10讲钢的表面热处理与化学热处理.docVIP

《机械制造技术基础》教案 教学内容：钢的表面热处理与化学热处理 教学方式：结合实际，由浅如深讲解 教学目的： 掌握钢的表面热处理的目的和方法； 掌握钢的化学热处理方法及其应用； 了解钢的热处理的新技术。 重点、难点：钢的表面热处理方法与目的 钢的化学热处理方法及应用 教学过程： 6.5 钢的表面热处理与化学热处理 一些在弯曲、扭转、冲击载荷、磨擦条件区工作的齿轮等机器零件，它们要求具有表面硬、耐磨，而心部韧，能抗冲击的特性，仅从选材方面去考虑是很难达到此要求的。如用高碳钢，虽然硬度高，但心部韧性不足，若用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬度低，不耐磨，所以工业上广泛采用表面热处理来满足上述要求。 6.5.1 钢的表面淬火 仅对工件表层进行淬火的工艺，称为表面淬火。它是利用快速加热使钢件表面奥氏体化，而中心尚处于较低温度即迅速予以冷却，表层被淬硬为马氏体，而中心仍保持原来的退火、正火或调质状态的组织。 表面淬火一般适用于中碳钢（WC=0.4～0.5%）和中碳低合金钢（40Cr、40MnB等），也可用于高碳工具钢，低合金工具钢（如T8、9Mn2V、GCr15等）。以及球墨铸铁等。 目前应用最多的是感应加热和火焰加热表面淬火。 1、感应加热表面淬火 它是工件中引入一定频率的感应电流（涡流），使工件表面层快速加热到淬火温度后立即喷水冷却的方法。 （1）工作原理 如图6-14所示，在一个线圈中通过一定频率的交流电时，在它周围便产生交变磁场。若把工件放入线圈中，工件中就会产生与线圈频率相同而方向相反的感应电流。这种感应电流在工件中的分布是不均匀的，主要集中在表面层，愈靠近表面，电流密度愈大；频率愈高，电流集中的表面层愈薄。这种现象称为“集肤效应”，它是感应电流能使工件表面层加热的基本依据。 （2）感应加热的分类 根据电流频率的不同，感应加热可分为：高频感应加热（50～300kHz），适用于中小型零件，如小模数齿轮；中频感应加热（2.5～10kHz），适用于大中型零件，如直径较大的轴和大中型模数的齿轮；工频感应加热（50Hz），适用于大型零件，如直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。 图6-14 感应加热表面淬火示意图 （3）感应加热的特点 加热速度快、生产率高；淬火后表面组织细、硬度高（比普通淬火高HRC2～3）；加热时间短，氧化脱碳少；淬硬层深易控制，变形小、产品质量好；生产过程易实现自动化，其缺点是设备昂贵、维修、调整困难、形状复杂的感应圈不易制造，不适于单件生产。另外，工件在感应加热前需要进行预先热处理，一般为调质或正火，以保证工件表面在淬火后得到均匀细小的马氏体和改善工件心部硬度、强度和韧性以及切削加工性，并减少淬火变形。工件在感应表面淬火后需要进行低温回火（180～200℃）以降低内应力和脆性，获得回火马氏体组织。 2、火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是用乙炔—氧或煤气—氧的混合气体燃烧的火焰，喷射至零件表面上，使它快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和淬硬层深度的一种表面淬火方法。火焰加热常用的装置如图6-15所示。 火焰表面淬火零件的选材，常用中碳钢如35、45钢的以及中碳合金结构钢如40Cr、65Mn等，如果含碳量太低，则淬火后硬度较低；碳和合金元素含量过高，则易淬裂。火焰表面淬火法还可用于对铸铁件如灰铸件、合金铸铁进行表面淬火。火焰表面淬火的淬硬层深度一般为2-6mm，若要获得更深的淬硬层，往往会引起零件表面严重的过热，且易产生淬火裂纹。 由于火焰表面淬火方法简便，无需特殊设备，可适用于单件或小批生产的大型零件和需要局部淬火的工具和零件，如大型轴类、大模数齿轮、锤子等。但火焰表面淬火较易过热，淬火质量往往不够稳定，工作条件差，因此限制了它在机械制造业中的广泛应用。 图6-15 火焰表面淬火示意图 6.5.2 钢的化学热处理 化学热处理是将工件置于活性介质中加热和保温，使介质中活性原子渗入工件表层，以改变其表面层的化学成分、组织结构和性能的热处理工艺。根据渗入元素的类别，化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗等。 1、化学热处理的主要目的 除提高钢件表面硬度，耐磨性以及疲劳极限外，也用于提高零件的抗腐蚀性、抗氧化性，以代替昂贵的合金钢。 2、化学热处理的一般过程 任何化学热处理方法的物理化学过程基本相同，都要经过分解、吸收和扩散三个过程： （1）介质分解：分解出活性的[N]或[C]原子； （2）吸收：活性原子被工件表面吸收、先固溶于基体金属，当超过固溶度后，便可能形成化合物。 （3）原子向内扩散：形成具有一定厚度的渗层。 3、常用的化学热处理方法 （1）渗碳 将工件放在渗碳性介质中，使其表面层渗入碳原