1、SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第三章第三章 钢的热处理钢的热处理HEAT TREATMENT OF STEELSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY退火退火 Annealing正火正火 Normalizing淬火淬火 Quenching回火回火 Tempering普通热处理普通热处理真空热处理真空热处理可控气氛热处理可控气氛热处理特种热处理特种热处理表面淬火表面淬火表面化学热处理表
2、面化学热处理表面热处理表面热处理热处理热处理形变热处理形变热处理钢的热处理钢的热处理 在固态下在固态下通过对钢件进行加热、保通过对钢件进行加热、保温、冷却，从而改变钢件性能的操作温、冷却，从而改变钢件性能的操作SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY钢的热处理工艺示意图钢的热处理工艺示意图温度温度时间时间加热加热Heating保温保温Insulation Work冷却冷却Cooling保温时间保温时间 Holding Time保温温度保温温度 Holding TemperatureA1 A3
3、AcmSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第一节第一节 钢在加热时的转变钢在加热时的转变TRANSFOEMATION OF STEEL AS BEING HEATED SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYABCDEFGHJNKP PSQ2.11钢钢铸铁铸铁A工业工业纯铁纯铁SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOT
4、ONG UNIVERSITY钢相图中的组织钢相图中的组织EGPSQKAFA+Fe3CF+AF+PPP+Fe3CIIF+Fe3CIIISCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY特征线特征线 A化化A1线线(PSK线线)加热加热Ac1 冷却冷却Ar1A3线线(GS线线)加热加热Ac3 冷却冷却Ar3Acm线线(SE线线)加热加热Accm 冷却冷却ArcmEGPSQA3AcmA1SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG U
5、NIVERSITY 1.1.共析钢奥氏体的形成过程共析钢奥氏体的形成过程加热保温的目的：获得成分均匀加热保温的目的：获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体晶粒细小的奥氏体p +Fe3C 0.0218 6.69s0.77 BCC 体心体心 复杂正交复杂正交 FCC面心立方面心立方加热到加热到A1以上以上 一、奥氏体的形成一、奥氏体的形成SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYP组织组织A形核形核A长大长大残余碳化物溶解残余碳化物溶解A均匀化均匀化A形核长大示意图形核长大示意图SCHOOL OF MATE
6、RIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY形核形核FF和和FeFe3 3C C的界面最易于形核，通过同素异构转变的界面最易于形核，通过同素异构转变FAFA和和FeFe3 3C C的溶解来实现的溶解来实现长大长大一旦形核，一旦形核，A A则向则向F F和和FeFe3 3C C方向长大，此过程同样通方向长大，此过程同样通过同素异构转变过同素异构转变FAFA和和FeFe3 3C C的溶解来实现的溶解来实现残余碳化物溶解残余碳化物溶解 由于同素异构转变由于同素异构转变FAFA的速度比的速度比FeFe3 3C C向向奥氏体中溶解的速
7、度快，同素异构转变完成后，还有一部分奥氏体中溶解的速度快，同素异构转变完成后，还有一部分碳化物尚未溶解，它会在随后的加热过程中继续向奥氏体中碳化物尚未溶解，它会在随后的加热过程中继续向奥氏体中溶解溶解奥氏体均匀化奥氏体均匀化 残余碳化物溶解完毕后，奥氏体的成分是残余碳化物溶解完毕后，奥氏体的成分是不均匀的，原来不均匀的，原来F F处含碳量低，而原来处含碳量低，而原来FeFe3 3C C处含碳量高。只有处含碳量高。只有经足够长的保温时间，才能通过经足够长的保温时间，才能通过C C的扩散形成均匀的的扩散形成均匀的A A等轴晶等轴晶形核、长大、残余碳化物溶解、奥氏体均匀化形核、长大、残余碳化物溶解、
8、奥氏体均匀化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2.2.亚共析钢和过共析钢奥氏体形成过程亚共析钢和过共析钢奥氏体形成过程 二二、奥氏体晶粒的大小、奥氏体晶粒的大小1.奥氏体的实际奥氏体的实际晶粒度晶粒度在具体加热条件下得到的奥氏体晶粒大小称在具体加热条件下得到的奥氏体晶粒大小称为奥氏体实际晶粒大小或奥氏体为奥氏体实际晶粒大小或奥氏体实际晶粒度实际晶粒度晶粒大小用晶粒度表示，通常分级晶粒大小用晶粒度表示，通常分级 14粗晶钢粗晶钢 58细晶钢细晶钢 8超细晶钢超细晶钢放大倍数放大倍数100
9、100时，时，每平方英寸内晶每平方英寸内晶粒数目为粒数目为n n，则：，则：1221 logNnNn 在工程上，一般采用在工程上，一般采用100100倍金相照片，通过比对倍金相照片，通过比对的方法确定晶粒度的方法确定晶粒度SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY影响因素影响因素加热温度越高加热温度越高保温时间越长保温时间越长奥氏体的实际晶粒度越大奥氏体的实际晶粒度越大 EGPSQ过热过热（Overheat）加热时加热时A A晶粒大小超过规定晶粒大小超过规定尺寸时就成为一种加热缺陷尺寸时就成为一
10、种加热缺陷，称为，称为过热过热细小的奥氏体晶粒细小的奥氏体晶粒SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2.奥氏体的本质奥氏体的本质晶粒晶粒本质晶粒度只表示钢在加热时奥氏体晶粒长大本质晶粒度只表示钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。并不表示奥氏体实际晶粒的大小。倾向的大小。并不表示奥氏体实际晶粒的大小。13级：粗晶粒；级：粗晶粒；46级：中等晶粒；级：中等晶粒；78级：级：细晶粒细晶粒93038h，冷却后所测定的晶粒度为本质，冷却后所测定的晶粒度为本质晶粒度。主要是检验钢本身长大倾向晶粒度。主要
11、是检验钢本身长大倾向SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY本质细晶粒钢本质细晶粒钢本质晶粒度：本质晶粒度：58级。一般具有阻碍奥氏体晶级。一般具有阻碍奥氏体晶粒长大的元素如：粒长大的元素如：Nb、Ti、V等等这些元素易于形成这些元素易于形成AlN、Al2O3、NbC、TiC、VC等不易溶解的小粒子，阻碍奥氏体晶粒的长大等不易溶解的小粒子，阻碍奥氏体晶粒的长大本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢本质晶粒度本质晶粒度14级，一般仅用级，一般仅用Si、Mn脱氧，没脱氧，没有阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素有阻碍奥
12、氏体晶粒长大的合金元素，奥氏体晶，奥氏体晶粒长大的很快。粒长大的很快。热处理一定不能过热热处理一定不能过热SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 三三、钢加热时的缺陷钢加热时的缺陷过热过热加热时奥氏体晶粒大小超过规定尺寸加热时奥氏体晶粒大小超过规定尺寸氧化氧化加热时钢中的铁素体氧化成氧化铁加热时钢中的铁素体氧化成氧化铁脱碳脱碳加热时钢中的碳与空气中的氧
13、生成加热时钢中的碳与空气中的氧生成CO2导致钢的表面含碳量过低导致钢的表面含碳量过低SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第二节第二节 奥氏体转变图奥氏体转变图TANSFORMATION DIAGRAM OF AUSTENITE AS BEING COOLED SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、奥氏体等温转变图一、奥氏体等温转变图 Isothermal transformatio
14、n diagram of austenite 1.1.奥氏体等温转变图测定原理奥氏体等温转变图测定原理过冷奥氏体过冷奥氏体在临界温度在临界温度(A1、A3、Acm)以下尚以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称过冷奥氏体未发生转变的不稳定奥氏体称过冷奥氏体恒温转变恒温转变 将已化的钢迅速冷却到临界温将已化的钢迅速冷却到临界温度度(A1、A3、Acm)以下某温度保温以下某温度保温等温转变图等温转变图 TTT 图图.Temperature Time Transformation DiagramSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOT
15、ONG UNIVERSITY共析钢曲线测定共析钢曲线测定原理示意图原理示意图以共析钢为例以共析钢为例SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY时间时间转变转变SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY时间时间转变转变SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY(3)汇总特征值汇总特征值时间时间温度温度
16、转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线时间时间转变转变SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2.2.共析钢共析钢奥氏体等温转变图分析奥氏体等温转变图分析当当TTA时，时，属于高温转变属于高温转变 随随T，孕育期孕育期，转变转变当当TTA时，时，属于中温转变属于中温转变 随随T，孕育期，孕育期 转变转变 时间时间温温 度度TA 出现出现“鼻子鼻子”，形似，形似“C”，故，故TTT图也叫图也叫C曲线曲线SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING O
17、F XIAN JIAOTONG UNIVERSITY珠光体型转变珠光体型转变A1550550230 230贝氏体型转变贝氏体型转变马氏体型转变马氏体型转变共析钢的奥氏体等温转变图共析钢的奥氏体等温转变图转转变变开开始始线线转变终转变终止线止线550 550 A1SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYA1650 珠光体珠光体(P)粗片状铁素体与渗碳粗片状铁素体与渗碳 体交替排列的混合物体交替排列的混合物650600 索氏体索氏体(S)细片状铁素体与渗碳细片状铁素体与渗碳 体交替排列的混合物体交
18、替排列的混合物1)1)珠光体型转变珠光体型转变珠光体形珠光体形成示意图成示意图600550 托氏体托氏体(T)极细片状铁素体与渗碳极细片状铁素体与渗碳 体交替排列的混合物体交替排列的混合物SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY不同等温温度形成的珠光体显微组织不同等温温度形成的珠光体显微组织 (a)655(b)600(c)534 珠光体珠光体(P)索氏体索氏体(S)托氏体托氏体(T)减小减小 片片 间间 距距 增大增大 强、硬度强、硬度 增大增大 塑、韧性塑、韧性SCHOOL OF MATER
19、IALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY2)2)贝氏体型转变贝氏体型转变共析钢的奥氏体等温转变图共析钢的奥氏体等温转变图贝氏体贝氏体(B)过饱和铁过饱和铁素体与渗碳体组成的混合素体与渗碳体组成的混合物物B上上 550350 上贝氏体上贝氏体()()SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSI
20、TY上贝氏体上贝氏体B上上 相互相互平行的过饱和铁素体片与分布平行的过饱和铁素体片与分布在片间的断续细小渗碳体组成的羽毛状混合物。在片间的断续细小渗碳体组成的羽毛状混合物。硬度高硬度高，可达可达4045HRC，但因，但因F片粗且平行分布，片粗且平行分布，同时晶间有脆性的渗碳体，故塑、韧性差。同时晶间有脆性的渗碳体，故塑、韧性差。脆性大性脆性大性能差能差上贝氏体形成示意图上贝氏体形成示意图SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY上贝氏体的显微组织上贝氏体的显微组织 (a)光镜光镜 (b)扫描电镜
21、扫描电镜(a)(b)SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY下贝氏体下贝氏体B下下 针叶状的过饱和铁素体与分布针叶状的过饱和铁素体与分布在其中的极细小的渗碳体粒子组成的混合物在其中的极细小的渗碳体粒子组成的混合物脆脆性小性能好性小性能好硬度高硬度高5060 HRC，强度高，耐磨性好，塑性、，强度高，耐磨性好，塑性、韧性高，具有良好的综合力学性能韧性高，具有良好的综合力学性能下贝氏体形成示意图下贝氏体形成示意图SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING
22、 OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY(b)(a)下贝氏体的显微组织下贝氏体的显微组织 (a)光镜光镜 (b)扫描电镜扫描电镜生产中生产中“等温淬火等温淬火”的目的就是为了得到的目的就是为了得到B B下下组织组织SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY3)3)马氏体型转变马氏体型转变共析钢的奥氏体等温转变图共析钢的奥氏体等温转变图转变温度：转变温度：MsMf。温度低，。温度低，Fe、C不能扩散（无扩散型不能扩散（无扩散型转变）转变）A F，C完全被保留在完全被保留在-Fe中，
23、引起过饱和。中，引起过饱和。M又称又称碳过饱和铁素体碳过饱和铁素体晶格歪扭成体心正方，随晶格歪扭成体心正方，随wC，正方度，正方度T 230 T 230 马氏体马氏体(M)(M)马氏体马氏体(M)碳在碳在-Fe中的中的过饱和固溶体过饱和固溶体（1）转变温度：）转变温度：SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY低碳马氏体低碳马氏体(wc1.0%)片片(或针或针)状，硬而脆状，硬而脆长大速度非常快，先形成的M片较大，后形成的M片不能穿越已形成的M，故较小。显微镜下为长短不一，互成一定角度的M片截面
24、呈细长条状，许多尺寸大致相同的定向相互平行排列，构成一个群（束），显微组织为一束束细长板条状组织（2）马氏体的形态）马氏体的形态SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY高碳马氏体形成过程示意图高碳马氏体形成过程示意图Fe-1.8 wt.%C合金冷却到下列不同温度形成高碳马氏体的过程合金冷却到下列不同温度形成高碳马氏体的过程(a)24 (b)60 (c)100 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERS
25、ITY高碳马氏体的显微组织高碳马氏体的显微组织 a)a)淬火态淬火态 b)b)回火态回火态 (a)(b)低碳马氏体的显微组织SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY马氏体的形态取决于含碳量马氏体的形态取决于含碳量wC 1.0%的钢淬火后的钢淬火后,几乎全部为片几乎全部为片MwC 0.25%的钢淬火后的钢淬火后,基本上全部为板条基本上全部为板条M0.25%wC 0.6%)高碳马氏体的显微组织高碳马氏体的显微组织 a)a)淬火态淬火态 b)b)回火态回火态 回火组织：回火组织：M回回（过饱和铁素体
26、（过饱和铁素体+碳化物）碳化物）SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第二种：中温回火第二种：中温回火温度：温度：350 C 500 C；回火组织：回火托氏体，由针叶回火组织：回火托氏体，由针叶状铁素体状铁素体 +极细小颗粒渗碳体极细小颗粒渗碳体组成，组成，记为记为T回回性能：性能：高强度、硬度，高的高强度、硬度，高的弹性极限及屈服强度弹性极限及屈服强度；具有一定的塑性、韧性；硬度为具有一定的塑性、韧性；硬度为35 45HRC应用：应用：Wc=0.50.7%碳钢、合金钢制造的碳钢、合金钢制造
27、的各种弹簧各种弹簧。SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY生产上将淬火和高温回火称为生产上将淬火和高温回火称为“调质处理调质处理”一般规律：随回火温度一般规律：随回火温度，强度、硬度，强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性第三种：高温回火第三种：高温回火温度：温度：500-650500-650 C C，组织：回火索氏体，由等轴状的铁组织：回火索氏体，由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成，记为素体和球状渗碳体组成，记为S回回性能：性能：具有具有适当的强度、硬度和足适当的强度、硬度和足够的塑性、韧性够的
28、塑性、韧性（即良好综合性能）（即良好综合性能）2525 35HRC35HRC回火索氏体回火索氏体应用：用于应用：用于WcWc为为0.30.30.5%0.5%的的中碳钢和合金钢制造的中碳钢和合金钢制造的轴、连轴、连杆、螺栓杆、螺栓等。等。SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY组织形态不同组织形态不同在硬度相同的情况下，回火组织具有更在硬度相同的情况下，回火组织具有更高的强度和塑韧性高的强度和塑韧性T回回与与T、S回回与与S比较比较SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND
29、ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY不同含碳量钢的不同含碳量钢的硬度随回火温度硬度随回火温度升高而降低升高而降低35钢力学性能与钢力学性能与回火温度的关系回火温度的关系SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY4040钢钢高高温温回回火火SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第四节第四节 钢的表面热处理钢的表面热处理SURFACE HEAT TREAT
30、MENT OF STEEL表面淬火表面淬火 Surface quenching表面化学热处理表面化学热处理 Surface chemical heat treatmentSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY通过选材和普通热处理无法满足上述要求通过选材和普通热处理无法满足上述要求表面硬度高，耐磨性好，以保证其精度表面硬度高，耐磨性好，以保证其精度而心部要具有足够的塑性和韧性，以防止断裂而心部要具有足够的塑性和韧性，以防止断裂高碳钢：淬火高碳钢：淬火+低温回火，硬度高，耐磨性好，低温回火，硬度
31、高，耐磨性好，但心部韧性差但心部韧性差中碳钢调质处理，心部韧性好，但表面硬度不中碳钢调质处理，心部韧性好，但表面硬度不够，耐磨性差够，耐磨性差SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、一、表面淬火表面淬火 Surface quenching将工件表面快速加热到将工件表面快速加热到A A区，在热量尚未传到区，在热量尚未传到材料心部时立即迅速冷却，使其表面得到一定材料心部时立即迅速冷却，使其表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法
32、局部淬火方法工业中常用的表面淬火方法有：工业中常用的表面淬火方法有：感应加热表感应加热表面淬火面淬火、激光加热表面淬火激光加热表面淬火和和火焰加热表面火焰加热表面淬火淬火SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2.2.表面淬火用钢的碳含量表面淬火用钢的碳含量%5.04.0Cw过低：表面硬度不足过低：表面硬度不足过高：心部韧性不足过高：心部韧性不足 3.3.常用方法常用方法火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 1.1.目的目的使工件表硬心韧，如曲轴使工件表硬心韧，如曲轴、齿轮、齿轮感应加热表面淬火
33、感应加热表面淬火SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图1 1烧嘴烧嘴2 2喷水管喷水管3 3加热层加热层4 4工件工件5 5淬硬层淬硬层 4.4.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火特点特点：设备简单，质量不易保证，适合单件生产：设备简单，质量不易保证，适合单件生产淬硬层深度一般为淬硬层深度一般为26mmSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 5.5
34、.感应加热表面淬火感应加热表面淬火1)1)基本原理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1 1加热淬火层加热淬火层2 2间隙间隙3 3工件工件4 4加热感应圈加热感应圈5 5淬火喷水套淬火喷水套2)2)感应电流频率感应电流频率感应电流的集肤效应感应电流的集肤效应高频高频 100100500KHz 500KHz 深度小（深度小（0.2-2mm）中频中频 50050010000Hz 10000Hz 深度较大深度较大（2-8mm）工频工频 50Hz 50Hz 深度大深度大（10-15mm）SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XI
35、AN JIAOTONG UNIVERSITY3)3)感应加热表面淬火的特点感应加热表面淬火的特点加热速度快；加热速度快；时间短；时间短；因表面层因表面层M相变产生压应力，可提高工件相变产生压应力，可提高工件的疲劳强度；的疲劳强度；工件表面质量高，变形小；工件表面质量高，变形小；这种表面淬火的方法易于实现自动化这种表面淬火的方法易于实现自动化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY5)5)后续热处理：低温回火后续热处理：低温回火4)4)预先热处理预先热处理(1)(1)目的：使工件心部具有高的综合
36、力学性能目的：使工件心部具有高的综合力学性能7)7)应用举例应用举例1：中碳钢制齿轮制造工艺路线：中碳钢制齿轮制造工艺路线一般零件一般零件:正火处理正火处理重要零件重要零件:调质处理调质处理(淬火高温回火淬火高温回火)(2)(2)方法方法表层表层：中碳：中碳M回回6)6)最终组织最终组织心部心部：或或 P+FS回回下料下料锻造锻造退火退火粗加工粗加工调质调质精加工精加工 感感应淬火应淬火低温回火低温回火精磨精磨成品成品SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY应用举例应用举例2：中碳钢制造的轴的
37、工艺路线中碳钢制造的轴的工艺路线下料下料锻造锻造退火退火粗加工粗加工调质调质精加工精加工 轴颈感应淬火轴颈感应淬火低温回火低温回火精磨精磨成品成品齿轮感应淬火层齿轮感应淬火层SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY感感应应加加热热表表面面淬淬火火齿齿轮轮的的淬淬硬硬层层分分布布SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 6.6.激光加热表面淬火激光加热表面淬火（1 1）工艺：工艺：将高功率密度的
38、激光束照射到工件表面，将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传使表面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作 硬化层：硬化层：1 12mm2mm（2 2）应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；轮轴等零件；（3 3）特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性特点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但是效率高、便于自动化
39、，但是设备昂贵设备昂贵 。激光表面淬火处理的内燃机气缸套激光表面淬火处理的内燃机气缸套SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY激激光光表表面面淬淬火火的的汽汽缸缸套套SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 二、二、表面化学热处理表面化学热处理 Surface chemical heat treatment将工件置于一定的化学介质中，通过加热、保温将工件置于一定的化学介质中，通过加热、保温和冷
40、却，使介质中的某些元素渗入到工件表层，和冷却，使介质中的某些元素渗入到工件表层，以改变表层的化学成份和组织，从而使工件表面以改变表层的化学成份和组织，从而使工件表面具有与心部不同的性能的一种热处理工艺具有与心部不同的性能的一种热处理工艺与表面淬火热处理相比，化学热处理不仅使工与表面淬火热处理相比，化学热处理不仅使工件表面与心部的件表面与心部的组织不同组织不同，且，且成分亦不同成分亦不同SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 1.1.目的目的改变工件表层化学成分、组织，从而改善改变工件表层化学
41、成分、组织，从而改善工件性能工件性能 渗碳、渗氮、碳氮共渗可提高钢表面的硬渗碳、渗氮、碳氮共渗可提高钢表面的硬度、耐磨性及疲劳强度度、耐磨性及疲劳强度 渗渗B、渗、渗Cr可提高表面耐磨性和耐蚀性可提高表面耐磨性和耐蚀性 渗渗Al、渗、渗Si可提高耐热抗氧化性可提高耐热抗氧化性 渗渗S可提高减摩性可提高减摩性SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2.2.常用方法常用方法渗碳渗碳,渗氮渗氮 3.3.钢的气体渗碳钢的气体渗碳气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图1)1)装置：气体渗碳炉装置：气体渗碳炉
42、2)2)渗碳用钢渗碳用钢：低碳钢低碳钢3)3)渗碳基本原理：渗碳基本原理：碳原子在钢件表面碳原子在钢件表面 吸附吸附、扩散、扩散渗碳是向低碳钢或低碳合金钢渗碳是向低碳钢或低碳合金钢工件表层渗入碳原子的过程工件表层渗入碳原子的过程煤油，或甲醇丙酮煤油，或甲醇丙酮SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY4)4)渗碳剂：煤油，或甲醇丙酮，渗碳剂：煤油，或甲醇丙酮，5)5)渗碳温度：渗碳温度：9306)6)渗碳时间：一般为数小时渗碳时间：一般为数小时十几小时十几小时7)7)渗碳后的碳浓度分布渗碳后的碳
43、浓度分布0至工件表面的距离至工件表面的距离0.21.0碳浓度，碳浓度，wC%渗碳后工件中的含碳量渗碳后工件中的含碳量从表面向心部逐渐降低，从表面向心部逐渐降低，表面可达表面可达0.81.0%，而，而心部仍保持原始成份心部仍保持原始成份SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY低碳钢渗碳后缓冷的组织低碳钢渗碳后缓冷的组织SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY8)8)一般工艺路线一般工艺路线 如：
44、用低碳钢制造汽车变速齿轮如：用低碳钢制造汽车变速齿轮 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 低温低温 回火回火精磨精磨喷丸喷丸成品成品M回回+F9)9)最终组织最终组织 表层：高碳表层：高碳 心部：心部：P+F(未淬透未淬透),低碳低碳 (淬透淬透)M回回+粒状碳化物粒状碳化物 +A残残SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY性能要求：性能要求：表面要求具有高的疲劳强度和表面硬度，表面要求具有高的疲劳强度和表面硬度，心部具有足够的塑性韧性心部具有足够的塑性韧性选材选材：低碳钢（
45、低碳钢（2020，2525）工艺路线工艺路线：微观组织：微观组织：渗碳应用举例（汽车变速箱齿轮为例）表面：表面：M M回回（高碳）（高碳）+粒状碳化物粒状碳化物+A+A（少量）（少量）心部：心部：P+F(未淬透未淬透),低碳低碳M M回回+F+F(淬透淬透)高硬度，耐磨性好高硬度，耐磨性好高韧性，耐冲击高韧性，耐冲击渗碳是渗碳是汽车齿轮、活塞销汽车齿轮、活塞销等零件常用的表面热处理工艺等零件常用的表面热处理工艺下料下料 锻造锻造 正火正火 机加工机加工渗碳渗碳+淬淬火火+低温回火低温回火 喷丸喷丸精磨精磨 成品；成品；SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINE
46、ERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY渗渗碳碳齿齿轮轮SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 4.4.钢的气体渗氮钢的气体渗氮应用：应用：镗床的镗杆，精密机床主轴、压缩机活塞杆。镗床的镗杆，精密机床主轴、压缩机活塞杆。钢件表层渗入氮原子钢件表层渗入氮原子目的目的：表面具有高硬度、耐磨、疲劳、：表面具有高硬度、耐磨、疲劳、耐蚀耐蚀和和热硬性热硬性气体渗氮工艺气体渗氮工艺：在在500500560 560 氨气中保温氨气中保温3030 5050小时，小时，氨气分解的活性
47、氮原子依附工件表面向工件内部扩散，氨气分解的活性氮原子依附工件表面向工件内部扩散，形成一定的渗氮层。形成一定的渗氮层。预先调质处理，获得回火索氏体预先调质处理，获得回火索氏体渗氮的方法渗氮的方法气体渗氮、液体渗氮、离子渗氮、气体渗氮、液体渗氮、离子渗氮、低温碳氮共渗、镀钛渗氮等。低温碳氮共渗、镀钛渗氮等。SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY渗氮用钢渗氮用钢:通常是含有铝、铬、钼、钒、钛等合金元素的通常是含有铝、铬、钼、钒、钛等合金元素的钢。这些合金元素极易与氮形成颗粒细小、分布均匀、钢。这
48、些合金元素极易与氮形成颗粒细小、分布均匀、硬度很高且非常稳定的各种氮化物，从而提高工件表面硬度很高且非常稳定的各种氮化物，从而提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性及热硬性（硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性及热硬性（600650600650）渗氮处理的特点渗氮处理的特点渗氮工艺温度比渗碳低（渗氮工艺温度比渗碳低（500 500 560 560,900,900 950)950)，工件变形小；，工件变形小；渗层薄（渗层薄（0.15 0.15 0.75mm0.75mm）；）；生产周期长（生产周期长（30 30 50h50h）；）；渗氮层脆性大；渗氮层脆性大；要使用专用合金钢要使用专用合金钢38Cr
49、MoAlSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY:Fe2N :Fe4N 硬度1000-1100HV回火索氏体回火索氏体含氮铁素体含氮铁素体SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY应用举例应用举例：镗床的镗杆镗床的镗杆选材选材：38CrMoAl热处理热处理：调质调质+渗氮渗氮 毛坯毛坯锻造锻造退火或退火或正火正火粗加工粗加工调质调质半精加工半精加工去应力退火去应力退火粗磨粗磨渗氮渗氮精磨精磨成品
50、成品 工艺路线工艺路线：性能要求性能要求：高的疲劳强度、高的耐磨性、具有：高的疲劳强度、高的耐磨性、具有高的尺寸精度。高的尺寸精度。SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY作业作业（第三章）新版教材（第三章）新版教材 p 103 2、3、5、7、8、11、12、14SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书
