第五节 其它热处理方法简介

第五节其它热处理方法简介

钢的表面热处理有两大类：一类是表面加热淬火热处理，通过对零件表面快速加热及快速冷却使零件表层获得马氏体组织，从而增强零件的表层硬度，提高其抗磨损性能。另一类是化学热处理，通过改变零件表层的化学成分，从而改变表层的组织，使其表层的机械性能发生变化。

一、表面淬火

仅对钢的表面加热、冷却而不改变成分的热处理淬火工艺称为表面淬火。按加热方式可分为感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等。最常用的是前两种。

1．感应加热表面淬火

（1）感应加热的基本原理

感应线圈通以交流电时，就会在它的内部和周围产生与交流频率相同的交变磁场。若把工件置于感应磁场中，则其内部将产生感应电流并由于电阻的作用被加热。感应电流在工件表层密度最大，而心部几乎为零，这种现象称为集肤效应。电流透入工件表层的深度主要与电流频率有关。如下式所示：

可以看出，电流频率越高，感应电流透入深度越浅，加热层也越薄。因此，通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度。图6-19表示工件与感应器的位置及工件截面上电流密度的分布。加热器通入电流，工件表面在几秒钟之内迅速加热到远高于Ac3以上的温度，接着迅速冷却工件（例如向加热了的工件喷水冷却）表面，在零件表面获得一定深度的硬化层。

（2）感应加热表面淬火的分类

根据电流频率的不同，可将感应加热表面淬火分为三类：

第一类是高频感应加热淬火，常用电流频率范围为200～300千赫兹，一般淬硬层深度为0.5～2.0mm。适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴

类零件等。

第二类是中频感应加热淬火，常用电流频率范围为2500～800赫兹，一般淬硬层深度为2～10mm。适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。第三类是工频感应加热淬火，电流频率为50赫兹，不需要变频设备，淬硬层深度可达10～15mm。适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零

件如轧辊、火车车轮等的表面淬火。

（3）感应加热适用的材料

表面淬火一般适用于中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB等。这些钢经预先热处理（正火或调质处理）后再表面淬火，心部有较高的综合机械性能，表面也有较高的硬度和耐磨性。另外，铸铁也是适合于表面淬火的材料。

（4）感应加热表面淬火的特点

与普通淬火相比，感应加热表面淬火具有以下主要特点：

一是加热温度高，升温快。这是由于感应加热速度很快，因而过热度大。

二是工件表层易得到细小的隐晶马氏体，因而硬度比普通淬火提高2～3HRC，且脆性较低。

三是工件表层存在残余压应力，因而疲劳强度较高。

四是工件表面质量好。这是由于加热速度快，没有保温时间，工件不易氧化和脱碳，且由于内部未被加热，淬火变形小。

五是生产效率高，便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。

2．火焰加热表面淬火

火焰加热淬火是用乙炔—氧或煤气—氧等火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却，以获得表面硬化效果的淬火方法（见图6-20）。火焰加热温度很高（约3000℃以上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层

图6-20 火焰加热表面淬火示意图

3．其它类型的表面淬火

（1）电接触加热表面淬火

利用触头和工件间的接触电阻在通以大电流时产生的电阻热，将工件表面迅速加热到淬火温度，当电极移开，借工件本身来加热部分的热传导来淬火冷却的热处理工艺称为电接触加热表面淬火。

（2）激光热处理

激光热处理开始于七十年代，它是将激光器发射出的激光对准处理工件进行扫描加热，一般加热以后空气中冷二

二、化学热处理

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。常用的化学热处理有渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮化）等。还有渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。发兰、磷化可以归为表面处理，不属于化学热处理。化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。

目前生产中最常用的化学热处理工艺是渗碳、氮化和氰化，下面分别讨论如下。

1．渗碳

渗碳就是将低碳钢放入高碳介质中加热、保温，以获得高碳表层的化学热处理工艺。渗碳的主要目的是提高零件表层的含碳量，以便大大提高表层硬度，增强零件的抗磨损能力，同时保持心部的良好韧性。与表面淬火相比，渗碳主要用于那些对表面有较高耐磨性要求，并承受较大冲击载荷的零件。

渗碳用钢为低碳钢及低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。含碳量提高，将降低工件心部的韧性。

（1）渗碳方法

根据使用时渗碳剂的不同状态，渗碳方法可以分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种，常用的是前两种，尤其是气体渗碳。

a）气体渗碳是将工件置于密封的气体渗碳炉内，加热到900℃以上（一般900℃~950℃），使钢奥氏体化，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇、醋酸乙酯等），或直接通入渗碳气氛通过在钢的表面上发生反应，形成活性碳原子。反应如下：

b）固体渗碳是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。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，反应如下：

（2）渗碳工艺及组织

渗碳处理的工艺参数是渗碳温度和渗碳时间。

由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度必须高于Ac3温度。加热温度越高，则渗碳速度越快，渗碳层越厚，生产率也越高。但为了避免奥氏体晶粒过分长大，所以渗碳温度不能太高，通常为900℃～950℃。在温度一定的情况下，渗碳时间取决于渗碳层的厚度。表6-4是不同渗碳温度下，不同渗碳时间的渗层厚度。

（3）渗碳后的热处理

渗碳工艺的加热温度高，时间较长，还需淬火才能达到硬度要求，所以钢渗碳以后必须进行热处理才能达到预期目的。如汽车、机车、矿山机械、起重机械等用的大量传动齿轮都采用渗碳热处理工艺提高其耐磨损性能。渗碳件的热处理方法有三种，如图6-21所示。

2．渗氮（氮化）