钢的表面热处理

————————————教学过程———————————— 回顾上节内容：

上次课钢的整体热处理讲了钢在加热、保温、冷却过程中其组织、结构的变化，进而影响钢的性能，冷却方式是热处理的关键，四种热处理的目的、工艺各有不同，集中在加热的温度和冷却方式两方面。

导入新课：

在扭转、弯曲等交变负荷、冲击载荷作用下的机械零件，它的表面层承受着比心部更高的应力，加上摩擦，因此对零件的表面层提出了强化的要求，要求具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。而心部仍有足够的塑性和韧性。

新课

2.2.3 钢的表面处理（或表面热处理）

表面处理是做什么的？

哪些零件需要做表面处理？

钢的表面处理方法包括：

表面淬火——只改变组织结构不改变化学成分

化学热处理——既改变组织结构又改变化学成分

一、表面淬火

•工艺（概念）：对零件进行快速加热，在表面层迅速达到淬火温度，而心部

未被加热的情况下立即淬火冷却，使表面层得到高硬度的马氏体，而心部仍保持原来较好的韧性和塑性。

•特点：快速加热，立即冷却

•适用于中碳钢（0.25~0.60%）

•分类：

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：分“高频，中频、工频”三种。

（2）火焰加热表面淬火

（一）感应加热表面淬火：

•原理：

线圈通以交流电→产生交变磁场→工件产

生感应电流；

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）；

工件表面由于存在电阻而被迅速加热，几

秒钟之内迅速加热到远高于Ac3以上的淬火温

度；

迅速喷水冷却工件，在零件表面获得一定

深度的硬化层（淬硬马氏体）；心部保持低温，

仍为原始组织。

•电流频率越高，感应电流透入深度越浅，加热

层也越薄。→→→通过改变电流频率可以得到不同的淬硬层深度。

•感应加热的种类及应用

•特点：

1 加热温度高，升温快。这是电感应加热的特点。

2 工件表层易得到细小的马氏体，硬度比普通淬火提高2～3HRC，且脆性较低。

3 工件表层存在残余压应力，因而疲劳强度较高。

4 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。

5 淬硬层深度易于控制；生产效率高，便于实现机械化、自动化。

简言之：

感应淬火零件变形小，组织细，硬度高，表面质量好；劳动生产率高，节能，成本低；易实现机械化、自动化、大批量流水生产。

但设备昂贵，维修、调整较困难，不适于形状复杂的零件生产及单件生产。•适用感应淬火的材料

主要用于含碳量为0.4％～0.5％的中碳结构钢和中碳合金钢(40Cr、40MnB)，也可用于工具钢。

•在做表面淬火前通常要对零件进行正火或调质（保证零件心部有良好的强韧性，并使淬火表面的硬度分布均匀）；淬火后进行低温回火以降低淬火应力和脆性。

即：正火或调质→→表面淬火→→低温回火

(二）火焰加热表面淬火：

原理：利用氧炔焰加热工件表面，喷水冷却。

特点：设备简单，成本低；加热、淬火的质量不易控制；适宜大型零件，或单件、小批量生产的零件。

火焰加热表面淬火示意图

二、化学热处理

•工艺（概念）：将零件放入某种活性介质中，经加热、保温，使介质的原子渗入零件表层中，改变表层的化学成分、组织和性能。

•基本过程：

包含分解、吸收、扩散三个过程

1）化学渗剂在加热及催化剂作用下分解活性原子。

2）活性原子溶入铁的晶格形成固溶体，或与钢中某种元素形成化合物，即活性原子被工件表面吸收。

3）活性原子由外向内逐渐扩散，形成一定的扩散层。

•分类：

（1）渗碳：

（2）渗氮（俗称氮化）

（3）碳氮共渗（俗称氰化）

（4）渗金属

还有渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。

1、渗碳

(1)基本概念

经加热、保温，碳原子渗入零件表面，提高其含

碳量，从而增加表面的硬度和耐磨性。

（2）分类（按渗碳方法）

固体渗碳

其中，气体渗碳生产率高，劳动条件好；渗

碳过程易于控制，渗层质量好；适于大批量生产，

应用最广。

气体渗碳的工艺方法

●采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂，如：

煤油、甲苯或含碳的气体。

●渗碳温度是900~950℃；渗碳时间（保温时

间）取决于要求的渗碳层深度，从几小时到十几

小时不等。

井式气体渗碳炉

（3）渗碳后的工件组织

●渗碳通常用于含碳0.15%～0.20%的低碳钢。

注意：任何钢所能达到的最大硬度只取决于含碳量。

●渗碳表层的含碳量可达0.85%～1.05%，由外向内含碳量逐渐降低。

●渗碳层由外向内依次为过共析层、共析层、亚共析层和心部原始组织。

（4

渗碳后必须淬火和低温回火，使表层获得高碳马氏体（表层组织为细小针状马氏体和粒状分布的渗碳体组织），具有高的硬度和耐磨性；

即：渗碳→→淬火→→低温回火

低碳钢渗碳淬火后，表层硬度高、耐磨性好，心部韧性好。→→→渗碳主要用于承受较大冲击载荷（心部韧性要好）和在严重磨损（表层硬度要高）条件下工作的零件。

传动齿轮通常采用渗碳热处理工艺，以提高其硬度和耐磨性。

2、渗氮（氮化）

渗氮是将氮原子渗入钢件表面，形成以氮化物为主的渗氮层，以提高渗层的硬度、耐磨、耐蚀和耐疲劳强度等多种性能。

1）渗氮过程

将工件放入密封的渗氮炉，通入氨气，加热，保温20~50h。

氨气分解出氮原子渗入工件中，形成富氮层而完成氮化。

渗氮温度600℃，此时铁具有最好的吸氮能力。

2）氮化后的组织和性能

※氮化后零件表面硬度比渗碳的还高，耐磨损性能很好，但脆性较大。

※氮化层具有一定的抗蚀性能。

※渗氮之前应进行调质处理，改善心部性能。渗氮后无须再做其他热处理。

原因：不须淬火，是因为硬度已足够高，且淬火主要是影响碳，对氮