钢的表面热处理

第八章钢的表面热处理知识要点：表面热处理的目的、分类；常用的表面热处理工艺（感应加热表面淬火和渗碳）；了解表面热处理的典型零件。

一、表面热处理的目的1．提高零件的表面性能，具有高硬度、高耐磨和高的疲劳强度。

→保证高精度2．使零件心部具有足够高的塑性和韧性。

→防止脆性断裂。

“表硬心韧”二、表面热处理的分类及工艺特点主要有两大类：表面淬火和化学热处理。

（一）表面淬火1．工艺：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。

工艺特点：（1）不改变工件表面化学成分，只改变表面组织和性能；（2）表面与心部的成分一致，组织不同。

2．所用材料一般多用中碳钢、中碳合金钢，也有用工具钢、球墨铸铁等。

典型零件:如用40、45钢制作的机床齿轮齿面的强化、主轴轴颈处的硬化等。

3．常用表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火。

（1）感应加热表面淬火原理：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。

感应线圈→交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表层加热，快冷→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。

与表面热处理的不同之处是，化学热处理改变了工件表层的化学成分。

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。

其中渗碳是工业中最常用的，是齿轮、活塞销类零件加工中的一道重要工序。

（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Na 2CO3）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。

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+Fe 3C → 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，A C1+30-500C ；心部要求高的强韧性，A C3 稍上。

二次淬火：第一次，改变心部组织A C3＋30-500C ；第二次，细化表面组织A C1＋30-500C 。

时间／h 时间／h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。

注意：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。