钢的热处理及表面热处理

原理：通以一定频率交变电流的感应线圈，产生的交变磁场在工件内产生一定频率的感应电流（涡流），利用工件的电阻而将工件加热；由于感应电流的集肤效应，使工件表层被快速加热至奥氏体化，随后立即快速冷却，在工件表面获得一定深度的淬硬层。

工件淬硬层的深度与频率有关：

A. 0.2～2mm，高频感应加热（100—500KHz），适用于中小型齿轮、轴等零件； B．2～10mm，中频感应加热（0.5—10KHz），大中型齿轮、轴；

C．〉10—15mm，工频感应加热（50Hz），用于大型轴、轧辊等零件。

特点：淬火质量好，表层组织细密、硬度高、脆性小、疲劳强度高；生产频率高、便于自动化，但设备较贵，不适于单件和小批量生产。

应用：主要零件类型是轴类、齿轮类、工模具，最常见的有：

齿轮，如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿山机械等上的大模数齿轮。

轴类，如花键轴、汽车半轴和机床主轴轴颈、凸轮轴、镗杆、钻杆、轧辊、火车轮等。 工模具，如滚丝模、游标卡尺量爪面、剪刀刃、锉刀等。 （2）火焰加热表面淬火

利用气体燃烧的火焰加热工件表面（乙炔—氧、煤气—氧、天然气），使工件表层快速加热至奥氏体化，然后立即喷水冷却，使工件表面淬硬的一种淬火工艺。 淬硬层深度：2～8mm

特点及应用：操作简便，设备简单，成本低，但质量不稳定；适于单件、小批量生产。 典型零件：轧钢机齿轮、轧辊；矿山机械齿轮、轴；普通机床导轨、齿轮。

（3）激光加热表面淬火

激光加热表面淬火是利用激光对工件表面的照射和扫描，依靠工件的自激冷却而淬火。 激光是一种具有高亮度、方向性和单色性强、能量密度高的强光源。目前应用于热处理的大多是CO2气体激光器，提供的激光波长为10.6μm。

硬化层深度：1～2mm

特点及应用：加热和冷却极快，淬火后组织细小、硬度高、淬硬层薄、工件变形小、不需回火，生产效率高，属绿色制造，已成功应用于汽车和拖拉机的气缸和缸套、活塞环、凸轮轴、机床导轨等零件的表面处理，前景广阔，但设备昂贵，大规模应用受到限制。

4．表面淬火零件一般工艺路线

下料→锻造→退火或正火→机加工→调质处理→表面淬火→低温回火→精磨 预处理：正火或调质处理。目的是细化和均匀组织，使工件心部具有良好的强韧性。 后处理：表面淬火后再低温回火（200℃左右）。目的是消除淬火应力，工件表面保持高的硬度和耐磨性。

零件使用态组织（最终）：表层为回火M；心部为表面淬火前的组织 （二）钢的化学热处理

1．工艺：将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却，使介质中的某些元素渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧”的性能特点。

工艺特点：（1）既改变工件表面化学成分，又改变表面组织和性能；

（2）表面与心部的成分不同、组织不同。

2．目的：提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性。 3．化学热处理分类

根据渗入元素的不同来分，主要有渗碳、渗氮、多元渗、渗铝、渗铬等渗非金属和渗金属两大类。其中：

渗碳、渗氮、碳氮共渗可提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度； 渗硼 、渗铬是提高零件的耐磨性和耐腐蚀性； 渗铝、渗硅可使零件的耐热性和抗氧化性↑↑； 渗硫是为了零件的减摩，减小零件的摩擦系数。

（1）渗碳（重点讲）

渗碳是将工件放入渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子渗入，以提高工件表层碳含量的热处理工艺。

目的：通过提高工件表层含碳量，以提高工件的表面硬度和耐磨性，同时使心部保持一定的强度和良好的塑韧性。

常用的材料：低碳钢和低碳合金钢，20、25、20Cr、20CrMnTi（用于汽车齿轮）、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。

渗碳方法：根据渗碳剂的状态不同，渗碳方法可以分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种，常用的是气体渗碳法和固体渗碳法。

气体渗碳：常用煤油、苯、甲醇、丙酮、、醋酸乙酯、天然气、煤气等作为渗碳剂，在高温裂解后产生活性碳原子，被工件表面吸收、扩散，在工件内得到一定深度的渗碳层。

气体渗碳优点是生产率高，易控制，渗碳质量好。图示为低合金钢工件的气体渗碳工艺曲线。

在井式渗碳炉中进行。

固体渗碳：固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与15%～20%的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）的混合物。木炭提供渗碳所需要的活性炭原子，碳酸盐起催化作用。

将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至900℃～950℃，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。

时间／h 渗碳温度和渗碳时间：在奥氏体区，900～950℃，渗碳时间根据渗层厚度要求确定。一

般固体渗碳约5～12h，气体渗碳约3～8h。

渗层深度、成分和组织：一般渗碳层深度为0.5～2.5mm，表面层含碳量在0.85～1.0％范围内（过共析成分），心部仍为低碳，所以从表面到中心逐渐减少，钢件渗碳后采用缓冷。如20钢渗碳空冷后，由表面到心部的含碳量及组织为：

含碳量 表面1.0％———————→0.2％心部

组 织 P+Fe3C → P → P + F → F+少量P 过共析层 共析层 亚共析层 心部

渗碳后的热处理：钢件渗碳后缓慢冷却得到的组织接近平衡态，必须经过“淬火+低温回火”处理，才能达到性能要求。渗碳件的热处理方法有三种，如图所示。

直接淬火：奥氏体晶粒大，马氏体粗大，Ar多，耐磨性低，变形大。只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。

一次淬火：表面要求高的硬度和耐磨性，AC1+30-500C；心部要求高的强韧性，AC3 稍上。二次淬火：第一次，改变心部组织AC3＋30-500C；第二次，细化表面组织AC1＋30-500C。

渗碳件淬火后必须进行“低温回火”，消除淬火应力。

最终热处理后的组织：表层为回火马氏体＋细小碳化物＋少量Ar，硬度可达58～64HRC。心部组织由钢的淬透性和工件尺寸来定。若工件全部淬透，心部组织为回火板条马氏体；若未淬透，心部组织为（P+F＋板条M回）。

新进展：近年来，渗碳工艺的进展主要表现在两个方面：一是可控气氛渗碳工艺的发展，其方向是机械化、自动化及采用氧探头等更先进的碳势控制技术；二是渗碳工艺过程的强化，如高温渗碳、真空渗碳、高频渗碳、流态床渗碳等新工艺。

（2）渗氮（氮化）

渗氮工艺又叫氮化。是将工件放入含氮活性气氛中，使工件表层渗入氮元素，形成含N的硬化层的热处理工艺。其主要目的是提高工件表层含氮量，以提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和抗腐蚀性。

常用氮化方法有：气体渗氮（井式炉中进行）和离子氮化（真空炉中辉光放电）。 与气体氮化相比，离子氮化的特点是处理周期短，仅为气体氮化的1/3～1/4（例如38CrMoAl钢，氮化层深度若达到0.35～0.7mm，气体氮化一般需70小时，而离子氮化仅需15～20小时），零件的表面不易形成连续的白色脆性层。

渗氮用钢：一般是含有铬、钼、钨、钒、铝等元素的中碳合金钢、工模具钢等，这些元素可与N形成氮化物，起到弥散强化的作用。例专用渗氮钢38CrMoAlA、38CrWVA、25CrNi3MoAl等。

预处理：钢件在渗氮前，一般需经调质处理，得到均匀的回火索氏体组织，保证渗氮后的组织均匀。渗氮件的应力变形都很小，渗氮后不再进行热处理。

渗氮件的性能特点及应用：渗氮件的表面硬度比渗碳件的还高，耐磨性好；同时渗层处于压应力，疲劳强度大大提高；具有一定的抗蚀性，但脆性较大；渗氮件变形很小，通常无需再加工。适合于要求精度高、冲击载荷小、表面耐磨性好的零件，如一些精密机床的主轴和丝杠、精密齿轮、精密模具等都可用氮化工艺处理。

齿轮的表碳处理既可以采用感应加热表面淬炎，也可以采用化学热处理，如渗碳、渗氮等。经化学热处理的齿轮具有较高的整体强度和一定的韧性；齿面具有良好的耐磨性和接触疲劳强度；由于硬化层沿齿廓分布，残余应力分布合理，齿根具有较高的弯曲疲劳强度，因此对于汽车、拖拉机、飞机及其它动力机械的高负荷、高速度的重载齿轮，常采用渗碳或碳氮共渗处理。

热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。

讨论题；

1.对比S与回火S、T与回火T、M与回火M的组织状态、形成条件及性能有何不同？ 2．在共析钢TTT曲线中，分别画出获得珠光体、索氏体、托氏体+马氏体+残余奥氏体、珠光体+马氏体、下贝氏体、马氏体+残余奥氏体、马氏体+下贝氏体+残余奥氏体组织的冷却工艺曲线；并指出这些组织对应于哪种热处理工艺方法。