钢的热处理10新表面化学小分析.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 钢铁热处理,5-7,钢的表面淬火,表面淬火,不改变表层化学成分，只改变表层,组织结构。即：利用快速加热将,表层,A,化后进行淬火。,目 的,提高表面强、硬度，耐磨性及疲劳,极限，保持心部良好的塑韧性。,一、感应加热表面淬火,1,原理,:,交变磁场,感应电流,工件电阻,加热，集肤效应,表面加热,快速冷却,感应淬火频率的选用,电流频率越高，感应电流透入深度越浅，加热层也越薄。因此，通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度。根据零件表面有效淬硬层深度选择合适的频率，分,高频、中频和工频。,感应加热的工艺参数,根据组织性能的要求，需控制其,加热温度、加热速度和淬硬层深度,，而这三个热参数有需通过控制设备的,电参数（电流频率、单位表面功率）和加热时间,来保证。,2,分类,高频、,中频,、,工频,等,。,感应加热分为：,高频感应加热,频率为,250-300KHz,，淬硬层深度,0.5-2mm,传动轴连续淬火感应器,感应加热表面淬火齿轮的截面图,中频感应加热,频率为,2500-8000Hz,，淬硬层深度,2-10mm,。,各种感应器,中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴,工频感应加热,频率为,50Hz,淬硬层深度,10-15 mm,各种感应器,感应穿透加热,3,特 点,加热速度快：几秒几十秒。,加热时实际晶粒度小，淬火得到极细马氏体，,硬度脆性,加热层深度易控制，可实现自动化批量生产。,不易氧化、脱碳、变形小。,工艺易控制，但设备成本高。,汽车曲轴,4,工艺路线,（,用,料,0.4-0.5%,c,的中碳钢、中碳低合金钢,如,：,45,、,40Cr,等,）,锻造 退火 或 正火 粗加工,调质 精加工 表面淬火,低温回火（粗磨 时效 精磨）,感应加热表面淬火对工件的原始组织有一定的要求。一般铸铁件的组织应是珠光体基体和细小均匀分布的石墨；钢件应预先进行正火或调质处理。,二、火焰加热,火焰加热淬火是利用氧,乙炔或煤气,氧等）火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却。淬硬层深度一般为,2,6mm,。,火焰淬火特点,优点：操作简便，设备简单，成本低，灵活性大；,缺点：加热温度不易控制，工件表面易过热，,淬火质量不稳定。,火焰淬火适用范围,单件、小批生产以及大型零件（如大模数齿轮、大型,轴类等）的表面淬火。,火焰加热,:,利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。,成本低，但质量不易控制。,激光热处理,:,利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。,效率高，质量好。,火焰加热表面淬火示意图,激光表面热处理,火焰加热表面淬火,激光表面淬火,利用,高能量密度,（,10,4,10,8,W/cm,2,）的激光对工件表面进行加热的方法。激光加热时，因其过程极短，无需考虑大气介质的影响，没有氧化脱碳现象，淬火表面光亮洁净；又由于加热层是靠自急冷淬火，无需特殊的冷却设备；加热快、区域小，因而工件的变形极小。,激光加热导光系统原理示意图,1.,工艺参数：光斑尺寸、扫描速度、激光功率等。,2.,激光淬火,淬硬深度,0.3,0.5mm,，,硬度比普通淬火硬度高,15%,20%,。,3.,激光淬火后，表面具有,4000MPa,的残余压应力，有利于疲劳,强度提高。,4.,激光淬火精确的局部加热，可以解决工件拐角、沟槽、盲孔、,深孔内壁等其他热处理方法很难解决的强化问题。,5.,激光淬火前，需对淬火表面进行黑化处理，即在被加热的表,面涂一层吸光涂层，以提高激光的吸收率。,6.,已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。,激光表面淬火的特点：,5-8,钢的化学热处理,化学热处理,将工件置于特定的介质中加热和保温，,使介质中的活性原子渗入工件表层，,从而通过改变表层的化学成分和组织,来改变其性能。,分类,渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、,渗铬、渗铝等。,一、钢的渗碳,（包括：气体、固体渗碳）,渗碳,低碳钢在高碳介质中加热、保温，以获得高碳表层的热处理工艺。,目的,提高表面硬度，耐磨性，心部保持一定的强度和良好的塑韧性。如齿轮、轴类、链条、套筒、活塞销。,1,渗碳工艺,钢 种,0.1-0.25%c,的低,碳钢,和低碳合金钢。,如：,15,、,20,、,20Cr,、,20CrMnTi,、,20CrMnMo,、,18CrMnTi,。,加热温度,Ac,3,以上，一般为,900,950,。,加热时间,根据所需渗层厚度决定。,（,一般经现场试验测定,）,渗层厚度（,D,p,）：轴类：,D,p=,(0.1,0.2)R,齿轮：,D,p=,(0.1,0.2)m,薄片：,D,p=,(0.1,0.2)t,(R,、,m,、,t,分别代表轴半径、齿轮模数、零件厚度）,常用钢号及用途,低淬透性钢：,20,、,20Cr,。,用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等,。,柴油机凸轮轴,20Cr,活塞销,中淬透性钢：,20CrMnTi,用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。,高淬透性钢：,18Cr2Ni4WA,用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,增压柴油机曲轴,汽车变速箱齿轮,固体渗碳法示意图,零件,渗碳剂,试棒,盖,泥封,渗碳箱,2.,渗碳方法,：,固体渗碳、液体渗碳,、,气体渗碳,。,气体渗碳法示意图,可控气氛渗碳炉,渗碳炉,3.,渗碳件的技术条件,：,渗碳层的表面含碳量最好在,0.85-1.05%c,含碳量太低：得不到高碳马氏体，硬度低、,耐磨性差。,含碳量太高：渗碳层会出现大量块状或网状,渗碳体，渗层变脆，易剥落。,4,渗碳后的淬火,直接淬火,奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余,A,多，耐磨性低，变形大。,(,如：图,a,、图,b),只适用于细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。,一次淬火,加热温度,Ac,3,以上（心部性能好）,或,Ac,1,以上（表面性能好）,二次淬火,Ac,3,以上（改善心部性能）,+Ac,1,以上,（改善表面性能）,5.,渗碳的特点,生产效率高、质量易,控制、可实现生产自,动化。工业生产应用,极为广泛。,6,加工工艺路线,锻造 正火 切削加工 渗碳,淬火 低温回火 精磨。,经渗碳的机车从动齿轮,7.,渗碳后的组织,外层过共析层、中间共析层、心部是原始组织。,渗碳层深度确定：从表面到含碳量为,0.4%c,处。测定,时按,50%F+50%P,量时确定。,退火态：,20,钢渗碳缓冷组织,(,化染,)580,表层珠光体,+,网状渗碳体,;,中层珠光体,;,内层铁素体,+,珠光体,20CrMnTi,钢渗碳层组织,(,化染,)320,渗碳体,(,白色块状,)+,高碳,M(,兰色针状,)+,残余,A(,棕黄色,),8.,渗碳热处理后的常见缺陷,渗碳件的质量检查项目,渗碳钢原材料检查、渗层质量检查（渗层深度、渗层碳浓度、碳化物、残余奥氏体及马氏体级别等,),、渗碳件心部铁素体级别的评定、渗层和心部硬度的检查、渗碳件变形量的检查。,渗碳件的常见缺陷,渗层厚度不合要求（太浅或太厚、渗层薄厚不均、过共析与共析层厚度过大或过小）、渗层组织不合要求（碳化物过多呈大块状或网状分布、残余奥氏体量过多、内氧化、脱碳、表层出现铁素体）、硬度超差（表层硬度偏低或不均、心部硬度偏低或偏高）、变形过量。,心部组织,真空渗碳法,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。,优点：,表面质量好,渗碳速度快。,真空渗碳炉,越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。,长,55.7,厘米，剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。,二、氮化,工件表面渗入氮原子，以提高硬度、耐磨性，,疲劳强度和耐蚀性。,特点,：,1.,表面硬度高（可达,1000,2000 Hv,即,69HRC,以上）,2.,高的热硬性（在,550,600,时仍保持很高的硬度）,3.,氮化温度低、工件变形极小。,4.,氮化前调质处理、保证心部的强度。氮化后无须淬火,5.,工艺时间长且渗层薄（一般为,0.3,0.5mm,）。,氮化的特点及应用,氮化件表面硬度高（,HV1000-2000,），耐磨性高。,疲劳强度高。,由于表面存在压应力。,氮化层组织,38CrMoAl,氮化层硬度,工件变形小。,原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。,耐蚀性好。,因为表层形成的氮化物化学稳定性高。,氮化的缺点：,工艺复杂，成本高，氮化层薄。,用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,缝纫机用氮化件,经离子氮化的机车曲轴,材料,：,含,Cr,、,Mo,、,Al,等合金元素,的中碳合金钢。,常用：,38CrMoAlA,应用,：,广泛用于高速传动的精密齿轮；,高精度机床主轴；以及要求变,形小且具有抗蚀能力的零件：阀门。,井式气体氮化炉,38 CrMoAl,气体渗氮层组织,(,化染,)650,黄色区,:,(Fe,2,-,3,N)+(Fe,4,N),;,红色区,:,(Fe,4,N),;,蓝绿色区,:,含氮索氏体,+,脉状氮化物,;,绿黄色区,:,索氏体基体,。,38CrMoAl,氮化层,38CrMoAl,氮化层硬度,氮化件加工工艺：,锻造 退火 粗加工 调质处理 半精加工,去应力退火 粗磨 氮化 精磨。,目前现代工业生产中较多采用离子氮化（即在一定真空度下，,用工件和阳极之间产生的辉光放电现象进行的。所以也称为,辉光,”,离子氮化,）。,其,特点,：渗氮速度快、生产周期短，,38CrMoAlA,为例：渗层要,求,0.5mm,，气体渗氮,50h,以上，离子氮化,15,20h,；,对材料的适应性强：渗碳用钢、合金钢、铸铁都可以。,气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。,离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。,离子氮化炉,渗碳与渗氮的工艺特点,处理后是否需要热处理,处理时间,(h),处理温度,(),名称,需要,3,9,900,950,渗碳,不需要,20,50,500,600,渗氮,三,.,碳氮共渗,同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学,热处理工艺，也称为氰化。,中温气体碳氮共渗,：,（渗碳为主）,常用温度：,820,860,时 间：根据要求,2,8h,渗 层：,0.3,0.8 mm,材 料,：,低碳、中碳钢和中碳合金钢。,应用：,用于提高结构件（如：齿轮、蜗轮、蜗杆、轴类件）,的硬度、耐磨性和抗疲劳性。,低温气体碳氮共渗,：（即：软氮化）,（渗氮为主）,常用温度：,560,570,时 间：,2,3h,渗 层：,0.01,0.02 mm,材料,：不限制钢种：碳钢、合金钢、工具钢、不锈钢、铸铁,应用：,目前,软氮化由于,渗层脆性小，不易剥落，已广泛应用,于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等,耐磨件的处理。但由于渗层较薄，仅有,0.010.02mm,，,不宜用于重载工作的工件。,在气体介质中对工件同时渗入氮和碳，并以,渗氮为主,的化学热处理工艺称为气体氮碳共渗。,与渗氮相比，渗层硬度较低，脆性较小，故称软氮化。,氮碳共渗温度,530,570,，应比回火温度低,5,10,，或与之相同。,渗剂：通氨滴醇、尿素分解等。,井式渗碳炉,三、三束表面改性技术,三束表面改性技术,是指将,激光束,、,电子束,和,离子束,(,合称“三束”,),等具有高能量密度的能源,(,一般大于,10,3,W/cm,2,),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。,激光束加工,电子束加工,等离子束加工,5-9,热处理与机械零件设计制造的关系,一、热处理对零件结构形状的要求,1.,避免尖角、棱角,2.,避免零件截面尺寸相差悬殊,3.,采用对称、封闭结构,4.,采用组合结构,二、热处理对切削加工工艺的要求,1.,合理安排冷热加工工序,2.,预留加工余量,3.,减小加工表面粗糙度,三、热处理技术条件的标注,在设计淬火零件的结构、形状及尺寸时，应掌握以下原则,在零件设计过程中，要在尖角、棱角地方倒角。因为尖角、棱角部分是淬火时应力最为集中地方，往往成为淬火裂纹的起点。,避免工件尖角,设计时要避免厚薄悬殊，使淬火后薄处变形直径增大。设计时还要考虑零件对称，零件形状不对称，淬火后零件椭园度变大，为此开一个工艺孔可减少椭园度。,零件存在危险截面应加厚薄壁,开工艺孔避免淬火变形、开裂,本章重点,1.,奥氏体晶粒长大的影响因素及控制方法。,2.,奥氏体等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态、性能间的关系。,3.,奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。,4.,四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。,