一、鋼表面熱處理二、鋼化學熱處理三、合金元素在鋼中的作用四、典型鋼種熱處理

第七講、鋼其它熱處理與典型鋼種熱處理一、鋼表面熱處理

1、為什么要進行表面熱處理

許多零件（如齒輪和軸承等）需表面高硬度和高耐磨，而心部有好的塑性和韌性，表面淬火可達到這一要求。2、表面淬火1）淬火工藝：當鋼表面被加熱到A后，急冷會形成M，而心部不變，這樣工件表面強硬而心部保持良好韌性。表面淬火用鋼：為低C或中C鋼（即亞共析）。

2）淬火組織工件從表面到心部溫度不同，淬火組織也不同：表面：溫度>Ac3

，全A化，淬火后得到細小M；中間：溫度在Ac1～Ac3之間，組織為A＋F，淬火后得到M＋F；心部：溫度在Ac1以下，組織不變。3）淬火方法（1）感應(yīng)加熱

工件置于中或高頻(500－500KHz)交變磁場，工件會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，電流集中于工件表層，即集膚效應(yīng)

，所產(chǎn)生熱量使工件迅速升溫至Ac1（共析）或Ac3（亞共析），然后置于水中或噴水冷卻，使表層淬硬。加熱快、溫度高，其A晶粒細，硬度高于普通淬火。注：線圈功率越大，頻率會越高，淬硬層越淺。如20－500KHz的淬硬層＜2mm，而0.5－10Khz的淬硬層2－6mm。目的

：

表層高硬度、高耐磨，心部保持良好韌性。應(yīng)用：

機床主軸、階梯軸、汽車發(fā)動機曲軸和齒輪齒形表層等。

表面感應(yīng)淬火

表層淬火到一定深度，心部保持未淬狀態(tài)的淬火方法。

工藝：將表層快速加熱到（Ac3+30~50℃），高溫來不及傳到心部而立即噴水冷卻，實現(xiàn)表層淬火。

表面火焰淬火（2）火焰加熱

二、化學熱處理

工件置于化學介質(zhì)中，通過加熱、保溫和原子擴散或化學反應(yīng)，改變其表層成分和組織，以實現(xiàn)表層改性。常用工藝：滲碳、滲氮和碳氮共滲等?；瘜W熱處理過程：化學介質(zhì)分解釋放出活性原子；活性原子被鋼件表面吸收或溶解；吸收的原子向內(nèi)部擴散形成擴散層，通過控制時間來定擴散層深度。

種類：滲C（形成Fe3C或C固溶體）（彌散強化＋固溶強化）滲N（N固溶體），（固溶強化）滲B（B固溶體），（固溶強化）

C－N共滲

（彌散強化＋固溶強化）注意：表面淬火——改變表面組織來提高性能；

化學熱處理——改變表面成分來提高性能

。1、滲碳1）目的：提高表面碳量以提高硬度、耐磨性和抗接觸疲勞性，心部則有良好塑性和韌性。用途：用于承受強摩擦、大沖擊及易發(fā)生接觸疲勞零件，如汽車齒輪和摩擦片等。2）滲碳鋼：低碳鋼或低碳合金鋼，經(jīng)淬火后心部獲得低碳M

，保持良好塑性和韌性。3）滲碳方法：（1）氣體滲C法：介質(zhì)：CH4→[C]+H2

CO→[C]+CO2

溫度：900－950℃

方式：

[C]滲入工件表面（2）固體滲碳法:將工件埋入活性C中，在900－950℃保溫。低碳鋼件放入滲碳爐，通煤油（氣體滲碳）。加熱到900～950℃保溫，使表層達到1%C，淬火后低溫回火，達56～64HRC：如汽車變速齒輪和活塞銷等。

4）滲碳過程：5）控制參數(shù)：控制氣體成分以調(diào)節(jié)表層含碳量；滲碳溫度越高，滲碳速度越快；但溫度過高會使A長大過快，一般為920℃；滲碳層深度用保溫時間調(diào)節(jié)。

氣體滲碳法6）滲碳組織滲碳后緩冷組織——碳在工件表層分布。Fe3C+PP+FPF+P（少）

滲碳后熱處理工藝20鋼滲碳緩冷組織(化染)580

表層珠光體+網(wǎng)狀滲碳體;中層珠光體;內(nèi)層鐵素體+珠光體滲碳鋼淬火后組織:低碳M回+FM回+Fe3C+A殘低碳合金鋼F+PM回+Fe3C+A殘低碳鋼心部組織表層組織鋼種常用鋼種:15、20、20Cr、20Mn2、

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。20CrMnTi鋼滲碳層組織(化染)320

滲碳體(白色塊狀)+高碳M(蘭色針狀)+殘余A(棕黃色)滲碳后性能：

表面硬度：低碳鋼、低合金鋼HRC58～64

心部：HRC10～15

中、高合金鋼HRC56～60

心部：視淬透性而定。2、其它化學熱處理

1）滲氮：

570℃下，利用NH3分解滲氮。也可用輝光等離子滲氮。表層生成氮化物，獲得極高硬度。其處理溫度低、變形小和滲氮層薄等優(yōu)點，用于精密高耐磨件。2)碳氮共滲（高溫）與氮碳共滲（低溫）1）滲氮(Nitridationofsteel)目的:提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度、紅硬性和耐腐蝕性，獲得表硬里韌及抗蝕性能。

適用:中碳合金鋼如：壓鑄模、冷擠壓模、擠壓凸輪、高速凸輪和變速齒輪等。方法:氣體滲氮----氨氣氣體滲氮：

氨氣加熱分解出活性氮被鋼件表面吸收，并向心部擴散形成氮化層。

2NH33H2＋2［N］

工藝：根據(jù)滲氮要求調(diào)節(jié)溫度、時間、氨氣分解量（分解程度）和爐內(nèi)氣壓。溫度：500～600℃

氮化層：0.40～0.50mm

時間：40～70h結(jié)束時，冷至200℃停止供氨，零件出爐。

常用滲氮工藝：

滲氮后性能：

氮和很多合金元素形成氮化物，如：

GrN、MoN、ALN等它們硬度高（HRC70），彌散分布在α-Fe基體上；另一方面，因氮化物的晶格常數(shù)比α-Fe大，使母相產(chǎn)生彈性畸變和晶粒扭曲，從而使塑性變形抗力上升。

滲氮后表面有一硬度極高、但極脆的白層，當白層厚度大于0.01mm易從碎裂和剝落。

故：滲氮后必須磨出白層（技術(shù)要求），使其厚度在0.005～0.015mm之間，獲得好的耐摩和耐腐蝕性能。注:滲氮前需先調(diào)質(zhì)；滲氮后不再熱處理。滲氮后組織---表層:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、

MoN、TiN、VN。心部:S回。常用鋼種：35CrMo、18CrNiW、

38CrMoAlA(氮化王)等。

為何滲氮零件疲勞強度高？

因氮化物的晶格常數(shù)比基體的大，使表層的體積膨脹，在氮化層內(nèi)有較大殘余壓應(yīng)力，這些壓應(yīng)力能夠抵消部分疲勞載荷下的拉應(yīng)力，從而延緩了疲勞。

為何滲氮件有高的紅硬性？

因滲氮件的表面被氮化物彌漫分布，在晶格上形成了一種封閉狀態(tài)，即使在500～570℃下加熱，也會有較高硬度。離子滲氮——

將零件作陰極，爐體（真空容器）作陽極；再將爐內(nèi)抽真空到66.5Pa，并充入少量氨氣，通450～500V直流電。稀薄氨氣在電場作用下電離，N離子在電場作用下，以極高速度撞擊零件表面，使其溫度升至450～700℃，并形成一定擴散層。

離子滲氮特點：

不需加熱爐；變形??；成本高，用于精密中、小型零件。

38CrMoAl

氣體滲氮層組織(化染)650

黃色區(qū)：

ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N)

；紅色區(qū)：γ’(Fe4N)；藍綠色區(qū)：含氮索氏體+脈狀氮化物；綠黃色區(qū)：索氏體基體。

滲碳與滲氮工藝特點處理后是否需要熱處理處理時間(h)處理溫度(℃)名稱需要3～9900～950滲碳不需要20～50500～600滲氮3）碳氮共滲---氰化處理

（

Carbonitridingofsteel）定義:向表面同時滲入C和N原子的過程。目的:獲得表硬里韌的性能。方法:固體碳氮共滲氣體碳氮共滲液體碳氮共滲高溫中溫低溫

碳氮共滲——目的：提高表面硬度、耐磨性和疲勞強度。方法：將滲碳和滲氮氣體通入爐內(nèi)，在溫度840～860℃下，分解成活性碳、氮原子，這些原子滲入工件形成共滲層。分類：低溫和中溫共滲用于刀具、模具等耐磨件。碳、氮共滲工藝:合金結(jié)構(gòu)鋼HRC53～60中溫氣體碳氮共滲800～8601～8以滲碳為主0.5～0.8mm淬火+低溫回火合金工具鋼HRC54～63低溫氣體碳氮共滲500～6001～6以滲氮為主0.1～0.4mm不需要材料性能名稱溫度(℃)時間(h)作用滲層后熱處理20CrMnTi鋼碳氮共滲層組織(化染)100

針狀M+殘余A;

混合M+殘余A;

板條M+針狀M20CrMnTi鋼碳氮共滲層組織1.針狀M+殘余A;2.混合M+殘余A;3.板條M+針狀M12320Cr2Ni4A鋼高溫碳氮共滲淬火組織(化染)52

W18Cr4V鋼碳氮共滲層組織(化染)650

隱針馬氏體+合金碳化物;從左至右含碳量逐步下降

小結(jié)：

普通熱處理普通熱處理局限

加熱金屬表面處理組織轉(zhuǎn)變（A）化學熱處理表面淬火冷卻表面處理改性鍍層、涂層組織轉(zhuǎn)變淬透性等溫轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織轉(zhuǎn)變退火、正火、淬火、回火組織和性能改變，選材及熱處理應(yīng)用，改性應(yīng)用

三、合金元素在鋼中的作用1、與鐵作用：固溶于鐵素體中，固溶強化，↑力學性能。2、與碳作用：形成碳化物，↑↑HB、σb。

對強硬度影響

對韌性影響據(jù)與碳的親和力，合金元素分兩類：非碳化物形成元素：

Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B碳化物形成元素：

Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti

以上由弱至強弱、中強碳化物形成元素可置換滲碳體中的鐵原子→(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C（1）形成合金滲碳體意義：合金滲碳體較滲碳體穩(wěn)定，熔點和硬度更高——低合金鋼中的主要強化相

（2）形成特殊碳化物

強碳化物形成元素、或較多的中強碳化物形成元素（>5%）：

VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3

——形成特殊碳化物，它們較合金滲碳體更穩(wěn)定，熔點與硬度更高，且為耐高溫的強化相，應(yīng)用于高合金鋼中。

小結(jié)：碳在鋼中存在作用：(1)固溶于鐵基體中；(2)形成碳化物——固溶強化、——第二相強化，提高耐磨性。小結(jié)：合金元素作用提高淬透性：Mn、Cr、B、Ni、W、Mo固溶強化：Si、Mn、Ni細化晶粒：Al、V、Ti、W、Mo、Nb、Zr提高回火穩(wěn)定性：W、Mo、V、Si、Cr消除高溫回火脆性：W、Mo特殊耐蝕、耐熱性：V、Ti、W、Mo、Cr1、滲碳鋼2、調(diào)質(zhì)鋼3、彈簧鋼4、高速鋼四、典型鋼種熱處理1、典型滲碳鋼

(1)低淬透性20Cr、20Mn2、20MnV、20CrV合金總量<2％，D水淬臨界大約20～35mm——用于小載荷件（2）中淬透性20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB合金總量2～5％，D水淬臨界大約25～60mm（3）高淬透性20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA合金總量5～7.5％，D水淬臨界>100mm——高載荷、重要耐磨件——中等載荷件熱處理及使用狀態(tài)的組織：

（1）熱處理工藝：滲碳+淬火+低溫回火（2）組織：表面：高碳回火馬氏體心部：低碳回火馬氏體性能：表面硬——耐磨；心部韌——抗沖擊。滲碳組織：>1％C～0.2％C心部亞共析區(qū)共析區(qū)過共析區(qū)2、調(diào)質(zhì)鋼

調(diào)質(zhì)工藝：淬火+高溫回火，1）用途：汽車、拖拉機和機床等重要零件如：軸類、連桿、齒輪和螺栓等。2）性能要求受力復雜：較大循環(huán)載荷和復合應(yīng)力：高強度、良好塑、韌性及高耐疲勞

——高綜合機械性能。（1）中C（0.25%~0.5%）C過低：淬硬性不夠——回火強度不夠。C過高：韌性不夠（2）加入提高淬透性合金元素

Cr、Ni、Mn、Si；3）成分特點：（3）加入防第二類回火脆性元素

W、Mo等。

4）典型鋼種：(1)低淬透性40Cr、40MnB、40MnVB

D水淬臨界大約20～40mm。（2）中淬透性40CrMn、40CrNi、40CrMnTi、35CrMo

D水淬臨界大約40～60mm。（3）高淬透性40CrNiMo、30CrNi3

D水淬臨界>60~100mm。5）熱處理工藝：淬火+高溫回火使用態(tài)組織：回火索氏體

3、彈簧鋼1）用途：制造彈性元件，以緩和沖擊和吸收振動等。2）性能要求：高彈性極限、屈強比和疲勞強度。3）成分特點(1)中、高碳:合金彈簧鋼:0.4%~0.7%C;

碳素彈簧鋼：0.6~0.9%C(2)Me：

Mn、Cr、Si：↑淬透性，固溶強化

Si：↑σS/

σb

(屈強比)

W、Mo：防第二類回火脆性~1%~2%4）典型鋼種：65、60Si2Mn、60Si2MnWA鋼號CSiMn其它65Mn0.62~0.700.17~0.370.9~1.255Si2Mn0.52~0.601.5~2.00.6~0.960Si2Mn0.56~0.641.5~2.00.6~0.960Si2CrVA0.56~0.641.4~1.80.4~0.7Cr:0.7~1.060Si2MnWA0.61~0.691.50~2.000.70~1.00W:0.8~1.25）成型與熱處理：（1）冷成型彈簧——小型(d<8～18mm)b.油淬強化鋼絲：冷拔——淬火＋中溫回火——繞成型——性能均勻，但強度較低。a.退火鋼絲：退火態(tài)——冷成型——淬火＋中溫回火(2)熱成型彈簧——大型彈簧(d>10~15mm)熱軋鋼絲或鋼板——淬火+中溫回火

彈簧鋼使用組織：

回火屈氏體或屈氏體。c.鉛浴淬火冷拉鋼絲