钢件表面强化处理：表面热处理和化学热处理

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：解决的途径是采用表面热处理或化学热处理等表面强化处理。只对钢件表层进行加热、冷却，以改变其组织和性能的热处理工艺称为表面热处理，分为表面淬火和化学热处理两类。根据电流频率不同，感应加热表面淬火分为三类：高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和工频感应加热表面淬火。由于渗入元素的不同，工件表面处理后获得的性能也不相同。目前在机械制造业中，最常用的化学热处理是渗碳、渗氮和碳氮共渗。

在弯曲、扭转等变动载荷、冲击载荷以及摩擦条件下工作的机械零件，如齿轮、凸轮、曲轴、活塞销等，表层承受的应力比芯部高，而且表面还要不断地被磨损。因此，这种零件的表层必须强化，使其具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而芯部为了能承受冲击载荷，仍应保持足够的塑性与韧性。在这种情况下，要达到上述要求，单从材料方面去解决是很困难的。如果选用高碳钢，淬火后虽然硬度很高，但芯部韧性不足，不能满足特殊需要；如果采用低碳钢，虽然芯部韧性好，但表面硬度和耐磨性均较低，也不能满足特殊需要。解决的途径是采用表面热处理或化学热处理等表面强化处理。

只对钢件表层进行加热、冷却，以改变其组织和性能的热处理工艺称为表面热处理，分为表面淬火和化学热处理两类。

1.表面淬火

表面淬火是通过快速加热将表层奥氏体化后快速冷却，使表面层获得具有一定硬度的马氏体组织的方法。它不改变钢的化学成分，只改变钢的表面层的组织和性能。按加热方法的不同，表面淬火方法主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。这里仅讨论目前生产中应用最广泛的感应加热表面淬火。

（1）感应加热表面淬火的特点

感应加热表面淬火示意图如图1－13 所示。感应加热表面淬火具有加热时间短、工件基本无氧化和脱碳现象、工件变形小的优点。零件形状与感应圈有关，如形状复杂的零件不宜采用感应加热表面淬火。工件表面经感应加热淬火后，在淬硬的表面层中存在较大的残余压应力，可以提高工件的疲劳强度。该法生产率高，易实现机械化、自动化，适于大批量生产。

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图1-13　感应加热表面淬火示意图

（2）感应加热表面淬火用钢

用作表面淬火最适宜的钢种是中碳钢和中碳合金钢，如40、45、40Cr、40MnB 等。若含碳量过高，则会增加淬硬层脆性，降低芯部塑性和韧性，并增加淬火开裂倾向；若含碳量过低，则会降低零件表面淬硬层的硬度和耐磨性。在某些条件下，感应加热表面淬火也应用于高碳工具钢、低合金工具钢及铸铁等工件。

（3）感应加热表面淬火的应用

根据对表面淬火淬硬深度的要求，应选择不同的电流频率和感应加热设备。淬火时工件表面加热深度主要取决于电流频率，电流频率越大，则加热深度越薄。生产上通常通过调节不同的电流频率来满足不同要求的淬硬层深度。根据电流频率不同，感应加热表面淬火分为三类：高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和工频感应加热表面淬火。

感应加热表面淬火后，需要进行低温回火。生产中有时采用自回火法，即当淬火冷至200 ℃左右时，停止喷水，利用工件中的余热达到回火的目的。

2.化学热处理

化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理与表面淬火相比，其特点是表层不仅有组织的变化，而且有化学成分的变化。

化学热处理方法很多，通常以渗入元素来命名，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。由于渗入元素的不同，工件表面处理后获得的性能也不相同。渗碳、渗氮和碳氮共渗是以提高工件表面硬度和耐磨性为主；渗金属的主要目的是提高耐蚀性和抗氧化性等。

化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程组成，即渗入介质在高温下通过化学反应进行分解，形成渗入元素的活性原子；渗入元素的活性原子被钢件表面吸附，进入晶格内形成固溶体或形成化合物；被吸附的渗入原子由钢件表层逐渐向内扩散，形成一定深度的扩散层。目前在机械制造业中，最常用的化学热处理是渗碳、渗氮和碳氮共渗。

（1）渗碳

为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺称为渗碳。

1）渗碳的目的及用钢。在机器制造工业中，有许多重要零件（如机车变速器齿轮、活塞销、摩擦片及轴类等），它们都是在变动载荷、冲击载荷、很大接触应力和严重磨损条件下工作的，因此要求零件表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳极限，而芯部具有较高的强度和韧性。

为了满足上述零件使用性能的要求，可选用碳的质量分数为ω（C）＝0.1%～0.25%的低碳钢或低碳合金钢，如15 钢、20 钢、20Cr 钢、20CrMnTi 钢等，经渗碳处理后零件表层的ω（C）＝0.85%～1.05%。表层在经淬火和低温回火后，具备了高的硬度（58～64 HRC）及耐磨性和疲劳强度，而芯部又保持良好的塑性、韧性。其主要用于表面受磨损严重，并承受较大冲击载荷和交变载荷的零件，如齿轮、活塞销、套筒及要求很高的喷油器偶件等。

2）渗碳方法。渗碳由分解、吸收和扩散3 个过程组成。根据渗碳介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。其中气体渗碳应用最广泛。气体渗碳是工件在气体渗碳介质中进行的渗碳工艺，它是将工件放入密封的加热炉中（如井式气体渗碳炉），通入气体渗碳剂进行渗碳的。

①气体渗碳法。如图1－14 所示，将工件放在密封的炉内，加热至900～950 ℃，向炉内滴入液体渗碳剂（煤油、甲苯、甲醇、丙酮等），或直接通入渗碳气体（煤气、液化石油气、天然气等），在高温下发生分解形成CO。CO 与工件表面接触，生成活性碳原子（2CO→CO2 ＋［C］）。活性碳原子被工件表面吸收而融入奥氏体中，并向内部扩散而形成一定深度（0.5～2 mm）的渗碳层。工件渗碳后必须进行淬火和低温回火。

该方法的优点是：生产率高，渗碳层质量好，渗碳过程容易控制，容易实现机械化、自动化，适于大批量生产。缺点是：碳量和渗碳层深度不易精确控制，消耗能量大。

②固体渗碳法。将工件埋在填充粒状的固体渗碳剂的密封箱内，然后送入炉中加热到900～950 ℃，并保温一定时间后出炉。常用的固体渗碳剂是碳粉和碳酸盐（BaCO3 或NaCO3）的混合物，加热时可得到活性碳原子。

该方法的优点是：设备简单，费用低。缺点是：生产率低，劳动条件差，质量不易控制，所以适于小批量生产。

3）渗碳后的热处理。工件渗碳后必须进行热处理，才能有效地发挥渗碳层的作用。

一般渗碳零件的加工工艺路线是：毛坯锻造（或轧材下料）—正火—粗加工、半精加工—渗碳—淬火—低温回火—精加工（磨削加工）。

（2）渗氮（氮化）

在一定温度下于一定介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮。渗氮的目的是提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。常见的渗氮方法有气体渗氮、液体渗氮和离子渗氮等，其中气体渗氮法应用最广。

气体渗氮是将脱脂净化后的工件放在渗氮炉内加热，并通入氨气，氨被加热到380℃以上后分解出活性氮原子［N］（2NH3→3H2 ＋2 ［N］），活性氮原子［N］被工件表面吸收并向内扩散，形成一定深度的渗氮层。

由于氮在铁素体中有一定的溶解能力，无须加热到高温，因此常用的气体渗氮温度为550～570℃，远低于渗碳温度，故氮化零件的变形较小。渗氮时间取决于渗氮层的厚度，一般渗氮层的深度为0.4～0.6 mm，渗氮时间为20～50 h，所以生产周期比较长。

常用的氮化用钢主要有38CnMoAlA、35CrAlA、38CrMo 等。氮化前工件要进行调质处理，渗氮后不必回火。氮化后工件的硬度相当于65～72 HRC。渗氮通常用于耐磨性和尺寸精度要求较高的零件，如发动机气缸、排气阀、精密机床丝杠和汽轮机阀门等。

零件不需要渗氮的部分应镀锡或镀铜保护，也可留1 mm 的余量，在渗氮后磨去。

一般渗氮工件的加工工艺路线是：毛坯锻造—退火—粗加工—调质处理—精加工—去应力退火一粗磨—锁锡（非渗氮面）—渗氮—精磨或研磨。

（3）碳氮共渗

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图1-14　气体渗碳法示意图

1—风扇电动机；2—废气火焰；3—炉盖；4—砂封；5—电阻丝；6—耐热罐；7—工件；8—炉体

碳氮共渗是指向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程，也称氰化处理，主要有液体碳氮共渗和气体碳氮共渗，其中液体碳氮共渗的介质有毒，污染环境，劳动条件差，所以很少采用。气体碳氮共渗应用较为广泛，其又分为高温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗两类。

1）高温气体碳氮共渗。实质上是以渗碳为主的共渗工艺，介质即渗碳和渗氮用的混合体。由于氮的渗入使碳的浓度很快提高，故可降低共渗温度和缩短时间。碳氮共渗温度为800～850 ℃，共渗后还需要进行淬火和低温回火才能提高表面硬度和芯部强度，常用于处理汽车、机床的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件。

2）低温气体碳氮共渗。实质上是以渗氮为主的共渗工艺，故又称为气体氮碳共渗，生产上习惯称为软氮化。常用的介质有氨加醇类液体，以及尿素、甲酰胺和三乙醇胺等。共渗温度一般为540～570 ℃，时间为2～3 h，共渗后要采用油冷或水冷。目前低温氮碳共渗主要用于刀具、模具、量具、曲轴、齿轮、气缸套等耐磨件的处理，但由于表层碳氮化合物层太薄，仅有0.01～0.02 mm，故不宜用于重载条件下工作的零件。

钢件表面强化处理：表面热处理和化学热处理

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