表面热处理及化学热处理
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缺点： 生产率低，易过热，质量难控制，不均匀。
应用： 适于单件、小批量及大型零件局部表面淬
火。
2020/10/10
16
3 激光表面热处理
wenku.baidu.com
冷水机组
数控加工 机床
激光器
总控制台
激光加工系统设备组成
2020/10/10
17
(1)定义：激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧升
温到相变点以上，激光移开后，高温薄层在基底冷却下， 进行自冷淬火，从而产生相变硬化。
表面热处理及化学热处理
2020/10/10
1
主要内容
1 表面热处理 2 化学热处理
2020/10/10
2
1 表面热处理
定义：仅对钢的表面加热、冷却而不 改变其成分的热处理工艺。
2020/10/10
3
1 表面淬火技术的原理和特点
一、表面淬火技术的定义与分类
（1）定义：采用特定热源将钢铁材料表面快速加 热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）之上， 快速冷却，发生马氏体相变，形成表面强化层的 工艺，称表面淬火技术。
2020/10/10
13
感应加热表面淬火实物及示意图
2020/10/10
14
2 火焰加热表面热处理
原理：将高温火焰或燃烧着的炽热气体 喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温 度，然后在淬火介质中冷却。
火焰加热表面淬火示意图
2020/10/10
15
燃料：乙炔-氧或煤气-氧
优点： 设备简单，成本低，方法灵活，简便易行。
(3)特点
① 过热度大 ② 细小隐晶M组织，高2～3HRC ③ 表层存在很大的残余压应力 ④ 无氧化、脱碳，工件变形很小 ⑤ 易于实现机械化与自动化
最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，称为隐
晶马氏体。
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缺点： ①设备较贵； ②易产生尖角效应——尖角棱边过热； ③形状复杂零件处理困难。
6. 快速加热，渗碳体难以充分溶解，奥氏体成分不 均匀，显微硬度不均匀；
7. 常需预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、 细小分布。
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7
三、表面淬火层的组织与性能
1、组织 沿试样横截面分三个区：淬硬区、过渡区、心
部 （1）淬硬区：全部马氏体 （2）过渡区：马氏体+自由铁素体 （3）心部：原始组织
W6Mo5Cr4V2、 W18Cr4V、 M42、W9Mo3Cr4V、R18、R6M5K5
不锈钢：2Cr13 铸铁：HT200、HT300、QT400-17、QT600-2 硬质合金：YG8、YG20 钛合金：TC4，铝合金：
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（4）激光相变硬化应用 火车缸套
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2 化学热处理
（1）定义：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，
使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变 钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。
渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝
（2）目的：
轧辊
24
激光相变硬化应用
2020/10/10
柴油机缸套
淬火
25
激光相变硬化应用 抽油泵筒
2020/10/10
26
激光硬化区的表面形貌
2020/10/10
27
激光硬化区的横截面及深度
2020/10/10
28
激光相变区的金相组织
2020/10/10
29
硬化层的重叠
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搭接区的金相组织
（2）分类：根据热源不同，可分为：
感应加热
火焰加热
激光加热
电子束加热
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（3）适用范围
1. 碳含量在0.35%—1.20%的中、高碳钢； 2. 基体相当于中碳钢的普通灰铁、球铁、可锻铸
铁、合金铸铁； 3. 中碳钢与球铁最适合。
2020/10/10
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中碳钢最适合表面淬火的原因
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2、表面淬火层的性能 硬度比普通淬火工艺高2-5HRC； 耐磨性比普通淬火好； 提高轴类零件的疲劳强度； 缺口敏感性下降。
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1 感应加热表面热处理
（1）原理：工件放在有 足够功律的输出的感应线 圈中，在高频交流磁场作 用下，产生很大感应电流， 由于集肤效应而集中分布 于工件表面，使受热区迅 速加热到钢的相变临界温 度之上，然后在冷却介质 中快速冷却，使工件表层 获得马氏体。
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（3）特点：
① 生产率高 ② 变形很小，局部表面 ③ 过热度大(50~200℃)，硬度高 ④ 无介质、无污染 ⑤ 不接触、光能照到就能淬火 ⑥ 易于自动化
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激光相变硬化已研究的材料
碳钢：20、35、40、45、T10、T12 合金结构钢：40Cr、30CrMnSiA、 40CrNiMoA、38CrNi3MoV 合金工具钢：GCr15、9SiCr，9CrWMn、CrWMn，4Cr5MoV1Si、 W302，
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（2）影响淬硬层的主要因素
材料成分：淬硬性和淬透性——深度、硬度。 如：钢—含碳量增加—马氏体含量增加—硬度高。
工艺参数： 淬火层宽度—光斑直径D 淬硬层深度——功率P、光斑直径D 、扫描速度V
表面预处理状态： a、表面组织准备—细化 b、表面黑化处理—通过对激光的吸收率
中碳钢经预先热处理（正火或调质）后进 行表面淬火，不但心部有较高综合力学性 能，且表面有较高硬度和耐磨性；
高碳钢表面淬火后，表面硬度和耐磨性虽 高，但心部塑性与韧性较低；
低碳钢表面强化效果不显著。
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二、表面淬火技术与常规淬火技 术的区别
1. 加热速度高，钢的相变点温度大幅度提高； 2. 快速加热，奥氏体晶粒及亚结构显著细化； 3. 加热速度很高时，钢产生无扩散奥氏体相变； 4. 冷却速度比整体淬火快，硬度比普通淬火高； 5. 热源能量密度越高，加热速度越快，硬度越高。
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钢中电流透入深度的计算简化公式：
碳钢： 500
f
式中，f为电流频率。 高频(200~300KHz),
δ=0.5~2mm 中频(2500~8000Hz),
δ=2~5mm
工频(50Hz), δ=10~15mm
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(2) 适用的钢种
中碳钢和中碳低合金钢，例：45、40Cr、40MnB 先正火或调质→心部综合性能好，表面硬（＞50HRC）
应用： 适于单件、小批量及大型零件局部表面淬
火。
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3 激光表面热处理
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冷水机组
数控加工 机床
激光器
总控制台
激光加工系统设备组成
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(1)定义：激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧升
温到相变点以上，激光移开后，高温薄层在基底冷却下， 进行自冷淬火，从而产生相变硬化。
表面热处理及化学热处理
2020/10/10
1
主要内容
1 表面热处理 2 化学热处理
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1 表面热处理
定义：仅对钢的表面加热、冷却而不 改变其成分的热处理工艺。
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1 表面淬火技术的原理和特点
一、表面淬火技术的定义与分类
（1）定义：采用特定热源将钢铁材料表面快速加 热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）之上， 快速冷却，发生马氏体相变，形成表面强化层的 工艺，称表面淬火技术。
2020/10/10
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感应加热表面淬火实物及示意图
2020/10/10
14
2 火焰加热表面热处理
原理：将高温火焰或燃烧着的炽热气体 喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温 度，然后在淬火介质中冷却。
火焰加热表面淬火示意图
2020/10/10
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燃料：乙炔-氧或煤气-氧
优点： 设备简单，成本低，方法灵活，简便易行。
(3)特点
① 过热度大 ② 细小隐晶M组织，高2～3HRC ③ 表层存在很大的残余压应力 ④ 无氧化、脱碳，工件变形很小 ⑤ 易于实现机械化与自动化
最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，称为隐
晶马氏体。
2020/10/10
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缺点： ①设备较贵； ②易产生尖角效应——尖角棱边过热； ③形状复杂零件处理困难。
6. 快速加热，渗碳体难以充分溶解，奥氏体成分不 均匀，显微硬度不均匀；
7. 常需预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、 细小分布。
2020/10/10
7
三、表面淬火层的组织与性能
1、组织 沿试样横截面分三个区：淬硬区、过渡区、心
部 （1）淬硬区：全部马氏体 （2）过渡区：马氏体+自由铁素体 （3）心部：原始组织
W6Mo5Cr4V2、 W18Cr4V、 M42、W9Mo3Cr4V、R18、R6M5K5
不锈钢：2Cr13 铸铁：HT200、HT300、QT400-17、QT600-2 硬质合金：YG8、YG20 钛合金：TC4，铝合金：
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（4）激光相变硬化应用 火车缸套
2020/10/10
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31
2 化学热处理
（1）定义：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，
使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变 钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。
渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝
（2）目的：
轧辊
24
激光相变硬化应用
2020/10/10
柴油机缸套
淬火
25
激光相变硬化应用 抽油泵筒
2020/10/10
26
激光硬化区的表面形貌
2020/10/10
27
激光硬化区的横截面及深度
2020/10/10
28
激光相变区的金相组织
2020/10/10
29
硬化层的重叠
2020/10/10
30
搭接区的金相组织
（2）分类：根据热源不同，可分为：
感应加热
火焰加热
激光加热
电子束加热
2020/10/10
4
（3）适用范围
1. 碳含量在0.35%—1.20%的中、高碳钢； 2. 基体相当于中碳钢的普通灰铁、球铁、可锻铸
铁、合金铸铁； 3. 中碳钢与球铁最适合。
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中碳钢最适合表面淬火的原因
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2、表面淬火层的性能 硬度比普通淬火工艺高2-5HRC； 耐磨性比普通淬火好； 提高轴类零件的疲劳强度； 缺口敏感性下降。
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1 感应加热表面热处理
（1）原理：工件放在有 足够功律的输出的感应线 圈中，在高频交流磁场作 用下，产生很大感应电流， 由于集肤效应而集中分布 于工件表面，使受热区迅 速加热到钢的相变临界温 度之上，然后在冷却介质 中快速冷却，使工件表层 获得马氏体。
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（3）特点：
① 生产率高 ② 变形很小，局部表面 ③ 过热度大(50~200℃)，硬度高 ④ 无介质、无污染 ⑤ 不接触、光能照到就能淬火 ⑥ 易于自动化
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激光相变硬化已研究的材料
碳钢：20、35、40、45、T10、T12 合金结构钢：40Cr、30CrMnSiA、 40CrNiMoA、38CrNi3MoV 合金工具钢：GCr15、9SiCr，9CrWMn、CrWMn，4Cr5MoV1Si、 W302，
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（2）影响淬硬层的主要因素
材料成分：淬硬性和淬透性——深度、硬度。 如：钢—含碳量增加—马氏体含量增加—硬度高。
工艺参数： 淬火层宽度—光斑直径D 淬硬层深度——功率P、光斑直径D 、扫描速度V
表面预处理状态： a、表面组织准备—细化 b、表面黑化处理—通过对激光的吸收率
中碳钢经预先热处理（正火或调质）后进 行表面淬火，不但心部有较高综合力学性 能，且表面有较高硬度和耐磨性；
高碳钢表面淬火后，表面硬度和耐磨性虽 高，但心部塑性与韧性较低；
低碳钢表面强化效果不显著。
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二、表面淬火技术与常规淬火技 术的区别
1. 加热速度高，钢的相变点温度大幅度提高； 2. 快速加热，奥氏体晶粒及亚结构显著细化； 3. 加热速度很高时，钢产生无扩散奥氏体相变； 4. 冷却速度比整体淬火快，硬度比普通淬火高； 5. 热源能量密度越高，加热速度越快，硬度越高。
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钢中电流透入深度的计算简化公式：
碳钢： 500
f
式中，f为电流频率。 高频(200~300KHz),
δ=0.5~2mm 中频(2500~8000Hz),
δ=2~5mm
工频(50Hz), δ=10~15mm
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(2) 适用的钢种
中碳钢和中碳低合金钢，例：45、40Cr、40MnB 先正火或调质→心部综合性能好，表面硬（＞50HRC）