第六章 表面改性技术-表面热处理(高等教学)

前言
热处理的概念 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作
方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性 能的一种工艺。
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热处理的分类
普通热处理：退火、正火、淬火、回火
热处理
表面热处理
表面淬火：火焰加热、
感应加热、电接触加热、 激光加热、等离子体加热
化学热处理：渗碳、氮化、
渗V、渗B、渗Nb
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（2）感应加热频率的选用
感应电流集中层的厚度取决于电流频率，频 率越高，集中层越薄，即淬透层越薄，因此可通 过控制电流频率来控制淬硬层深度，非常方便。
高频加热： 100-500KHz，常用200-300KHz 中频加热： 500-10000Hz, 常用2500-8000Hz 工频加热： 50Hz
产率高。
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缺点： 设备投资大，只适用于外形简单的零件，
形状复杂的零件，感应器不易制造。
（5）表面淬火的预热处理 为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能，
表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。
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2 火焰加热表面淬火
用氧-乙炔、氧-煤气混合气体燃烧产生的火 焰，喷射在零件表面，使之快速升温，当温度达
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第二节 表面热处理
承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心 部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀 等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使 零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳 极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧 性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。
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一、表面淬火的概念
⑤ 等离子体加热表面淬火
工业上使用最多的是 ① ②
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1 感应加热表面淬火
通过使零件表面产生一定频率的感 应电流，将零件表面迅速加热到淬火温 度，然后迅速喷水冷却的一种表面淬火 方法。
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（1） 感应加热的原理
零件放在感应器（空心铜管绕成）中，感应 器中通以中频或高频交流电（500-300000Hz） 以产生交变磁场，于是零件表面就有感应产生同 频率的感应电流。
b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物
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二、钢的渗碳
1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。
2、渗碳目的：
提高钢表层的含碳量，经热处理后， 使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。
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3、渗碳钢材：
采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好）
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4电解液加热表面淬火
•
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第三节 化学热处理
表面淬火，钢材的合适含C量为0.4～0.5%。 由于表层性能与心部性能矛盾——“外硬内韧”， 只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”， 又兼顾了“内韧”，但“外硬”与“内韧”的水
平都不高。
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要解决这一问题，可以采用化学热处理的 方法。
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（4）感应加热表面淬火的特点
优点：
①加热速度极大，使珠光体转变为奥氏体的转变温 度升高，转变时间极短（不需保温），转变速度 极快。
②淬火后，可使零件表层获得极细的“隐晶马氏体”
组织，零件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高
2-3HRC），较低的脆性，较高的疲劳强度。 ③零件不易氧化、脱碳，且变形小。 ④零件淬硬层深度易于控制，操作易实现自动化，生
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（3）感应加热的方式
同时加热：将欲淬硬的工件表面同时感应加热到 奥氏体状态，然后冷却淬火。同时加热法生产效 率高，设备功率足够大时应尽量采用。
连续加热：采用感应器与工件作相对运动，使工 件表面逐次得到加热，随后逐次冷却淬火。连续 加热淬火后，硬化层分布均匀，感应器通用性大， 大多采用连续加热法。
3、化学热处理进行的必要条件
a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解
度，或具有与活性原子形成化合物的能力。
b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散
能力。
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4、化学热处理的基本过程
a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力； 同时介质在高温下分解，产生活性原子。
这种感应电流在零件表层电流密度很大，离 开表层则很快衰减，零件内部感应电流几乎为零 ━集肤效应，且频率越高，电流集中层越浅。
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由于零件本身存在电阻，因此集中于表层 的电流，可使零件表层迅速被加热，在几秒钟 内升温到 800-1000℃，而心部温度接近室温， 经迅速喷水淬火冷却，使零件表层淬硬，心部 仍保持较好的塑性、韧性。
到淬火温度时，迅速喷水冷却，从而获得表面淬
硬层的淬火方法。 火焰加热表面淬火的淬硬层一般为2～6mm，
若要获得更深的淬硬层，则会引起零件表面过热，
且易淬裂。
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优点：简单，不需特殊设备，操作灵活，尤适合 局部表面淬火。
缺点：生产效率低，淬火质量不稳定，表面易过
热。
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3盐炉加热表面淬火
•将工件放入温度较高的盐浴中进行加热，以较 快的速度，在较短时间内使其表面层温度超过高 的临界点，然后冷却淬火的工艺，称为盐浴加热 表面淬火。
•盐浴快速加热常用KCl+NaCl混合盐。盐浴的加 热速度要比高频感应加热和火焰加热缓慢得多， 所以淬硬层较深。并且由于常用浸液冷却，没有 喷射冷却强烈，故淬火工件的表面硬度较低。
表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立 即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层 的热处理方法。
表面淬火用钢的含碳量以 0.40%-0.50%为宜(中 碳钢)
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二、表面淬火的分类
源自文库
根据加热方式的不同，表面淬火可分为：
① 感应加热表面淬火
② 火焰加热表面淬火
③ 电接触加热表面淬火
④ 激光加热表面淬火
如：15、20、20Cr、20CrMnTi
4、渗碳工艺的分类
按所用渗碳介质的不同，分为：气体渗 碳、固体渗碳、液体渗碳、等离子体渗碳。
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5、气体渗碳
化学热处理与物理热处理最大的区别是前 者改变了钢的化学成分。
一、化学热处理及分类
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1、化学热处理
将零件置于一定介质中加热、保温，使介 质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的 化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的 特殊性能。
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2、分类
按渗入元素的不同，化学热处理分为：
渗碳、氮化、碳氮共渗、渗金属（钒、铌…）。