机械工程材料成型及工艺
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分类：表面淬火和化学热处理； 应用范围：主要是某些在冲击载荷、交变载荷
及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮 轴、齿轮等； 工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学 性能。
表面淬火
1. 定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变 表层组织的局部热处理工艺，即通过快速加热 使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马 氏体组织,而心部仍保持不变。 2. 目的:获得高硬度的表面层，以提高工件的 耐磨性和疲劳强度。
加热时出现的缺陷：欠热（退火和正火矫正）、 过热（不严重的可以用退火和正火矫正）、过 烧、氧化和脱碳（盐浴中加热或保护气氛或真 空加热或表面涂层)。
在冷却（淬火）时出现的缺陷：淬火变形、淬 火裂纹。防止办法：正确选材、合理进行零件 的结构设计、选择或制定合理的淬火工艺。
小结
重点要求
钢的表面热处理的分类；表面淬火的概念、 目的；常见热处理缺陷。
淬 火
加热
温度
7) 渗碳后的热处理工艺
930℃ 850℃
渗碳
方案1
方案2
时间
7) 渗碳后的热处理工艺
8) 热处理后的组织
钢种
表层组织
低碳钢
低碳 合金钢
M回+Fe3C+A残 M回+Cm+A残
心部组织 F+P
低碳M回+F
9)常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、
20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。
3.表面淬火用钢:
选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、 40MnB等。
4.表面淬火加热的方法:
感应加热( 高、中、工频 )、火焰加热、 激光加热等。
感应加热表面淬火
1)感应加热的基本原理: * 感应电流 --- 涡流 * 集肤效应 *淬火层深度(δ)与电流频率( f )的关系:
δ = 500 / √ f （mm）
火焰加热表面淬火
1) 火焰加热表面淬火的基本方法
2）火焰加热表面淬火的特点:
* 设备简单, 操作方便, 成本低； * 淬火质量不稳定； * 适于单件、小批量及大型零件的生产。
二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )
一)定义:将零件置于一定的化学介质中 , 通过加热、保温,使介质中一种或几种元素 原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成 分和组织的热处理工艺。
5)工艺:加热温度500～600℃; 保温时间0.3～0.5mm/20～50h。
6)热处理特点: 渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。
7)渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。
8)常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA 等。
固体渗碳法示意图
泥封
盖
渗碳箱
试棒
零件 渗碳剂
气体渗碳法示意图
5)工艺: 加热温度为900～950℃; 渗碳时间一般为3～9小时;
6)渗碳后的组织:
表面
中心
零件
1%C P+Fe3CⅡ
P P+F
0.2%C F + P少
20钢渗碳缓冷组织 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体
低温
4)工艺:
名称
温度(℃) 时间(h)
作用 渗层 热处理 性能 材料
低温气体碳氮 共渗
500～600 1～6
以渗氮为主 0.1～0.4mm
不需要 HRC54～63 合金工具钢
中温气体碳氮共渗
800～860 1～8
以渗碳为主 0.5～0.8mm 淬火+低温回火 HRC53～60 合金结构钢
二、常见热处理缺陷及其防止
感应加热表面淬火示意图 集肤效应示意图
2)工艺要求:
* 表面淬火前,必须对零件进行正火或调质 处理,以保证零件有良好的基体。
* 表面淬火后,必须对零件进行低ห้องสมุดไป่ตู้回火处 理,以降低淬火应力和脆性。
3)生产特点:
淬火件的质量好; 工件变形小;不易氧化及 脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大, 不适于复杂形状零件和小批量生产。
2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物。
四) 化学热处理的种类:
渗碳; 渗氮; 碳氮共渗; 渗硼; 渗铝; 渗 硫; 渗铬等。
1.钢的渗碳 ( Carburize of steel )
1)定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。 2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。 3)用钢: 低碳钢和低碳合金钢。 4)方法: 固体、气体、液体渗碳。
二) 化学热处理的基本过程:
1.分解: 化学介质在高温下释放出待渗的
活性原子。
2CO
CO2 +〔C〕
2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶解。
3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一定的扩散层。
三) 化学热处理进行的条件:
1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而 且具有较大的扩散能力。
重点回顾
钢淬火和回火的概念、目的和一般 应用；淬火温度的选择理由；淬透性和 淬硬性的区别，影响淬透性和淬硬性的 因素，回火的分类和一般应用；回火脆 性的概念和分类和防止。
本次课的内容
钢的表面热处理 常见热处理缺陷及防止 小结
一、钢的表面热处理
概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组 织和性能的工艺；
38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 )
650
黄色区 : ε ( Fe2-3N ) + γ’ ( Fe4N ) ; 红色区 : γ’ ( Fe4N ) ;
蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。
渗碳与渗氮的工艺特点
名称
渗碳 渗氮
处理温度 (℃)
900～950
500～600
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 )
2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel )
1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。 2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。 3)用钢: 中碳合金钢。 4)方法:气体渗氮。
处理时 处理后是否需 间 ( h ) 要热处理
3～9 20～50
需要 不需要
3.钢的碳氮共渗---氰化处理 ( Carbonitriding of steel )
1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过 程。
2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。
固体碳氮共渗
高温
3)方法: 气体碳氮共渗
中温
液体碳氮共渗
及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮 轴、齿轮等； 工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学 性能。
表面淬火
1. 定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变 表层组织的局部热处理工艺，即通过快速加热 使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马 氏体组织,而心部仍保持不变。 2. 目的:获得高硬度的表面层，以提高工件的 耐磨性和疲劳强度。
加热时出现的缺陷：欠热（退火和正火矫正）、 过热（不严重的可以用退火和正火矫正）、过 烧、氧化和脱碳（盐浴中加热或保护气氛或真 空加热或表面涂层)。
在冷却（淬火）时出现的缺陷：淬火变形、淬 火裂纹。防止办法：正确选材、合理进行零件 的结构设计、选择或制定合理的淬火工艺。
小结
重点要求
钢的表面热处理的分类；表面淬火的概念、 目的；常见热处理缺陷。
淬 火
加热
温度
7) 渗碳后的热处理工艺
930℃ 850℃
渗碳
方案1
方案2
时间
7) 渗碳后的热处理工艺
8) 热处理后的组织
钢种
表层组织
低碳钢
低碳 合金钢
M回+Fe3C+A残 M回+Cm+A残
心部组织 F+P
低碳M回+F
9)常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、
20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。
3.表面淬火用钢:
选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、 40MnB等。
4.表面淬火加热的方法:
感应加热( 高、中、工频 )、火焰加热、 激光加热等。
感应加热表面淬火
1)感应加热的基本原理: * 感应电流 --- 涡流 * 集肤效应 *淬火层深度(δ)与电流频率( f )的关系:
δ = 500 / √ f （mm）
火焰加热表面淬火
1) 火焰加热表面淬火的基本方法
2）火焰加热表面淬火的特点:
* 设备简单, 操作方便, 成本低； * 淬火质量不稳定； * 适于单件、小批量及大型零件的生产。
二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )
一)定义:将零件置于一定的化学介质中 , 通过加热、保温,使介质中一种或几种元素 原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成 分和组织的热处理工艺。
5)工艺:加热温度500～600℃; 保温时间0.3～0.5mm/20～50h。
6)热处理特点: 渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。
7)渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。
8)常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA 等。
固体渗碳法示意图
泥封
盖
渗碳箱
试棒
零件 渗碳剂
气体渗碳法示意图
5)工艺: 加热温度为900～950℃; 渗碳时间一般为3～9小时;
6)渗碳后的组织:
表面
中心
零件
1%C P+Fe3CⅡ
P P+F
0.2%C F + P少
20钢渗碳缓冷组织 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体
低温
4)工艺:
名称
温度(℃) 时间(h)
作用 渗层 热处理 性能 材料
低温气体碳氮 共渗
500～600 1～6
以渗氮为主 0.1～0.4mm
不需要 HRC54～63 合金工具钢
中温气体碳氮共渗
800～860 1～8
以渗碳为主 0.5～0.8mm 淬火+低温回火 HRC53～60 合金结构钢
二、常见热处理缺陷及其防止
感应加热表面淬火示意图 集肤效应示意图
2)工艺要求:
* 表面淬火前,必须对零件进行正火或调质 处理,以保证零件有良好的基体。
* 表面淬火后,必须对零件进行低ห้องสมุดไป่ตู้回火处 理,以降低淬火应力和脆性。
3)生产特点:
淬火件的质量好; 工件变形小;不易氧化及 脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大, 不适于复杂形状零件和小批量生产。
2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物。
四) 化学热处理的种类:
渗碳; 渗氮; 碳氮共渗; 渗硼; 渗铝; 渗 硫; 渗铬等。
1.钢的渗碳 ( Carburize of steel )
1)定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。 2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。 3)用钢: 低碳钢和低碳合金钢。 4)方法: 固体、气体、液体渗碳。
二) 化学热处理的基本过程:
1.分解: 化学介质在高温下释放出待渗的
活性原子。
2CO
CO2 +〔C〕
2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶解。
3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一定的扩散层。
三) 化学热处理进行的条件:
1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而 且具有较大的扩散能力。
重点回顾
钢淬火和回火的概念、目的和一般 应用；淬火温度的选择理由；淬透性和 淬硬性的区别，影响淬透性和淬硬性的 因素，回火的分类和一般应用；回火脆 性的概念和分类和防止。
本次课的内容
钢的表面热处理 常见热处理缺陷及防止 小结
一、钢的表面热处理
概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组 织和性能的工艺；
38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 )
650
黄色区 : ε ( Fe2-3N ) + γ’ ( Fe4N ) ; 红色区 : γ’ ( Fe4N ) ;
蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。
渗碳与渗氮的工艺特点
名称
渗碳 渗氮
处理温度 (℃)
900～950
500～600
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 )
2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel )
1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。 2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。 3)用钢: 中碳合金钢。 4)方法:气体渗氮。
处理时 处理后是否需 间 ( h ) 要热处理
3～9 20～50
需要 不需要
3.钢的碳氮共渗---氰化处理 ( Carbonitriding of steel )
1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过 程。
2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。
固体碳氮共渗
高温
3)方法: 气体碳氮共渗
中温
液体碳氮共渗