钢的热处理（6）在线视频

下面我们学习钢的表面热处理

仅对钢的表面加热冷却

而不改变其成分

仅改变其组织和性能的热处理工艺

称为表面热处理

也叫表面淬火

实际生产中常用感应加热

来进行表面淬火

感应加热表面淬火原理

感应圈通交流电后

内部会产生交变磁场

工件置于磁场中

工件内部会产生感生电流

在电阻的作用下

工件会被加热

由于交流电的集肤效应

工件表面的电流密度大

表面温度快速升高到相变点以上

中心电流密度几乎为零

温度仍在相变点以下

然后用水或者聚乙烯醇

水溶液进行喷射 表面被淬火

我们看这张图是感应加热

表面淬火的照片

这一张图是感应加热

表面淬火的示意图

我们看这个动画演示

我们将这个45号钢的齿轮

在调质处理以后

放入感应线圈中进行加热

然后进行喷射水溶液

冷却后拿出来

这个时候你会发现齿轮表面的硬度

经淬火以后可以达到58个HRC

而心部仍然是调质后的组织

它的硬度约为25个HRC

所以这样就可以大幅的提高

齿轮表面的硬度

提高它的耐磨性能

二 感应加热表面热处理的特点

主要有四个特点

第一个 感应加热快

钢的奥氏体化在较大的

过热度下进行

例如在A_c3以上

80到150℃的范围进行

这样晶核多 时间短 晶粒细小

第二 表面层淬得马氏体以后

体积膨胀

表面造成较大的残余压应力

提高工件的疲劳强度

第三 加热速度快 时间短

工件氧化 脱碳少

工件内部未加热

工件的淬火变形小

第四 加热温度和淬硬层厚度

容易控制

感应加热表面淬火的组织

表面为马氏体

心部组织不变

如先经调质处理

心部组织为回火索氏体

感应加热表面淬火以后

需要进行低温回火

在淬火后进行180℃到200℃的

低温回火

这时表面为回火马氏体

降低淬火应力

保持高的硬度和高耐磨性

心部为回火索氏体

保持强韧性

它的工程应用主要用于中碳钢

中碳低合金钢

例如45号钢 40Cr

40MnB钢等等

用于制造齿轮 主轴 曲轴

等零件的表面硬化

提高耐磨性能

下面我们学习钢的化学热处理

化学热处理是指将钢件

置于一定温度的活性介质中保温

使一种或者几种元素

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工艺过程

主要有以下几种化学热处理

渗碳 氮化 碳氮共渗

渗硫 渗铝 渗铬等等

第一部分 渗碳工艺

为了增加表层的碳含量

和获得一定碳溶度梯度

钢件在渗碳介质中加热和保温

使碳原子渗入表面的工艺

称为渗碳

低碳钢零件在渗碳炉中

加热到900到950℃

然后滴入煤油 甲醇等有机液体

或通入煤气 石油液化气等

产生活性碳原子

这些活性碳原子

形成一定碳的梯度

从钢的表面向内进行渗入

钢件表面渗碳

表面可以获得高达1.0%左右的

碳的质量分数

我们看这是一个气体渗碳炉

它的渗碳装置的示意图

如这个图所示

低碳钢 20钢渗碳后

缓冷以后的显微组织

如这张图所示

在它的表层为珠光体

加二次渗碳体

因为这个时候它的化学成分

已经到了过共析钢的成分范围

所以表面有二次渗碳体

过渡区为珠光体

心部为珠光体加铁素体

2 渗碳后的热处理

渗碳后有以下几种热处理工艺

（1）直接淬火

渗碳温度高

奥氏体晶粒长大

这时淬火后马氏体粗大

残余奥氏体较多

耐磨性较低 变形较大

为了减少淬火时的变形

渗碳后常常将工件预冷到

830℃到850℃后进行淬火

（2） 一次淬火

渗碳缓冷后

重新加入到临界温度以上保温

然后淬火

对于受载不大

但表面性能要求较高的零件

其淬火温度为A_c1以上

30到50℃

使表面晶粒细化

如果心部组织要求较高时

淬火加热温度要略高于A_c3

2 低温回火

为了消除淬火后的应力

和提高韧性

要进行150℃到200℃的低温回火

钢渗碳 淬火

回火后的组织如下

在表层为回火马氏体

是高碳的马氏体

加碳化物 加残余奥氏体

它的心部淬透的时候

为回火马氏体 为低碳马氏体

如果没有淬透的时候

心部为低碳的回火马氏体

加铁素体 加屈氏体

它有以下性能特征

（1） 表层硬度高

表层硬度达58到64个HRC以上

耐磨性很好

心部硬度为30到45个HRC

心部强韧性较好

（2）疲劳强度高

表层体积膨胀大

心部体积膨胀小

表层中造成压应力

零件的疲劳强度得到提高

渗碳主要用于20 20Cr

20CrMnTi等低碳钢

和低碳合金钢

制造的齿轮 轴 销等

零部件的热处理

二 氮化

氮化是指向钢件表面

渗入氮的工艺

氮化的目的是更大的提高

钢件表面的硬度和耐磨性

提高疲劳强度和抗蚀性

常用的氮化钢为中碳合金钢

如35CrAl 38CrMoAl

38CrWVAl

我们先看它的工艺

氮化前要先进行预处理

也就是说要先进行调质处理

获得回火索氏体的组织

改善机加工性能

保证较高的强度和韧性

形状复杂 精度要求高的零件

精加工后要进行消除

消除内应力的退火

减少氮化时的变形

氮化工艺如下

对于气体氮化 它的介质为氨

加热分解为氢加上氮

氮原子被钢吸收 溶入表面

向内扩散形成渗氮层

氮化的温度为500到600℃

氮化时间一般为20到50个小时

我们看看这是38CrMoAl钢

氮化工艺曲线图

它先加热到930℃到970℃保温

然后油淬

然后进行高温回火

然后进行油冷

然后加热到500到520℃

进行8到12个小时的氮化

然后升温到600到620℃

进行6到10个小时的氮化

然后进行油冷或者气冷

这是它的氮化工艺曲线图

氮化后的组织和性能如下

组织在外层为白色的ε相

或者γ’相的氮化物薄层

很脆

用精磨可以去掉

中间为暗褐色含氮共析体

即α加γ’层

心部为原始的回火索氏体

我们看看这是铁氮的合金相图

这个是它的金相显微组织照片

性能特征如下

（1）氮化后硬度很高

硬度高达1000个HV

到1100个HV

而且在600到650℃不下降

具有很高的耐磨性和热硬性

（2）氮化层体积增大

造成了表面压应力

疲劳强度大大的提高

（3）氮化温度低 零件变形小

（4）表面形成化学稳定性较高的

ε相层

耐蚀性好

在水 过热蒸气和碱性溶液中

很稳定

这样一种工艺主要用于丝杠

镗床主轴等等易变形的

杆件的热处理

三 碳氮共渗 是指同时向

零件表面渗入碳和氮的

化学热处理工艺 也称氰化

它分为高温碳氮共渗

和低温碳氮共渗

低温碳氮共渗以氮为主

称为软氮化

我们先看一下高温碳氮共渗工艺

它的加热温度为830℃到850℃

介质为煤油

并通入氨气

保温一到两个小时

共渗层厚度为0.2到0.5个毫米

这以渗碳为主

氮促进了渗碳的速度

共渗温度降低 时间缩短

碳氮共渗后淬火

再进行低温回火

2 碳氮共渗后的性能和应用

共渗并淬火后

得到了含氮的马氏体

耐磨性比渗碳更好

（2）共渗层比渗碳层

具有更高的压应力

疲劳强度更高

耐蚀性更好

主要用于齿轮 凸轮轴等零部件