【文章內(nèi)容簡介】 性可分為兩類： 1) 第一類回火脆性 (低溫回火脆性 ) 鋼在 250℃ ～ 350℃ 范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性。因為這種回火脆性產(chǎn)生后無法消除，所以也稱它為不可逆回火脆性?；鼗鸷蟮睦鋮s速度對這種脆性沒有影響。低溫回火脆性產(chǎn)生的原因是由于回火馬氏體中分解出穩(wěn)定的細片狀化合物而引起的。為了防止低溫回火脆性，通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火，有時為了保證要求的力學(xué)性能，必須在脆化溫度回火時，可采取等溫淬火。 2) 第二類回火脆性 (高溫回火脆性 ) 有些合金鋼尤其是含 Cr、 Ni、 Mn等元素的合金鋼，在 450℃ ～ 650℃ 高溫回火后緩冷時，會使沖擊韌性下降的現(xiàn)象，而回火后快冷則不出現(xiàn)脆性。這種脆性稱為高溫回火脆性，有時也稱可逆回火脆性。這種脆性的產(chǎn)生與加熱和冷卻條件有關(guān)。 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 圖 鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 鋼的表面熱處理 許多機器零件，如齒輪、凸輪、曲軸等是在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷下工作，同時受到強烈的摩擦、磨損和沖擊。這時應(yīng)力沿工件斷面的分布是不均勻的，越靠近表面應(yīng)力越大，越靠近心部應(yīng)力越小。這種工件只需要一定厚度的表層得到強化，表層硬而耐磨，心部仍可保留高韌性狀態(tài)。要同時滿足這些要求，僅僅依靠選材是比較困難的，用普通的熱處理也無法實現(xiàn)。這時可通過表面熱處理的手段來滿足工件的使用要求。 僅對鋼的表面快速加熱、冷卻，把表層淬成馬氏體，心部組織不變的熱處理工藝稱為表面熱處理。 按照加熱方式，較常用的表面熱處理方法有：感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和電接觸加熱表面淬火等。 第 6章 鋼的熱處理工藝 感應(yīng)加熱表面熱處理 1. 基本原理 感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理。將工件置于用銅管制成的感應(yīng)圈中，向感應(yīng)圈中通交流電時，在它的內(nèi)部和周圍將產(chǎn)生一個與電流頻率相同的交變磁場，若把工件置于磁場中，則在工件 (導(dǎo)體 )內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電阻的作用工件被加熱。由于交流電的“集膚效應(yīng)”，靠近工件表面電流密度最大，而工件心部電流幾乎為零。幾秒內(nèi)工件表面溫度就可以達到 800℃ ～ 1000℃ ，而心部仍接近室溫。當表層溫度升高至淬火溫度時，立即噴液冷卻使工件表面淬火。圖 。 鋼的表面熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 圖 感應(yīng)加熱表面淬火示意圖 鋼的表面熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 電流透入工件表層的深度主要與電流頻率有關(guān)，頻率越高，透入層深度越小。對于碳鋼，淬硬層深度與電流頻率存在以下關(guān)系： 式中 —— 淬硬層深度 (mm)； f —— 電流頻率 (Hz)。 可見，電流頻率越大，淬硬層深度越薄。因此，通過改變交流電的頻率，可以得到不同厚度的淬硬層，生產(chǎn)中一般根據(jù)工件尺寸大小及所需淬硬層的深度來選用感應(yīng)加熱的頻率，見表 63。 500f? ??表 63 電流頻率與淬硬層深度的關(guān)系 電 流 頻 率 淬 硬 層 深 度 /mm 應(yīng) 用 高頻 200kHz～300kHz ～ 中小型零件，如小模數(shù)齒輪，中小直徑軸類零件 中頻 2500Hz～8000Hz 2～ 5 大模數(shù)齒輪、大直徑軸類零件 工頻 50Hz 10～ 15 軋輥、火車車輪等大件 鋼的表面熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 感應(yīng)加熱設(shè)備的頻率不同，其使用范圍也不同。高頻加熱表面淬火主要用于中小模數(shù)齒輪和軸類零件；中頻加熱表面淬火主要用于曲軸、凸輪和大模數(shù)齒輪；工頻加熱表面淬火主要用于冷軋輥和車輪等。 2. 感應(yīng)加熱表面熱處理的特點 (1) 由于感應(yīng)加熱速度極快，過熱度增大，使鋼的臨界點升高，故感應(yīng)加熱淬火溫度 (工件表面溫度 )高于一般淬火溫度。 (2) 由于感應(yīng)加熱速度快，奧氏體晶粒不易長大，淬火后獲得非常細小的隱晶馬氏體組織，使工件表層硬度比普通淬火高 2HRC～ 3HRC，耐磨性也有較大提高。 (3) 表面淬火后，淬硬層中馬氏體的比體積較原始組織大，因此表層存在很大的殘余壓應(yīng)力，能顯著提高零件的彎曲、抗扭疲勞強度。小尺寸零件可提高 2～ 3倍，大尺寸零件可提高 20%～ 30%。 (4) 由于感應(yīng)加熱速度快、時間短，故淬火后無氧化、脫碳現(xiàn)象，且工件變形也很小，易于實現(xiàn)機械化與自動化。 由于以上特點，感應(yīng)加熱表面淬火在熱處理生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。其缺點是設(shè)備昂貴，形狀復(fù)雜的零件處理比較困難。 感應(yīng)加熱淬火后，為了減小淬火應(yīng)力和降低脆性，需進行 170℃ ～ 200℃ 的低溫回火，尺寸較大的工件也可利用淬火后的工件余熱進行自回火。 鋼的表面熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 3. 感應(yīng)加熱適用的鋼種與應(yīng)用舉例 感應(yīng)加熱表面淬火一般適用于中碳鋼和中碳低合金鋼 (含碳量 %～%)，如 4 40Cr、 40MnB等。用于齒輪、軸類零件的表面硬化，提高耐磨性和疲勞強度。表面淬火零件一般先通過調(diào)質(zhì)或正火處理，使心部保持較高的綜合力學(xué)性能，表層則通過表面淬火 +低溫回火獲得高硬度大于 50HRC、高耐磨性。 一般感應(yīng)加熱淬火零件的加工工藝路線為：下料 →鍛造 →退火或正火 →粗加工 →調(diào)質(zhì) →精加工 →表面淬火 →低溫回火 →(粗磨 →時效 →精磨 )。 例：某機床主軸選用 40Cr鋼制造，制作工藝如下： 下料 → 鍛造成毛坯 → 退火或正火 → 粗加工 → 調(diào)質(zhì) → 精加工 → 高頻感應(yīng)加熱淬火 → 低溫回火 → 研磨 → 入庫 主軸在制作過程中有兩道中間熱處理工序，鍛造之后毛坯件退火采用完全退火或正火，目的是消除鍛造應(yīng)力，均勻成分，消除帶狀組織，細化晶粒，調(diào)整硬度，改善切削加工性能。精加工之前的調(diào)質(zhì)熱處理有兩個重要目的：第一個目的是賦予主軸 (整體 )良好的綜合力學(xué)性能；第二目的是調(diào)整好表層組織，為感應(yīng)加熱淬火作組織準備。感應(yīng)加熱淬火并低溫回火，屬于最終熱處理，賦予主軸軸頸部位 (表層 )的抗摩擦、磨損性能和高的接觸疲勞強度。 鋼的表面熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 火焰加熱表面熱處理 火焰加熱表面淬火是一種利用乙炔 — 氧氣或煤氣 — 氧氣混合氣體的燃燒火焰，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，隨后以浸水和噴水方式進行激冷，使工件表層轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而心部組織不變的工藝方法。圖 理示意圖。 圖 火焰加熱表面熱處理示意圖 火焰加熱表面淬火的優(yōu)點是：設(shè)備簡單、成本低、工件大小不受限制。缺點是淬火硬度和淬透性深度不易控制，常取決于操作工人的技術(shù)水平和熟練程度；生產(chǎn)效率低，只適合單件和小批量生產(chǎn)。 鋼的表面熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 鋼的化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素原子滲入工件表層，以改變鋼件表層化學(xué)成分和組織，進而達到改進表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理工藝。 表面化學(xué)成分改變是通過以下三個基本過程實現(xiàn)的： ① 化學(xué)介質(zhì)的分解，通過加熱使化學(xué)介質(zhì)釋放出待滲元素的活性原子，例如滲碳時 CH4→2H2+[C]，滲氮時 2NH3→3H2+2[N]； ② 活性原子被鋼件表面吸收和溶解，進入晶格內(nèi)形成固溶體或化合物； ③ 原子由表面向內(nèi)部擴散，形成一定的擴散層。 按表面滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等。目前，生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的化學(xué)熱處理是滲碳、滲氮和碳氮共滲。 第 6章 鋼的熱處理工藝 滲碳 將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝稱為滲碳。其目的是通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好的抗疲勞性能，而心部具有較高的強度和良好的韌性。滲碳并經(jīng)淬火加低溫回火與表面淬火不同，表面淬火不改變表層的化學(xué)成分，而是依靠表面加熱淬火來改變表層的組織，從而達到表面強化的目的；而滲碳并經(jīng)淬火加低溫回火則能同時改變表層的化學(xué)成分和組織，因而能更有效地提高表層的性能。 1. 滲碳方法 圖 氣體滲碳裝置示意圖 滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前，廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。氣體滲碳法是將低碳鋼或低碳合金鋼工件置于密封的滲碳爐中，加熱至完全奧氏體化溫度 (奧氏體溶碳量大，有利于碳的滲入 )，通常是 900℃ ～ 950℃，并通入滲碳介質(zhì)使工件滲碳。氣體滲碳介質(zhì)可分為兩大類：一是液體介質(zhì) (含有碳氫化合物的有機液體 )，如煤油、苯、醇類和丙酮等，使用時直接滴入高溫爐罐內(nèi)，經(jīng)裂解后產(chǎn)生活性碳原子；二是氣體介質(zhì)，如天然氣、丙烷氣及煤氣等，使用時直接通入高溫爐罐內(nèi)，經(jīng)裂解后用于滲碳。圖 示意圖 鋼的化學(xué)熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 圖 氣體滲碳裝置示意圖 2. 滲碳后的組織 常用于滲碳的鋼為低碳鋼和低碳合金鋼，如 20Cr、 20CrMnTi、 12CrNi3等。滲碳后滲層中的含碳量表面最高 (約 %)，由表及里逐漸降低至原始含碳量。所以滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為：過共析組織 (珠光體＋碳化物 )、共析組織 (珠光體 )、亞共析組織 (珠光體 +鐵素體 )的過渡層，直至心部的原始組織。對于碳鋼，滲層深度規(guī)定為：從表層到過渡層一半 (50%P+50%F)的厚度。圖 。 圖 低碳鋼滲碳緩冷后的顯微組織 鋼的化學(xué)熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 根據(jù)滲層組織和性能的要求，一般零件表層含碳量最好控制在 %～%之間，若含碳量過高，會出現(xiàn)較多的網(wǎng)狀或塊狀碳化物，則滲碳層變脆，容易脫落；含碳量過低，則硬度不足，耐磨性差。 滲碳層含碳量和滲碳層深度依靠控制通入的滲碳劑量、滲碳時間和滲碳溫度來保證。當滲碳零件有不允許高硬度的部位時，如裝配孔等，應(yīng)在設(shè)計圖樣上予以注明。該部位可采取鍍銅或涂抗?jié)B涂料的方法來防止?jié)B碳，也可采取多留加工余量的方法，待零件滲碳后在淬火前去掉該部位的滲碳層 (即退碳 )。 3. 滲碳后的熱處理 工件滲碳后必須進行適當?shù)臒崽幚恚駝t就達不到表面強化的目的。滲碳后的熱處理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法，如圖 。 工件滲碳后隨爐 [見圖 (a)]或出爐預(yù)冷 [見圖 (b)]到稍高于心部成分的 Ar3溫度 (避免析出鐵素體 )，然后直接淬火，這就是直接淬火法。預(yù)冷的目的主要是減少零件與淬火介質(zhì)的溫差，以減少淬火應(yīng)力和零件的變形。直接淬火法 工藝簡單、生產(chǎn)效率高、成本低、氧化脫碳傾向小。但因工件在滲碳溫度下長時間保溫，奧氏體晶粒粗大，淬火后則形成粗大馬氏體，性能下降，所以只適用于過熱傾向小的本質(zhì)細晶粒鋼，如 20CrMnTi等。 鋼的化學(xué)熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 零件滲碳終了出爐后緩慢冷卻，然后再重新加熱淬火，這稱為一次淬火法 [見圖 (c)]。這種方法可細化滲碳時形成的粗大組織，提高力學(xué)性能。淬火溫度的選擇應(yīng)兼顧表層和心部。如果強化心部，則加熱到以上，使其淬火后得到低碳馬氏體組織；如果強化表層，需加熱到以上。這種方法適用于組織和性能要求較高的零件，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。 工件滲碳冷卻后兩次加熱淬火，即為兩次淬火法，如圖 (d)所示。一次淬火加熱溫度一般為心部的以上，目的是細化心部組織，同時消除表層的網(wǎng)狀碳化物。二次淬火加熱溫度一般為以上，使?jié)B層獲得細小粒狀碳化物和隱晶馬氏體，以保證獲得高強度和高耐磨性。該工藝復(fù)雜、成本高、效率低、變形大，僅用于要求表面高耐磨性和心部高韌性的重要零件。 滲碳件淬火后都要在 160℃ ～ 180℃ 范圍內(nèi)進行低溫回火。淬火加回火后，滲碳層的組織由高碳回火馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體組成，其硬度可達到 58HRC～ 64HRC，具有高的耐磨性。心部組織與鋼的淬透性及工件的截面尺寸有關(guān)。全部淬透時是低碳馬氏體；未淬透時是低碳馬氏體加少量鐵素體或屈氏體加鐵素體。 鋼的化學(xué)熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 (a)、 (b)直接淬火 (c)一次淬火 (d)二次淬火 圖 滲碳后熱處理示意圖 鋼的化學(xué)熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 一般滲碳零件的加工工藝路線為 下料 →鍛造 →正火 →機加工 → 滲碳 → 淬火 +低溫回火 → 精加工