09 金属材料热处理 第九章 钢的热处理工艺 教案

09 金属热处理 第九章 钢的热处理工艺 教案 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 09 金属材料热处理 第九章 钢的热处理工艺 教案 第九章 钢的热处理工艺 本章教学目的: 1 介绍钢的常用热处理工艺及其应用。 教学内容: (1)钢的退火、正火转变及应用; (2)钢的淬火工艺，钢的回火转变; (3)钢的淬透性、淬硬性的概念、影响因素及实际意义; (4)了解面淬火及化学热处理。 重点: (1)各类热处理(退火、正火、淬火、回火)工艺—组织,性能,应用的规律和特点; (2)淬透性、淬硬性的概念与应用 难点: 淬透性、淬硬性的概念与应用 钢的热处理工艺就是通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工技术。钢在加热和冷却过程中的组织转变规律为制定正确的热处理工艺提供了理论依据，为使钢获得限定的性能要求，其热处理工艺参数的确定必须使具体工件满足钢的组织转变规律性。 根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 艺可分为普通热处理(退火、正火、淬火和回火)、表面热处理(表面淬火和化学热处理)及形变热处理等。按照热处理在零件整个生产工艺过程中位置和作用的不同，热处理工艺又分为预备热处理和最终热处理。 ?9-1的退火与正火 退火和正火是生产上应用很广泛的预备热处理工艺。在机器零件加工过程中，退火和正火是一种先行工艺，具有承上启下的作用。大部分机器零件及工、模具的毛坯经退火或正火后，不仅可以消除铸件、锻件及焊接件的内应力及成分和组织不均匀性，而且也能改善和调整钢的机械性能和工艺性能，为下道工序作好组织性能准备。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，退火和正火亦可作为最终热处理。对于铸件，退火和正火通常就是最终热处理。 一、退火目的及工艺 退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调节硬度，消除内应力，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做 好组织准备等。 退火工艺种类很多，按加热温度可分为在临界温度(Ac1或Ac3)以上或以下的退火。前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火、不完全退火和球化退火。后者包括再结晶退火及去应力退火。各种退火方法的加热温度范围如图10-1所示。按照冷却方式，退火——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 可分为等温退火和连续退火。 (一)完全退火 完全退火是将钢件或钢材加热至Ac3以上20,30?，经完全奥氏体化后进行缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。它主要用于亚共析钢(ωc=0.3,0.6%)，其目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢加热至完全奥氏体化状态缓冷退火时，获得的片状珠光体，硬度偏高，切削加工性能不理想，且较高碳量的过共析钢完全退火中还会有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低，故通常不采用完全退火。 图10-1 退火、正火加热温度示意图 在中碳结构铸件、锻(轧)件中，常见的缺陷组织有魏氏组织、晶粒粗大和带状组织等。在焊接工件焊缝处的组织也不均匀，热影响区具有过热组织和魏氏组织，造成很大的内应力。魏氏组织和晶粒粗大能显著降低钢的塑性和冲击韧性。而带状组织使钢的机械性能出现各向异性，断而收缩率较低，尤其是横向冲击韧性很低。通过完全退火或正火，组织发生重结晶，使钢的晶粒细化、组织均匀，魏氏组织难以形成，并能消除带状组织。 完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1 以下较高温度范围内转变为珠光体，从而达到消除内应力、降低——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 硬度和改善切削加工性的目的。 工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部得到均匀化的奥氏体，达到完全重结晶。完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。通常，加热时间以工件的有效厚度来计算。一般碳素钢或低合金钢工件，当装炉量不大时，在箱式炉中退火的保温时间可按下式计算:η=(3,4)+(0.2,0.5)Q(单位为h)。式中的Q表示装炉量(单位为t). 实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600?左右即可出炉空冷。完全退火需要的时间很长，尤其是过冷奥氏体比较稳定的合金钢更是如此。如果将奥氏体化后的钢较快地冷却至稍低于Ar1温度等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷至室温，则可大大缩短退火时间，这种退火方法叫做等温退火。等温退火适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢，它不但可以达到和完全退火相同的目的，而且有利于钢件获得均匀的组织和性能。但是对于大截面钢件和大批量炉料，却难以保证工件内外达到等温温度，故不宜采用等温退火。 (二)不完全退火 不完全退火是将钢加热至Ac1,Ac3(亚共析钢)或Ac1,Accm(过共析钢)之间，经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。由于加热至两相区温度，仅使奥氏体发生重结晶，故基本上不改变先共析铁素体或渗碳体的形态及分布。如果亚共析钢原始组织中的铁素体已均匀细小，只是珠光体片间距小，硬度偏高，内应力较大，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 那么只要在Ac1以上、Ac3以下温度进行不完全退火即可达到降低硬度、消除内应力的目的。由于不完全退火的加热温度低，过程时间短，因此对于亚共析钢的锻件来说，若其锻造工艺正常，钢的原始组织分布合适，则可采用不完全退火代替完全退火。 不完全退火主要用于过共析钢获得球状珠光体组织，以消除内应力、降低硬度、改善切削加工性。故不完全退火又称球化退火。实际上球化退火是不完全退火的一种。 (三)球化退火 球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。主要用于共析钢，过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削加工性，并为淬火作组织准备。 过共析钢若为层片状珠光体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以进行切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。为此，钢热加工后必须加一道球化退火，使网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体发生球化，得到粒状珠光体。粒状珠光体的形成关键在于奥氏体中要保留大量未溶碳化物质点，以造成奥氏体碳浓度分布的不均匀性。为此，球化退火加热温度一般在Ac1以上20,30?不高的温度下，保温时间亦不能太长，一般以2,4h为宜。冷却方式通常采用炉冷，或在Ar1以下20?左右进行较长时间等温。这样可使未溶碳化物粒子和局部高碳区形成碳化物核心并局部聚集球化，得到粒状珠光体组织。 如果加热温度过高(高于Accm)或保温时间过长，则大部分碳——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 化物均已溶解，并形成均匀的奥氏体，在随后缓慢冷却中奥氏体易转变为片状珠光体，球化效果很差。 冷却速度和等温温度也会影响碳化物获得球化的效果，冷却速度快或等温温度低，珠光体在较低温度下形成，碳化物颗粒太细，弥散度大，聚集作用小，容 易形成片状碳化物，从而使硬度偏高。若冷却速度过慢或等温温度过高，形成碳化物颗粒较粗大，聚集作用也很强烈，易形成粗细不等的粒状碳化物，使硬度偏低。故一般球化退火采用炉冷或采用Ar1以下较高温度等温。 (四)扩散退火 扩散退火又称为均匀化退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。为使各元素在奥氏体中充分扩散，扩散退火加热温度很高，通常为Ac3或Accm以上150,300?，具体加热温度视偏析程度和钢种而定。碳钢一般为1100,1200?，合金钢多采用1200,1300?。保温时间也与偏析程度和钢种有关，通常可按最大有效截面，以每截面厚度25mm保温30,60min或按每毫米厚度保温1.5,2.5min来计算。此外，还可视装炉量大小而定。退火总时间可按下式计算:η=8.5+Q/1 (单位为h)。式中的Q是装炉量(单位为t)。一般扩散退火时间为10,15h。由于扩散退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒十分粗大，需要再进行一——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 次正常的完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。 高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。 (五)去应力退火和再结晶退火 钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部冷却速度不同造成内外温差会产生残余内应力。这种内应力和后续工艺因素产生的应力叠加，易使工件产生变形和开裂。焊接件焊缝处由于组织不均匀也存在很大的内应力，显著降低焊接接头的强度。为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。除消除内应力外，去应力退火还可降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。 钢的去应力退火加热温度较宽，但不超过Ac1点，一般在500,600?之间。铸铁件去应力退火温度一般为500,550?，超过550?容易造成珠光体的石墨化。焊接工件的退火温度一般为500,600?。一些大的焊接构件，难以在加热炉内进行去应力退火，常常采用火焰或工频感应加热局部退火，其退火加热温度一般略高于炉内加热。 去应力退火保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。 钢的保温时间为3min/mm, 铸铁的保温时间为6min/mm。 有些合金结构钢，由于合金元素的含量高，奥氏体较稳定，在锻、轧后空冷时能形成马氏体或贝氏体，硬度很高，不能切削加工，为了——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 消除应力和降低硬度也可在A1点以下低温退火温度范围进行软化处理，使马氏体或贝氏体在加热过程中发生分解。这种处理实质上就是高温回火。 再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。钢经冷冲、冷轧或冷拉后会产生加工硬化现象，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，切削加工性能和成形性能变差。经过再结晶退火，消除了加工硬化，钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。 冷变形钢的再结晶温度与化学成分和形变度等因素有关。纯铁的再结晶温度为450?，纯铜为270?，纯铝为100?。一般来说，形变量越大，再结晶温度 越低，再结晶退火温度也越低。不同的钢都有一个临界变形度，在这个变形度下，再结晶时晶粒将异常长大。钢的临界变形度为6,10%。一般钢材再结晶退火温度为650,700?，保温时间为1,3h ，冷变形钢再结晶退火后通常在空气中冷却。 再结晶退火既可作为钢材或其它合金多道冷变形之间的中间退火，也可作为冷变形钢材或其它合金成品的最终热处理。 二、正火目的及工艺 正火是将钢加热到Ac3(或Accm)以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。与完全退火相比，正火的加热温度稍高，正火冷却速度较快，转变温度较低。因此，相同钢——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 材正火后获得的珠光体组织较细，钢的强度、硬度也较高。 正火过程的实质是完全奥氏体化加伪共析转变。当钢中碳的含量为0.6, 1.4%时，正火组织中不出现先共析相，只有伪共析珠光体或索氏体。碳的含量小于0.6%的钢，正火后除了伪共析体外，还有少量铁素体。 正火可以作为预备热处理，为机械加工提供适宜的硬度，又能细化晶粒、消除应力、消除魏氏体组织和一定程度减轻带状组织，为最终热处理提供合适的组织状态。正火后还可作为最终热处理，为某些受力较小、性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的机械性能。正火还能消除过共析钢的网状碳化物，为球化退火作好组织准备。对于大型工件及形状复杂或截面变化剧烈的工件，用正火代替淬火和回火可以防止变形和开裂。 正火处理的加热温度通常在Ac3或Accm以上30,50，高于一般退火的温度。对于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金钢，可采用更高的加热温度，即为Ac3+100,150。为了消除过共析钢的网状碳化物。亦可酌情提高加热温度，让碳化物充分溶解。 正火保温时间和完全退火相同，应以工件透烧，心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材成分、原始组织、装炉量和加热设备等因素。通常根据具体开件尺寸和经验数据加以确定。 正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。 正火工艺是较简单、经济的热处理方法，主要应用于以下几方面: 1.改善钢的切削加工性能 碳的含量低于0.25%的碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由铁素体，获得细片状珠光体，使硬度提高至140,190HB，可以改善钢的切削加工性，提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。 2.消除热加工缺陷 中碳结构钢铸件、锻、轧件以及焊接件在热加工后易出现魏氏组织、粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除魏氏组织、粗大晶粒等，可以一定程度减轻带状组织缺陷，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。 3.消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火 过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时，将达不到良好的球化效果。通过正 火处理可以消除网状碳化物。为此，正火加热时要保证碳化物全部溶入奥氏体中，要采用较快的冷却速度抑制二次碳化物的析出，获得伪共析组织。 4.提高普通结构零件的机械性能 一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 理。 三、退火和正火的选用 生产上退火和正火工艺的选择应当根据钢种、冷、热加工工艺、零件的使用性能及经济性综合考虑。 含碳量ωc<0.25%的低碳钢，通常采用正火代替退火。因为较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能;用正火可以提高钢的硬度，改善低碳钢的切削加工性能;在没有其它热处理工序时，用正火可以细化晶粒，提高低碳钢强度。 ωc=0.25,0.5%的中碳钢也可用正火代替退火，虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高。 ωc=0.5,0.75%的钢，因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。 ωc=0.75%以上的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理。如有网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除之。 随着钢中碳和合金元素的增多，过冷奥氏体稳定性增加，C曲线右移。因此，一些中碳钢及中碳合金钢正火后硬度偏高，不利于切削加工，应当采用完全退火。尤其是含较多合金元素的钢，过冷奥氏体特别稳定，甚至在缓慢冷却条件下也能得到马氏体和贝氏体组织，因此应当采用高温回火来消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 此外，从使用性能考虑，如钢件或零件受力不大，性能要求不高，不必进行淬、回火，可用正火提高钢的机械性能，作为最终热处理。从经济原则考虑，由于正火比退火生产周期短，操作简便，工艺成本低。因此，在钢的使用性能和工艺性能能满足的条件下，应尽可能用正火代替退火。 ?9-2 钢的淬火与回火 钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬、回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理是赋于钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。 一、钢的淬火 将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温以后以大于临界冷却速度的冷速冷却得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺叫做淬火。淬火的目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。例如淬火加低温回火可以提高工具、轴承、渗碳零件或其它零件的强度与耐磨性;结构钢通过淬火加高温回火可以得到强韧结合的优良综合机械性能;弹簧钢通过淬火加中温回火可以显著提高钢的弹性极限。 对淬火工艺而言，为实现淬火首先必须将钢加热到临界点(Ac3或Ac1)以 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 上获得奥氏体组织，其后的冷却速度必须大于临界状态淬火速度(υc)，以得到全部马氏体(含残余奥氏体)组织。为此，必须注意选择适当的淬火温度和冷却速度。由于不同钢件过冷奥氏体稳定性不同，钢淬火获得马氏体的能力各异。实际淬火时，工件截面各部分冷却速度不同，只有冷却速度大于临界状态淬火速度的部位才能得到马氏体，而工件心部则可能得到珠光体、贝氏体等非马氏体组织。这就需要弄清钢的“淬透性”的概念。此外，钢在淬火冷却过程中，由于工件内外温差产生胀缩不一致，以及相变不同时还会引起淬火应力，甚至会引起变形或开裂，在制定淬火工艺时应予以特别注意。 (一)淬火应力 工件在淬火过程中会发生形状和尺寸的变化，有时甚至要产生淬火裂纹。工件变形或开裂的原因是由于淬火过程中在工件内产生的内应力造成的。 淬火内应力主要有热应力和组织应力两种。工件最终变形或开裂是这两种应力综合作用之结果。当淬火应力超过材料的屈服极限时，就会产生塑性变形，当淬火应力超过材料的强度极限时，工件则发生开裂。 工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力叫做热应力。下面以圆柱形零件为例分析热应力的变化规律。为消除组织应力的影响，将零件加热到Ac1以下温度保温后快速冷却(无组织转变)，零件从Ac1温度开始快速冷却时，零件表面首先冷却，冷却速度比心部快得多，于是零件内外温差增大。表面层金属温——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 度低，收缩量大;心部金属温度高，收缩量小。同一零件内外收缩变形量不同，相互间会产生作用力。零件表面冷缩必受尚处高温的心部的阻止，故表面层承受拉应力，而心部则承受压应力。到了冷却后期，表面层金属的冷却和体积收缩已经停止，心部金属继续冷却并产生体积收缩，但心部由于受到表面层的牵制作用而受拉应力，冷硬状态的表面则由于心部收缩而受到压应力。中间某个时刻(η2)，由于温差消失，冷却后期的应力状态便残余下来。因此，零件淬火冷却至室温时，由于热应力引起的残余应力表面为压应力，心部为拉应力。 热应力是由于快速冷却时工件截面温差造成的。因此，冷却速度越大，截面温差越大，则热应力越大。在相同冷却介质条件下，工件加热温度越高、截面尺寸越大、钢材导热系数和线膨胀系数越大，工件内外温差越大，则热应力越大。 工件在冷却过程中，由于内外温差造成组织转变不同时，引起内外比容的不同变化而产生的内应力叫做组织应力。如前所述，钢中各种组织的比容是不同的，从奥氏体、珠光体、贝氏体到马氏体，比容逐渐增大。奥氏体比容最小，马氏体比容最大。因此，钢淬火时由奥氏体转变为马氏体将造成显著的体积膨胀。下面仍以圆柱形零件为例分析组织应力的变化规律。选用过冷奥氏体非常稳定的钢。使其从淬火温度极缓慢冷却至Ms之前不发生非马氏体转变并保持零件内外温度均匀，从而消除淬火冷却时热应力的影响。 零件从Ms点快速冷却的淬火初期，其表面首先冷却到Ms点以下发生马氏体转变，体积要膨胀，而此时心部仍为奥氏体，体积不发——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 生变化。因此心部阻止表面体积膨胀使零件表面处于压应力状态，而心部则处于拉应力状态。继续冷却时，零件表面马氏体转变基本结束，体积不再膨胀，而心部温度才下降到Ms点以下，开始发生马氏体转变，心部体积要膨胀。此时表面已形成一层硬壳，心部体积膨胀将使表面受拉应力，而心部受压应力。可见，组织应力引起的残余应力与热应力正好相反，表面为拉应力，心部为压应力。 组织应力大小与钢的化学成分、冶金质量、钢件结构尺寸、钢的导热性及在 马氏体温度范围的冷速和钢的淬透性等因素有关。 实际工件淬火冷却过程中总是同时存在着热应力和组织应力。在组织转变发生之前，只产生热应力，冷却到Ms点以下，则热应力和组织应力同时存在。因此工件淬火冷却过程中的瞬时内应力和最终残余应力(淬火应力)是热应力和组织应力迭加的结果。热应力和组织应力的分布规律正好相反，那么能否认为热应力和组织应力会相互抵消而使工件内不存在淬火应力呢,淬火应力与钢件化学成分、尺寸、钢的淬透性以及淬火介质和冷却方法等许多因素有关。其热应力和组织应力的综合分布是很复杂的。不同条件下热应力和组织应力的大小和分布也不相同。只有搞清具体条件下起主导作用的是热应力还是组织应力，才能有针对性地采取措施减小之，从而达到控制零件变形和防止零件开裂的目的。 淬火工件内应力分布与钢中碳和合金元素的含量有关。钢中含量增加，马氏体比容增大，工件淬火后的组织应力增加。但奥氏体中碳——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 的含量增加，使Ms点下降，淬火后残余奥氏体增多，又使组织应力降低。二者综合作用的结果是低碳钢件淬火，热应力起主导作用，随着碳含量增加，热应力作用减弱，但组织应力逐渐增大，从中碳钢至高碳钢，逐渐转为以组织应力为主。 钢中加入合金元素使导热性能下降，增大了工件内外温差，使热应力和组织应力都增大。但多数合金元素使Ms点下降，故热应力作用增强。凡提高奥氏体稳定性的合金元素，在淬火易得到马氏体的情况下，都有增强组织应力的作用。反之，过冷奥氏体稳定性差的钢，需急冷才能得到马氏体，因此内应力以热应力为主。 同种钢在相同介质中淬火，工件尺寸也影响内应力的分布。工件尺寸小，内外温差小，热应力作用较小，内外均匀易得到马氏体，故组织应力起主导作用。随着工件尺寸增大，工件心部不易得到马氏体，热应力型的应力分布越来越显著。 淬火介质和冷却方法对工件内部淬火应力分布也有明显影响。各种淬火介质在不同温度区间冷却能力不同，如在Ms点以上高温区冷却速度快，则工件中热应力显著;若在Ms点以下冷却速度快，则工件中组织应力较大。碳素钢水淬，热应力作用为主，合金钢油冷，组织应力比较突出。采用等温淬火，热应力起主要作用，组织应力较小。 总之，钢的淬火应力是由于淬火加热或冷却过程中工件内外层温度差造成的。凡是增大工件内外温差的因素都增大工件中的淬火应力，反之亦然。因此，选择适当的淬火加热温度、淬火冷却介质和冷却方式都能控制工件中淬火应力的大小及分布，从而有效地防止淬火工件——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 的变形与开裂。 (二)淬火加热温度 淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。淬火温度主要根据钢的临界点确定，亚共析钢通常加热至Ac3以上30,50?;共析钢、过共析钢加热至Ac1以上30,50?。亚共析钢淬火加热温度若在Ac1,Ac3之间，淬火组织中除马氏体外，还保留一部分铁素体，使钢的硬度和强度降低。但淬火温度亦不能超过Ac3点过高，以防奥氏体晶粒粗化，淬火后获得粗大的马氏体。对于低、中碳合金钢，近年来采用加热温度略低于Ac3点的亚温淬火，保留少量能富集一些有害杂质的韧性铁素体，不但可以降低钢的冷脆转变温度，减小回火脆性及氢脆敏感性，甚至使钢的硬度、强度及冲击韧性比正常淬火还略有提高。过共析钢的加热温度限定在Ac1以上30,50?是为了得到细小的奥氏体晶粒和保留少量渗碳体质点，淬火后得到隐晶马氏体和其上均匀分布的粒状碳化物，从而不但可使钢具有更高的强度、硬度和耐磨 性，而且也具有较好的韧性。如果过共析钢淬火加热温度超过Accm，碳化物将全部溶入奥氏体中，使奥氏体中的含碳量增加，降低钢的Ms和Mf点，淬火后残余奥氏体量增多，会降低钢的硬度和耐磨性;淬火温度过高，奥氏体晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大;此外，高温加热淬火应力大、氧化脱碳严重，也增大钢件变形和开裂倾向。 对于低合金钢，淬火温度亦应根据临界状态点Ac1或Ac3确定，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 考虑合金元素的作用，为了加速奥氏体化，淬火温度可偏高些，一般为Ac1或Ac3以上50,100?。高合金工具钢含较多强碳化物形成元素，奥氏体晶粒粗化温度高，则可采取更高的淬火加热温度。含碳、锰量较高的本质粗晶粒钢则应采用较低的淬火温度，以防奥氏体晶粒粗化。 (三)淬火介质 钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质叫做淬火介质。介质冷却能力越大，钢的冷却速度越快，越容易超过钢的临界淬火温度，则工件越容易淬硬，淬硬层的浓度越深。但是，冷却速度过大将产生巨大的淬火应力，易于使工件产生变形或开裂。因此，理想淬火介质的冷却能力应当如图10-2所示。650?以上冷速可以适当放慢，以尽量降低淬火热应力;650,400?之间应当快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定的区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。但是在400?以下Ms点附近的温度区域，应当缓慢冷却以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。具有这种冷却特性的冷却介质可以保证在获得马氏体组织条件下减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。 常用淬火介质有水、盐水或碱水溶液及各种矿物油等。 水的冷却特性很不理想，在需要快冷的650,400?区间，其冷却速度较小，不超过200?/s。而在需要慢冷的马氏体转变温度区，其冷却速度又太大，在340?最大冷却速度高达775?/s，很容易造成淬火工件的变形或开裂。此外，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，高温区的冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高。——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 因此淬火时水温不应超过30?，加强水循环和工件的搅动可以加速工件在高温区的冷却速度。水虽不是理想淬火介质，但却适用于尺寸不大、形状简单的碳钢工件淬火。 ?各冷却速度值均系根据有关冷却速度特性曲线估算的。浓度为10%NaCl或者10%NaOH的水溶液可使高温区(500,650?)的冷却能力显著提高，前者使纯水的冷却能力提高10倍以上，而后者的冷却能力更高。但这两种水基淬火介质在低温区(200,300?)的冷却速度亦很快。油也是一种常用的淬火介质。 早期采用动、植物油脂，目前工业上主要采用矿物油，如锭子油、机油、柴油等。油的主要优点是低温区的冷却速度比水小得多，从而可大大降低淬火工件的组织应力，减小工件变形和开裂倾向。油在高温区间冷却能力低是主要缺点。但是对于过冷奥氏体比较稳定的合金钢，油是合适的淬火介质。与水相反，提高油温可以降低粘度，增加流动性，故可提高高温区间的冷却能力。但是油温过高，容易着火，一般应控制在60,80?。 上述几种淬火介质各有优缺点，均不属于理想的冷却介质。水的冷却能力很大，但冷却特性不好;油冷却特性较好，但其冷却能力又低。因此，寻找冷却能力介于油水之间，冷却特性近于理想淬火介质的新型淬火介质是人们努力的目标。由于水是价廉、容易获得、性能稳定的淬火介质，因此目前世界各国都在发展有机水溶液作为淬火介质。美国应用浓度为15%聚乙烯醇、0.4%抗粘附剂、0.1%防泡剂的淬火介质，其它国家也在应用类似的淬火介质。国内使用比较广泛的新——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 型淬火介质有水玻璃-碱水溶液，过饱和硝盐水溶液，氧化锌-碱水溶液，合成淬火剂等。它们的共同特点是冷却能力介于水、油之间，接近于理想淬火介质。其中合成淬火剂是目前最常用的有机物水溶液淬火剂，其主要成分是聚乙烯醇加少量防腐剂、防锈剂和消泡剂。它的冷却能力介于水、油之间，并可通过改变浓度进行调节。例如398?时最大冷速为418?/s，650,550?区间的平均冷速为80?/s，300,200?时的平均冷速为190?/s。 (四)淬火方法 选择适当的淬火方法同选用淬火介质一样，可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。 1(单一淬火法 它是将奥氏体状态的工件放入淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法(见图10-2曲线1)。这种淬火方法适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。一般来说，碳钢临界淬火速度高，尤其是尺寸较大的碳钢工件多采用水淬;而小尺寸碳钢件及过冷奥氏体较稳定的合金钢件则可采用油淬。 为了减小单液淬火时的淬火应力，常采用预冷淬火方法，即将奥氏体的工件从炉中取出后，先在空气中或预冷炉中冷却一定时间，待工件冷至临界点稍上一点的一定温度后再放入淬火介质中冷却。预热降低了工件进入淬火介质前的温度，减少了工件与淬火介质间的温差，可以减少热应力和组织应力，从而减小工件变形或开裂倾向。但操作——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 上不易控制预冷温度，需要靠经验来掌握。 2(双液淬火法 它是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变(图10-2曲线2)。一般用水作为快冷淬火介质，用油作为慢冷淬火介质。有时也可以采用水淬、空冷的方法。这种淬火介质利用了水在高温区冷却速度快和油在低温区冷却速度慢的优点，既可以保证工件得到马氏体组织，又可以降低工件在马氏体区的冷却速度，减少组织应力，从而防止工件变形或开裂。尺寸较大的碳素钢工件适宜采用这种淬火方法。采用双液淬火法必须严格控制工件在水中的停留时间，水中停留时间过短会引起奥氏体分解，导致淬火硬度不足;水中停留时间过长，工件某些部分已在水中发生马氏体转变，从而失去双液淬火的意义。因此，实行双液淬火要求工人必须有丰富的经验和熟练的技术。通常要根据工件尺寸，凭经验确定。水淬油冷时，工件入水有咝„„咝呜声，同时发生振动，当呜声消失或振动停止的瞬间，立即出水入油。也可按每5,6mm有效厚度水冷1s的经 验公式计算在水中的时间。 3(喷射淬火法 它是向工件喷射急速水流的淬火方法。这种方法主要用于局部淬火的工件。由于这种淬火方法不会在工件表面形成蒸汽膜，故可保证比普通水淬得到更深的淬硬层。采用细密水流并使工件上下运动或旋转可保证实现工件均匀冷却淬火。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 4(分级淬火法 它是将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变(见图10-2曲线3)。这种淬火方法由于工件内外温度均匀并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变，不仅减小了淬火热应力(比双液淬火小)，而且显著降低组织应力，因而有效地减小或防止了工件淬火变形和开裂。同时还克服了双液淬火出水入油时间难以控制的缺点，但这种淬火方法由于冷却介质温度较高，工件在浴炉冷却速度较慢，而等温时间又有限制，大截面零件难以达到其临界淬火速度。因此，分级淬火只适用于尺寸较小的工件，如刀具、量具和要求变形很小的精密工件。 “分级”温度也可取略低于Ms点的温度，此时由于温度较低，冷却速度较快，等温以后已有相当一部分奥氏体转变为马氏体，当工件取出空冷时，剩余奥氏体发生马氏体转变。因此这种淬火方法适用于较大工件的淬火。 5(等温淬火 它是将奥氏体化后的工件淬入Ms点以上某些温度盐浴中等温保持足够长时间，使之转变为下贝氏体组织，尔后于空气中冷却的淬火方法(见图10-2曲线4)。等温淬火实际上是分级淬火的进一步发展。所不同的是等温淬火获得下贝氏体组织。下贝氏体组织的强度、硬度较高而韧性良好。故等温淬火可显著提高钢的综合机械性能。等温淬火的加热温度通常比普通淬火高些，目的是提高奥氏体的稳定性和增大其冷却速度，防止等温冷却过程中发生珠光体型转变。等温温度和——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 时间应视工件组织和性能要求，由该钢的C曲线确定。由于等温温度比分级淬火高，减小了工件与淬火介质的温差，从而减小了淬火热应力;又因贝氏体比容比马氏体小，而且工件内外温度一致，故淬火组织应力也较小。因此，等温淬火可以显著减小工件变形和开裂倾向，适宜处理形状复杂、尺寸要求精密的工具和重要的机器零件，如模具、刀具、齿轮等。同分级淬火一样，等温淬火也只能适用于尺寸较小的工件。 除了上述几种典型的淬火方法外，近年来还发展了许多提高钢的强韧性的新的淬火工艺，如高温淬火，循环快速加热淬火，高碳钢低温、快速、短时加热淬火和亚共析钢的亚温淬火等。 (五)钢的淬透性 对钢进行淬火希望获得马氏体组织，但一定尺寸和化学成分的钢件在某种介质中淬火能否得到全部马氏体则取决于钢的淬透性。淬透性是钢的重要工艺性能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。 1(淬透性的概念 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小用钢在一定的条件下淬火获得的淬透层的深度表示。一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截面各点的冷却速度有关。如果工件截面中心的冷却速度高于钢的临界淬火速度，工件就会淬透。然而工件淬火时表面冷却速度最大，心部冷却速度最小，由表面至心部冷却速度逐渐降低(见图10-4)。只有冷却速度大于临界淬火速度的工件外层部分才能得到马氏体(图10-4b中阴影部分)，这——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 就是工件的淬透层。而冷却速度小于临界淬火速度的心部只能获得非马氏体组织，这就是工件的未淬透区。 a) 在未淬透的情况下，工件淬透层深度如何确定呢,按理淬透层深度应是全部淬成马氏体的区域。但实际工件淬火后从表面至心部马氏体数量是逐渐减少的，从金相组织上看，淬透层和未淬透区并无明显的界限，淬火组织中混入少量非马氏体组织(如θ=5,10%的屈氏体)，其硬度值也无明显变化。因此，金相检验和硬度测量都比较困难。当淬火组织中马氏体和非马氏体组织各占一半时，即所谓半马氏体区时，显微观察极为方便，硬度变化最为剧烈。为测试方便，通常采用从淬火工件表面至半马氏体区距离作为淬透层的深度。半马氏体区的硬度称为测定淬透层深度的临界硬度。研究表明，钢的半马氏体的硬度主要取决于奥氏体中含碳量，而与合金元素的含量关系不大。这样，根据不同含碳量钢的半马氏体区硬度，利用测定的淬火工件截面上硬度分布曲线，即可方便地测定淬透层深度。 根据如上所述，应当注意如下两对概念的本质区别。一是钢的淬透性和淬硬性的区别，二是淬透性和实际条件下淬透层深度的区别。淬透性表示钢淬火时获得马氏体的能力，它反映钢的过冷奥氏体稳定性，即与钢的临界冷却速度有关。 过冷奥氏体越稳定，临界淬火速度越小，钢在一定条件下淬透层深度越深，则钢的淬透性越好。而淬硬性表示钢淬火时的硬化能力，淬火后的硬度越高，钢的淬硬性越高。显然，淬透性和淬硬性并无必——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 然联系，例如高碳工具钢的淬硬性高，但淬透性很低;而低碳合金钢的淬硬性不高，但淬透性却很好。 实际工件在具体淬火条件下的淬透层深度与淬透性也不是一回事。淬透性是钢的一种属性，相同奥氏体化温度下的同一钢种，其淬透性是确定不变的。其大小用规定条件下的淬透层深度表示。而实际工件的淬透层深度是指具体条件下测定的半马氏体区至工件表面的深度，它与钢的淬透性、工件尺寸及淬火介质的冷却能力等许多因素有关。例如，同一钢种在相同介质中淬火，小件比大件的淬透层深;一定尺寸的同一钢种，水淬比油淬的淬透层深;工件的体积越小，表面积越小，则冷却速度越快，淬透层越深。决不能说，同一钢种水淬时比油淬时的淬透性好，小件淬火时比大件淬火时淬透性好。淬透性是不随工件形状、尺寸和介质冷却能力而变化的。 3(淬透性的实际意义 钢的淬透性是钢的热处理工艺性能，在生产中有重要的实际意义。工件在整体淬火条件下，从表面至中心是否淬透，对其机械性能有重要影响。一些在拉压、弯曲或剪切载荷下工作的零件，例如各类齿轮、轴类零件，希望整个截面都能被淬透，从而保证这些零件在整个截面上得到均匀的机械性能。选择淬透性较高的钢即能满足这一性能要求。而淬透性较低的钢，零件心部不能淬透，其机械性能低，特别是冲击韧性更低，不能充分发挥材料的性能潜力。 钢的淬透性越高，能淬透的工件截面尺寸越大。对于大截面的重要工件，为了增加淬透层的深度，必须选用过冷奥氏体很稳定的合金——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 钢，工件越大，要求的淬透层越深，钢的合金化程度应越高。所以淬透性是机器零件选材的重要参考数据。从热处理工艺性能考虑，对于形状复杂、要求变形很小的工件，如果钢的淬透性较高，例如合金钢工件，可以在较缓慢的冷却介质中淬火。如果钢的淬透性很高，甚至可以在空气中冷却淬火，因此淬火变形更小。 但是并非所有工件均要求很高的淬透性。例如承受弯曲或扭转的轴类零件，其外缘承受最大应力，轴心部分应力较小，因此保证一定淬透层深度即可以了。一些汽车、拖拉机的重负荷齿轮通过表面淬火或化学热处理，获得一定深度的均匀淬硬层，即可达到表硬心韧的性能要求，甚至可以采用低淬透性钢制造。焊接用钢采用淬透性低的低碳钢制造，目的是避免焊缝及热影响区在焊后冷却过程中得到马氏体组织，从而可以防止焊接构件的变形和开裂。 二、钢的回火 回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。 对于一般碳钢和低合金钢，根据工件的组织和性能要求，回火有低温回火、中温回火和高温回火等几种。 (一)低温回火 低温回火温度约为150,250?，回火组织为回火马氏体。和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 性，又适当提高了韧性。 因此，低温回火特别适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火工件。低温回火钢大部分是淬火高碳钢和高碳合金钢，经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和细粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性。对于淬火获得低碳马氏体的钢，经低温回火后可以减少内应力，并进一步提高钢的强度和塑性，保持优良的综合机械性能。 (二)中温回火 中温回火温度一般在350,500?之间，回火的组织为回火屈氏体。对于一般的碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三阶段，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消失。因此钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。故中温回火主要用于各种弹簧零件及热锻模具。 (三)高温回火 高温回火温度约为500,650?，回火组织为回火索氏体。淬火和随后的高温回火叫做调质处理。经调质处理后，钢具有优良的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。这些机器零件在使用中要求较高的强度并能承受冲击和交变负荷的作用。 除了上述三种回火工艺外，某些不能通过退火来软化处理的高合金钢，可以在600,680?进行软化回火。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 回火工艺包括回火温度和回火冷却方式。钢淬火、回火后的力学性能常以硬度来衡量。淬火钢回火后的硬度主要取决于回火温度。回火温度应根据工件的工件条件、性能要求和钢种等因素确定，同时还应避开低温回火脆性温度区间(约300?左右)，有高温回火脆性的钢，应尽量采用600?以上温度回火，回火保温后应当快冷。 在要求硬度的一定范围内，回火温度越高，需要回火保温的时间越短;在一定回火温度下，随保温时间的延长，硬度将逐渐下降。 工件回火后一般在空气中冷却。一些重要的机器零件和工模具，为了防止重新产生内应力和变形、开裂，通常都采用缓慢冷却方式。对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性能。 三、淬火加热缺陷及其防止 (一)淬火工件的过热和过烧 工件在淬火加热时，由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷叫做过热。由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹。因此，淬火过热的工件强度和韧性降低，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间来补救。严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。 淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象叫做过烧。过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧就无法补救，只能报废。过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的。高速钢淬火温度高容易过烧，火焰加热局部温度过高也容易造成过烧。所以必须加强设备的维修管理，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 定期样核，才能防止过烧事故。 (二)淬火加热时的氧化和脱碳 淬火加热时，钢制零件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小，表面光洁程度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表 面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。因此，淬火加热时，在获得均匀化奥氏体的同时，必须注意防止氧化和脱碳现象。 氧化是钢件在加热时与炉气中的O2、H2O及CO2等氧化气体发生的化学作用。在570?以下的温度加热，钢中的铁元素与O2、H2O及CO2等气体发生氧化反应，主要形成氧化物Fe3O4。由于这种处于工件表层的氧化物结构致密，与基体结合牢固，氧原子难以继续渗入，故氧化速度很慢。钢在570?以加热，氧化不是主要问题。但当加热温度高于570?时，表面氧化膜主要由FeO组成。由于FeO结构松散，与基体结合不牢，容易脱落。因此氧原子很容易透过已形成的表面氧化膜继续向里与铁元素发生氧化。所以一旦氧化膜中出现FeO，便使钢的氧化速度大大加快。由于氧化速度主要取决于氧原子或铁原子通过表面氧化膜的扩散速度，加热温度越高，原子扩散速度越快，钢的氧化速度越大，因此钢在加热时，在保证组织转变的条件下，加热温度应尽可能低，保温时间应尽可能短。采用脱氧良好的盐浴加热或控制气氛加热等方法可以防止钢的氧化。 钢件在加热过程中不仅表面发生氧化，形成氧化铁层，而且钢中——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 的碳也与气氛中的O2、H2O、CO2及H2等发生化学反应，形成含碳气体逸出钢外，使钢件表面含碳量降低，这种现象称为脱碳。脱碳过程中的主要化学反应如下: Cγ?Fe+O2?CO2 Cγ?Fe+CO2?CO Cγ?Fe+HO2?CO+H2 Cγ?Fe+2H2?CH4 由上述反应式可知，炉气介质中的O2、H2O、CO2及H2都是脱碳性气氛。 工件表面脱碳以后，其表面内部产生碳浓度差，内部的碳原子则向表面扩散，新扩散到表面的碳原子又被继续氧化，从而使脱碳层逐渐加深。脱碳过程进行的速度取决于表面化学反应速度和碳原子的扩散速度。加热温度越高，加热时间越长，脱碳层越深。 但是上述反应是一对脱碳和渗碳的可逆反应，CO2、CO和CH4等属于渗碳性气氛。反应向哪个方向进行，决定于炉气介质的碳势和钢中含碳量的相对高低。所谓碳势是指纯铁在一定温度下于加热炉加热时，达到既不增碳也不脱碳并与炉气保持平衡时表面含碳量，它表示炉气对纯铁的饱和能力。显然，要使钢不脱碳也不增碳，应根据钢中含碳量和加热温度调节炉内气氛的碳势，即控制炉气成分与钢中的含碳量保持平衡。如果炉内气氛的碳势低于钢中含碳量，则发生脱碳。反之，则发生渗碳。所以采用控制气氛加热，使气氛中的碳势和钢中含碳量相同是防止脱碳的根本方法。 在空气介质炉中加热时，防止氧化和脱碳最简单的方法是在炉子升温加热时向炉内加入无水分的木炭，以改变炉内气氛，减少氧化和脱碳。此外，采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面，或是在工件表——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 面热涂硼酸等方法都可有效地防止或减少工件的氧化和脱碳 。 ?9-3 其它类型热处理 某些机器零件在复杂应力条件下工作时，表面和心部承受不同的应力状态，往往要求零件表面和心部具有不同的性能。为此，除上述整体热处理外，还发展了表面热处理技术，其中包括只改变工件表面层组织的表面淬火工艺和既改变工件表面层组织，又改变表面化学成分的化学热处理工艺。为进一步提高零件的使 用性能和加工零件的质量，降低制造成本，有时还把两种或几种加工工艺混合在一起，构成复合加工工艺。例如把塑性变形和热处理结合一起，形成形变热处理新工艺等。 一、钢的形变热处理 形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合在一起的一种复合工艺。该工艺既能提高钢的强度，又能改善钢的塑性和韧性，同时还能简化工艺，节省能源。因此，形变热处理是提高钢的强韧性的重要手段之一。 根据形变的温度以及形变所处的组织状态，形变热处理分很多种，这里仅介绍高温形变热处理和低温形变热处理。 高温形变热处理是将钢加热至Ac3以上，在稳定的奥氏体温度范围内进行变形，然后立即淬火，使之发生马氏体转变并回火至需要的性能。由于形变温度远高于钢的再结晶温度，形变强化效果易于被高温再结晶所削弱，故应严格控制变形后至淬火前的停留时间，形变后要立即淬火冷却。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 高温形变热处理适用于一般碳钢、低合金钢结构零件以及机械加工量不大的锻件或轧材。如连杆、曲轴、弹簧、叶片及各种农机具零件。锻轧余热淬火是用得较成功的高温形变热处理工艺。我国的柴油机连杆等调质件已在生产上采用此种工艺。高温形变热处理在提高钢的抗拉强度和屈服强度的同时，能改善钢的塑性和韧性。表10-1列出了40CrNiMo钢经时效后淬火并经200?回火2h后的机械性能。和一般热处理相比，形变加时效会使钢的强度有较大幅度的提高，而塑性亦不减小。 形变温度和形变量显著影响高温形变热处理的强化效果。形变温度高，形变至淬火停留时间长，容易发生再结晶软化过程，减弱形变强化效果，故一般终轧温度以900?为宜。形变量增加，强度增加，塑性下降。但当形变量超过40%以后，反而强度降低，塑性增加。这是由于明显的变形使钢温度升高，加快再结晶软化过程，故高温形变热处理的形变量控制在20,40%之间具有最佳的拉伸、冲击、疲劳性能及断裂韧性。 表10-1 钢丝不同处理并经200回火2h后的机械性能 维氏抗拉强度 屈服强度 延伸率 处理工艺 硬 ζb/(MN?ζs/(MN?δ×100度HVm-2) m-2) 不变形，在500?时效60min1734.6 11 淬火 低温变形60%，在550?时效2165.8 10 60min淬火 高温形变60%，在550?时效2038.4 10.5 60min淬火 结构钢高温形变淬火不但能保留高温淬火得到的由薄壳状残余——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 奥氏体包围的板条马氏体组织，而且还能克服高温淬火晶粒粗大的缺点，使奥氏体晶粒及马氏体板条束更加细化。若形变后及时淬火，可保留较高位错密度及其它形变缺陷，并能促进ε-碳化物的析出和，这是形变热处理获得较高强韧性的原因。 低温形变热处理是将钢加至奥氏体状态，迅速冷却至Ac1点以下、Ms点以上过冷奥氏体亚稳温度范围进行大量塑性变形，然后立即淬火并回火至所需要的性能。塑性变形可采用锻造、轧制或拉拔等加工方法。该工艺仅适用于珠光体转变区和贝氏体转变区之间(400,500?)有很长孕育期的某些合金钢。在该温度区间进行变形可防止珠光体或贝氏体相变。低温形变热处理在钢的塑性和韧性降低或降低不多的情况下，可以显著提高钢的强度和疲劳极限，提高钢抗磨损和抗回火的能力。例如用50CrMnSi钢制造的ф5mm弹簧钢丝，奥氏体化后冷至500?经形变50.5%，淬火后再经400?回火，可使抗拉强度提高392,490MN/m2，提高ζ-158.8,68.6MN/m2。表10-2中的数据表明，低温形变热处理比高温形变热处理具有更高的强化效果，而塑性并不降低。 低温形变热处理使钢显著强化的原因主要是钢经低温形变后，使亚晶细化，并使位错密度大大提高，从而强化了马氏体;形变使奥氏体晶粒细化，进而又细化了马氏体片，对强度也有贡献;对于含有强碳化物形成元素的钢，奥氏体在亚稳区形变时，促使碳化物弥散析出，使钢的强度进一步提高。由于奥氏体内合金碳化物析出使其碳及合金元素量减少，提高了钢的Ms点，大大减少了淬火孪晶马氏体的数量。——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 因而低温形变热处理钢又具有良好的塑性和韧性。 低温形变热处理可用于结构钢、弹簧钢、轴承钢及工具钢。经低温形变热处理后，结构钢强度和韧性显著提高;弹簧钢疲劳强度、轴承钢强度和塑性、高速钢切削性能和模具钢抗回火能力均得到提高。 形变热处理虽有很大优点，但增加了变形工序，设备和工艺条件受到限制，对于形状复杂的工件、大工件、变形后需要进行切削加工或焊接的工件不宜采用形变热处理。因此，此工艺的应用具有很大的局限性。 二、钢的表面淬火 表面淬火是将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的热处理方法。齿轮、凸轮、曲轴及各种轴类等零件在扭转、弯曲等交变载荷下工作，并承受摩擦和冲击，其表面要比心部承受更高的应力。因此，要求零件表面具有高的强度、硬度和耐磨性，要求心部具有一定的强度、足够的塑性和韧性。采用表面淬火工艺可以达到这种表硬心韧的性能要求。根据工件表面加热热源的不同，钢的表面淬火有很多种，例如感应加热、火焰加热、电接触加热、电解液加热以及激光加热等表面淬火工艺。 (一)感应加热的原理及工艺 感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法，如图10-5所示。当感应圈中通过一定频率交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。若将工件——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，故通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布由表面至心部呈指数规律衰减。因此，涡流主要分布于工件表面，工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肤效应。感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用紫铜管制做，内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或浸水冷却，实现表面淬火工艺。 电流透入深度δ(单位为mm)在工程上定义为涡流强度由表向内降低至Io/e (Io为表面处的涡流强度，e=2.718)处的深度。钢在800,900?范围内的电流透入深度δ热及在室温20?时的电流透入深度δ冷与电流频率f(单位为Hz)有如下关系: 比大几十倍，可见当工件加热温度超过钢的磁性转变点A2时，电流透入深度将急剧增加。此外，感应电流频率越高，电流透入深度越小，工件加热层越薄。因此，感应加热透入工件表层的深度主要取决于电流频率。 生产上根据零件尺寸及硬化层深度的要求选择不同的电流频率。根据不同的电流频率，可将感应加热表面淬火分为三类: (1)高频感应加热表面淬火:常用电流频率为80,1000kHz，可获得的表面硬化层深度为0.5,2mm。主要用于中小模数齿轮和小——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 轴的表面淬火。 (2)中频感应加热表面淬火:常用电流频率为250,8000Hz，可获得3,6mm深的硬化层，主要用于要求淬硬层较深的零件，如发动机曲轴、凸轮轴、大模数齿轮、较大尺寸的轴和钢轨的表面淬火。 (3)工频感应加热表面淬火:常用电流频率为50Hz，可获得10,15mm以上的硬化层。适用于大直径钢材的穿透加热及要求淬硬层深的大工件的表面淬火。 感应加热时，工件单位表面所吸收的电功率(单位为kW/cm2)叫比功率。比功率的选择要根据频率和所要求的淬硬层深度。频率一定时，要求硬化层深，比功率要小;相同硬化层深度时，频率较高，比功率要小，频率较低，比功率要大。电子管式的高频设备选用的比功率为0.5,1kW/ cm2，机械式的中频设备，可选用的比功率为1,2 kW/ cm2。 20500δ热δ热f f 感应加热速度快，一般不进行保温，为使先共析相充分溶解，感应加热表面淬火可采用较高的淬火加热温度。高频加热表面淬火比普通加热淬火温度高30,200?。 感应加热淬火通常采用喷射冷却法，冷却速度可通过调节液体压力、温度及喷射时间控制。 工件表面淬火后应进行低温回火以降低残余应力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性。回火方式有炉中回火和自回火。炉中回火温度为150,180?，时间为1,2h。自回火即控制喷射冷却时间，利用工件内部余热使表面进行回火。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 为了保证工件表面淬火后的表面硬度和心部强度及韧性，一般选用中碳钢及中碳合金钢，其表面淬火前的原始组织应为调质态或正火态。 (二)感应加热表面淬火的特点 (1)感应加热时，由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间里达到Ac3以上很高的温度，而工件心部仍处于相变点之下。中碳钢高频淬火后，工件表面得到马氏体组织，往里是马氏体加铁素体加屈氏体组织，心部为铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织。 (2)感应加热升温速度快，保温时间极短。和一般淬火相比，淬火加热温度高，过热度大，奥氏体形核多，又不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般的淬火的高HRC2,3。 (3)感应加热表面淬火后，工件表层强度高，由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表层产生很大的残余压应力，因此可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。 (4)感应加热表面淬火后，工件的耐磨性比普通淬火的高。这显然与奥氏体晶粒细化、表面硬度高及表面压应力状态等因素有关。 (5)感应加热淬火件的冲击韧性与淬硬层深度和心部原始组织有关。同一钢种淬硬层深度相同时，原始组织为调质态比正火态冲击韧性高;原始组织相同时，淬硬层深度增加，冲击韧性降低。 (6)感应加热淬火时，由于加热速度快，无保温时间，工件一般不产生氧化和脱碳问题，又因工件内部未被加热，故工件淬火变形——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 小。 (7)感应加热淬火的生产率高，便于实现机械化和自动化，淬火层深度又易于控制，适于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛应用。感应加热方法的缺点是设备费用昂贵，不适用于单件生产。 感应加热淬火通常采用中碳钢(如40、45、50号钢)和中碳合金结构钢(如40Cr、40MnB), 用以制造机床、汽车及拖拉机齿轮、轴等零件。很少采用淬透性高的Cr钢、Cr-Ni钢及Cr-Ni-Mo钢进行感应加热表面淬火。这些零件在表面淬火前一般采用正火或调质处理。感应加热淬火也可采用碳素工具钢和低合金钢，用以制造量具、模具、锉刀等。用铸铁制造机床导轨、曲轴、凸轮轴及齿轮等，采用高、中频表面淬火可显著提高其耐磨性及抗疲劳性能。目前国内外还广泛采用低透性钢进行高频淬火，用以解决中、小模数齿轮因整齿淬硬而使心部韧性变差的表面淬火问题。这类钢是在普通碳钢的基础上，通过调整Mn、Si、Cr、Ni的成分，尽量降低其含量，以减小淬透性，同时附加Ti、V或Al，在钢中形成未溶碳化物(TiC、VC)和氮化物(AlN)，以进一步降低奥氏体的稳定性。 三、钢的化学热处理 将金属工件放入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热使介质中的原子 扩散渗入工件一定深度的表层，改变其化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺叫化学热处理。和表面淬火不同，化学热处理后的工件表面不仅有组织的变化，而且也有化学成分的变化。可——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 以说，钢的化学热处理即是改变钢的表层化学成分和性能的一种热处理工艺。 化学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲劳强度;心部在具有良好的塑性和韧性的同时，还可获得较高的强度。通过适当的化学热处理还可使钢件表层具有减摩、耐腐蚀等特殊性能。因此，化学热处理工艺已获得越来越广泛的应用。 化学热处理种类很多，根据渗入元素的不同，可分为渗碳、渗氮(氮化)、碳、氮共渗、多元共渗、渗硼、渗金属等等。 (一)化学热处理的一般过程 化学热处理的一般过程通常是由分解、吸附和扩散三个基本过程组成的。分解是在一定温度下从渗剂中分解出含有被渗元素“活性原子”的过程;例如渗碳就是渗剂中的CO或CH4等分解出活性碳原子[C]的过程: 2CO?CO2+[C] CH4?2H2+[C] CO+H2?H2O+[C] 反应产生的活性碳原子就是钢渗碳时表面碳原子的来源。又如气体渗氮，通入氨 气与钢件表面产生如下反应: 2NH3?3H2+2[N]。 这个活性氮原子就是钢渗氮时表面氮原子的来源。 但是，并不是所有被渗元素的物质都可以作为渗剂。化学热处理渗剂不但要含有被渗元素的物质，而且这种物质还必须具有一定的活性。渗剂的活性就是在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。例如N2在普通渗氮温度下不能分解出活性原子，因此不能用N2作——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 为渗氮的渗剂。只有活性原子才能渗入钢中。由于活性原子处于高能状态，它能减小与钢件表面铁原子的结合力而渗入钢件表层。为了加速被渗物质的分解，或直接产生被渗物质的活性原子，通常还需要添加一些催渗剂。例如固体渗碳时，加催化剂碳酸钠和碳酸钡就是为了这一目的。 在渗碳温度下，催化剂发生如下分解: Na2CO3?Na2O+CO2 分解出的CO2与碳粒发生作用: CO2+C?2CO CO和钢件表面发生如下界面反应，产生活性碳原子: 2CO?CO2+[C] 具有高能状态的活性原子冲入铁晶格表面原子引力场范围之内，被铁表面晶 格捕获并溶解的过程称为化学热处理的吸附过程。刚分解出的活性原子首先被钢件表面所吸附，而后是活性原子向固溶体中溶解。一般金属元素多以置换方式溶入;碳、氮、硼等原子半径小的非金属元素以间隙原子溶入奥氏体中。 一般固体表面对气相的吸附分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是固体表面对气体分子的凝聚作用。物理吸附大多为多分子层，固体晶格和气体分子间没有电子转移和化学键形成。在化学吸附过程中，固体晶格与活性原子之间结合力类似化学键力，并有明显的选择性。化学吸附只能是单分子层，吸附的发生Ba2CO3?BaO+CO2 需要一定的活化能。吸附速度随温度升高而增大。 吸附能力与钢件的表面活性有关。钢件表面活性表示吸附被渗活性原子的能力大小。钢件表面存在大量的位错露头和晶界露头，这为——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 活性原子的渗入提供了方便的通道，故表面活性大;钢件表面粗糙度好，吸附被渗原子的表面积越大，表面活性越大。钢件表面越新鲜，即不存在污垢、氧化锈斑、碳黑或其它有害杂质，由于原子的自由键力场完全暴露，捕获被渗元素气体分子的能力强，因而表面活性越高。所以，在化学热处理过程中，对钢件表面用卤化物进行轻微侵蚀，暴露出新鲜表面，提高工件表面粗糙度，可以提高表面活性，促进化学热处理过程。 扩散是钢件表面吸收并溶解被渗元素活性原子后，由于造成表面和心部的浓度差而发生被渗元素的原子由高浓度表面向内部定向迁移的现象。扩散的结果是得到一定深度的扩散层。扩散层的特点是渗入元素在表层的浓度最高，离开表面越远，浓度越低。工件表面扩散层的厚度和浓度是由分解、吸附和扩散三个基本过程的速度以及它们之间相互关系决定的。若渗入元素扩散速度很慢，则形成的渗层表面浓度会很高，而渗层较薄。如果分解和吸附过程不强烈，虽然可以得到一定厚度的渗层，但渗层浓度会降低，渗层厚度也不大。可见，分解、吸附和扩散三个基本过程是互相联系、互相制约的。但是在一般情况下，扩散是控制化学热处理过程的主要过程。因为扩散是上述三个基本过程中最慢的一个环节，故加快扩散速度，可以加速化学热处理过程。 例如气体渗碳渗时，增加渗剂中CO和CH4的含量，可以加快它们的分解速度，产生更多的活性碳原子。若这些碳原子都能被钢件表面吸收并迅速向钢内部扩散，则可加快渗碳速度。但是活性碳原子若——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 增加过多，会使钢件表面很快饱和。那些来不及被工件表面吸收的原子就会相互结合而失去活性，沉积在工件表面，形成所谓碳黑。碳黑的形成反而阻碍碳原子的渗入过程，因而降低渗碳速度。 渗层浓度与温度、时间及表面浓度有关。温度越高，扩散速度越快，渗层就越深。但温度亦不能过高，否则会引起奥氏体晶粒粗化，使钢的性能变坏。所以各种化学热处理都有适宜的温度范围。延长保温时间可增加渗层深度。如果渗入元素扩散速度很慢，则渗层表面浓度会很高，渗层也较浅。但是，表面浓度越高，扩散速度越快，在相同扩散时间里，渗层浓度越深。 当表面扩散元素的浓度超过在基体金属中的溶解度极限时，就会在表面形成化合物。这种扩散引起相结构变化的现象叫做反应扩散。钢在氮化、渗硼、渗铝、渗铬等化学热处理过程中都会发生反应扩散，甚至会形成多层结构的化合物层。 (二)钢的渗碳 将低碳钢件放入渗碳介质中，在900,950?加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面并获得高碳渗层的工艺方法叫做渗碳。齿轮、凸轮、活塞、轴类等许多重要的机器零件经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韧性。因此，渗碳可使同一材料制作的机器零件兼有高碳钢和低碳钢的性能。从而使这些零件既能承受磨损和较高的表面接触应力，同时又能承受弯曲应力及冲击负荷的作用。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 根据渗碳剂的不同，渗碳方法有固体渗碳气体渗碳和液体渗碳。常用的是前两种，尤其是气体渗碳应用最为广泛。 固体渗碳是将低碳钢件放入装满固体渗碳剂的渗碳箱中，并用盖和耐火泥密封后送入炉中加热至渗碳温度保温，以便活性碳原子渗入工件表层。固体渗剂由 一定颗粒度的木炭加碳酸盐(ωBaCO3或Na2 CO3=2,5%)混合而成。渗碳温度一般为900,930?，渗碳保温时间视层深要求确定，常常需要十几个小时。固体渗碳加热时间长，生产率低，劳动条件差，渗碳层深度及质量不易控制，目前逐渐为气体渗碳所代替。但固体渗碳不需专门设备、工艺简单，适宜单件或小批量生产。因此，即使是工业技术先进的国家也不时使用固体渗碳工艺。 气体渗碳是把零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉罐中进行碳的渗入过程的渗碳方法。这种渗碳方法通常把煤油、苯、或甲醇、丙酮等液态碳氢化合物直接滴入高温渗碳炉内，使其热裂分解为活性碳原子并渗入零件表面。渗碳温度一般为920,950?。但是由渗剂直接滴入炉内进行渗碳时，由于热裂分解出的活性碳原子过多，不能全部为零件表面吸收而以碳黑、焦油等形式沉积于零件表面，阻碍渗碳过程，而且渗碳气氛的碳势也不易控制。因此近年来发展了滴注式可控气氛渗碳，即向高温炉中同时滴入两种有机液体，一种液体(如甲醇)产生的气体碳势较低，作为稀释气体;另一种液体(如醋酸乙酯)产生的气体碳势较高，作为富化气。通过改变两种液体的滴入比例，利用露点仪或红外分析仪控制碳势，使零件表面的含碳量控制在——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 要求的范围内。此外，从气体发生炉中直接向渗碳炉中通入具有一定成分的可控气氛，利用CO2红外线分析仪调节炉内碳势，也能精确控制零件表面要求的含碳量。 低碳钢(ωc=0.15,0.25%)或低碳合金钢渗碳后，其渗层中含碳量是不均匀的，表面含碳量最高，由表层向心部含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。因此渗碳缓冷组织表层为珠光体加二次渗碳体的过共析组织，往里是共析组织和亚共析组织的过渡区，直到原始组织。渗碳层深度按(过共析层+共析层+1/2过渡区)计算。 为了充分的发挥渗碳层的作用，使零件表面获得高硬度和高耐磨性，心部保持足够的强度和韧性，零件在渗碳后必须进行热处理。对于本质细晶粒钢，通常渗碳后可预冷至淬火温度直接淬火，然后进行180,220?低温回火。预冷的主要目的是减少零件与淬火介质之温差，减小淬火应力和变形。对于固体渗碳零件、本质粗晶粒钢渗碳后不能直接淬火的零件，也可从渗碳温度直接空冷后再次加热淬火，然后进行低温回火。渗碳件经淬火并低温回火后，表层组织为高碳细针状回火马氏体组织加细粒状渗碳体，硬度为HRC58,62。心部组织随钢种而异，低碳钢淬透性差，为铁素体加珠光体;低碳合金钢淬透性好，心部由低碳马氏体和少量铁素体组成。根据渗层组织和性能要求，一般零件表层含量最好控制在ωc=0.85,1.05%左右，渗层厚度一般为0.5,2mm，渗层碳浓度变化应当平缓。 (三)钢的渗氮 向钢件表面渗入氮元素，形成富氮硬化层的化学热处理称为渗氮，——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 通常也称为氮化。和渗碳相比，钢件渗氮后具有更高的表面硬度和耐磨性。氮化后钢件的表面硬度高达950,120?0HV，相当于HRC65,72。这种高硬度和高耐磨性可保持到560,600?而不降低，故氮化钢件具有很好的热稳定性。由于氮化层体积胀大，在表层形成较大的残余压应力，因此可以获得比渗碳更高的疲劳强度、抗咬合性能和低的缺口敏感性。渗氮后由于钢件表面形成致密的氮化物薄膜，因而具有良好的抗腐蚀性能。此外，渗氮温度低(560,600?)，氮化后钢件不需热处理，因此渗氮件变形很小。由于上述性能特点，渗氮在机械工业中获得了广泛应用，特别适宜许多精密零件的最终热处理。例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。 目前广泛应用的渗氮工艺是气体渗氮，即将氨气通入加热到渗氮温度的密封 渗氮罐中，使其分解出活性氮原子并被钢件表面吸收、扩散形成一定深度的渗氮层。氨气(NH3)在450?以上温度时与铁接触后分解: 2NH3?3H2+2[N]， α-Fe吸收活性氮原子，先形成氮在α-Fe中的固溶体，当含氮量超过α-Fe的溶解度时，便形成氮化物Fe4N和Fe2N。 氮和许多合金元素都能形成氮化物，如CrN、Mo2N、AlN等，这些弥散的合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，同时具有高的抗腐蚀性。因此Cr-Mo-Al钢得到了广泛应用，其中最常用的渗氮钢是38CrMoAl。——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 由于Cr、Mo能提高钢的淬透性，有利于渗氮件获得强而韧的心部组织。此外，Mo还可以消除钢的回火脆性。中碳Cr-Mo-V钢也是有前途的氮化用钢。 由于氨气分解温度较低，故通常的渗氮温度在500—600?之间。在这种较低的处理温度下，氮原子在钢中扩散速度很慢，渗氮所需时间很长，渗氮层也较薄。例如38CrMoAl钢制压缩机活塞杆为获得0.4—0.6mm的渗氮层深度，渗氮保温时间需60h以上。 钢件渗氮后一般不进行热处理。为了提高钢件心部的强韧性，渗氮前必须进行调质处理。 渗氮的主要缺点是周期太长。为了缩短渗氮周期，目前出现的快速渗氮方法有辉光离子渗氮、卤化物催化渗氮以及高频感应加热渗氮等。离子渗氮等工艺不仅可以大大缩短渗氮时间，而且降低了渗氮层的脆性，显著提高了钢的韧性和疲劳强度。 (四)钢的碳、氮共渗 向钢件表层同时渗入碳和氮的过程称为碳氮共渗，也叫做氰化。碳、氮共渗方法有液体和气体碳、氮共渗两种。液体碳、氮共渗使用的介质氰盐是剧毒物质，污染环境，故逐渐为气体碳、氮共渗所替代。根据共渗温度不同，碳氮共渗可分为高温(900——950?)、中温(700——880?)及低温(500——570?)三种。目前工业上广泛应用的是中温和低温气体碳、氮共渗。其中低温气体碳、碳共渗主要是提高耐磨性及疲劳强度，而硬度提高不多，故又称为软氮化，多用于工模具。中温气体碳、氮共渗多用于结构零件。 ——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 中温气体碳、氮共渗是将钢件放入密封炉内，加热到820——860?，并向炉内通入煤油或渗碳气体，同时通入氨气。在高温下共渗剂分解形成活性碳原子 [C]和氮原子[N]被工件表面吸收并向内层扩散，形成一定深度的碳氮共渗层。在一定的共渗温度下，保温时间主要取决于要求的渗层深度。一般零件的渗层深度为0.5-0.8mm，共渗保温时间约为4—6h。由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，所以钢件碳、氮共渗后可直接油淬，渗层组织为细针状马氏体加碳、氮化合物和少量残余奥氏体。淬火后钢件应进行低温回火。钢件碳、氮共渗后可同时兼有渗碳和渗氮的优点。碳、氮共渗温度虽然低于渗碳温度，但碳、氮共渗速度却显著高于单独的渗碳或渗氮。在渗层碳浓度相同的情况下，碳、氮共渗件比渗碳件具有更高的表面硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。但耐磨性和疲劳强度低于渗氮件。 低温气体碳、氮共渗是以渗氮为主的碳、氮共渗过程。当氮和碳原子同时渗入钢中时，很快在表面形成很多细小的含氮渗碳体Fe3(CN)，这些碳、氮化合物就是铁的氮化物的形成核心，从而加快了渗氮过程，缩短了软氮化的时间。低温碳、氮共渗所用的渗剂一般采用吸热式气氛和氨气混合气，也有用尿素、甲酰胺、三乙醇胺以及醇类加氨气。这些渗剂在软氮化温度下发生分解形成活性[C]、 [N]原子。软氮化温度一般为560?10?，保温时间一般为3-4h。到达保温时间后即可出炉空冷。为了减少钢件表面氧化以及防止某些合金钢的回火脆性，通常在油或水中冷却。低温碳、氮共渗后，渗层——————————————————————————————————————————————— --------------------------------------------------------------------------------------------------- 外表面是由Fe2N、Fe4N和Fe3C组成化合物层，又称白亮层。往里为扩散层，主要由氮化物和含N的铁素体组成。白亮层硬度比纯气体渗氮低，脆性小，故低温碳氮共渗层具有较好的韧性。共渗层的表面硬度比纯气体渗氮稍低，但仍具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度，耐蚀性也有明显提高。低温碳氮共渗加热温度低、处理时间短、钢件变形小，又不受钢种限制，适用于碳钢、合金钢和铸铁材料。可用于处理各种工模具以及一些轴类零件。 ———————————————————————————————————————————————