钢的表面淬火和化学热处理
表面热处理是只对工件表层进行热处理以改变其组织和性 能的热处理工艺,其中以表面淬火最为常用。 表面淬火不改变零件表层的化学成分,只改变表层的组 织,并且心部仍保留原来退火、正火或调质状态的组织。其目 的是使工件表层具有高硬度、耐磨性,而心部具有足够的强度 和韧性。 表面淬火后,一般需进行低温回火,以减少淬火应力和降 低脆性。 工业上常用的表面淬火方法有感应淬火和火焰淬火。 1)感应加热表面淬火 感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应,使 工件表层、局部或整体加热,并快速冷却的淬火工艺,见下图 所示。 当感应线圈中通以交流电时,产生交变磁场,在工件中便 产生相同频率的感应电流,由于工件本身具有电阻,因而集中 于工件表面的电流可使表层迅速加热到淬火温度,而工件的心
部温度仍接近室温。感应加 热后,采用水、乳化液或聚 乙烯醇水溶液喷射淬火(合 金钢浸油),淬火后进行180 -200℃低温回火,以降低淬 火应力,并保持高硬度和高 耐磨性。
感应电流透入工件表层的深度主要取决于交流电频率的高 低;频率越高,淬硬层深度越小。 由于电源频率不同感应加热表面淬火分高频淬火、中频淬 火和工频淬火,此外还有20世纪60年代后发展起来的超音频感 应加热,它的频率为30~40 kHZ,适用硬化层略深于高频且要 求硬化层沿表面均匀分布的零件,例如中、小模数齿轮、链轮、 轴、机床导轨等。 生产中常用的电流频率与淬硬层深度的关系如下表所示:
钢的表面淬火 和化学热处理
王德春
六、钢的表面淬火
表面:硬度高,耐磨
心部:硬度低, 韧性高
在生产中,有很多零件是在磨擦、冲击和交变载荷作用下 工作,要求表面和心部具有不同的性能,一般是表面硬度高, 有较高的耐磨性和疲劳强度;而心部要求有较好的塑性和韧性。
表面和心部性能要求不同的零件实例
例如齿轮工作时表面接触应力大,摩擦严重,要求表层高硬 度,而齿轮心部通过轴传递动力、冲击力,即心部要求较高的塑 性和韧性。而低碳钢可满足心部要求,表面要求不能满足;高碳 钢可满足表面要求,心部要求不能满足; 在这种情况下,单从材料选择入手或采用普通热处理方法, 都不能满足其要求。 解决这一问题的方法就是钢的表面淬火 (表面热处理)和化学热处理
2)钢的渗氮(氮化) 渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热 处理工艺,又称氮化。 渗氮能使零件获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性以及提 高其耐腐蚀性和疲劳强度。 (1)气体氮化 目前应用最广的是气体渗氮。气体渗氮是将工件置于通有 氨气(NH3)的密闭炉内,加热到500~560℃,氨分解产生的 活性氮离子[N]被工件表面吸收,并逐渐向心部扩散,从而形成 渗氮层。渗氮层的深度一般为0.1~0.6mm。 C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\热处理 录像4(钢的表面热处理与化学热处理)\氮化.rm
感应加热表面淬火种类及应用
名称 频率
淬硬深度 (mm)
适用零件 淬硬层较薄的中、 小型零件,如小模 数齿轮、小的轴
承受较大载荷和磨 损零件,如大模数 齿轮、较大凸轮等 要求硬层深的大型 零件和钢材的穿透 加热,如轧辊、火 车车轮等
高频感应加热
100~500 kHZ
0.5~2.5中频感应加热1 Nhomakorabea10 kHZ
钢的形变热处理、喷丸热处理和冷处理 1、钢的形变热处理 形变热处理是把塑性变形(锻、轧等)和热处理工艺紧密结 合的一种热处理方法。由于它可以使钢同时受到形变强化和相变 强化,因此可以大大提高钢的综合力学性能,另外,它还能大大 简化钢件生产流程,节省能源,因而受到愈来愈广泛的重视。 根据形变温度的高低,可分为中温形变热处理和高温形变热 处理两种。 2、喷丸处理 喷丸处理是利用高速喷射的沙丸或铁丸,对工件表面进行强 烈的冲击,使其表面发生塑性变形,从而达到强化表面和改变表 面状态的一种工艺方法。喷丸的方法通常有手工操作和机械操作 两种。 喷丸主要目的是清除表面杂质。当较大铁件经过调质以后, 表面会附有厚度不一的氧化层,利用高速的硬质钢丸冲击表面。 可以在到理想的去杂效果。其原理和抛丸差不多。其主要作用是 去除零部件表面残余应力、除锈和提高金属表面的疲劳强度。
渗氮最常用的钢是38CrMoAl,渗氮前应进行调质处理。 因渗氮后表面形成一层坚硬的氮化物,渗氮层硬度高达 1000~1200HV,耐磨性好;渗氮温度低,工件变形小;渗氮层 存在压应力,耐疲劳性好;渗氮层致密,耐蚀性较好。所以, 渗氮主要用于耐磨性和精度要求高的精密零件、承受交变载荷 的重要零件及较高温度下工作的耐磨零件,如精密丝杠、镗床 主轴、汽轮机阀门、高精度传动齿轮、高速柴油机曲轴等。但 渗氮生产周期长,成本高,渗氮层薄而脆,因而不宜承受集中 重载荷。 为克服渗氮工艺时间长、成本高等缺点,出现了碳氮共渗、 离子氮化等新方法。
3、热处理常用加热设备 热处理中常用的加热设备主要有加热炉、测温仪表、冷却设 备和硬度计等。其中加热炉有很多种,常用电阻炉和盐浴炉。 1)电阻炉 电阻炉是利用电流通过电热元件产生的热量来加热工件。根 据加热的温度不同,可分为高温电阻炉、中温电阻炉和低温电阻 炉等。又根据形状不同分为箱式电阻炉和井式电阻炉等多种。这 种炉子的结构简单,操作容易,价格较低,主要用于中、小型零 件的退火、正火、淬火、回火等热处理。其主要缺点是加热易氧 化、脱碳,是一种周期性作业炉,生产率低。 2)盐溶炉 盐浴炉是用熔融盐作为加热介质(即工件放入熔融的盐中 加热)的加热炉。使用较多的是电极式盐浴炉和外热式盐浴炉。 盐浴炉常用的盐为氯化钡、氯化钠、硝酸钾和硝酸钠。由于工件 加热是在熔融盐中进行,与空气隔开,工件的氧化、脱碳少,加 热质量高,且加热速度快而均匀。盐浴炉常用于小型零件及工、 模具的淬火和回火。
(2)离子氮化 离子氮化是将工件放在低于一个大气压的真空容器内,通 入氨气或氮、氢混合气体,以真空容器为阳极,工件为阴极, 在两极间加直流高压,迫使电离后的氮正离子高速冲击工件 (阴极)使其渗入工件表面,并向内扩散形成氮化层。 离子氮化优点是氮化时间短,仅为气体氮化的1/2~ 1/3, 易于控制操作,氮化层质量好,脆性低一些。此外,省电、省 气、无公害。缺点是工件形状复杂或截面相差悬殊时,由于温 度均匀性不够,很难达到同一硬度和渗层深度。 C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\热处理录 像4(钢的表面热处理与化学热处理)\离子氮化.rm
解的有机液体(如煤油、丙酮等),保温一段时间,渗碳气体 或有机液体在高温下分解产生活性碳原子,活性碳原子逐渐滲 入工件表面,并向心部扩散,形成一定深度的渗碳层。渗碳层 深度可通过控制保温时间来达到,一般为0.5~2.5mm。
井式渗碳炉
第1章 机械工程材料
工件渗碳后必须进行淬火和低温回火,最终表层为细小片 状的回火高碳马氏体及少量的渗碳体,这样表面可获得高的硬 度(60~64HRC)、耐磨性及疲劳强度;而心部组织取决于 钢的淬透性,一般低碳钢心部组织为铁素体和珠光体,硬度为 110~150HBS,低合金钢(20CrMnTi钢)通常心部组织为回 火低碳马氏体和少量铁素体,硬度为35~45HRC,具有较高 的强韧性和塑性。 气体渗碳的渗碳层质量高,渗碳过程易于控制,生产率 高,劳动条件好,易于实现机械化和自动化,适于成批或大量 生产。主要用于受磨损和较大冲击载荷的零件,如齿轮、活塞 销、凸轮、轴类等。
七、钢的化学热处理简介 化学热处理是将工件放入一定温度的活性介质中加热并保 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。其特点是既改变工件表面层的组织, 又改变化学成分。它可比表面淬火获得更高的硬度、耐磨性和 疲劳强度,并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗氧化性。 各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的。 1)分解: 由介质中分解出渗入元素的活性原子。 2)吸收:工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种, 即活性原子由钢的表面进入铁的晶格形成固溶体,或与钢中的 某种元素形成化合物。 3)扩散:已被工件表面吸收的原子,在一定温度下,由表面往 里迁移,形成一定厚度的扩散层。 化学热处理的种类很多,最常用的是渗碳、氮化、碳氮共 渗、渗硼、渗铬、渗铝等。
(3)钢的碳氮共渗 分气体碳氮共渗和气体氮碳共渗 ①、气体碳氮共渗 在一定温度下同时将碳、氮渗入工件表层奥氏体中,并以 渗碳为主的化学热处理工艺称碳氮共渗。 由于共渗温度( 850℃~ 880℃)较高,它是以渗碳为主的 碳氮共渗过程,因此处理后要进行淬火和低温回火。共渗深度 一般为0.3~0.8mm。 气体碳氮共渗所用的钢大多为低碳钢或中碳钢和合金钢。 气体碳氮共渗与渗碳相比,处理温度低且便于直接淬火, 因而变形小,共渗速度快、时间短、生产率高、耐磨性高。 ②、气体氮碳共渗 工件表面渗入氮和碳,并以渗氮为主的化学热处理,称为 氮碳共渗。常用的共渗温度为560℃~ 570℃,由于共渗温度较 低,共渗1~3h,渗层可达0.03~0.02mm,又称低温碳氮共渗。 与气体氮化相比,渗层硬度较低,故又称软氮化。
3)电接触加热表面淬火 电接触表面淬火可显著提高工件表面的耐磨性和抗擦伤能 力。设备及工艺简单易行,硬化层薄,一般为0.15~0.35mm。 适用于表面形状简单的零件,目前广泛用于机床导轨、汽缸套 等表面淬火。 4)激光加热表面淬火 这种表面淬火方法是用激光束扫描工件表面,使工件表面迅 速加热到钢的临界点以上,而当激光束离开工件表面时,由于 基体金属的大量吸热,使表面获得急速冷却而自淬火,故无需 冷却介质。特点如下: 激光淬火硬化层深度与宽度一般为:深度<0.75mm,宽度小 于1.2mm。 激光淬火后表层可获得极细马氏体组织,硬度高且耐磨性好。 激光淬火能对形状复杂,特别是某些部位用其它表面淬火方 法极难处理的(如拐角、沟槽、盲孔底部或深孔)工件。
3~10
工频感应加热
50HZ
10~20
感应加热速度极快,时间很短仅为几秒钟,加热淬火有 如下特点: 表面性能好,硬度比普通淬火高2HRC~3HRC。疲劳强度较高, 一般工件可提高20%~30%; 工件表面质量高,不易氧化脱碳,淬火变形小; 淬硬层深度易于控制,操作易于实现机械化、自动化,生产 率高。 感应加热淬火零件的加工工艺路线为: 下料-----锻造-----调质或正火------切削加工----感应加热淬火+低温回火-----精加工-----检验