1、第九章第九章钢的热处理工艺钢的热处理工艺n退火退火n正火正火n淬火淬火n回火回火n其他类型热处理其他类型热处理加热速度加热速度冷却速度冷却速度加热温度加热温度保温时间保温时间处理次数处理次数处理次序处理次序第一节第一节 钢的退火与正火钢的退火与正火 n机械零件的一般加工工艺为：机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）毛坯（铸、锻）预预备热处理备热处理机加工机加工最终热处理。最终热处理。n退火与正火主要用于预备热处理，只有当工退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。件性能要求不高时才作为最终热处理。一、钢的退火一、钢的退火n概念概念：将钢件加热到适当温度，保温一定
2、：将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后时间，然后缓慢冷却缓慢冷却的热处理工艺。的热处理工艺。n目的目的:消除应力消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶粒细化晶粒;均匀成均匀成分分;为最终热处理作好组织准备。为最终热处理作好组织准备。n 种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化退火普通球化退火等温球化退火等温球化退火1完全退火完全退火加热至加热至Ac3+20-30保温保温炉冷炉冷（P+F）应用范围应用范围：亚共析钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构；
3、亚共析钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构；也可作为一些不重要件的最终热处理也可作为一些不重要件的最终热处理目的目的：细化晶粒细化晶粒提高力学性能提高力学性能降低硬度降低硬度改善切削性能改善切削性能消除内应力消除内应力亚共析钢亚共析钢工艺工艺：2球化退火球化退火片状片状Fe3C或网状或网状Fe3C球化球化加热至加热至Ac1+20-30保温保温过共析钢过共析钢炉冷（炉冷（F+球状球状Cm）目的目的：使使Cm球化球化HRC，韧性，韧性改善切削性改善切削性为淬火作准备为淬火作准备 工艺工艺：3、等温退火、等温退火工艺工艺：A化后快冷至化后快冷至Ar1以下等温转变为以下等温转变为 P，再空冷。，
4、再空冷。等温退火与普通退火的比较等温退火与普通退火的比较目的目的：缩短退火时间。：缩短退火时间。4扩散退火（均匀化退火）扩散退火（均匀化退火）工艺工艺：1100-1300，10-15h,P+F或或P+Fe3CII目的目的：消除偏析：消除偏析后果后果：粗大晶粒（再应用完全退火消除）：粗大晶粒（再应用完全退火消除）6再结晶退火再结晶退火T再再+150-250；消除加工硬化；消除加工硬化 5去应力退火去应力退火500-650 炉冷；消除应力炉冷；消除应力二、钢的正火二、钢的正火n概念概念:把零件加温到临界温度以上把零件加温到临界温度以上3050,在空气中冷却在空气中冷却n目的目的:消除应力消除应力;
5、调整硬度调整硬度;细化晶粒细化晶粒;均匀成均匀成分分;为最终热处理作好组织准备。为最终热处理作好组织准备。亚共析钢亚共析钢AC3+30-50保温保温共析钢共析钢AC1+30-50过共析钢过共析钢Accm+30-50空冷空冷亚共析钢亚共析钢F+S共析钢共析钢S过共析钢过共析钢S+Fe3C钢件钢件加热至加热至 工艺工艺：应应 用用：（1）预先热处理）预先热处理 a.细化组织细化组织为淬火、调质作准备为淬火、调质作准备 b.使过共析钢中使过共析钢中Fe3CII使其不形成连续网使其不形成连续网 状，为球化作准备状，为球化作准备（2）作普通结构钢零件的最终热处理）作普通结构钢零件的最终热处理 冷却较快，
6、组织细化，提高力学性能冷却较快，组织细化，提高力学性能强度，强度，韧性，硬度韧性，硬度（3）改善切削加工性能）改善切削加工性能 热处理与硬度关系热处理与硬度关系合适切削加工硬度合适切削加工硬度退火、正火的选择退火、正火的选择1切削加工切削加工低、中碳钢低、中碳钢正火正火中高碳钢，合金工具钢中高碳钢，合金工具钢完全退火，球化退火完全退火，球化退火2作为最终热处理作为最终热处理正火正火3为最终热处理提供良好的组织状态为最终热处理提供良好的组织状态工具钢工具钢正火正火+球化退火球化退火结构钢结构钢正火正火返修件返修件退火退火 第二节第二节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火一、钢的淬火一、钢的淬火n概念概
7、念:把零件加温到把零件加温到AC1或或AC3相变温度以相变温度以上一定温度上一定温度,保温一段时间保温一段时间,然后然后快速冷却快速冷却。n目的目的:为了获得为了获得马氏体组织马氏体组织（或下贝氏体组（或下贝氏体组织）织）,提高钢的硬度和耐磨性。提高钢的硬度和耐磨性。（一）淬火应力（一）淬火应力1、热应力、热应力工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力为不一致而产生的内应力为热应力热应力。n圆柱体试样淬火中应力变化圆柱体试样淬火中应力变化热应力与冷却速度，淬火温度，截面尺寸，材热应力与冷却速度，淬火温度，截面尺寸，材料热导率及线膨胀系
8、数等有关。料热导率及线膨胀系数等有关。2、组织应力、组织应力工件在冷却过程中，由于内外温差造成组织转工件在冷却过程中，由于内外温差造成组织转变不同时，引起内外比体积的不同变化而产生变不同时，引起内外比体积的不同变化而产生的内应力为的内应力为组织应力组织应力。组织应力与钢件尺寸、在组织应力与钢件尺寸、在M转变温度范围的冷转变温度范围的冷速、钢的导热性及淬透性等有关。速、钢的导热性及淬透性等有关。3、淬火应力的影响因素、淬火应力的影响因素碳和合金元素的含量碳和合金元素的含量n碳碳M比体积；比体积；Msn合金元素合金元素导热性；导热性；A稳定性稳定性工件尺寸工件尺寸淬火介质和冷却方法淬火介质和冷却方
9、法4、淬火应力的影响、淬火应力的影响n淬火变形（淬火变形（0.2）热应力热应力心部受压心部受压组织应力组织应力心部受拉心部受拉n淬火裂纹（淬火裂纹（b）淬透淬透沿轴的纵向裂纹沿轴的纵向裂纹未淬透未淬透横向横向/弧形裂纹弧形裂纹淬火温度过高淬火温度过高A粗大粗大M粗大粗大力学性力学性能能，淬火应力，淬火应力变形，开裂变形，开裂（二）淬火工艺（二）淬火工艺（1）碳素钢碳素钢:亚共析钢：亚共析钢：Ac33050 共析钢和过共析钢：共析钢和过共析钢：Ac130501、淬火温度的选定、淬火温度的选定（2）合金钢合金钢：（Ac3/Ac1）50100 45钢和钢和65MnV钢淬火组织钢淬火组织（0.5%C时
10、为时为M；0.5%C时为时为M+A）65MnV钢钢(0.65%C)淬火组织淬火组织45钢钢(含含0.45%C)淬火组织淬火组织35钢（含钢（含0.35%C）亚温淬火组织（）亚温淬火组织（F+M）共析钢淬火组织（共析钢淬火组织（M+A）过共析钢（过共析钢（T12）淬火组织）淬火组织:M+Fe3C颗粒颗粒+A(预备组织为预备组织为P球球)2、淬火介质淬火介质理想的淬火冷却方法理想的淬火冷却方法是：是：650以上，慢，减小热应力以上，慢，减小热应力650400，快，避免，快，避免C曲线曲线400 以下，慢，减轻相变应力以下，慢，减轻相变应力水水：650550 及及300200 冷却能力都较大冷却能力
11、都较大油油：300200 及及650550 冷却能力都较小冷却能力都较小盐浴盐浴：冷却能力高于水：冷却能力高于水盐浴炉盐浴炉3、淬火方法、淬火方法（1）单液淬火）单液淬火工艺工艺：将加热到奥氏体化的工件放入：将加热到奥氏体化的工件放入一种一种淬火介淬火介质中质中连续冷却连续冷却至室温。（如水淬、油淬）至室温。（如水淬、油淬）特点特点：优点：操作简单，易实现机械化、自动化；优点：操作简单，易实现机械化、自动化；缺点：应力大（水淬），或淬不透（油淬）缺点：应力大（水淬），或淬不透（油淬）（2）双液淬火）双液淬火工艺工艺：将奥氏体化后的工件先在一种冷却能力较强：将奥氏体化后的工件先在一种冷却能力较强
12、的介质中冷却至的介质中冷却至Ms以上（避免以上（避免P转变），然后转入另转变），然后转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变。一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变。特点特点：优点：结合两种介质优点获得较理想的冷却条件；优点：结合两种介质优点获得较理想的冷却条件；缺点：不易掌握在第一种介质中的缺点：不易掌握在第一种介质中的停留时间停留时间。（3）马氏体分级淬火）马氏体分级淬火工艺工艺：将工件在：将工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，点附近的盐浴或碱浴中淬火，待工件内外温度均匀后，再取出，缓冷淬火。待工件内外温度均匀后，再取出，缓冷淬火。特点特点：优点：大大减少了内应力，减小变形和开裂；优点
13、：大大减少了内应力，减小变形和开裂；缺点：只适用截面尺寸比较小（直径或厚度缺点：只适用截面尺寸比较小（直径或厚度 10mm的工件）的工件）（4）贝氏体等温淬火）贝氏体等温淬火工艺工艺：钢加热奥氏体化后，随之快冷到贝氏体：钢加热奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变区间（转变区间（260350），等温保持，使过冷奥），等温保持，使过冷奥氏体转变为下贝氏体的淬火方法。氏体转变为下贝氏体的淬火方法。特点特点：淬火热应力和组织应力淬火热应力和组织应力变形和开裂变形和开裂倾向。倾向。（5）冷处理）冷处理工艺工艺：把淬火冷却到室温的钢继续冷却到零度以：把淬火冷却到室温的钢继续冷却到零度以下（如下（如-70-80
14、），而后进行低温回火。），而后进行低温回火。特点特点：适用于：适用于Mf温度位于温度位于0以下的高碳钢和合金以下的高碳钢和合金钢。（精密量具、滚动轴承）钢。（精密量具、滚动轴承）目的目的：使过冷奥氏体向马氏体的转变更加完全，：使过冷奥氏体向马氏体的转变更加完全，减少残余奥氏体的数量，提高钢的硬度和耐磨性，减少残余奥氏体的数量，提高钢的硬度和耐磨性，并使尺寸稳定。并使尺寸稳定。（三）钢的淬透性（三）钢的淬透性1、淬透性的概念、淬透性的概念（2）表示表示：规定冷却条件规定冷却条件下淬火件表面至下淬火件表面至半马半马氏体区氏体区的距离。的距离。淬火过程中表面与心部冷速不同对组织性能的影响淬火过程中表
15、面与心部冷速不同对组织性能的影响（1）定义定义：是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马：是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。氏体的能力。（3）概念比较概念比较：与淬硬性与淬硬性淬硬性表示钢在淬火后获得硬度的能力；用淬淬硬性表示钢在淬火后获得硬度的能力；用淬火马氏体的硬度表示。火马氏体的硬度表示。C%淬硬性淬硬性 与淬透层深度与淬透层深度 淬透性不随工件形状、尺寸和介质冷却能力而淬透性不随工件形状、尺寸和介质冷却能力而变化。变化。2、淬透性的试验方法、淬透性的试验方法：末端淬火法末端淬火法用不同钢种制成相用不同钢种制成相同形状和尺寸的工件，同形状和尺寸的工件，在规定的淬火条件下淬在规定的淬火条
16、件下淬透层的深度大小来表示。透层的深度大小来表示。（5）影响因素影响因素：钢的淬透性是由钢的淬透性是由临界冷却速度临界冷却速度Vk决定决定影响因素影响因素淬透性变化淬透性变化C%亚共析钢亚共析钢 C%淬透性淬透性过共析钢过共析钢C%淬透性淬透性 合金元素合金元素 除除Co%以外，以外，C曲线右移，曲线右移，淬透性淬透性 奥氏体化条件奥氏体化条件 T，t淬透性淬透性 Vk减小，奥氏体稳定（减小，奥氏体稳定（C曲线右移），钢的淬透性越好曲线右移），钢的淬透性越好（6）淬透性的应用淬透性的应用n预测零件淬火后的硬度分布。（预测预测零件淬火后的硬度分布。（预测50mm直径直径40MnB钢轴淬火后断面的
17、硬度分布钢轴淬火后断面的硬度分布.）n利用淬透性曲线进行选材。（利用淬透性曲线进行选材。（求厚求厚60mm汽车转向节汽车转向节淬火后表面硬度超过淬火后表面硬度超过HRC50，1/4半径处为半径处为HRC45）n利用淬透性可控制淬硬层深度。利用淬透性可控制淬硬层深度。对于截面承载均匀的重要件对于截面承载均匀的重要件,要全部淬透。如螺栓要全部淬透。如螺栓、连杆连杆、模具等。模具等。对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透(淬硬层深淬硬层深度一般为半径的度一般为半径的1/21/3)，如轴类、齿轮等。，如轴类、齿轮等。注意尺寸效应注意尺寸效应。二、钢的回火二、钢的回火n回火
18、回火是指将淬火钢加热到是指将淬火钢加热到A1以下的某温度以下的某温度保温后冷却的工艺。保温后冷却的工艺。n目的目的：减少或消除淬火内应力：减少或消除淬火内应力,防止变形或防止变形或开裂；开裂；获得所需要的力学性能；稳定尺寸获得所需要的力学性能；稳定尺寸回火回火类型类型 回火温回火温度度/组组织织 性性 能能应应 用用 低温低温回火回火 150-250 M保持高硬度，降低脆保持高硬度，降低脆性及残余应力性及残余应力处理各种高碳工、模具处理各种高碳工、模具钢，滚动轴承以及表面钢，滚动轴承以及表面淬火、渗碳件淬火、渗碳件 中温中温回火回火 350-500 T 硬度下降，高的弹性硬度下降，高的弹性极限
19、和屈服强度，同极限和屈服强度，同时具有一定的韧性时具有一定的韧性处理各类弹簧元件处理各类弹簧元件 高温高温回火回火 500-650 S强度、硬度、塑性、强度、硬度、塑性、韧性、良好综合力学韧性、良好综合力学性能性能各种重要的机器结构件，各种重要的机器结构件，特别是承受交变载荷的特别是承受交变载荷的中碳钢、重要零件中碳钢、重要零件n回火保温时间回火保温时间温度均匀且组织转变充分，并减少内应力温度均匀且组织转变充分，并减少内应力一般一般12hn回火后冷却回火后冷却一般空冷一般空冷重要件缓冷重要件缓冷/高温回脆件快冷高温回脆件快冷三、淬火加热缺陷及防止三、淬火加热缺陷及防止n过热：淬火加热时温度过高
20、或时间过长造成过热：淬火加热时温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷奥氏体晶粒粗大的缺陷n过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象。现局部熔化或者发生氧化的现象。n氧化：造成工件尺寸减小，表面光洁度降氧化：造成工件尺寸减小，表面光洁度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足的缺陷火工件出现软点或硬度不足的缺陷n脱碳：降低淬火后的钢的表面硬度、耐磨脱碳：降低淬火后的钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度性，并显著降低其疲劳强度第三节第三节 其他类型热处理其他类型热处理
21、n表面淬火表面淬火n化学热处理化学热处理n深冷处理深冷处理一、钢的表面淬火一、钢的表面淬火n表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。强化零件表面的热处理方法。感应加热感应加热n表面淬火表面淬火目的目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。够的塑性和韧性。即表硬里韧。n适用于承受弯曲、扭转
22、、摩擦和冲击的零件适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。n表面淬火用表面淬火用材料材料：0.4-0.5%C的中碳钢。的中碳钢。n含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。n含碳量过高，心部韧性下降；含碳量过高，心部韧性下降；铸铁铸铁 提高其表面耐磨性。提高其表面耐磨性。机床导轨机床导轨表面淬火齿轮表面淬火齿轮n表面淬火后的表面淬火后的回火回火采用低温回火，温度不高于采用低温回火，温度不高于200。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。n表面淬火表面淬火+低温回火后的低温回火后的组织组织表层组织为表层组织为M回
23、回；心部组织为；心部组织为S回回(调质调质)或或F+S(正火正火)。感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热感应加热表面淬火表面淬火示意图示意图n表面淬火常用加热方法表面淬火常用加热方法感应加热感应加热:利用交变电流利用交变电流在工件表面感应巨大涡在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加流，使工件表面迅速加热的方法。热的方法。n感应加热分为：感应加热分为：高频感应加热高频感应加热 频率为频率为250-300KHz，淬硬层深度，淬硬层深度0.5-2mm 中频感应加热中频感应加热 频率为频率为2500-8000Hz，淬硬层深度，淬硬层深度2-10mm 工频感应加热工频感应加热 频率为频率为50Hz
24、,淬硬层深度淬硬层深度10-15 mm火焰加热火焰加热:利用乙炔火焰直利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。本低，但质量不易控制。激光热处理激光热处理:利用高能量密利用高能量密度的激光对工件表面进行加度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。热的方法。效率高，质量好。激光表面热处理激光表面热处理火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火二、钢的化学热处理二、钢的化学热处理n化学热处理化学热处理是将工件置于特定介质中加热保是将工件置于特定介质中加热保温，使温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改介质中活性原子渗
25、入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能进而改变其性能的热处理工艺。的热处理工艺。n化学热处理也是获得表硬里韧的方法之一。化学热处理也是获得表硬里韧的方法之一。n根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。可控气氛渗碳炉可控气氛渗碳炉渗碳回火炉渗碳回火炉1、化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程 n介质介质(渗剂渗剂)的分解的分解:分解的同时释放出活性原子。分解的同时释放出活性原子。n工件表面的吸收工件表面的吸收:活性原子向固溶体溶解或与钢中活性原子向固
26、溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。某些元素形成化合物。n原子向内部扩散。原子向内部扩散。2、钢的渗碳钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。是指向钢的表面渗入碳原子的过程。n目的目的：提高工件表面硬：提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧同时保持心部良好的韧性。性。n渗碳用钢渗碳用钢：为含为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高的低碳钢。碳高则心部韧性降低。则心部韧性降低。经渗碳的机车从动齿轮经渗碳的机车从动齿轮气体渗碳气体渗碳法示意图法示意图n渗碳方法渗碳方法 气体渗碳法气体渗碳法将工件放入密封炉内，将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。在高温渗碳
27、气氛中渗碳。渗剂为气体渗剂为气体(煤气、液化煤气、液化气等气等)或有机液体或有机液体(煤油、煤油、甲醇等甲醇等)。优点优点:质量好质量好,效率高；效率高；缺点缺点:渗层成分与深度不渗层成分与深度不易控制。易控制。固体渗碳法固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。渗剂为木炭。优点：操作简单；优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。缺点：渗速慢，劳动条件差。真空渗碳法真空渗碳法l将工件放入真空渗碳炉中，抽真将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。空后通入渗碳气体加热渗碳。l优点优点:表面质量好表面质量好,渗碳
28、速度快。渗碳速度快。真空渗碳炉真空渗碳炉n渗碳渗碳温度温度：为：为900-950。n渗碳层渗碳层厚度厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为一般为0.5-2mm。低碳钢渗碳缓冷后的组织低碳钢渗碳缓冷后的组织l渗碳层表面渗碳层表面含碳量含碳量：以以0.85-1.05为最好。为最好。l渗碳缓冷后渗碳缓冷后组织组织：表层为表层为P+网状网状Fe3C;心部为心部为F+P;中间为过渡区。中间为过渡区。n渗碳后的热处理渗碳后的热处理淬火淬火+低温回火低温回火,回火温度为回火温度为160-180。渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图3、钢的氮化钢的氮化 n氮化氮化是指向
29、钢的表面渗入氮是指向钢的表面渗入氮原子的过程。原子的过程。n氮化用钢氮化用钢:为含为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。的中碳钢。(常用钢号常用钢号为为38CrMoAl)n氮化温度氮化温度为为500-570n氮化层厚度氮化层厚度不超过不超过0.6-0.7mm。井式气体氮化炉井式气体氮化炉n常用氮化方法常用氮化方法气体氮化法气体氮化法与气体渗碳与气体渗碳法类似，渗剂为氨。法类似，渗剂为氨。离子氮化法离子氮化法是在电场作是在电场作用下，使电离的氮离子用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆氮化时间短，氮化层脆性性小。
30、小。离子氮化炉离子氮化炉n氮化的特点及应用氮化的特点及应用氮化件表面硬度高（氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。），耐磨性高。疲劳强度高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。由于表面存在压应力。氮化层组织氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度工件变形小。工件变形小。氮化温度低，氮化后不需进行热处理。氮化温度低，氮化后不需进行热处理。耐蚀性好。耐蚀性好。表层形成的氮化物化学稳定性高。表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点氮化的缺点工艺复杂，成本高，氮化层薄。工艺复杂，成本高，氮化层薄。n应用：用于耐磨性、精度要求高的零件及应用：用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐
31、蚀件。如仪表的小轴、轻耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。载齿轮及重要的曲轴等。缝纫机用氮化件缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴经氮化的机车曲轴三、深冷处理三、深冷处理n深冷处理概述深冷处理概述n本课题组工作本课题组工作1、概述、概述n深冷处理深冷处理一种超低温处理方法。一种超低温处理方法。n冷处理（冷处理（SZ）可分为：）可分为：常规常规冷处理冷处理（CSZ），处理温度约为），处理温度约为-100以上以上深冷处理深冷处理（SSZ），处理温度则为），处理温度则为-100以下。以下。n深冷处理是在深冷处理是在-130或或-160以下对以下对材料进行处理的一种技术。材料进行处理的
32、一种技术。n深冷处理作为热处理工艺冷却过程的延续，深冷处理作为热处理工艺冷却过程的延续，直至二十世纪六十年代由于液氮的广泛应直至二十世纪六十年代由于液氮的广泛应用及绝热材料的发展才使其工艺应用成为用及绝热材料的发展才使其工艺应用成为可能。可能。n范围主要是集中在范围主要是集中在工具钢、不锈钢、刀具、工具钢、不锈钢、刀具、磨具、高速钢及硬质合金、钴基合金等钢磨具、高速钢及硬质合金、钴基合金等钢铁材料铁材料深冷处理的研究，并取得较满意的深冷处理的研究，并取得较满意的结果，显著地提高了工具的使用寿命，创结果，显著地提高了工具的使用寿命，创造了相当的经济效益。造了相当的经济效益。深冷处理的机制深冷处理
33、的机制 n金属材料中金属材料中残余奥氏体向马氏体转化，残余奥氏体向马氏体转化，并并且能使马氏体组织及其性能更加稳定；且能使马氏体组织及其性能更加稳定；n金属材料中马氏体内分布金属材料中马氏体内分布更多、更细、更更多、更细、更硬的碳化物硬质点硬的碳化物硬质点；金属的组织结构变得；金属的组织结构变得更均匀、更致密、更细化；更均匀、更致密、更细化；n低温冷却的收缩可使材料本身存在的低温冷却的收缩可使材料本身存在的微小微小缺陷产生塑性流变缺陷产生塑性流变；复温过程中在；复温过程中在空位表空位表面产生残余应力面产生残余应力；n对钢或合金来说，深冷处理能对钢或合金来说，深冷处理能部分转移了部分转移了金属原
34、子的动能（斥力），金属原子的动能（斥力），从而使原子结从而使原子结合更紧密，提高了金属性能。合更紧密，提高了金属性能。深冷处理的作用深冷处理的作用 n微观组织中出现了大量的细小碳化物；微观组织中出现了大量的细小碳化物；n导致合金元素在基体和碳化物之间的分布导致合金元素在基体和碳化物之间的分布不同；不同；n耐磨损性能提高；耐磨损性能提高；n韧性提高。韧性提高。深冷处理的应用深冷处理的应用n涉及行业多，如涉及行业多，如航空航天工业、兵器工业、航空航天工业、兵器工业、汽车工业、船舶制造业、电子工业、机械汽车工业、船舶制造业、电子工业、机械工业、木材加工行业工业、木材加工行业，等等。，等等。n处理对象
35、范围极广，不仅有处理对象范围极广，不仅有金属材料金属材料如碳如碳素结构钢、合金结构钢、合金工具钢、高素结构钢、合金结构钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、铜及其合金、铝及其合速钢、硬质合金、铜及其合金、铝及其合金等，而且还有金等，而且还有非金属材料非金属材料，如陶瓷、尼，如陶瓷、尼龙、塑料、橡胶制品、食物及药品等。龙、塑料、橡胶制品、食物及药品等。n包括包括精密仪器齿轮精密仪器齿轮、发动机油嘴、汽缸套、发动机油嘴、汽缸套、凸轮轴、曲轴、气阀、活塞、活塞销、涡凸轮轴、曲轴、气阀、活塞、活塞销、涡轮轴、柱塞、精密轴承、铜电极、焊接电轮轴、柱塞、精密轴承、铜电极、焊接电极、低温阀门、弹簧、轧钢用轧辊、
36、极、低温阀门、弹簧、轧钢用轧辊、模具模具、量具量具、各类金属切削、各类金属切削刀具刀具、切纸及加工用、切纸及加工用材刀片、石村加工（切割）刀具、琴弦、材刀片、石村加工（切割）刀具、琴弦、兵器用铝制反射镜、军用全天候飞机雷达兵器用铝制反射镜、军用全天候飞机雷达机架、飞行器用推进剂高压容器等。机架、飞行器用推进剂高压容器等。深冷处理的工艺深冷处理的工艺 n深冷方式深冷方式n升降温速度升降温速度 n保冷时间保冷时间 n深冷工艺顺序深冷工艺顺序 n深冷次数深冷次数 存在问题存在问题 n对深冷处理温度与保冷时间的选择并未取得共识；对深冷处理温度与保冷时间的选择并未取得共识；n深冷处理方式与工艺顺序也与材
37、料本身有关；深冷处理方式与工艺顺序也与材料本身有关；n材料硬度及耐磨性的提高与深冷处理工艺的密切材料硬度及耐磨性的提高与深冷处理工艺的密切联系未得到一致认可；联系未得到一致认可；n深冷设备的差异和严重滞后成为其进一步机理探深冷设备的差异和严重滞后成为其进一步机理探讨与工业化应用的最大障碍。讨与工业化应用的最大障碍。2、课题组前期工作、课题组前期工作n对象对象P20钢钢nP20钢（钢（3Cr2Mo）为美国牌号，属通用型镜面塑）为美国牌号，属通用型镜面塑料模具钢，近年来被最为广泛地应用于热塑性注料模具钢，近年来被最为广泛地应用于热塑性注塑、伸模、吹塑模等。塑、伸模、吹塑模等。nP20的国产化研究自
38、我国的国产化研究自我国“七五七五”科技规划开始科技规划开始进行，重点对其冶金工艺、预硬化处理工艺等逐进行，重点对其冶金工艺、预硬化处理工艺等逐步攻关，已取得了较大的发展，在全国也得到普步攻关，已取得了较大的发展，在全国也得到普遍使用。遍使用。P20钢特点钢特点n该钢种冶金生产工艺简便，成材率高，钢该钢种冶金生产工艺简便，成材率高，钢价格便宜，在预硬化硬度为价格便宜，在预硬化硬度为HRC2835的的条件下冲击韧性较高，条件下冲击韧性较高，淬透性好淬透性好，可以使，可以使较大截面的钢材获得均匀的硬度，尤其是较大截面的钢材获得均匀的硬度，尤其是其其镜面抛光性能镜面抛光性能明显优于明显优于45钢等普通
39、钢和钢等普通钢和其它低合金钢等。其它低合金钢等。国产化的不足国产化的不足n国产国产P20在使用性能上与进口产品还存在一在使用性能上与进口产品还存在一些的差距，特别是些的差距，特别是镜面抛光性能镜面抛光性能总不及国总不及国外产品。外产品。n材料的材料的显微纯洁度和均匀一致的硬度显微纯洁度和均匀一致的硬度是关是关键的制约因素。键的制约因素。引入深冷处理技术引入深冷处理技术试验方法与结果试验方法与结果n深冷处理尤其是多级深冷可进一步提高铸深冷处理尤其是多级深冷可进一步提高铸造造P20钢的硬度和冲击韧性，主要是由于基钢的硬度和冲击韧性，主要是由于基体中析出了均匀弥散的微细碳化物，强化体中析出了均匀弥散
40、的微细碳化物，强化了基体。了基体。预处理深冷常规处理预处理深冷常规处理 预处理预处理+深冷常规淬火深冷回火深冷常规淬火深冷回火 图图5 深冷处理后铸造深冷处理后铸造P20钢金相组织（钢金相组织（500）27.3846.1346.5747.9044.0332.0358.719.917.618.513.817.210.0020.0030.0040.0050.00铸态预处理深冷常规淬火深冷回火硬度（HRC）010203040506070冲击韧性k/（J/cm2）HRC冲击韧性n本章完本章完三、表面处理新技术三、表面处理新技术n近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，近年来，金属材料表面处理新技
41、术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法。开发出许多新的工艺方法。全方位离子注入与沉积设备全方位离子注入与沉积设备一、热喷涂技术一、热喷涂技术 n将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。热喷涂。n利用热喷涂技术可改善利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。耐热性及绝缘性等。n广泛用于包括航空航天、广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。术在内的几乎所有领域。等离子热喷
42、涂等离子热喷涂n涂层的结构涂层的结构热喷涂层是由无数变形粒子热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构，粒子之间存起的层状结构，粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。喷涂层与基体之间以及喷涂喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要层中颗粒之间主要是通过镶是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结连接的，其次是微区冶金结合及化学键结合。合及化学键结合。热喷涂层组织热喷涂层组织 n热喷涂方法热喷涂方法 火焰喷涂火焰喷涂:多用氧多用氧-乙乙炔火焰作为热源。炔火焰作为热源。电弧喷涂电弧喷涂:丝状喷涂
43、丝状喷涂材料作为自耗电极、电材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法弧作为热源的喷涂方法 等离子喷涂等离子喷涂:是一种是一种利用等离子弧作为热源利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。进行喷涂的方法。火焰热喷涂火焰热喷涂电弧热喷涂电弧热喷涂等离子喷涂等离子喷涂n热喷涂的特点及应用热喷涂的特点及应用工艺灵活工艺灵活：热喷涂的对象小到热喷涂的对象小到10mm的内孔的内孔,大到铁塔、桥梁大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂可整体喷涂，也可局部喷涂基体及喷涂材料广泛：基体及喷涂材料广泛：基体可基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等以是金属、合金及塑料
44、、陶瓷等涂层可控涂层可控:从几十从几十 m到几到几mm生产效率高生产效率高工件变形小工件变形小：基体材料温度不基体材料温度不超过超过250(冷工艺冷工艺)涡轮叶片的热障涂层涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层热喷涂层)由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满足特殊功能的需要足特殊功能的需要。热喷涂热喷涂二、气相沉积技术二、气相沉积技术 n气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成
45、薄膜的一过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。种新型镀膜技术。l根据沉积过程的原理根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉和化学气相沉积积(CVD)两大类。两大类。n1、物理气相沉积（、物理气相沉积（PVD）n物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、使材料汽化成原子、分子或电离成离子，分子或电离成离子，并通过气相过程，在并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄材料表面沉积一层薄膜的技术。膜的技术。l物理沉积技术主要包物理沉积技术主要包括真空
46、蒸镀、溅射镀、括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。离子镀三种基本方法。磁控溅射镀膜设备磁控溅射镀膜设备n真空蒸镀是蒸发成膜材料使真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。面形成薄膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiN活塞环活塞环真空蒸镀真空蒸镀Al膜的塑料制品膜的塑料制品n溅射镀是在真空下通过溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气，辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面的粒子沉积到工件表面成膜的方法成膜的方法。溅射镀示意图溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀膜机磁控溅
47、射镀磁控溅射镀AlAl的塑料制品的塑料制品n离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒粒多弧离子镀膜机多弧离子镀膜机子一起沉积到工件表面成子一起沉积到工件表面成膜的方法。膜的方法。n物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。n广泛用于机械、航空航天、
48、电子、光学和轻工业等广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等离子镀产品离子镀产品领域制备耐磨、领域制备耐磨、耐蚀、耐热、耐蚀、耐热、导电、绝缘、导电、绝缘、光学、磁性、光学、磁性、压电、滑润、压电、滑润、超导等薄膜。超导等薄膜。n2、化学气相沉积、化学气相沉积(CVD)n化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体CVD设备设备表面相互作用而在基表面相互作用而在基体表面形成金属或化体表面形成金属或化合物薄膜的方法。合物薄膜的方法。例如，气态的例如，气态的TiCl4与与N2和和H2在受热钢在受热钢的表面反应生成的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面
49、形并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。成耐磨抗蚀的沉积层。由于化学气相沉由于化学气相沉积膜层具有良好积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电性、耐热性及电学、光学等特殊学、光学等特殊性能，已被广泛性能，已被广泛用于机械制造、用于机械制造、航空航天、交通航空航天、交通运输、煤化工等运输、煤化工等工业领域工业领域。经经CVD处理的模具处理的模具经经CVD处理处理的活塞环的活塞环三、三束表面改性技术三、三束表面改性技术 n三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称合称“三束三束”)等具有高能量密度的能源等具有高能量密度的能源(一般
50、大于一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术化，以获得特殊表面性能的技术。电子束加工电子束加工等离子束加工等离子束加工 进行快速加热和快速冷却，进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从固溶体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。而获得所需要的特殊性能。n束流技术还具有能量利用束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产率高、工件变形小、生产效率高等特点。效率高等特点。
