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1、化学热处理与表面淬火河北工业大学河北工业大学 教授教授材料科学系材料科学系 主任主任 武建军武建军 博士博士热处理工艺n材料材料的的组织和性能受成分、加工工艺的组织和性能受成分、加工工艺的影响,改善钢的性能主要有合金化、热影响,改善钢的性能主要有合金化、热处理、塑性变形等途径处理、塑性变形等途径。n热处理是将固态金属或合金在一定介质热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却,中加热、保温和冷却,改变材料的组织结构,从而获得所需性能的加工工艺。,从而获得所需性能的加工工艺。比较重要的部件一般都需要进行热处理,比较重要的部件一般都需要进行热处理,比如汽车、拖拉机工业中比如汽车、拖拉机工业
2、中70 80%的的零件、工具模具等都需要进行热处理。零件、工具模具等都需要进行热处理。1 钢的化学热处理原理n定定义义:化化学学热热处处理理是是将将工工件件置置于于一一定定的的介介质质中中加加热热和和保保温温,使使介介质质中中的的活活性性原原子子渗渗入入工工件件表表层层,改改变变表表面面层层的的化化学学成成分分及及显显微微组组织织,从从而而使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。n根据渗入的元素来命名根据渗入的元素来命名n渗碳、氮化、碳氮共渗等可提高工件表面的硬渗碳、氮化、碳氮共渗等可提高工件表面的硬度、耐磨性以及疲劳强度;渗氮、渗硅、渗铝度、耐磨性以及
3、疲劳强度;渗氮、渗硅、渗铝等用于提高工件的抗腐蚀性、抗氧化性,等用于提高工件的抗腐蚀性、抗氧化性,n应用最广的化学热处理是渗碳、氮化和碳氮共应用最广的化学热处理是渗碳、氮化和碳氮共渗。渗。化学热处理的基本过程分解n化学介质在高温下化学介质在高温下(分解或蒸发分解或蒸发)释放出释放出待渗的活性原子,例如待渗的活性原子,例如 2CO CO2 +Cn影响因素:影响因素:n反应温度n介质浓度n催化剂种类等化学热处理的基本过程吸收n活性原子首先被零件表面吸附,进而溶活性原子首先被零件表面吸附,进而溶解或发生反应。解或发生反应。n根据作用力性质,分为化学吸附和物理根据作用力性质,分为化学吸附和物理吸附。吸
4、附。n影响因素:影响因素:n温度n表面活性n表面面积等化学热处理的基本过程扩散n扩散是由于原子等微粒热运动引起的物扩散是由于原子等微粒热运动引起的物质传输现象。质传输现象。n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,形成形成一定深度的扩散层(固溶体,或化合物)一定深度的扩散层(固溶体,或化合物)n 扩散的阻力和条件扩散的阻力和条件n扩散与原子热运动相关,阻力就是周围原子对运动原子的限制(扩散激活能),n不是所有原子都可以移动的!阻力大小不易改变n因此必须在满足以下条件才能实现n(1)扩散原子能固溶;n(2)具有驱动力:如浓度梯度,温度梯度。n(3)温度足够高;n(4)时间足够长
5、;扩散定律扩散定律n菲菲克克(A.Fick)于于1855年年通通过过实实验验获获得得了了关关于于稳稳定定态扩态扩散的第一定律,其数学表达式散的第一定律,其数学表达式为为n即即在在单单位位时时间间内内通通过过垂垂直直于于扩扩散散方方向向的的单单位位截截面面积积的的扩扩散流量散流量J与与浓浓度梯度成正比,度梯度成正比,n式式中中D为为扩扩散散系系数数,J为为扩扩散散通通量量,负负号号表表示示扩扩散方向与浓度梯度方向相反。散方向与浓度梯度方向相反。影响扩散系数的因素影响扩散系数的因素n温度温度n晶体结构晶体结构n固溶体类型固溶体类型n浓度浓度n晶体缺陷晶体缺陷扩散方程的一个解n纯铁渗碳时,在碳势不变
6、的气氛中,纯铁渗碳时,在碳势不变的气氛中,C C浓浓度分布的试验结果与计算结果符合很好度分布的试验结果与计算结果符合很好 高斯误差函数抛物线规律n n应用中,常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限,应用中,常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限,应用中,常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限,应用中,常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限,然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。n对于一定界面对于一定界面C,为定值;为定值;n即即 渗层厚度渗层厚度x符合符合n式中K为比例系数,这个关系式常称为抛物线时间规律
7、。这一关系被广泛地应用于如钢铁渗碳、晶体管或集成电路生产等工艺。n在一指定浓度C时,增加一倍扩散深度则需延长四倍的扩散时间。2 钢的渗碳钢的渗碳n目的:提高表面含碳量,从而提高表面硬度、目的:提高表面含碳量,从而提高表面硬度、强度、耐磨性强度、耐磨性n举例:轴承,拖拉机变速齿轮举例:轴承,拖拉机变速齿轮n方法:气体,离子,真空,固体等方法:气体,离子,真空,固体等n渗碳用钢:低碳钢或低碳合金钢:20钢、20Cr 18CrMnTi、20CrMnTi钢等,考虑力学性能、工艺性(尺寸与淬透性、晶粒长大)要求和成本等进行选择n常用温度:常用温度:900950?渗碳件主要技术要求n碳势:碳势:1%,根据
8、性能要求而定,根据性能要求而定n碳浓度梯度:平缓,有利于渗层与基体碳浓度梯度:平缓,有利于渗层与基体的结合,减少剥落。对于一些零件甚至的结合,减少剥落。对于一些零件甚至规定过共析层共析层的深度不超过规定过共析层共析层的深度不超过6070n深层深度:主要取决于工件受力和设计深层深度:主要取决于工件受力和设计寿命等因素,对于一些薄、小零件,渗寿命等因素,对于一些薄、小零件,渗层深度一般不超过截面尺寸的层深度一般不超过截面尺寸的20渗碳件的预备热处理n提高切削加工性(主要)提高切削加工性(主要)n为渗碳淬火作组织准备(次要)为渗碳淬火作组织准备(次要)n多采用正火处理多采用正火处理气体渗碳滴注式气体
9、渗碳滴注式n介质:苯、醇、煤油等液体n工艺:将工件装在密封的渗碳炉中,加热到900950(常用930),向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体,在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气氛,在高温下与工件接触时便在工件表面进行下列反应,生成活性碳原子,被表面吸收并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。介质选择原则n碳氧比大于碳氧比大于1,必要条件,必要条件n目前,常采用两种或以上介质搭配,控制碳势及成本n安全性安全性n经济性:经济性:n产气量大n碳当量大n便宜,易得滴注式气体渗碳n操作要点操作要点n表面清洁;n同一炉零件材料、技术要求相同;n炉内正压,废气点燃;n零件之间气氛流通
10、;n经常校对碳势;n严禁在750以下向炉内滴入有机液体,防爆滴注式气体渗碳工艺n一般分为升温排气、渗碳(包括强渗和一般分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)扩散),降温冷却几个阶段,降温冷却几个阶段n排气阶段:滴量大,快速换气,防止零排气阶段:滴量大,快速换气,防止零件氧化。件氧化。750 开始甲醇,开始甲醇,900 煤油。到温后延续煤油。到温后延续3060分钟分钟n渗碳阶段:正压渗碳阶段:正压150200Pa,用富碳,用富碳渗剂滴量控制碳势。两段法渗层碳浓度渗剂滴量控制碳势。两段法渗层碳浓度梯度小,结合好,渗速较快梯度小,结合好,渗速较快n降温阶段:降温至出炉温度降温阶段:降温至出炉温度n气体
11、渗碳的优点:生产率高,劳动条件好,渗碳过程容易控制,容易实现机械化、自动化,适用于大批量生产。吸热式气氛渗碳n将碳氢化合物气体与空气按一定比例混将碳氢化合物气体与空气按一定比例混合后,在催化剂和加热条件下进行吸热合后,在催化剂和加热条件下进行吸热反应,得到碳势较低的渗碳气氛。反应,得到碳势较低的渗碳气氛。n富化气多采用丙烷。可以通过调节富化富化气多采用丙烷。可以通过调节富化气流量实现炉气碳势的调节气流量实现炉气碳势的调节n(一般)用于连续作业炉,常用即可(一般)用于连续作业炉,常用即可n连续式渗碳炉分为加热、渗碳、扩散、连续式渗碳炉分为加热、渗碳、扩散、冷却四个区,可以对碳势和温度进行分冷却四
12、个区,可以对碳势和温度进行分区控制区控制固体渗碳固体渗碳渗 碳 工艺:工件+渗碳剂密封装入渗碳箱,加热至900950保温。固体渗碳剂:碳粉和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3)的混合物。化学 反应:C+O22CO BaCO3或Na2CO3BaO(或Na2O)+CO2 CO2+C 2CO 2COC+CO2固体渗碳的特点n优点:优点:n设备简单,不需要专门设备n适应性大,n操作简单n缺点:缺点:n劳动强度大,工作条件差n质量不易控制(温度,碳势)n淬火麻烦液体渗碳n盐浴中加热,实现渗碳盐浴中加热,实现渗碳n盐浴中含有加热介质,如盐浴中含有加热介质,如NaCl,供碳物,供碳物质,如质,如NaCN,和催
13、渗剂,和催渗剂,如如NaCO3n优点:变形小,渗速快,渗层均匀优点:变形小,渗速快,渗层均匀n缺点:对人有毒,环境污染,缺点:对人有毒,环境污染,真空和离子渗碳n真空渗碳是真空中加热、在负压渗碳气真空渗碳是真空中加热、在负压渗碳气氛中进行渗碳的工艺方法氛中进行渗碳的工艺方法n真空渗碳包括两个工艺过程。一是供碳真空渗碳包括两个工艺过程。一是供碳使金属吸收碳,二是使碳扩散达到一定使金属吸收碳,二是使碳扩散达到一定深度。可以组合成各种方法深度。可以组合成各种方法n在真空渗碳和离子氮化的基础上,提出在真空渗碳和离子氮化的基础上,提出了真空离子渗碳工艺了真空离子渗碳工艺 真空渗碳的优点n渗速快:因为采用
14、高温高碳势渗碳,真空表面渗速快:因为采用高温高碳势渗碳,真空表面净化等原因,时间可以节省净化等原因,时间可以节省1/31/2n渗层均匀:到温后同时渗碳,与常规渗碳边升渗层均匀:到温后同时渗碳,与常规渗碳边升温边渗碳不同;由于采用脉冲式供碳,使得深温边渗碳不同;由于采用脉冲式供碳,使得深凹处,甚至盲孔也能获得满意的效果凹处,甚至盲孔也能获得满意的效果n炉温均匀,渗碳时间和扩散时间容易精确控制,炉温均匀,渗碳时间和扩散时间容易精确控制,工艺重现性好工艺重现性好n表面活化可实现深层渗碳,可达表面活化可实现深层渗碳,可达7mmn气源不同,不使用含有气源不同,不使用含有CO,CO2,H2O的介质,的介质
15、,不会发生内氧化以及其它反常组织不会发生内氧化以及其它反常组织n节能环保等节能环保等渗渗碳碳层层的的退退火火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)渗碳后热处理n热处理方法与钢种、力学性能要求有关热处理方法与钢种、力学性能要求有关直接淬火直接淬火直接淬火法直接淬火法 预冷至预冷至850880后直接淬入油中或水后直接淬入油中或水中,中,180200进行低温回火。进行低温回火。预冷目的预冷目的:减少淬火变形及开裂,使表层析出碳化物,减少淬火变形及开裂,使表层析出碳化物,降低奥氏体的含碳量,从而
16、降低淬火后的残余奥氏体量,降低奥氏体的含碳量,从而降低淬火后的残余奥氏体量,提高表层硬度。提高表层硬度。特特 点:点:操作简单、成本低,生产率高,但在高操作简单、成本低,生产率高,但在高温下长期保温,奥氏体晶粒易长大,影响淬火后工件的温下长期保温,奥氏体晶粒易长大,影响淬火后工件的性能,故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况性能,故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况下;此外预冷过程中,二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状下;此外预冷过程中,二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出,对工件淬火后的性能不利。析出,对工件淬火后的性能不利。用途:用途:大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。大批量生产的汽车
17、、拖拉机齿轮常用此法。一次淬火法一次淬火法 工件经渗碳空冷后,再重新加热进行淬火,然工件经渗碳空冷后,再重新加热进行淬火,然后在后在180200回火。回火。淬火温度选择取决于性能要求:淬火温度选择取决于性能要求:心部要求较高时,略高于心部要求较高时,略高于Ac3;Ac3;心部要求不高,稍高于心部要求不高,稍高于Ac1;Ac1;兼顾心部和表面性能:稍低于兼顾心部和表面性能:稍低于Ac3;Ac3;由于奥氏体晶粒细化,性能提高,由于奥氏体晶粒细化,性能提高,适用于比较适用于比较重要的零件,如高速柴油机齿轮等。重要的零件,如高速柴油机齿轮等。二次淬火法二次淬火法渗碳空冷后,先加热到渗碳空冷后,先加热到
18、AcAc3 3以上以上(一般为一般为850850900900)油淬,使心部组织细化,消除表层网状渗油淬,使心部组织细化,消除表层网状渗碳体;然后再加热到碳体;然后再加热到AcAc1 1以上以上(一般为一般为750750800800)油淬,最后在油淬,最后在180180200200进行回火。二次进行回火。二次淬火法使工件表层和心部组织被细化,从而获得淬火法使工件表层和心部组织被细化,从而获得较好的力学性能。但工艺复杂,成本高;工件经较好的力学性能。但工艺复杂,成本高;工件经反复加热冷却后易产生变形和开裂。所以只适用反复加热冷却后易产生变形和开裂。所以只适用于少数对性能要求特别高的工件。于少数对性
19、能要求特别高的工件。渗碳零件应用举例n中等模数的汽车齿轮选用中等模数的汽车齿轮选用20CrMnTi材料,材料,加工工艺路线为:下料、锻造、正火、加工工艺路线为:下料、锻造、正火、切削加工、渗碳淬火回火、喷丸、磨削切削加工、渗碳淬火回火、喷丸、磨削n正火:消除锻造应力,细化晶粒,调整正火:消除锻造应力,细化晶粒,调整硬度,改善切削加工性硬度,改善切削加工性n渗碳淬火:提高齿面强度、硬度、耐磨渗碳淬火:提高齿面强度、硬度、耐磨性性n低温回火:消除淬火应力,提高韧性低温回火:消除淬火应力,提高韧性渗碳工件的最终组织渗碳工件的最终组织低温回火后低温回火后 针状回火马氏体针状回火马氏体+碳化物碳化物+少
20、量残余奥氏体少量残余奥氏体 硬度为硬度为585864HRC64HRC,而心部组织则随钢的淬透而心部组织则随钢的淬透性和淬火加热温度而定。性和淬火加热温度而定。对于低碳钢如对于低碳钢如1515、2020钢,其心部组织为铁素体钢,其心部组织为铁素体+珠光体,硬度相当于珠光体,硬度相当于101015HRC15HRC;对于低碳合金钢如对于低碳合金钢如20CrMnTi20CrMnTi,心部组织为回火心部组织为回火低碳马氏体低碳马氏体+铁素体,硬度为铁素体,硬度为353545HRC45HRC。渗碳件质量检验项目n设计技术条件设计技术条件:渗碳层深度渗碳层深度、表面硬度表面硬度、心部硬度心部硬度及及不允许渗
21、碳不允许渗碳的部位等的部位等n不允许渗碳的部位不允许渗碳的部位可采用镀铜的方法来可采用镀铜的方法来防止渗碳或多留加工余量。防止渗碳或多留加工余量。按工艺要求,可以检验按工艺要求,可以检验n硬度:一般用硬度:一般用HRCn深层深度深层深度:可以用宏观端口法,显微组织可以用宏观端口法,显微组织分析,显微硬度测量等方法分析,显微硬度测量等方法n金相组织:淬硬层,心部组织金相组织:淬硬层,心部组织渗碳常见缺陷及预防n淬火后硬度低:表面碳浓度偏低或脱碳,淬火后硬度低:表面碳浓度偏低或脱碳,冷却不合理(出现冷却不合理(出现T或较多或较多A)n渗层出现大块或网状碳化物渗层出现大块或网状碳化物:碳势过高碳势过
22、高n渗层深度不均:温度不均、循环不良,渗层深度不均:温度不均、循环不良,表面不清洁,表面积炭表面不清洁,表面积炭n心部偏软或偏硬:与淬火温度高低、冷心部偏软或偏硬:与淬火温度高低、冷却快慢,心部含碳量有关却快慢,心部含碳量有关n表面出现非马氏体组织:形成合金元素表面出现非马氏体组织:形成合金元素的氧化物,降低表面淬透性的氧化物,降低表面淬透性3 渗氮(氮化)n氮化就是向工件表面渗入氮、形成氮化物的处氮化就是向工件表面渗入氮、形成氮化物的处理工艺,其目的是提高工件表面的硬度、耐磨理工艺,其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。性、耐蚀性及疲劳强度。n氮化特点氮化特点n表面硬度高:8
23、501100 HV,形成多种化合物n温度低、变形小、500570n渗层薄、时间长:一般需要2050 h,氮化层厚度只有0.30.5 mmn用于精密零件,用于精密零件,如发动机的汽缸、排气阀、精如发动机的汽缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴、汽轮机阀门等密机床丝杠、镗床主轴、汽轮机阀门等 渗氮件的性能渗氮件的性能 高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性合金氮化物层,合金氮化物层,100010001100HV1100HV,而且而且在在600600650650下保持不下降;下保持不下降;疲劳极限高疲劳极限高渗氮层的体积增大产生残余压应力,疲劳极渗氮层的体积增大产生残余压应力,疲劳极限提高达限提高达15%1
24、5%35%35%;高的耐蚀性能高的耐蚀性能致密的耐蚀的氮化物,使工件在水、过热致密的耐蚀的氮化物,使工件在水、过热的蒸气和碱性溶液中都很稳定;的蒸气和碱性溶液中都很稳定;渗氮方法n气体渗氮:周期长,操作复杂,质量不气体渗氮:周期长,操作复杂,质量不稳定。质量控制措施:稳定。质量控制措施:n阶段升温,温度均匀;n控制氨分解率:较低,氮势高(早期强渗);较高,脆性降低(后期扩散,60%)n较快的冷却可降低脆性n离子渗氮:快,脆性小,环境好离子渗氮:快,脆性小,环境好n盐浴渗氮;盐浴渗氮;QPQ气体氮化气体氮化气气体体渗渗氮氮 在在气气体体介介质质中中进进行行渗渗氮氮的的工工艺艺称称为气体渗氮。为气
25、体渗氮。工工艺艺过过程程 在在渗渗氮氮炉炉内内通通入入氨氨气气,在在380380以上氨分解出活性氮原子以上氨分解出活性氮原子:2NH:2NH3 33H3H2 2+2N+2N活活性性氮氮原原子子被被工工件件表表面面吸吸收收并并溶溶入入表表面面,在保温过程中向里扩散,形成渗氮层。在保温过程中向里扩散,形成渗氮层。氨分解率n分解得到的氮、氢气体占炉气体积的百分比分解得到的氮、氢气体占炉气体积的百分比n如果氨分解率过高,工件表面吸附大量氢原子,如果氨分解率过高,工件表面吸附大量氢原子,妨碍氮的吸收;妨碍氮的吸收;n如果氨分解率过低,提供的活性氮原子很少,如果氨分解率过低,提供的活性氮原子很少,也降低氮
26、化速度也降低氮化速度n实验证明,当氨分解率在实验证明,当氨分解率在1540%,氮吸收,氮吸收最快(实际温度下不可能这样低)最快(实际温度下不可能这样低)n氨分解率与温度、氨分解率与温度、氨气流量氨气流量、工件表面积、有、工件表面积、有无活性剂等有关无活性剂等有关气体氮化工艺n温度:温度:500570n时间:根据深度确定时间:根据深度确定n氨分解率:在温度一定时,通过控制氨氨分解率:在温度一定时,通过控制氨分解率分解率 控制氮势控制氮势n渗氮工艺方法:一段渗氮,二段渗氮渗氮工艺方法:一段渗氮,二段渗氮(强渗、扩散),三段渗氮(强渗、扩(强渗、扩散),三段渗氮(强渗、扩散、强渗提高表面硬度)散、强
27、渗提高表面硬度)离子氮化n在低于一个大气压(常用在低于一个大气压(常用110mmHg)的渗)的渗氮气氛中,在工件氮气氛中,在工件(-)和炉壁和炉壁(+)之间接之间接01000V直流电,氨气被电离成含氮和氢的直流电,氨气被电离成含氮和氢的正离子和电子,利用工件正离子和电子,利用工件(阴极阴极)和阳极之间产和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮。生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮。n氮离子在电场中加速,高速轰击工件表面,氮离子在电场中加速,高速轰击工件表面,动动能能热能,实现热能,实现工件加热;同时氮离子在阴极工件加热;同时氮离子在阴极表面还原成氮原子被工件表面吸收形成渗氮层。表面
28、还原成氮原子被工件表面吸收形成渗氮层。氮离子轰击工件表面时,还能产生阴极溅射效氮离子轰击工件表面时,还能产生阴极溅射效应应离子渗氮特点离子渗氮特点F速速度度快快、周周期期短短。38CrMoAlA38CrMoAlA要要达达到到0.530.530.7mm0.7mm深深的的渗层,渗层,151520h20h(气体渗氮法气体渗氮法50h50h)。)。F质质量量高高。由由于于阴阴极极溅溅射射有有抑抑制制生生成成脆脆性性层层的的作作用用,所所以明显提高渗氮层的韧性和疲劳强度。以明显提高渗氮层的韧性和疲劳强度。F工工件件变变形形小小。阴阴极极溅溅射射效效应应使使工工件件尺尺寸寸略略有有减减小小,可可抵抵消消氮
29、氮化化物物形形成成引引起起的的尺尺寸寸增增大大。适适用用于于处处理理精精密密零零件件和和复复杂杂零零件件,如如38CrMoAlA38CrMoAlA钢钢制制成成的的长长9009001000mm1000mm、外外径径27mm27mm的螺杆,渗氮后其弯曲变形小于的螺杆,渗氮后其弯曲变形小于5m5m。离子渗氮离子渗氮工艺特点:工艺特点:F对对材材料料的的适适应应性性强强。渗渗氮氮用用钢钢、碳碳钢钢、合合金金钢钢和和铸铸铁铁都都能能进进行行离离子子渗渗氮氮,但但专专用用渗渗氮氮钢钢(如如38CrMoAlA38CrMoAlA)效效果最佳。果最佳。F氨气利用率高,对环境影响小氨气利用率高,对环境影响小缺缺点
30、点:投投资资高高,温温度度分分布布不不均均,测测温温困困难难和和操操作作要要求求严严格等。格等。氮化应用氮化应用应应 用:用:交变载荷下工作并要求耐磨的重要结构零件,交变载荷下工作并要求耐磨的重要结构零件,如高速传动的精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床如高速传动的精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床主轴及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件如齿轮套、主轴及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件如齿轮套、阀门、排气阀等。阀门、排气阀等。技术要求:技术要求:需选用含与需选用含与N N亲合力大的亲合力大的AlAl、CrCr、MoMo、TiTi、V V等合金元素的合金钢,如等合金元素的合金钢,如38CrM
31、oAlA38CrMoAlA、35CrAlA35CrAlA、38CrMo38CrMo等。等。技术要求与工艺路线技术要求与工艺路线技技术术要要求求:应应注注明明氮氮化化层层深深度度、表表面面硬硬度度、氮氮化化部部位位、心心部部硬硬度度等等,对对于于零零件件上上不不需需渗渗氮氮的的部部位位镀镀锡锡或或镀镀铜铜保保护护,或或增增加加加加工工余余量量、氮氮化化后去除。后去除。工艺路线:工艺路线:锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质 精加工精加工去应力去应力粗磨粗磨氮化氮化 精磨或研磨精磨或研磨 渗氮钢的预处理n氮化处理后只能进行磨削、研磨加工氮化处理后只能进行磨削、研磨加工n为了保证心部具有良好的力学性
32、能,消为了保证心部具有良好的力学性能,消除加工应力,减小氮化时的变形,以及除加工应力,减小氮化时的变形,以及为氮化做好组织准备,一般需要进行调为氮化做好组织准备,一般需要进行调质处理,以获得回火索氏体组织质处理,以获得回火索氏体组织n对变形和尺寸稳定性要求较高的需要进对变形和尺寸稳定性要求较高的需要进行稳定化处理(高于氮化温度但是低于行稳定化处理(高于氮化温度但是低于回火温度,回火温度,46h保温)保温)4 钢的碳氮共渗n碳氮共渗是同时向工件表面渗入碳和氮碳氮共渗是同时向工件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺的化学热处理工艺 。n按照共渗温度,可以分为高温按照共渗温度,可以分为高温(900950
33、C)、中温中温(700880 C)和低和低温温(500600 C)碳氮共渗三种,其中以碳氮共渗三种,其中以中温与低温气体碳氮共渗应用较多中温与低温气体碳氮共渗应用较多。中温气体碳氮共渗n以渗碳为主,其工艺与气体渗碳相似。以渗碳为主,其工艺与气体渗碳相似。n共渗温度比渗碳温度低,变形小,渗速也快。共渗温度比渗碳温度低,变形小,渗速也快。常用温度常用温度820880,要求的渗层厚度一般,要求的渗层厚度一般为为0.21.0 mm。近年来,深层碳氮共渗代近年来,深层碳氮共渗代替渗碳,效果很好。替渗碳,效果很好。n中温碳氮共渗的共渗层硬度与渗碳层相当或略中温碳氮共渗的共渗层硬度与渗碳层相当或略高,耐磨性
34、和疲劳强度则优于渗碳层,且具有高,耐磨性和疲劳强度则优于渗碳层,且具有加热温度低,工件变形小、生产周期短等优点。加热温度低,工件变形小、生产周期短等优点。n常用于处理形状复杂、要求变形小的耐磨零件,常用于处理形状复杂、要求变形小的耐磨零件,如缝纫机、纺织机零件及各种轻载齿轮等。如缝纫机、纺织机零件及各种轻载齿轮等。工艺参数n共渗介质:渗碳介质氨气;含碳氮的共渗介质:渗碳介质氨气;含碳氮的有机化合物(如三乙醇胺,甲酰胺等),有机化合物(如三乙醇胺,甲酰胺等),我国常用煤油和氨气我国常用煤油和氨气n温度:温度:820860n时间:根据深度要求来决定时间:根据深度要求来决定气体碳氮共渗气氛控制n滴油
35、量滴油量1520滴滴/m2min,通氨量为煤通氨量为煤油气化以后体积的油气化以后体积的4050%n换气次数换气次数2.53.0次次/hn大剂量排气可以缩短排气时间大剂量排气可以缩短排气时间n密封,炉压密封,炉压294490Pa,废气火苗高度废气火苗高度120150mm碳氮共渗组织与性能n与渗碳组织类似,直接淬火后典型组织与渗碳组织类似,直接淬火后典型组织为:细针状马氏体为:细针状马氏体A+碳氮化合物碳氮化合物n含氮量过高,容易出现黑色组织含氮量过高,容易出现黑色组织n含氮量过低,容易实现屈氏体组织含氮量过低,容易实现屈氏体组织黑色组织及预防n黑色组织指碳氮共渗层中出现的黑点、黑色组织指碳氮共渗
36、层中出现的黑点、黑带和黑网。降低疲劳强度和耐磨性黑带和黑网。降低疲劳强度和耐磨性n控制途径控制途径n氨气流量适中(渗层氮含量适中0.30.5%)n适当提高淬火温度;n采用强冷却介质;n黑色组织深度0.02mm喷丸强化补救。氮碳共渗n共渗温度在共渗温度在520570之间,之间,13 h,渗层渗层厚度为厚度为0.010.02 mm。生产周期短生产周期短n介质:尿素、甲酰胺、氨气渗碳介质等介质:尿素、甲酰胺、氨气渗碳介质等n低温气体碳氮共渗以氮化为主,但低温气体碳氮共渗以氮化为主,但硬度较低,硬度较低,称为气体软氮化。称为气体软氮化。n共渗层具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强共渗层具有较高的硬度、耐
37、磨性和高的疲劳强度。渗层具有一定韧性,不易发生剥落,并有度。渗层具有一定韧性,不易发生剥落,并有减摩的特点减摩的特点 n由于渗层较薄,一般用于机床、汽车的小型轴由于渗层较薄,一般用于机床、汽车的小型轴类和齿轮等零件,也可用于工具、模具的最终类和齿轮等零件,也可用于工具、模具的最终热处理。热处理。5 其它化学热处理n渗硼:极高的硬度;渗硼:极高的硬度;n渗硫:降低摩擦系数,抗咬合渗硫:降低摩擦系数,抗咬合n渗铝:抗氧化,防腐渗铝:抗氧化,防腐n镀锌:防大气腐蚀镀锌:防大气腐蚀n多元共渗:大多以提高耐磨性为目标多元共渗:大多以提高耐磨性为目标6 钢的表面淬火n对于表面和心部要求不同的零件,不仅需要
38、整对于表面和心部要求不同的零件,不仅需要整体热处理,往往还需要进行表面淬火或化学热体热处理,往往还需要进行表面淬火或化学热处理来满足上述要求。处理来满足上述要求。n表表面面淬淬火火是是采采用用快快速速加加热热的的方方法法将将工工件件表表面面层层奥奥氏氏体体化化后后淬淬硬硬到到一一定定深深度度,而而心心部部仍仍保保持持未未淬火状态的一种局部淬火法。淬火状态的一种局部淬火法。n根据加热方法不同,表面淬火法主要有感应加根据加热方法不同,表面淬火法主要有感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火,电接触加热热表面淬火,火焰加热表面淬火,电接触加热表面淬火,以及电解液加热表面淬火等几种。表面淬火,以及电解液加热
39、表面淬火等几种。目前感应加热和火焰加热表面淬火法应用较为目前感应加热和火焰加热表面淬火法应用较为普遍。普遍。n有需求:如汽车、拖拉机上的传动齿轮,其表面硬度要求为5862HRC,而心部硬度则要求为3338HRC;精密镗床主轴,要求其与滑动轴承配合的表面硬度不低于900HV,而心部硬度为248286HBS。n成本低:n方法简单:通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现表硬、心韧交流电的电流分布规律n集肤效应:交流电通过导体时,导体表面的电集肤效应:交流电通过导体时,导体表面的电流密度较大,中心的电流密度较小;频率越高,流密度较大,中心的电流密度较小;频率越高,集肤效应约明显集肤效应约明显n临
40、近效应:两相邻导体通过电流时,如果电流临近效应:两相邻导体通过电流时,如果电流方向相同,由于磁场的相互作用,电流主要集方向相同,由于磁场的相互作用,电流主要集中在外侧;如果电流方向相反,电流主要集中中在外侧;如果电流方向相反,电流主要集中在内侧在内侧n圆环效应:交流电通过圆环或螺旋状导体时,圆环效应:交流电通过圆环或螺旋状导体时,因外侧自感反电动势较大,圆环内侧获得较大因外侧自感反电动势较大,圆环内侧获得较大电流密度电流密度n尖角效应:将零件放在交变磁场中时,尖角或尖角效应:将零件放在交变磁场中时,尖角或凸出部位通过的磁力线更多,感应电流也较大凸出部位通过的磁力线更多,感应电流也较大感应加热原
41、理n把钢件置于线圈内,当把钢件置于线圈内,当感应线圈中通过交变电感应线圈中通过交变电流时,在工件内产生涡流时,在工件内产生涡流。流。n由于集肤效应和临近效由于集肤效应和临近效应的联合作用,集中于应的联合作用,集中于表层的电流可使表层迅表层的电流可使表层迅速加热,在几秒钟内即速加热,在几秒钟内即可使温度上升可使温度上升800 1000。n随即喷水冷却,使工件随即喷水冷却,使工件表层淬硬。表层淬硬。硬度分布感应加热淬火的特点与应用感应加热淬火的特点与应用n硬度高:加热速度极快,从而使转变温度提高,达到细化晶粒的目的。由于晶粒细小,强化了组织。n氧化脱碳轻微,变形小n表面压应力,耐疲劳n如:机床主轴
42、、齿轮,可选45钢整体调质,然后轴颈、齿部进行表面淬火+低温回火处理。感应加热种类n感应加热淬火的淬硬层深度除与加热功率、加感应加热淬火的淬硬层深度除与加热功率、加热时间有关外,还取决于电流的频率。电流频热时间有关外,还取决于电流的频率。电流频率越高,集肤效应越明显,得到的淬硬层越浅。率越高,集肤效应越明显,得到的淬硬层越浅。根据电流频率的不同,感应加热可分为高频加根据电流频率的不同,感应加热可分为高频加热、超音频加热、中频加热和工频加热热、超音频加热、中频加热和工频加热 500/f1/2 式中:为电流透入的 深度,mm;f为电流频率,Hz感应加热表面淬火的分类感应加热表面淬火的分类n高频70
43、1000kHz,常用200300kHz,淬硬深度为0.52mm。中小模数齿轮、轴类零件等。n超音频2040kHz,(音频1.5kW/cm2n 例如短轴、小齿轮可以同时加热一次淬例如短轴、小齿轮可以同时加热一次淬火,火,而长轴、齿宽较大的中模数齿轮、而长轴、齿宽较大的中模数齿轮、特大齿轮一般用连续加热淬火特大齿轮一般用连续加热淬火n同时加热淬火的加热参数主要是设备输同时加热淬火的加热参数主要是设备输出功率(可以换算比功率)和加热时间出功率(可以换算比功率)和加热时间n连续加热淬火的工艺参数主要是设备输连续加热淬火的工艺参数主要是设备输出功率(可以换算比功率)、工件与感出功率(可以换算比功率)、工
44、件与感应器的相对速度(可以换算加热时间)应器的相对速度(可以换算加热时间)n在电源、感应器、工件等参数不变时,在电源、感应器、工件等参数不变时,加热温度,加热层深度取决于加热时间,加热温度,加热层深度取决于加热时间,可根据图表、经验或尝试确定可根据图表、经验或尝试确定淬硬层深度n淬硬层深度和硬度是检验感应加热表面淬硬层深度和硬度是检验感应加热表面淬火质量的主要指标淬火质量的主要指标n淬硬层的合理分布对于提高疲劳强度非淬硬层的合理分布对于提高疲劳强度非常重要,压应力常重要,压应力n一般,淬硬层深度是零件厚度的一般,淬硬层深度是零件厚度的1020时,可以获得最佳力学性能时,可以获得最佳力学性能n为
45、防止开裂,轴端应留为防止开裂,轴端应留28mm不淬,不淬,相邻两淬硬区保持相邻两淬硬区保持10mm以上距离以上距离淬火冷却n感应加热后,冷却方法有感应加热后,冷却方法有n喷射冷却:冷却介质经感应器或冷却器上小孔喷射出来,冷却工件n浸液冷却;同时加热后浸液冷却n埋油冷却:感应器和工件埋在冷却液中,停止加热时,自动冷却n常用介质:水,聚乙烯醇水溶液,机油常用介质:水,聚乙烯醇水溶液,机油回火n感应淬火后的工件应及时进行低温回火,感应淬火后的工件应及时进行低温回火,以消除应力,防止变形开裂;并稳定组以消除应力,防止变形开裂;并稳定组织,提高塑性韧性织,提高塑性韧性n回火方法主要有回火方法主要有n炉中
46、回火:空气,油介质n自回火:淬火不冷透,利用余热回火n感应加热回火:常见缺陷及原因n开裂、淬硬层深度和硬度不合适、表面开裂、淬硬层深度和硬度不合适、表面硬度不均、表面熔化硬度不均、表面熔化火焰加热表面淬火n用用氧氧-乙乙炔炔或或煤煤气气-氧氧等等混混合合气气体体燃燃烧烧的的高高温温火火焰焰(可可达达3000)直直接接加加热热工工件件表表面面,使使其其快速升温,随即喷水冷却。快速升温,随即喷水冷却。n调调节节烧烧嘴嘴到到工工件件表表面面的的距距离离和和移移动动速速度度,可可获获得得不不同同厚厚度度的的淬淬硬硬层层,淬淬硬硬层层厚厚度度一一般般为为26 mm。n工艺及设备简单、成本低等优点,但生产
47、率低、工艺及设备简单、成本低等优点,但生产率低、工件表面易过热、淬火质量不稳定。主要用于工件表面易过热、淬火质量不稳定。主要用于单件、小批量生产及大型零件的表面淬火。单件、小批量生产及大型零件的表面淬火。n火焰加热表面淬火设备主要包括气源,火焰加热表面淬火设备主要包括气源,焊枪,(仿形)喷嘴,(淬火机床)焊枪,(仿形)喷嘴,(淬火机床)n按照喷嘴与零件的相对运动情况,火焰按照喷嘴与零件的相对运动情况,火焰加热方法有加热方法有n固定法:喷嘴和工件没有相对运动;n旋转法:零件旋转n前进法:火焰喷嘴和冷却装置沿工件表面平移;n联合法:工件旋转,火焰平移火焰淬火注意事项n安全操作!安全操作!n表面检查:裂纹,氧化皮,气孔,砂眼,表面检查:裂纹,氧化皮,气孔,砂眼,脱炭层脱炭层n零件尽可能预热,尤其是铸钢、铸铁及零件尽可能预热,尤其是铸钢、铸铁及合金钢零件合金钢零件n必要时进行预处理,例如正火,调质必要时进行预处理,例如正火,调质n及时回火,防止开裂及时回火,防止开裂n谢谢大家的倾听!谢谢大家的倾听!n如果有疑问,如果有疑问,n询问其他老师询问其他老师n或致电或致电 13302006897
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