【正文】 %P+50%F)的厚度。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。氣體滲碳介質(zhì)可分為兩大類：一是液體介質(zhì) (含有碳?xì)浠衔锏挠袡C(jī)液體 )，如煤油、苯、醇類和丙酮等，使用時(shí)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(shí)直接通入高溫爐罐內(nèi)，經(jīng)裂解后用于滲碳。目前，廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。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(dá)到表面強(qiáng)化的目的；而滲碳并經(jīng)淬火加低溫回火則能同時(shí)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。 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。 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。 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(jìn)而達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理工藝。 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(diǎn)是：設(shè)備簡單、成本低、工件大小不受限制。 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(jìn)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。精加工之前的調(diào)質(zhì)熱處理有兩個(gè)重要目的：第一個(gè)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(zhǔn)備。 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(shí)效 →精磨 )。用于齒輪、軸類零件的表面硬化，提高耐磨性和疲勞強(qiáng)度。 感應(yīng)加熱淬火后，為了減小淬火應(yīng)力和降低脆性，需進(jìn)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(jìn)行自回火。 由于以上特點(diǎn)，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。小尺寸零件可提高 2～ 3倍，大尺寸零件可提高 20%～ 30%。 (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(xì)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。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。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。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)。圖 。幾秒內(nèi)工件表面溫度就可以達(dá)到 800℃ ～ 1000℃ ，而心部仍接近室溫。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(shí)，在它的內(nèi)部和周圍將產(chǎn)生一個(gè)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。 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。這時(shí)可通過表面熱處理的手段來滿足工件的使用要求。這種工件只需要一定厚度的表層得到強(qiáng)化，表層硬而耐磨，心部仍可保留高韌性狀態(tài)。 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(jī)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(shí)受到強(qiáng)烈的摩擦、磨損和沖擊。這種脆性稱為高溫回火脆性，有時(shí)也稱可逆回火脆性。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(shí)為了保證要求的力學(xué)性能，必須在脆化溫度回火時(shí)，可采取等溫淬火。回火后的冷卻速度對這種脆性沒有影響。根據(jù)脆化現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理和溫度區(qū)間，回火脆性可分為兩類： 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(shí)出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性。 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 圖 鋼的硬度隨回火溫度的變化 圖 40鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系圖 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 4. 回火脆性 鋼在回火時(shí)會(huì)產(chǎn)生回火脆性現(xiàn)象，即在 250℃ ～ 400℃ 和 450℃ ～ 650℃ 兩個(gè)溫度區(qū)間回火后，鋼的沖擊韌性明顯下降 (見圖 )。 除上述三種回火方法之外，某些不能通過退火來軟化的高合金鋼，可以在600℃ ～ 680℃ 進(jìn)行軟化回火。高溫回火后鋼具有強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能，硬度為 25HRC～ 35HRC，廣泛應(yīng)用于中碳結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼制造的各種受力比較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車半軸、機(jī)床齒輪及主軸等。高溫回火的組織為回火索氏體，即細(xì)粒狀滲碳體和鐵素體。中溫回火主要用于各種彈簧零件及熱鍛模具?；鼗鹎象w組織中的鐵素體還保留著馬氏體的形態(tài)。 精密量具、軸承、絲杠等零件為了減少在最后加工工序中形成的附加應(yīng)力，增加尺寸穩(wěn)定性，可增加一次在 120℃ ～ 250℃ ，保溫時(shí)間長達(dá)幾十小時(shí)的低溫回火，有時(shí)稱為人工時(shí)效或穩(wěn)定化處理。低溫回火的目的是在保持高硬度 (58HRC～ 64HRC)、強(qiáng)度和耐磨性的情況下，適當(dāng)提高淬火鋼的韌性，同時(shí)顯著降低鋼的淬火應(yīng)力和脆性。經(jīng)低溫回火后得到隱晶馬氏體加細(xì)粒狀碳化物組織，即回火馬氏體。 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 1. 低溫回火 低溫回火溫度范圍一般為 150℃ ～ 250℃ ，得到回火馬氏體組織。決定工件回火后的組織和性能最重要的因素是回火溫度。 第四階段 (400℃ 以上 )：滲碳體的聚集長大與相的再結(jié)晶。 第二階段 (200℃ ～ 300℃ )：殘余奧氏體分解。根據(jù)轉(zhuǎn)變發(fā)生的過程和形成的組織，回火可分為四個(gè)階段。 鋼在淬火后，得到的馬氏體和殘余奧氏體組織是不穩(wěn)定的，存在著自發(fā)向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的傾向。回火是緊接淬火的一道熱處理工藝，大多數(shù)淬火鋼都要進(jìn)行回火。圖 為淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能的比較。 淬透性好的鋼材經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，整個(gè)截面都是回火索氏體，力學(xué)性能均勻，強(qiáng)度高，韌性好；而淬透性差的鋼表層為回火索氏體，心部為片狀索氏體 +鐵素體，心部強(qiáng)韌性差。但奧氏體晶粒長大，生成的馬氏體也會(huì)比較粗大，會(huì)降低鋼材常溫下的力學(xué)性能。 ② 合金元素：除鈷以外，其余合金元素溶于奧氏體后，降低臨界冷卻速度，使過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移，提高鋼的淬透性，因此合金鋼的淬透性往往比碳鋼要好。一般情況下，淬透性好的鋼要比淬透性差的鋼的價(jià)格高。表面淬火用鋼也應(yīng)采用低淬透性鋼，淬火時(shí)只是表層得到馬氏體。但是并非任何工件都要求選用淬透性高的鋼，在某些情況下反而希望鋼的淬透性低些。此時(shí)，心部的機(jī)械性能，特別是沖擊韌性很低。在拉伸、壓縮、彎曲或剪切應(yīng)力的作用下，工件尺寸較大的零件，例如齒輪類、軸類零件，希望整個(gè)截面都能被淬透，從而保證零件在整個(gè)截面上的機(jī)械性能均勻一致，此時(shí)應(yīng)選用淬透性較高的鋼種制造。表 62列出了幾種常用鋼在水和油中淬火時(shí)的臨界淬透直徑。它是指圓柱形試樣在某種淬火介質(zhì)中淬火時(shí)，心部剛好為半馬氏體組織的最大圓柱形直徑，用 D0表示。例如淬透性值 ，即表示在淬透性帶上距末端 5mm處的硬度值為 40HRC， 即表示距末端 10mm～ 15mm處的硬度值為 35HRC。 ? 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 根據(jù)鋼的淬透性曲線，鋼的淬透性值通常用 表示。試樣冷卻完畢后，沿其軸線方向相對的兩側(cè)各磨去 ～ ，在此平面上從試樣末端開始，每隔 ，繪出硬度與至末端距離的關(guān)系曲線，稱為端淬曲線。我國 GB/T 226— 1988《鋼的淬透性末端淬火試驗(yàn)方法》規(guī)定的試樣形狀、尺寸及試驗(yàn)原理如圖 。 2) 淬透性的測量方法 目前測定鋼淬透性最常用的方法是末端淬火法，簡稱端淬法。 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度，取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性。半馬氏體區(qū)的組織是由 50%馬氏體和 50%分解產(chǎn)物組成的。同樣形狀和尺寸的工件，用不同的鋼材制造，在相同的條件下淬火，淬透層較深的鋼，其淬透性較好。 淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。低碳鋼一般不采用等溫淬火。 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 4) 等溫淬火 工件在等溫鹽浴中淬火，鹽浴溫度在貝氏體區(qū)的下部 (稍高于 Ms)，工件等溫停留較長時(shí)間，直到貝氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束，取出空冷。實(shí)踐表明，在 Ms點(diǎn)以下分級的效果更好。分級溫度以前都定在略高于 Ms點(diǎn)，工件內(nèi)外溫度均勻以后進(jìn)入馬氏體區(qū)。 3) 分級淬火 工件在低溫鹽浴或堿浴爐中淬火，鹽浴或堿浴的溫度在 Ms點(diǎn)附近，工件在這一溫度停留 2min～ 5min，然后取出空冷，這種冷卻方式叫分級淬火。雙液淬火的缺點(diǎn)是難以掌握雙液轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，轉(zhuǎn)換過早容易淬不硬，轉(zhuǎn)換過遲又容易淬裂。缺點(diǎn)是在水中淬火應(yīng)力大，工件容易變形開裂；在油中淬火，冷卻速度小，淬透直徑小，大型工件不易淬透。 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 圖 不同淬火方法示意圖 1— 單介質(zhì)淬火 1— 雙介質(zhì)淬火 3— 分級淬火 4— 等溫淬火 1) 單介質(zhì)淬火 工件在一種介質(zhì)中冷卻，如水淬、油淬。常用的淬火方法有：單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級淬火、等溫淬火。常用堿浴、鹽浴的成分、熔點(diǎn)及使用溫度見表 61。 為減少工件的變形，熔融狀態(tài)的鹽也常用作淬火介質(zhì)，稱作鹽浴。但是油溫過高，容易著火，一般應(yīng)控制在 60℃ ～ 80℃ 。但是對于過冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，油是合適的淬火介質(zhì)。油的主要優(yōu)點(diǎn)是在 300℃ ～ 200℃ 低溫區(qū)的冷卻速度比水小得多，從而可大大降低淬火工件的相變應(yīng)力，減小工件變形和開裂傾向。 油：油也是一種常用的淬火介質(zhì)。但這兩種水基淬火介質(zhì)在低溫區(qū) (300℃ ～ 200℃ )的冷卻速度亦很快。 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 在水中加入鹽、堿，其冷卻能力比清水更強(qiáng)。此外，水溫對水的冷卻特性影響很大，水溫升高，水在高溫區(qū)的冷卻能力顯著下降，而低溫區(qū)的冷卻能力仍然很強(qiáng)。 水：水在 650℃ ～ 550℃ 高溫區(qū)冷卻能力較強(qiáng)，在 300℃ ～ 200℃ 低溫區(qū)冷卻能力也強(qiáng)。圖 淬火冷卻曲線。 650℃ ～ 400℃ 快速冷卻，保證全部奧氏體不分解。冷卻介質(zhì)應(yīng)保證：工件得到馬氏體，同時(shí)變形小，不開裂。 2) 淬火加熱保溫時(shí)間 加熱保溫時(shí)間的影響因素比較多，它與加熱爐的類型、鋼種、工件尺寸大小等有關(guān)，一般根據(jù)熱處理手冊中的經(jīng)驗(yàn)公式確定。因此加熱溫度過高是不適宜的。同時(shí)，加熱溫度過高，會(huì)引起奧氏體晶粒粗大，使淬火后的組織為粗大的片狀馬氏體，使顯微裂紋增多，鋼的脆性大為增加。淬火后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，未溶滲碳體顆粒被保留下來。若加熱溫度過低，如在Ac1~Ac3之間，則加熱時(shí)組織為奧氏體 +鐵素體；淬火后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而鐵素體被保留下來，此時(shí)的淬火組織為馬氏體 +鐵素體 (+殘余奧氏體 )，這樣就造成了淬火硬度的不足。 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 圖 鋼的淬火溫度范圍 鋼的普通熱處理 第 6章 鋼的熱處理工藝 亞共析碳鋼在上述淬火溫度加熱，是為了獲得晶粒細(xì)小的奧氏體，淬火后可獲得細(xì)小的馬氏體組織。作為各種機(jī)器零件、工具及模具的最終熱處理，淬火是賦予零件最終性能的關(guān)鍵工序 1. 淬火工藝 1) 淬火溫度 亞共析鋼淬火加熱溫度為以上 30℃ ～ 50℃ ；共析、過共析鋼淬火加熱溫度為 Ac1以上 30℃ ～ 50℃ 。因此，淬火的目