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1、一、感应加热表面淬火 1原理:交变磁场 感应电流 工件电阻 加热，集肤效应 表面加热 快速冷却第1页/共53页第2页/共53页n感应淬火频率的选用电流频率越高，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。根据零件表面有效淬硬层深度选择合适的频率，分高频、中频和工频。n 感应加热的工艺参数根据组织性能的要求，需控制其加热温度、加热速度和淬硬层深度，而这三个热参数有需通过控制设备的电参数（电流频率、单位表面功率）和加热时间来保证。第3页/共53页2分类 高频、中频、工频 等。第4页/共53页感应加热分为：感应加热分为：高频感应加热高频感应加热 频频率
2、率为为250-300KHz，淬淬 硬硬层层 深深度度0.5-2mm传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图第5页/共53页 中频感应加热中频感应加热 频频 率率 为为 2500-8000Hz，淬淬 硬硬层深度层深度2-10mm。各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴第6页/共53页 工频感应加热工频感应加热频率为频率为50Hz,淬淬硬层深度硬层深度10-15 mm各种感应器感应穿透加热第7页/共53页 3 3特 点 加热速度快：几秒几十秒。加热时实际晶粒度小，淬火得到极细马氏体，硬度脆性 加热层深度易控制 ，可实现自动化批量生产。不易氧化、脱碳、变形小。工艺易控制，但设备成本高。第
3、8页/共53页第9页/共53页汽车曲轴第10页/共53页4 4工艺路线 （用料 0.4-0.5%0.4-0.5%c c的中碳钢、中碳低合金钢,如：4545、40Cr40Cr等）锻造 退火 或 正火 粗加工 调质 精加工 表面淬火 低温回火（粗磨 时效 精磨 ）感应加热表面淬火对工件的原始组织有一定感应加热表面淬火对工件的原始组织有一定的要求。一般铸铁件的组织应是珠光体基体和细的要求。一般铸铁件的组织应是珠光体基体和细小均匀分布的石墨；钢件应预先进行正火或调质小均匀分布的石墨；钢件应预先进行正火或调质处理。处理。第11页/共53页二、火焰加热 火焰加热淬火是利用氧乙炔或煤气氧等）火焰直接加热工件
4、表面，然后立即喷水冷却。淬硬层深度一般为2 26mm6mm。第12页/共53页n 火焰淬火特点 优点：操作简便，设备简单，成本低，灵活性大；缺点：加热温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不稳定。n 火焰淬火适用范围 单件、小批生产以及大型零件（如大模数齿轮、大型 轴类等）的表面淬火。第13页/共53页火焰加热火焰加热:利用乙炔火焰直接利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。加热工件表面的方法。成本成本低，但质量不易控制。低，但质量不易控制。激光热处理激光热处理:利用高能量密度利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的激光对工件表面进行加热的方法。的方法。效率高，质量好。效率高，质量好。火焰加热表面
5、淬火示意图激光表面热处理火焰加热表面淬火第14页/共53页激光表面淬火利用高能量密度（104108W/cm2）的激光对工件表面进行加热的方法。激光加热时，因其过程极短，无需考虑大气介质的影响，没有氧化脱碳现象，淬火表面光亮洁净；又由于加热层是靠自急冷淬火，无需特殊的冷却设备；加热快、区域小，因而工件的变形极小。激光加热导光系统原理示意图第15页/共53页1.工艺参数：光斑尺寸、扫描速度、激光功率等。2.激光淬火淬硬深度0.30.5mm，硬度比普通淬火硬度高 15%20%。3.激光淬火后，表面具有4000MPa的残余压应力，有利于疲劳 强度提高。4.激光淬火精确的局部加热，可以解决工件拐角、沟槽
6、、盲孔、深孔内壁等其他热处理方法很难解决的强化问题。5.激光淬火前，需对淬火表面进行黑化处理，即在被加热的表 面涂一层吸光涂层，以提高激光的吸收率。6.已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。激光表面淬火的特点：第16页/共53页5-8 5-8 钢的化学热处理 化学热处理 将工件置于特定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，从而通过改变表层的化学成分和组织 来改变其性能。分类 渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等。第17页/共53页一、钢的渗碳 （包括：气体、固体渗碳）渗碳 低碳钢在高碳介质中加热、保温，以获得高碳表层的热处理工艺。目的 提高表面硬度，耐磨性，
7、心部保持一定的强度和良好的塑韧性。如齿轮、轴类、链条、套筒、活塞销。第18页/共53页 1 1渗碳工艺 钢 种 0.1-0.25%c0.1-0.25%c的低碳钢和低碳合金钢。如：1515、2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、20CrMnMo 20CrMnMo、18CrMnTi 18CrMnTi。加热温度 Ac Ac3 3 以上，一般为900900950 950。加热时间 根据所需渗层厚度决定。（一般经现场试验测定）渗层厚度（D Dp p）：轴类：D Dp=p=(0.1(0.1 0.2)R0.2)R 齿轮：D Dp=p=(0.1(0.1 0.2)m0.2)m 薄片：D
8、Dp=p=(0.1(0.1 0.2)t0.2)t (R (R、m m、t t分别代表轴半径、齿轮模数、零件厚度）第19页/共53页n常用钢号及用常用钢号及用途途低淬透性钢：低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。柴油机凸轮轴20Cr活塞销第20页/共53页中淬透性钢：中淬透性钢：20CrMnTi 用于中等载荷的用于中等载荷的耐磨件，如变速耐磨件，如变速箱齿轮。箱齿轮。高淬透性钢：高淬透性钢：18Cr2Ni4WA 用于大载荷的耐用于大载荷的耐磨件，如柴油机磨件，如柴油机曲轴。曲轴。增压柴油机曲轴汽车变速箱齿轮第21页/共53页 固体渗碳法示意图零件渗碳剂试棒盖
9、泥封渗碳箱2.渗碳方法：固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。第22页/共53页 气体渗碳法示意图第23页/共53页可控气氛渗碳炉渗碳炉第24页/共53页3.3.渗碳件的技术条件：渗碳层的表面含碳量最好在 0.85-1.05%c0.85-1.05%c 含碳量太低：得不到高碳马氏体，硬度低、耐磨性差。含碳量太高：渗碳层会出现大量块状或网状 渗碳体，渗层变脆，易剥落。第25页/共53页4 4渗碳后的淬火 直接淬火 奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A A多，耐磨性低，变形大。(如：图a a、图b)b)只适用于细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。一次淬火 加热温度AcAc3 3以上（心部性能好）或 AcAc1 1
10、以上（表面性能好）二次淬火 Ac3以上（改善心部性能）+Ac1以上 （改善表面性能）第26页/共53页第27页/共53页5.渗碳的特点 生产效率高、质量易 控制、可实现生产自 动化。工业生产应用 极为广泛。6 6加工工艺路线 锻造 正火 切削加工 渗碳 淬火 低温回火 精磨。经渗碳的机车从动齿轮第28页/共53页7.渗碳后的组织 外层过共析层、中间共析层、心部是原始组织。渗碳层深度确定：从表面到含碳量为0.4%c0.4%c处。测定 时按50%F+50%P 50%F+50%P 量时确定。退火态：第29页/共53页20钢渗碳缓冷组织(化染)580 表层珠光体+网状渗碳体;中层珠光体;内层铁素体+珠
11、光体第30页/共53页20CrMnTi 钢渗碳层组织(化染)320 渗碳体(白色块状)+高碳M(兰色针状)+残余A(棕黄色)第31页/共53页8.8.渗碳热处理后的常见缺陷n渗碳件的质量检查项目 渗碳钢原材料检查、渗层质量检查（渗层深度、渗层碳浓度、碳化物、残余奥氏体及马氏体级别等)、渗碳件心部铁素体级别的评定、渗层和心部硬度的检查、渗碳件变形量的检查。n渗碳件的常见缺陷 渗层厚度不合要求（太浅或太厚、渗层薄厚不均、过共析与共析层厚度过大或过小）、渗层组织不合要求（碳化物过多呈大块状或网状分布、残余奥氏体量过多、内氧化、脱碳、表层出现铁素体）、硬度超差（表层硬度偏低或不均、心部硬度偏低或偏高）
12、、变形过量。第32页/共53页心部组织第33页/共53页n真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点：表面质量好,渗碳速度快。真空渗碳炉第34页/共53页越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。长55.7厘米，剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。第35页/共53页二、氮化 工件表面渗入氮原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。特点 ：1.1.表面硬度高（可达100010002000 Hv 2000 Hv 即 69HRC69HRC以上 ）2.2.高的热硬性（在550550600 600 时仍保持很高的硬度）3.3.氮化温度低、工件变形极小。4.4.氮化前调质处理
13、、保证心部的强度。氮化后无须淬火 5.5.工艺时间长且渗层薄（一般为0.3 0.3 0.5mm0.5mm）。第36页/共53页氮化的特点及应用氮化的特点及应用氮化件表面硬度高（氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性），耐磨性高。高。疲劳强度高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。由于表面存在压应力。氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度第37页/共53页工件变形小。工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。行热处理。耐蚀性好。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化
14、层薄。工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。等。缝纫机用氮化件经离子氮化的机车曲轴第38页/共53页 材料：含CrCr、MoMo、AlAl等合金元素 的中碳合金钢。常用：38CrMoAlA38CrMoAlA 应用：广泛用于高速传动的精密齿轮；高精度机床主轴；以及要求变 形小且具有抗蚀能力的零件：阀门。井式气体氮化炉第39页/共53页38 CrMoAl 气体渗氮层组织(化染)650 黄色区:(Fe2-3N)+(Fe4N);红色区:(Fe
15、4N);蓝绿色区:含氮索氏体+脉状氮化物;绿黄色区:索氏体基体。第40页/共53页 38CrMoAl氮化层38CrMoAl氮化层硬度第41页/共53页 氮化件加工工艺：锻造 退火 粗加工 调质处理 半精加工 去应力退火 粗磨 氮化 精磨。目前现代工业生产中较多采用离子氮化（即在一定真空度下，用工件和阳极之间产生的辉光放电现象进行的。所以也称为 辉光”离子氮化）。其特点：渗氮速度快、生产周期短，38CrMoAlA38CrMoAlA为例：渗层要 求0.5mm0.5mm，气体渗氮50h 50h 以上，离子氮化151520h20h；对材料的适应性强：渗碳用钢、合金钢、铸铁都可以。第42页/共53页气体
16、氮化法与气体渗碳法气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。短，氮化层脆性小。离子氮化炉第43页/共53页 渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否需要热处理处理时间(h)处理温度()名称需要39900950渗碳不需要2050500600渗氮第44页/共53页三.碳氮共渗 同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学 热处理工艺，也称为氰化。中温气体碳氮共渗：（渗碳为主）常用温度：820 860 时 间：根据要
17、求2 8h 渗 层：0.3 0.3 0.8 mm0.8 mm 材 料：低碳、中碳钢和中碳合金钢。应用：用于提高结构件（如：齿轮、蜗轮、蜗杆、轴类件）的硬度、耐磨性和抗疲劳性。第45页/共53页 低温气体碳氮共渗：（即：软氮化）（渗氮为主）常用温度：560 570 时 间：2 3h 渗 层：0.01 0.01 0.02 mm0.02 mm 材料：不限制钢种：碳钢、合金钢、工具钢、不锈钢、铸铁 应用：目前软氮化由于渗层脆性小，不易剥落，已广泛应用 于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等 耐磨件的处理。但由于渗层较薄，仅有0.010.02mm，不宜用于重载工作的工件。第46页/共53页在气体
18、介质中对工件同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺称为气体氮碳共渗。与渗氮相比，渗层硬度较低，脆性较小，故称软氮化。氮碳共渗温度530570，应比回火温度低5 510 10，或与之相同。渗剂：通氨滴醇、尿素分解等。井式渗碳炉第47页/共53页三、三束表面改性技术三、三束表面改性技术 三束表面改性技术三束表面改性技术是指将是指将激光束激光束、电子束电子束和和离子束离子束(合称合称“三束三束”)等具有高能量密度的能源等具有高能量密度的能源(一般大一般大于于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。化学变化，以获得特殊表面
19、性能的技术。激激光光束束加加工工电子束加工等离子束加工第48页/共53页5-9 5-9 热处理与机械零件设计制造的关系一、热处理对零件结构形状的要求 1.避免尖角、棱角 2.避免零件截面尺寸相差悬殊 3.采用对称、封闭结构 4.采用组合结构二、热处理对切削加工工艺的要求 1.合理安排冷热加工工序 2.预留加工余量 3.减小加工表面粗糙度三、热处理技术条件的标注第49页/共53页n在设计淬火零件的结构、形状及尺寸时，应掌握以下原则在零件设计过程中，要在尖角、棱角地方倒角。因为尖角、棱角部分是淬火时应力最为集中地方，往往成为淬火裂纹的起点。避免工件尖角第50页/共53页设计时要避免厚薄悬殊，使淬火后薄处变形直径增大。设计时还要考虑零件对称，零件形状不对称，淬火后零件椭园度变大，为此开一个工艺孔可减少椭园度。零件存在危险截面应加厚薄壁 开工艺孔避免淬火变形、开裂 第51页/共53页本章重点 1.1.奥氏体晶粒长大的影响因素及控制方法。2.2.奥氏体等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态 、性能间的关系。3.3.奥氏体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。4.4.四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。第52页/共53页感谢您的观看。第53页/共53页