钢件强度和韧性的热处理。是指同时提高钢件强度和韧性的热处理。1 1）提高淬火加热温度）提高淬火加热温度 促进奥氏体中碳的均匀化，以促进奥氏体中碳的均匀化，以保证淬火后获得板状马氏体（低碳马氏体）。保证淬火后获得板状马氏体（低碳马氏体）。2 2）快速短时低温加热淬火）快速短时低温加热淬火 减少碳化物在奥氏体中的减少碳化物在奥氏体中的溶解，使高碳钢中的奥氏体处于亚共析成分（低碳）。溶解，使高碳钢中的奥氏体处于亚共析成分（低碳）。3 3）锻造余热淬火）锻造余热淬
47、火 将高温锻件直接淬火可得到细晶粒将高温锻件直接淬火可得到细晶粒板状马氏体。板状马氏体。超细化处理超细化处理是指将钢在一定的温度条件下，通过数次是指将钢在一定的温度条件下，通过数次快速加热和冷却等方法以获得极细组织，从而达到强韧化快速加热和冷却等方法以获得极细组织，从而达到强韧化的目的。的目的。复合组织复合组织主要是指淬火马氏体和少量铁素体或下贝氏主要是指淬火马氏体和少量铁素体或下贝氏体（或残余奥氏体）的机械混合物。体（或残余奥氏体）的机械混合物。复合组织可通过调整热处理工艺获得，它的硬度稍低复合组织可通过调整热处理工艺获得，它的硬度稍低，但韧性大幅提高。，但韧性大幅提高。离子轰击热处理：离子
48、轰击热处理：在真空气氛下，将含在真空气氛下，将含C C、N N、S S等离子等离子束高速轰击到工件表面，束高速轰击到工件表面，工件迅速受热升温至碳工件迅速受热升温至碳化或氮化温度，同时原化或氮化温度，同时原子进入工件表面形成渗子进入工件表面形成渗碳层或渗氮层等。碳层或渗氮层等。离子轰击热处理示离子轰击热处理示意图如右图所示意图如右图所示 形变热处理形变热处理是指将变形强化和热处理强化结合起来是指将变形强化和热处理强化结合起来的工艺方法。的工艺方法。形变热处理工艺示意图形变热处理工艺示意图3.预备热处理预备热处理 正火正火或或调质调质2.淬硬层深度（淬硬层深度（）：）：轴类件：轴类件：小直径（小
49、直径（1020mm），），R1/5大直径，大直径，R1/10。齿轮：齿轮：m5，单齿同时加热淬火，硬化层仿齿，单齿同时加热淬火，硬化层仿齿 形分布。形分布。m5，同时加热淬火，齿根淬硬。，同时加热淬火，齿根淬硬。1.表面硬度：表面硬度：（P119表表5-1）适于适于Wc0.4 0.5%的碳钢和中碳低合金钢等的碳钢和中碳低合金钢等高速传动的精密齿轮，高精度机床主轴等高速传动的精密齿轮，高精度机床主轴等（2）特点）特点（1）氮化用钢）氮化用钢38CrMoAl 35CrMo等等 N化后不需淬火处理化后不需淬火处理 N化前需要调质化前需要调质“S回回”保证心部保证心部 N化温度化温度A1（500600
50、）(2050)Hr N化物具有高硬度化物具有高硬度 HRC6070高的抗蚀性和疲劳强度，脆性大高的抗蚀性和疲劳强度，脆性大（3）应用）应用与渗碳相比具有以下不同特性：与渗碳相比具有以下不同特性：(1)加热温度低、共渗后工件可直接淬火且变形小；加热温度低、共渗后工件可直接淬火且变形小；(2)渗速快、生产效率高；渗速快、生产效率高；(3)渗层的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗压强度较渗层的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗压强度较 高，并兼有一定的抗蚀能力；高，并兼有一定的抗蚀能力；(4)氮渗入后提高了回火稳定性，工件可在较高温氮渗入后提高了回火稳定性，工件可在较高温 度下回火，以消除或减少淬火组织应力等。度下
