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1、汽车制造工艺汽车制造工艺第八章第八章 零件的表面强化工艺零件的表面强化工艺主要内容主要内容第一节第一节 零件表面机械强化处理零件表面机械强化处理第二节第二节 化学处理化学处理第三节第三节 表面淬火处理表面淬火处理第四节第四节 激光热处理技术激光热处理技术第五节第五节 其他热处理工艺简介其他热处理工艺简介第一节第一节 零件表面机械强化处理零件表面机械强化处理表面机械强化处理是利用机械能使工件表面产生塑表面机械强化处理是利用机械能使工件表面产生塑性变形，引起表面形变强化的方法，亦称为表面形性变形，引起表面形变强化的方法，亦称为表面形变强化。有喷丸、喷砂、滚压和孔挤压等工艺。变强化。有喷丸、喷砂、滚
2、压和孔挤压等工艺。腐蚀、磨损、断裂是机器零部件的三大失效模式，腐蚀、磨损、断裂是机器零部件的三大失效模式，其中以断裂失效带来的灾难与损失最大。而断裂失其中以断裂失效带来的灾难与损失最大。而断裂失效中疲劳断裂所占比例最高。汽车中的一些重要零效中疲劳断裂所占比例最高。汽车中的一些重要零部件，如弹簧、轴、齿轮、连杆、车轮等承受循环部件，如弹簧、轴、齿轮、连杆、车轮等承受循环交变载荷，有时发生疲劳断裂失效。而表面机械强交变载荷，有时发生疲劳断裂失效。而表面机械强化处理是提高机器零部件疲劳寿命最为有效的手段。化处理是提高机器零部件疲劳寿命最为有效的手段。第一节第一节 零件表面机械强化处理零件表面机械强化
3、处理一、机械表面处理的强化原理一、机械表面处理的强化原理1.表面形变强化表面形变强化 图图8-1 喷丸形变硬化层结构和残余应力分布示意图喷丸形变硬化层结构和残余应力分布示意图 图图8-2 喷丸强化后硬度分布喷丸强化后硬度分布 一、机械表面处理的强化原理一、机械表面处理的强化原理2.形成表面残余应力形成表面残余应力 一、机械表面处理的强化原理一、机械表面处理的强化原理3.表面形貌变化表面形貌变化 工件疲劳断裂大多从表面开始工件疲劳断裂大多从表面开始,疲劳源发生在工件疲劳源发生在工件表面。工件表面缺陷表面。工件表面缺陷,如机械加工的刀痕、细裂纹及如机械加工的刀痕、细裂纹及锈蚀有时就是裂纹源的滋生地
4、。工件上存在倒角、凹锈蚀有时就是裂纹源的滋生地。工件上存在倒角、凹槽等应力集中的位置槽等应力集中的位置,有时也是疲劳断裂开始的位置。有时也是疲劳断裂开始的位置。表面强化可以消除或降低应力集中表面强化可以消除或降低应力集中,特别是滚压和孔特别是滚压和孔挤压还能提高表面粗糙度挤压还能提高表面粗糙度,因而可以显著提高工件疲因而可以显著提高工件疲劳强度劳强度,降低工件对缺陷的敏感性。降低工件对缺陷的敏感性。第一节第一节 零件表面机械强化处理零件表面机械强化处理二、表面喷丸处理二、表面喷丸处理 表面喷丸处理，也称喷丸强化，是将高速弹丸流表面喷丸处理，也称喷丸强化，是将高速弹丸流喷射到零件表面，使表层发生
5、塑性变形，而形成一定喷射到零件表面，使表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余压应力，从厚度的强化层，强化层内形成较高的残余压应力，从而提高零件的疲劳强度和使用寿命。而提高零件的疲劳强度和使用寿命。1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化设备及弹丸 喷丸强化用的设备主要有两种结构形式喷丸强化用的设备主要有两种结构形式:气动式气动式与机械离心式。与机械离心式。1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化设备及弹丸气动式喷丸机气动式喷丸机吸入式喷丸机吸入式喷丸机 1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化设备及弹丸气动式喷丸机气动式喷丸机重力式喷丸机重力式喷丸机 1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化设备及弹丸气动式
6、喷丸机气动式喷丸机直接加压式气动喷丸机直接加压式气动喷丸机 1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化设备及弹丸机械离心式抛丸机机械离心式抛丸机 1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化设备及弹丸内孔喷丸机内孔喷丸机 1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化设备及弹丸旋片旋片(旋板旋板)喷丸器喷丸器 1.喷丸强化设备及弹丸喷丸强化设备及弹丸喷丸喷丸常用的弹丸可分为铸铁弹丸、铸钢弹丸、不锈钢弹丸、钢常用的弹丸可分为铸铁弹丸、铸钢弹丸、不锈钢弹丸、钢丝切割弹九、玻璃弹丸、陶瓷弹丸及其它非金属弹丸等。丝切割弹九、玻璃弹丸、陶瓷弹丸及其它非金属弹丸等。目前已有多种合成材料和矿物性材料可供选用，应用较目前已有多种合成材料和矿物性材料可
7、供选用，应用较多的是刚玉弹丸。多的是刚玉弹丸。喷丸介质的力学性能指标主要是冲击韧度和硬度。由于喷喷丸介质的力学性能指标主要是冲击韧度和硬度。由于喷丸时弹丸高速撞击工件，弹丸必须具有较高的冲击韧度，丸时弹丸高速撞击工件，弹丸必须具有较高的冲击韧度，才能避免大量破碎。显然。钢丸的冲击韧度高于铸铁丸，才能避免大量破碎。显然。钢丸的冲击韧度高于铸铁丸，其中尤其以钢丝切割丸最好。弹丸的硬度与喷丸强度密其中尤其以钢丝切割丸最好。弹丸的硬度与喷丸强度密切相关，它直接影响到喷丸效果。一般应在保证弹丸具切相关，它直接影响到喷丸效果。一般应在保证弹丸具有足够冲击韧度的条件下。尽量提高硬度。有足够冲击韧度的条件下。
8、尽量提高硬度。弹丸的大小相差也很大，可以从几微米到几毫米，应根据弹丸的大小相差也很大，可以从几微米到几毫米，应根据喷丸目的和工艺条件，按照国家标准选用。喷丸目的和工艺条件，按照国家标准选用。二、表面喷丸处理二、表面喷丸处理2.喷丸工艺喷丸工艺喷丸后残余压应力的蜂值和延续深度体现了喷丸的喷丸后残余压应力的蜂值和延续深度体现了喷丸的效应。它与工件的材料和状态。以及喷丸时的多个效应。它与工件的材料和状态。以及喷丸时的多个工艺参数有关。工艺参数有关。喷丸的工艺参数包括：弹丸特性、弹丸流的速度和喷丸的工艺参数包括：弹丸特性、弹丸流的速度和流量、喷丸时间、弹丸流对受喷面的相对位置等。流量、喷丸时间、弹丸流
9、对受喷面的相对位置等。生产实际中并不单独测量上述各个工艺参数，而是生产实际中并不单独测量上述各个工艺参数，而是测定综合性的喷丸强度和表面覆盖率。目前各国均测定综合性的喷丸强度和表面覆盖率。目前各国均采用喷丸强度和表面覆盖率来控制和检验喷丸强化采用喷丸强度和表面覆盖率来控制和检验喷丸强化的质量。的质量。第一节第一节 零件表面机械强化处理零件表面机械强化处理三、表面喷砂处理三、表面喷砂处理 1.喷砂原理及应用范围喷砂原理及应用范围原理原理：喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料：喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到工件表面，由于磨料冲击和切削作用，使工件的表高速喷射
10、到工件表面，由于磨料冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性。得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性。应用范围应用范围：1）工件涂镀、工件粘接前处理）工件涂镀、工件粘接前处理2）铸件、热处理后工件的表面清理）铸件、热处理后工件的表面清理3）机加工件飞边清理）机加工件飞边清理4）改善零件的力学性能）改善零件的力学性能 5）光饰作用）光饰作用三、表面喷砂处理三、表面喷砂处理2.喷砂机的分类喷砂机的分类1）吸入式干喷砂机）吸入式干喷砂机 一个完整的吸入式干喷砂机一般由六个系统组
11、成，即结构一个完整的吸入式干喷砂机一般由六个系统组成，即结构系统、介质动力系统、管路系统、除尘系统、控制系统和辅助系统、介质动力系统、管路系统、除尘系统、控制系统和辅助系统。吸入式干喷砂机是以压缩空气为动力，通过气流的高速系统。吸入式干喷砂机是以压缩空气为动力，通过气流的高速运动在喷枪内形成的负压，将磨料通过输砂管。吸入喷枪并经运动在喷枪内形成的负压，将磨料通过输砂管。吸入喷枪并经喷嘴射出，喷射到被加工表面，达到预期的加工目。喷嘴射出，喷射到被加工表面，达到预期的加工目。2）压入式干喷砂机）压入式干喷砂机 一个完整的压入式干喷砂机工作单元一般由四个系统组成，一个完整的压入式干喷砂机工作单元一般
12、由四个系统组成，即压力罐、介质动力系统、管路系统、控制系统。压入式干喷即压力罐、介质动力系统、管路系统、控制系统。压入式干喷砂机是以压缩空气为动力，通过压缩空气在压力罐内建立的工砂机是以压缩空气为动力，通过压缩空气在压力罐内建立的工作压力，将磨料通过出砂阀。压入输砂管并经喷嘴射出，喷射作压力，将磨料通过出砂阀。压入输砂管并经喷嘴射出，喷射到被加工表面达到预期的加工目。到被加工表面达到预期的加工目。第二节第二节 化学处理化学处理一、化学热处理的基本原理一、化学热处理的基本原理1.分解分解分解是指渗剂中生成能渗入钢表面的活性原子的化学分解是指渗剂中生成能渗入钢表面的活性原子的化学反应。它可能通过三
13、种反应生成反应。它可能通过三种反应生成:分解反应分解反应如如2NH32N+3H2 置换反应置换反应如如SiCl4+2Fe2FeCl2+Si 还原反应还原反应如如2BF2BF4+B化学反应速度除取决于反应物的本性外化学反应速度除取决于反应物的本性外,还与温度、压还与温度、压力、浓度、催化剂有关。力、浓度、催化剂有关。一、化学热处理的基本原理一、化学热处理的基本原理2.吸附吸附 吸附是活性原子吸附是活性原子(或离子或离子)与金属原子产生键合而进入其表层与金属原子产生键合而进入其表层的过程。的过程。固体表面的吸附作用，按其作用力性质可分为物理吸附与化固体表面的吸附作用，按其作用力性质可分为物理吸附与
14、化学吸附。物理吸附与化学吸附常常是相伴发生的学吸附。物理吸附与化学吸附常常是相伴发生的,如金属钨吸附如金属钨吸附氧氧,既存在化学吸附的原子状态氧既存在化学吸附的原子状态氧,也存在物理吸附的分子状态也存在物理吸附的分子状态氧。表面吸附作用与催化作用是密切不可分的氧。表面吸附作用与催化作用是密切不可分的,吸附作用可能促吸附作用可能促进分解过程。进分解过程。如用如用CO为气体渗碳剂时为气体渗碳剂时,CO分解生成活性碳原子分解生成活性碳原子,反应式为反应式为:2COCO2+C Fe先吸附先吸附CO中中C,使使C与与O原子间距离增大原子间距离增大,减弱减弱C与与O原子原子间结合力间结合力,使这个使这个O
15、原子就很容易与原子就很容易与CO反应生成反应生成CO2。而。而C则则被被Fe吸附后吸附后,提高钢表面的碳浓度提高钢表面的碳浓度,为碳向内部扩散提供了浓度为碳向内部扩散提供了浓度梯度条件。由此可见梯度条件。由此可见,钢表面吸附钢表面吸附CO,对渗剂中对渗剂中CO的分解和碳的分解和碳原子的被吸附起着极其重要的作用。原子的被吸附起着极其重要的作用。一、化学热处理的基本原理一、化学热处理的基本原理3.扩散扩散 扩散就是工件表面吸附的活性原子扩散就是工件表面吸附的活性原子(或离子或离子)后后,其其表面浓度提高表面浓度提高,形成浓度梯度形成浓度梯度,创造了扩散条件创造了扩散条件,使渗入使渗入元素向其内部迁
16、移形成一定厚度扩散层的过程。元素向其内部迁移形成一定厚度扩散层的过程。晶体结构对扩散系数影响较大晶体结构对扩散系数影响较大,碳在奥氏体中扩散碳在奥氏体中扩散激活能比在铁素体中要大激活能比在铁素体中要大,这与面心立方结构奥氏体的这与面心立方结构奥氏体的致密度大有关。致密度大有关。第二节第二节 化学处理化学处理二、化学热处理分类二、化学热处理分类 根据介质的物理形态，可分为：根据介质的物理形态，可分为：固体法、液体法、气体法、等离子法。固体法、液体法、气体法、等离子法。根据钢铁基体材料在进行化学热处理时的组织状态，可分为根据钢铁基体材料在进行化学热处理时的组织状态，可分为奥奥氏氏体体状状态态渗碳渗
17、碳碳氮共渗碳氮共渗渗渗硼硼及及硼硼铝铝共共渗渗、硼硼硅硅共共渗渗、硼硼锆锆共共渗渗、硼硼碳碳复复合合渗渗、硼碳氮复合渗硼碳氮复合渗渗铬及铬铝共渗、铬硅共渗、铬钛共渗、铬氮共渗渗铬及铬铝共渗、铬硅共渗、铬钛共渗、铬氮共渗渗铝及铝稀土共渗、铝镍共渗渗铝及铝稀土共渗、铝镍共渗渗硅渗硅渗钒、渗铌、渗钛渗钒、渗铌、渗钛铁铁素素体体状状态态渗氮渗氮氮碳共渗氮碳共渗氧氮共渗及氧氮碳共渗氧氮共渗及氧氮碳共渗渗硫渗硫硫氮共渗及硫氮碳共渗硫氮共渗及硫氮碳共渗渗锌渗锌常用化学热处理方法及其作用常用化学热处理方法及其作用 处处理方法理方法渗入元素渗入元素作用作用渗碳渗碳C提高工件的耐磨性、硬度及疲提高工件的耐磨性、硬
18、度及疲劳劳强强度度碳氮共渗碳氮共渗C、N氮碳共渗氮碳共渗提高工件的表面硬度、耐磨性、抗咬合能力及耐提高工件的表面硬度、耐磨性、抗咬合能力及耐蚀蚀性性渗氮渗氮N渗硫渗硫S提高工件的减摩性及抗咬合能力提高工件的减摩性及抗咬合能力硫氮硫氮S、N提高工件的耐磨性、减摩性及抗疲提高工件的耐磨性、减摩性及抗疲劳劳、抗咬合能力、抗咬合能力硫氮碳共渗硫氮碳共渗S、N、C渗硼渗硼B提高工件的表面硬度、提高耐磨能力及提高工件的表面硬度、提高耐磨能力及红红硬性硬性渗硅渗硅Si提高表面硬度，提高耐提高表面硬度，提高耐蚀蚀、抗氧化能力、抗氧化能力渗渗锌锌Zn提高工件抗大气腐提高工件抗大气腐蚀蚀能力能力渗渗铝铝Al提高工
19、件抗高温氧化及含硫介提高工件抗高温氧化及含硫介质质中的腐中的腐蚀蚀能力能力渗渗铬铬Cr提高工件抗高温氧化能力，提高耐磨及耐提高工件抗高温氧化能力，提高耐磨及耐蚀蚀性性渗渗钒钒V提高工件表面硬度，提高耐磨及抗咬合能力提高工件表面硬度，提高耐磨及抗咬合能力硼硼铝铝共渗共渗B、Al提高工件耐磨、耐提高工件耐磨、耐蚀蚀及抗高温氧化能力，表面脆性及抗剥落能力及抗高温氧化能力，表面脆性及抗剥落能力优优于渗硼于渗硼铬铝铬铝共渗共渗Cr、Al具有比具有比单单一渗一渗铬铬或渗或渗铝铝更更优优的耐的耐热热性能性能铬铝铬铝硅共渗硅共渗Cr、Al、Si 提高工件的高温性能提高工件的高温性能二、化学热处理分类二、化学热
20、处理分类1.渗碳渗碳 渗碳是在增碳活性介质中将低碳钢或低碳合金钢加热并保渗碳是在增碳活性介质中将低碳钢或低碳合金钢加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。其目的是增加工件温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。其目的是增加工件表层的碳含量，获得一定的碳浓度梯度。渗碳是最古老、应用表层的碳含量，获得一定的碳浓度梯度。渗碳是最古老、应用最广泛的化学热处理工艺。与其他化学热处理一样，渗碳处理最广泛的化学热处理工艺。与其他化学热处理一样，渗碳处理包括碳原子的分解、吸收和扩散三个基本过程。在渗碳温度下包括碳原子的分解、吸收和扩散三个基本过程。在渗碳温度下渗碳剂将发生分解，产生活性高、渗入能力很强的活
21、性碳原子渗碳剂将发生分解，产生活性高、渗入能力很强的活性碳原子C；活性碳原子在工件表面被吸收，形成固溶体或化合物；活性碳原子在工件表面被吸收，形成固溶体或化合物；当工件表面的碳浓度达到一定值后，碳原子从表面的高浓度区当工件表面的碳浓度达到一定值后，碳原子从表面的高浓度区向里层的低浓度区扩散。向里层的低浓度区扩散。根据渗碳剂形态不同，渗碳工艺可分为固体渗碳、气体渗根据渗碳剂形态不同，渗碳工艺可分为固体渗碳、气体渗碳及液体渗碳三种类型。碳及液体渗碳三种类型。1.渗碳渗碳（1）渗碳工艺）渗碳工艺 渗碳的目的是在工件表面获得一定的表面碳浓度、一定的渗碳的目的是在工件表面获得一定的表面碳浓度、一定的碳浓
22、度梯度及一定的渗层深度。选择渗碳工艺的原则是如何以碳浓度梯度及一定的渗层深度。选择渗碳工艺的原则是如何以最快的速度，最经济的效果获得合乎要求的渗碳层。最快的速度，最经济的效果获得合乎要求的渗碳层。1）渗碳温度）渗碳温度 温度是影响扩散系数最突出的因素，增加温度，温度是影响扩散系数最突出的因素，增加温度，可以急剧地提高扩散系数。而且随着温度升高，碳在奥氏体中可以急剧地提高扩散系数。而且随着温度升高，碳在奥氏体中的溶解度增大。渗层随着温度升高而加深，碳浓度梯度也趋于的溶解度增大。渗层随着温度升高而加深，碳浓度梯度也趋于平缓。但是，过高的温度将缩短设备的使用寿命，增加工件的平缓。但是，过高的温度将缩
23、短设备的使用寿命，增加工件的变形，奥氏体晶粒也易粗大。变形，奥氏体晶粒也易粗大。2）渗碳保温时间）渗碳保温时间 在正常渗碳情况下，随着渗碳时间的延长，在正常渗碳情况下，随着渗碳时间的延长，渗层浓度梯度变小，渗速降低。渗碳保温时间主要取决于要求渗层浓度梯度变小，渗速降低。渗碳保温时间主要取决于要求获得的渗层厚度。获得的渗层厚度。3）碳势的影响）碳势的影响 碳势是表征含碳气氛在一定温度下与钢件表面碳势是表征含碳气氛在一定温度下与钢件表面处于平衡时可使钢表面达到的碳含量。介质碳势越高，渗碳速处于平衡时可使钢表面达到的碳含量。介质碳势越高，渗碳速度越快，但渗层碳浓度梯度越陡。碳势过高，还会在工件表面度
24、越快，但渗层碳浓度梯度越陡。碳势过高，还会在工件表面积碳。积碳。1.渗碳渗碳（2）渗碳前处理工艺渗碳前处理工艺工件渗碳前进行适当的预先热处理，可提高渗碳处理工件渗碳前进行适当的预先热处理，可提高渗碳处理的质量，为渗碳处理做好组织准备，可以根据相关手的质量，为渗碳处理做好组织准备，可以根据相关手册预备热处理工艺。册预备热处理工艺。工件在进入渗碳炉前应清除表面污垢、铁锈及油脂等。工件在进入渗碳炉前应清除表面污垢、铁锈及油脂等。当清洗尚不能保证表面质量时，可采用喷砂处理。当清洗尚不能保证表面质量时，可采用喷砂处理。凡工件表面不允许渗碳的部位（如螺纹、软花键轴孔凡工件表面不允许渗碳的部位（如螺纹、软花
25、键轴孔等）应进行防渗处理。等）应进行防渗处理。此外，还可采用预留加工量，渗碳缓冷后用机械加工此外，还可采用预留加工量，渗碳缓冷后用机械加工方法切除渗层，或者用紧密固定的钢套及轴环保护不方法切除渗层，或者用紧密固定的钢套及轴环保护不欲渗碳的部位。欲渗碳的部位。1.渗碳渗碳（3）气体渗碳）气体渗碳 气体渗碳工艺具有生产率高，操作方便，渗碳层气体渗碳工艺具有生产率高，操作方便，渗碳层容易控制以及渗碳后可以直接淬火等一系列优点，是容易控制以及渗碳后可以直接淬火等一系列优点，是目前用得最多的渗碳方法。气体渗碳是目前生产中应目前用得最多的渗碳方法。气体渗碳是目前生产中应用最为广泛的一种渗碳方法，它是在含碳
26、的气体介质用最为广泛的一种渗碳方法，它是在含碳的气体介质中通过调节气体渗碳气氛来实现渗碳的。中通过调节气体渗碳气氛来实现渗碳的。根据所用渗碳气体的产生方法及种类，可分为滴根据所用渗碳气体的产生方法及种类，可分为滴注式气体渗碳、吸热式气氛渗碳和氮基气氛渗碳。按注式气体渗碳、吸热式气氛渗碳和氮基气氛渗碳。按设备类型不同又可以分井式炉气体渗碳、密封箱式炉设备类型不同又可以分井式炉气体渗碳、密封箱式炉气体渗碳及连续式炉气体渗碳。气体渗碳及连续式炉气体渗碳。（3）气体渗碳）气体渗碳1）滴注式气体渗碳）滴注式气体渗碳 滴注式气体渗碳一般是把含碳有机液体滴入或注入气体渗碳炉炉罐内，滴注式气体渗碳一般是把含碳
27、有机液体滴入或注入气体渗碳炉炉罐内，使之受热裂解，产生渗碳气氛，从而实现对工件的渗碳。使之受热裂解，产生渗碳气氛，从而实现对工件的渗碳。（3）气体渗碳）气体渗碳2）吸热式气氛渗碳）吸热式气氛渗碳 以吸热式气氛为载气，添加富化气甲烷以吸热式气氛为载气，添加富化气甲烷(CH4)、丙烷、丙烷(C3 H8)等进行渗碳过程称为吸热式气氛渗碳。吸热式气氛是原料气等进行渗碳过程称为吸热式气氛渗碳。吸热式气氛是原料气与空气混合，在吸热式发生器内通过不完全燃烧，形成的渗碳与空气混合，在吸热式发生器内通过不完全燃烧，形成的渗碳能力较弱气体。其主要成分为能力较弱气体。其主要成分为CO、H2、N2及微量及微量H2O、
28、CO2、CH4、O2等。原料气一般用天然气、甲烷或丙烷。等。原料气一般用天然气、甲烷或丙烷。3）氮基气氛渗碳）氮基气氛渗碳 氮基气氛渗碳是一种以纯氮为载气、添加碳氢化合物进行氮基气氛渗碳是一种以纯氮为载气、添加碳氢化合物进行气体渗碳的工艺方法。直接在工作炉内制取渗碳气体。也有把气体渗碳的工艺方法。直接在工作炉内制取渗碳气体。也有把这种碳氢化物、氮气、空气等在炉中就地形成的气氛称为直接这种碳氢化物、氮气、空气等在炉中就地形成的气氛称为直接气氛。使用这种气氛可节省气氛。使用这种气氛可节省20%25%的天然气；在扫气方面的天然气；在扫气方面改用氮基气氛可以节省保护气氛的用量；另外，氮气能使炉子改用氮
29、基气氛可以节省保护气氛的用量；另外，氮气能使炉子耐热层具有更好的绝热性能，可节约耐热层具有更好的绝热性能，可节约10%的加热用的天然气。的加热用的天然气。因而渗碳能力弱的载气已在一定程度上被氮和氮与甲醇的混合因而渗碳能力弱的载气已在一定程度上被氮和氮与甲醇的混合气取代。而所需的碳则由添加的碳氢化合物提供。气取代。而所需的碳则由添加的碳氢化合物提供。1.渗碳渗碳（4）固体渗碳）固体渗碳 固体渗碳是把装有工件及固体渗碳剂的渗碳箱放在炉中加固体渗碳是把装有工件及固体渗碳剂的渗碳箱放在炉中加热进行，主要用于单件生产、局部渗碳或返修使用。它的缺点热进行，主要用于单件生产、局部渗碳或返修使用。它的缺点是由
30、于固体渗碳剂导热性较差，因而渗碳所需加热时间较长，是由于固体渗碳剂导热性较差，因而渗碳所需加热时间较长，且劳动强度较大，表面碳浓度及渗碳层深度不易控制。且劳动强度较大，表面碳浓度及渗碳层深度不易控制。固体渗碳剂应具备活性高、强度高、体积收缩小、导热性固体渗碳剂应具备活性高、强度高、体积收缩小、导热性好、密度小、灰分和有害杂质低、使用寿命长、经济性好及材好、密度小、灰分和有害杂质低、使用寿命长、经济性好及材料来源充分等特性。固体渗碳剂由供碳剂（木炭、焦炭、骨炭料来源充分等特性。固体渗碳剂由供碳剂（木炭、焦炭、骨炭)、催渗剂（碱金属或碱土金属的碳酸盐）、填充剂及枯结剂所组催渗剂（碱金属或碱土金属的
31、碳酸盐）、填充剂及枯结剂所组成。成。为了提高渗碳速度而引进了快速加热渗碳法、真空、离子为了提高渗碳速度而引进了快速加热渗碳法、真空、离子束、流态层渗碳等先进的工艺方法，它们均能提高渗碳速度和束、流态层渗碳等先进的工艺方法，它们均能提高渗碳速度和渗碳质量。渗碳质量。1.渗碳渗碳（5）液体渗碳液体渗碳 液体渗碳，也叫盐浴渗碳，是将被处理的零件浸入盐浴渗液体渗碳，也叫盐浴渗碳，是将被处理的零件浸入盐浴渗碳剂中，通过加热使渗碳剂分解出活性的碳原子来进行渗碳。碳剂中，通过加热使渗碳剂分解出活性的碳原子来进行渗碳。液体渗碳工艺操作简单，加热速度快，渗碳速度快，渗碳液体渗碳工艺操作简单，加热速度快，渗碳速度
32、快，渗碳时间短，灵活性大，并可直接淬火，适合处理小批量或局部渗时间短，灵活性大，并可直接淬火，适合处理小批量或局部渗碳的工件，但目前液体渗碳盐浴多数有公害，工件表面易因残碳的工件，但目前液体渗碳盐浴多数有公害，工件表面易因残盐较难彻底清除而产生腐蚀。盐较难彻底清除而产生腐蚀。盐浴渗碳之盐浴由渗碳剂和中性盐组成。前者主要起渗碳盐浴渗碳之盐浴由渗碳剂和中性盐组成。前者主要起渗碳作用，后者起调整盐浴密度、熔点和流动性的作用。作用，后者起调整盐浴密度、熔点和流动性的作用。1.渗碳渗碳（6）渗碳后的热处理渗碳后的热处理 工件渗碳后，提供了表层高碳，心部低碳这样一种含碳量的工件。为工件渗碳后，提供了表层高
33、碳，心部低碳这样一种含碳量的工件。为了得到合乎理想的性能，尚需进行适当的热处理。了得到合乎理想的性能，尚需进行适当的热处理。热处热处理理工工艺艺特点及特点及应应用用直接淬直接淬火火在工件渗碳后，在工件渗碳后，预预冷到一冷到一定温度，然后立即定温度，然后立即进进行淬行淬火冷却。火冷却。适用干气体渗碳或液体渗碳，特点是减少加适用干气体渗碳或液体渗碳，特点是减少加热热、冷却次、冷却次数，数，简简化操作，减少化操作，减少变变形及氧化脱碳，由于渗碳形及氧化脱碳，由于渗碳时时在在较较高的渗碳温度停留高的渗碳温度停留较长较长的的时间时间，容易，容易发发生生舆舆氏体晶粒氏体晶粒长长大。直接淬火，大。直接淬火，
34、虽经预虽经预冷也不能改冷也不能改变变奥氏体晶粒度，因奥氏体晶粒度，因而可能在淬火后机械性能降低而可能在淬火后机械性能降低一次加一次加热热淬火淬火渗碳后渗碳后缓缓冷，再次加冷，再次加热热淬淬火。再次加火。再次加热热淬火的温度淬火的温度应应根据工件要求而定。根据工件要求而定。一次加一次加热热淬火的方法适用于固体渗碳。当然，液体、气淬火的方法适用于固体渗碳。当然，液体、气体渗碳的工件，特体渗碳的工件，特别别是本是本质质粗晶粒粗晶粒钢钢，或渗碳后不能直，或渗碳后不能直接淬火的零件也可采用一次加接淬火的零件也可采用一次加热热淬火。淬火。两次淬两次淬火火在渗碳在渗碳缓缓冷后冷后进进行两次加行两次加热热淬火
35、。淬火。第一次淬火是第一次淬火是细细化心部化心部组织组织，消除表面网状碳化物。第，消除表面网状碳化物。第二次淬火是二次淬火是细细化渗碳化渗碳层层中中马马氏体晶粒，氏体晶粒，获获得得隐隐晶晶马马氏体、氏体、残余奥氏体及均匀分布的残余奥氏体及均匀分布的细细粒状碳化物的渗粒状碳化物的渗层组织层组织。特。特点：需要多次加点：需要多次加热热，不，不仅仅生生产产周期周期长长、成本高，已、成本高，已发发生生氧化、脱碳及氧化、脱碳及变变形等缺陷。目前两次淬火法在生形等缺陷。目前两次淬火法在生产产上很上很少少应应用，用，仅对仅对性能要求性能要求较较高的零件才高的零件才间间或采用。或采用。二、化学热处理分类二、化
36、学热处理分类2.渗氮渗氮 渗氮是将工件放在含氮介质中，加热到渗氮是将工件放在含氮介质中，加热到480600低温，低温，使氮原子渗入其表面，形成以氮化物为主的渗层，也称为氮化。使氮原子渗入其表面，形成以氮化物为主的渗层，也称为氮化。（1）渗氮的特点及工艺过程渗氮的特点及工艺过程 渗氮可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，渗氮后的渗氮可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，渗氮后的表面硬度可以高达表面硬度可以高达HV9501200(相当于相当于HRC6572），无需），无需再进行热处理，而且到再进行热处理，而且到600仍可维持相当高的硬度。渗氮还仍可维持相当高的硬度。渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳
37、被度。此外，由于渗氮温度较低可获得比渗碳更高的弯曲疲劳被度。此外，由于渗氮温度较低（500570之间），故变形很小，渗氮也可以提高工件的抗之间），故变形很小，渗氮也可以提高工件的抗腐蚀性能。目前除了钢以外，其它如钛、钼等难熔金属及其合腐蚀性能。目前除了钢以外，其它如钛、钼等难熔金属及其合金也广泛地采用渗氮。但是渗氮工艺过程较长，劳动条件差，金也广泛地采用渗氮。但是渗氮工艺过程较长，劳动条件差，渗层也较薄，不能承受太大的接触应力。渗层也较薄，不能承受太大的接触应力。2.渗氮渗氮（2）渗氮工艺参数控制）渗氮工艺参数控制 一般控制渗氮的工艺参数是加热温度、保温时间一般控制渗氮的工艺参数是加热温度、保
38、温时间及不同加热、保温阶段的罐内氨分解率。及不同加热、保温阶段的罐内氨分解率。渗氮温度渗氮温度 常在常在480560范围内选择。随着渗氮温度范围内选择。随着渗氮温度的提高，渗层深度增加，而硬度却显著降低。的提高，渗层深度增加，而硬度却显著降低。渗氮时间渗氮时间 渗氮层随时间延长而增厚，呈抛物线规律，随渗氮层随时间延长而增厚，呈抛物线规律，随保温时间的延长，硬度下降。渗氮时间根据钢材成分、保温时间的延长，硬度下降。渗氮时间根据钢材成分、渗氮温度与层深要求而定。渗氮温度与层深要求而定。氨分解率氨分解率 对于一定的工艺温度，氨分解率在一个比较适对于一定的工艺温度，氨分解率在一个比较适宜的范围降低时，
39、渗氮层深度及硬度也随之下降，超过宜的范围降低时，渗氮层深度及硬度也随之下降，超过一定界限，就会很快下降。氨分解率的控制是通过调整一定界限，就会很快下降。氨分解率的控制是通过调整氨的流量及炉内压力来实现的。氨的流量及炉内压力来实现的。2.渗氮渗氮（3）渗氮工艺方法）渗氮工艺方法 根据使用介质的不同，渗氮工艺可以分成固体渗根据使用介质的不同，渗氮工艺可以分成固体渗氮、液体渗氮和气体渗氮三种。由于气体渗氮法远优氮、液体渗氮和气体渗氮三种。由于气体渗氮法远优于另外两种，因而气体渗氮法在工业生产中使用最多。于另外两种，因而气体渗氮法在工业生产中使用最多。气体渗氮基本装置气体渗氮基本装置 1-氨瓶氨瓶 2
40、-干燥箱干燥箱 3-氨压力表氨压力表 4-流量计流量计 5-进气管进气管6-热电偶热电偶 7-渗氮罐渗氮罐 8-氨分解测定计氨分解测定计 9-U形压力计形压力计 10-泡泡瓶泡泡瓶二、化学热处理分类二、化学热处理分类3.碳氮共渗碳氮共渗 碳氮共渗是在一定温度下，同时将碳、氮碳氮共渗是在一定温度下，同时将碳、氮渗入工件表面奥氏体中，并以渗碳为主的化学渗入工件表面奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺。碳氮共渗层比渗碳有更高的耐磨热处理工艺。碳氮共渗层比渗碳有更高的耐磨性、疲劳强度和耐蚀性；比渗氮有较高的抗压性、疲劳强度和耐蚀性；比渗氮有较高的抗压强度和较低的表面脆性。而且生产周期短，渗强度和较低
41、的表面脆性。而且生产周期短，渗速快，所用材料广泛。速快，所用材料广泛。3.碳氮共渗碳氮共渗（1）碳氮共渗分类及特点碳氮共渗分类及特点分类：分类：按所使用介质的不同可分为固体碳氮共渗、液体碳氮共渗和气体碳氮按所使用介质的不同可分为固体碳氮共渗、液体碳氮共渗和气体碳氮共渗。其中气体碳氮共渗表面质量容易控制，操作简便，生产过程共渗。其中气体碳氮共渗表面质量容易控制，操作简便，生产过程易于实现机械化与自动化，应用广泛。易于实现机械化与自动化，应用广泛。按渗层深度分类，可分为薄层碳氮共渗、碳氮共渗和深层碳氮共渗。按渗层深度分类，可分为薄层碳氮共渗、碳氮共渗和深层碳氮共渗。按共渗温度分类，可分为低温碳氮共
42、渗、中温碳氮共渗和高温碳氮共按共渗温度分类，可分为低温碳氮共渗、中温碳氮共渗和高温碳氮共渗。渗。特点：特点：碳氮共渗温度低，共渗后奥氏体晶粒不致长大，可以直接淬火，而且碳氮共渗温度低，共渗后奥氏体晶粒不致长大，可以直接淬火，而且变形小；变形小；由于氮的渗入，提高了渗层中的碳浓度；由于氮的渗入，提高了渗层中的碳浓度；共渗层的淬火组织，一般是由细针状共渗层的淬火组织，一般是由细针状(或隐晶或隐晶)马氏体、适量碳氮化合马氏体、适量碳氮化合物及残余奥氏体组成；物及残余奥氏体组成；具有高耐磨性；具有高耐磨性；碳氮共渗的渗层较薄，在碳氮共渗的渗层较薄，在0.250.6mm范围。范围。3.碳氮共渗碳氮共渗（
43、2）碳氮共渗后的热处理）碳氮共渗后的热处理 碳氮共渗因温度较低，一般不会发生晶粒长大，故碳氮共渗因温度较低，一般不会发生晶粒长大，故在共渗后大都可以进行直接淬火，使得渗层转变为含在共渗后大都可以进行直接淬火，使得渗层转变为含碳、氮的马氏体，心部为马氏体、贝氏体或珠光体组碳、氮的马氏体，心部为马氏体、贝氏体或珠光体组织，通过低温回火，适当提高钢的韧性。织，通过低温回火，适当提高钢的韧性。3.碳氮共渗碳氮共渗（3）气体碳氮共渗气体碳氮共渗 气体碳氮共渗与气体渗碳差不多，仅需将渗碳设备略加改气体碳氮共渗与气体渗碳差不多，仅需将渗碳设备略加改装，增添供氨系统即可。装，增添供氨系统即可。对碳氮共渗介质的
44、基本要求：碳氮共渗介质在加热时应能对碳氮共渗介质的基本要求：碳氮共渗介质在加热时应能同时产生碳、氮活性原子，碳、氮含量成一定比例同时产生碳、氮活性原子，碳、氮含量成一定比例 共渗温度的选择应同时考虑工艺性和工件的使用性能，如共渗温度的选择应同时考虑工艺性和工件的使用性能，如共渗速度、工件变形、渗层组织及性能等。温度愈高，为达到共渗速度、工件变形、渗层组织及性能等。温度愈高，为达到一定厚度渗层所需时间愈短，但工件变形增大，而且渗层中氮一定厚度渗层所需时间愈短，但工件变形增大，而且渗层中氮含量急剧下降。温度过低，不仅渗速减慢，而且在渗层表面易含量急剧下降。温度过低，不仅渗速减慢，而且在渗层表面易形
45、成脆性的高氮化合物，心部组织淬火后硬度较低，性能变差。形成脆性的高氮化合物，心部组织淬火后硬度较低，性能变差。共渗温度一经确定，则保温时间主要取决于渗层深度要求，共渗温度一经确定，则保温时间主要取决于渗层深度要求，随着时间延长，渗层内碳、氮浓度梯度变得较为平缓，有利于随着时间延长，渗层内碳、氮浓度梯度变得较为平缓，有利于提高工件表面的承载能力。但时间过长，易使表面碳、氮浓度提高工件表面的承载能力。但时间过长，易使表面碳、氮浓度过高，引起表面脆性或淬火后残余奥氏体过多。如出现这种情过高，引起表面脆性或淬火后残余奥氏体过多。如出现这种情况，应该降低共渗后期的渗剂供应量，或适当提高处理温度。况，应该
46、降低共渗后期的渗剂供应量，或适当提高处理温度。第三节第三节 表面淬火处理表面淬火处理利用快速加热将钢件表面加热到其共析温度以上转变为奥氏利用快速加热将钢件表面加热到其共析温度以上转变为奥氏体，然后快冷，形成马氏体组织的硬化层，而心部仍保持其体，然后快冷，形成马氏体组织的硬化层，而心部仍保持其原始组织原始组织珠光体、索氏体，硬化层与基体之间一般都珠光体、索氏体，硬化层与基体之间一般都存在有不完全淬火的过渡层，这种工艺常称为表面淬火。存在有不完全淬火的过渡层，这种工艺常称为表面淬火。表面淬火方法很多，根据加热时所用的功率密度大小可分为：表面淬火方法很多，根据加热时所用的功率密度大小可分为：较高能率
47、密度加热和高能率密度加热。根据加热方法的不同较高能率密度加热和高能率密度加热。根据加热方法的不同可分为：感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热等。可分为：感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热等。根据加热的能量来源的不同又可分为：内热源加热和外热源根据加热的能量来源的不同又可分为：内热源加热和外热源加热。加热。表面淬火极大地提高了生产率，节省能源，所以是发展相当表面淬火极大地提高了生产率，节省能源，所以是发展相当迅速的热处理工艺。原始组织对快速加热固态相变影响很大。迅速的热处理工艺。原始组织对快速加热固态相变影响很大。原始组织细、均匀时，可在较低温度和较短的保温时间内完原始组织细、均匀时，
48、可在较低温度和较短的保温时间内完成组织转变，淬火后得到细的或隐晶马氏体，硬度高，疲劳成组织转变，淬火后得到细的或隐晶马氏体，硬度高，疲劳强度高，耐磨性好。为此，表面淬火前一般需要进行预处理，强度高，耐磨性好。为此，表面淬火前一般需要进行预处理，中碳结构钢常采调质或正火处理。中碳结构钢常采调质或正火处理。第三节第三节 表面淬火处理表面淬火处理一、感应淬火一、感应淬火1.特点特点热能集中工件表面层，加热速度快，热能集中工件表面层，加热速度快，生产率高；生产率高；加热时间短，没有保温时间，表面氧加热时间短，没有保温时间，表面氧化、脱碳轻微，表面局部加热，使淬化、脱碳轻微，表面局部加热，使淬火变形小；
49、火变形小；表面硬度高，耐磨性好；表面硬度高，耐磨性好；因马氏体转变时体积膨胀，使工件表因马氏体转变时体积膨胀，使工件表层存在压应力，从而提高了疲劳极限；层存在压应力，从而提高了疲劳极限；淬火时工件内部未被加热，故淬火变淬火时工件内部未被加热，故淬火变形小；形小；感应加热淬火设备可安置在生产线上，感应加热淬火设备可安置在生产线上，进行程序自动控制；进行程序自动控制；设备昂贵，维修调整技术要求高，不设备昂贵，维修调整技术要求高，不适宜单件及小批量生产。适宜单件及小批量生产。第三节第三节 表面淬火处理表面淬火处理2.感应淬火工艺感应淬火工艺淬火后的回火淬火后的回火（低温回火（低温回火）获得的组织与性
50、能获得的组织与性能（马氏体，高疲劳强（马氏体，高疲劳强度、低疲劳缺口敏感性度、低疲劳缺口敏感性）感应淬火感应淬火（同时加热或连续加热（同时加热或连续加热）淬火冷却淬火冷却（喷液冷却或浸液冷却（喷液冷却或浸液冷却）第三节第三节 表面淬火处理表面淬火处理二、火焰淬火二、火焰淬火 火焰淬火是外热源加热淬火的一种，其特点：火焰淬火是外热源加热淬火的一种，其特点：操作方便，成本较低，灵活较大，对单件、小操作方便，成本较低，灵活较大，对单件、小批量生产的异形大型件及淬火面积大的工件等较为适批量生产的异形大型件及淬火面积大的工件等较为适用；用；加热的功率密度不太大，淬硬层较深，可在较加热的功率密度不太大，淬