《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：
1．掌握钢的表面热处理的目的和方法；
2．掌握钢的化学热处理方法及其应用；
3．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（W C=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
子的一种化学热处理工艺称为渗碳。
气体渗碳是采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳
剂，（如：煤油、甲苯或含碳的气体）。
渗碳温度是900~950℃。时间取决于要求的渗碳层
深度，从几小时到十几小时不等。图6-16 气体渗碳示意图渗碳以后，零件表面含碳量约为0.8~1.0%，由表面到中心含碳量逐渐降低。
渗碳的目的是提高工件表层含碳量。经过渗碳及随后的淬火和低温回火，提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持良好的塑性和韧性。工业生产中渗碳钢一般都是W C=0.15～0.25%的低碳钢和低碳合金钢。渗碳层深度一般都在0.5～2.5mm。
钢渗碳后表面层的含碳量可达到0.8～1.1%C范围。渗碳件渗碳后缓冷到室温的组织接近于铁碳相图所反映的平衡组织，从表层到心部依次是过共析组织，共析组织，亚共析过渡层，心部原始组织。
渗碳主要用于表面受严重磨损，并在较大的冲击载荷下工作的零件（受较大接触应力）如齿轮、轴类、套角等。
渗碳方法有气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳，目前常用的就是气体渗碳。
（2）渗氮（氮化）
向钢件表面渗入氮，形成含氮硬化层的化学热处理过程称为氮化。
氮化实质就是利用含氮的物质分解产生活性[N]原子，渗入工件的表层。其目的就是提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及热硬性。
渗氮处理有气体渗氮、离子渗氮等。目前应用较广泛的是气体氮化法。
渗氮用钢通常是含Al、Cr、Mo等合金元素的钢，渗氮层由碳、氮溶于α-Fe的固溶体和碳、氮与铁的化合物组成，还含有高硬度、高弥散度的稳定的合金氮化物如AlN、CrN、MoN、TiN、VN等，这些氮化物的存在对氮化钢的性能起着主要的作用。
与渗碳相比、氮化工件具有以下特点：
1）氮化前需经调质处理，以便使心部组织具有较高的强度和韧性；
2）表面硬度、耐磨性、疲劳强度及热硬性均高于渗碳层；
3）氮化表面形成致密氮化物组成的连续薄膜，具有一定的耐腐蚀性；
4）氮化处理温度低，渗氮后不需再进行其它热处理，因此工件变形小。
氮化处理适用于耐磨性和精度都要求较高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件。如：发动机的汽缸、排气阀、高精度传动齿轮等。
（3）碳氮共渗（氰化）
碳氮共渗是向钢的表面同时渗入碳和氮的过程。目前以高温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氧化）应用较为广泛。
高温（820~920 ℃）碳氮共渗，以渗碳为主，气氛中含有一定氮时，碳的渗入速度比相同温度下单独渗碳的速度要高，厚度更深。
低温（520~580 ℃）碳氮共渗，以渗氮为主，共渗后表面形成白亮层，可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、抗擦伤的性能。
6.5.2 钢的热处理新技术
热处理发展的主要趋势是不断改革加热和冷却技术，创造新的淬火工作介质和新的化学热处理工艺。新工艺、新技术、新设备的发展及计算机的应用提高了工件的强度和韧性；增强工件的抗疲劳和耐磨性能；减少加热过程中的氧化和脱碳；减少热处理过程中工件的变形；节约能源，降低成本，提高经济效益；以及减少或防止环境污染等。
1．真空热处理
在0.1-0.001Pa的环境中加热的热处理工艺，包括真空退火、真空淬火、真空回火等。真空热处理的工件氧化和脱碳少；升温慢，热处理变形小；表面氧化物、油污在真空加热时分解，被真空泵排出，使表面光洁美观，提高疲劳强度、耐磨性和韧性，劳动条件好。但设备较复杂，投资和成本高。主要用于工模具和精密零件的热处理。
2．可控气氛热处理
在炉气成分可控制在预定范围内的热处理炉中进行的热处理称为可控气氛热处理。其目的是为了有效地进行控制表面碳浓度的渗碳、碳氮共渗等化学热处理，或防止工件在加热时
