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热处理车间梁蕾蕾2013年11月28日热处理培训1、热处理概述2、零件热处理工艺流程介绍3、气体渗碳技术介绍4、渗氮（氮化）技术介绍5、热处理设备介绍概述定义钢的热处理是指钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。目的消除毛坯（如铸件、锻件）中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序加工做好准备；显著提高钢的力学性能，从而充分发挥钢材的潜力，提高零件的使用性能和使用寿命。概述分类根据加热和冷却的方法不同，常用热处理方法大致分类如下：热处理普通热处理表面淬火化学热处理退火正火淬火回火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火及其它表面热处理渗碳渗氮碳氮共渗及其它概述在生产中，一般常把热处理分为预备热处理和最终热处理两类。一般比较重要的零件制造过程大致是：铸造或锻造退火或正火机械（粗）加工淬火回火表面热处理机械（精）加工图中退火和正火就属于预备热处理，它是为了消除前道工序造成的缺陷，为随后的机械加工和最终热处理做好准备的热处理。图中淬火和回火（或表面热处理）就属于最终热处理，它是为了使零件满足使用性能要求的热处理。概述基本热处理工艺曲线热处理的方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温、冷却三个阶段组成。下图为基本的热处理工艺曲线。温度时间保温相变点0普通热处理的定义退火：将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。根据钢的成分、退火的工艺与目的不同，退火常分为完全退火、等温退火、均匀化退火、球化退火和去应力退火等几种。正火：将工件加热到相变点（Ac3、Accm）以上完全奥氏体化后，再在空气中冷却以得到以较细珠光体为主的组织的热处理工艺。正火实质上是退火的一个特例，两者区别主要在于正火的冷却速度较快。正火与退火相比，钢的力学性能较高，生产周期短，能耗少。因此在满足要求的条件下，优先考虑采用正火。概述淬火：将工件加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保温一定世间使其奥氏体化后，以大于马氏体临界冷却速度进行快速冷却，从而发生马氏体转变的热处理工艺。它是强化钢材的最重要的热处理方法。回火：将淬火后工件重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。淬火后马氏体在不同温度下可获得不同组织，从而有不同的力学性能，以满足各类零件的使用要求。所以一般淬火后必须要进行回火，淬火是为回火做好组织准备，回火则决定了工件热处理后的最终组织与性能。按回火的温度范围，可将回火分为低温（150-250℃）、中温（350-500℃）、高温（500-650℃）回火。调质就是指将淬火加高温回火相结合的热处理。概述热处理工艺流程螺纹防渗渗碳淬火清洗清理喷丸回火强化喷丸校直研磨顶尖孔清理顶针孔1、轴类零件3、压装齿轮渗碳淬火清洗清理喷丸回火压装2、一般齿轮渗碳淬火清洗清理喷丸回火强化喷丸热处理工艺流程4、电子束焊齿轮5、齿套/锥环清洗压装电子束焊渗碳淬火清洗回火清理喷丸强化喷丸渗碳淬火清洗清理喷丸回火压淬清洗回火清理喷丸6、齿座渗碳淬火清洗清理喷丸回火三缺口修磨7、副箱支板表面清理离子氮化检查气体渗碳技术介绍概述渗碳是把钢件置于渗碳介质（称为渗碳剂）中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的化学热处理工艺。根据渗碳剂的不同可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。许多重要零件（如变速箱轴、齿轮等）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硬度、耐磨性及疲劳极限，而心部具有较高的强度和韧性。采用渗碳淬火加低温回火后，可在零件表层和心部分别获得高碳和低碳组织，使高碳钢和低碳钢的不同性能结合在一个零件上，满足了使用性能的要求。现在气体渗碳设备一般选用可控气氛箱式多用炉或带有可控气氛加热室和密封淬火油槽的推盘连续炉生产线来进行渗碳淬火，工件无脱碳，无氧化，表面质量高。使用了现代传感技术和计算机控制技术，使碳势控制和过程控制完全通过计算机监控运行，提高了控制精度。使工件表面含碳量、碳浓度分布、渗层深度、金相组织都能比较精确的控制，质量稳定性好。气体渗碳技术介绍气体渗碳原理渗碳反应：各种气氛在炉内存在着多种化学反应，但对渗碳过程起到关键作用的反应主要有：2CO=CO2+【C】CO=1/2O2+【C】CO+H2=H2O+【C】CH4=2H2+【C】气体渗碳技术介绍渗碳过程，可分为三个阶段：气氛中形成CO、CH4等渗碳组分；供碳组分传到渗碳零件表面，在表面吸附、反应，产生活性碳原子渗入到钢铁表面。渗入零件表面的碳原子向内部扩散，随着不断的吸附扩散，形成一定碳浓度梯度的渗碳层。气体渗碳技术介绍与渗碳过程有关的重要参量：碳势CP是指炉内含碳气氛在一定温度下与钢铁工件表面的奥氏体之间达到动态平衡时，钢的表面达到的含碳量。一般采用低碳钢薄片测量。将厚度小于0.1mm的低碳钢箔片置于某一温度的渗碳介质中，进行穿透渗碳，测定箔片的含碳量，即为该渗碳介质在该温度下的碳势。碳传递系数β表征渗碳界面反应速度的常数，它的定义为单位时间内从炉气转移到钢件单位表面积上的碳量，是渗碳过程的动力学因素，它与渗碳温度、渗碳介质、渗碳气氛组成有关。气体渗碳技术介绍气体渗碳常用的可控气氛：发生炉制备的吸热式气氛该气氛常用天然气（CH4）或丙烷（C3H8）与空气混合后在一定的流速下通过装有镍触媒的反应器在1050℃高温下进行化学反应生成。（1）以天然气为原料气的化学反应式：2CH4+(3.76N2+O2)=2CO+3.76N2+4H2（2）以丙烷为原料气的化学反应式：2C3H8+3(3.76N2+O2)=6CO+11.28N2+8H2该气氛制备需要单独的吸热式气体发生器。气体渗碳技术介绍氮-甲醇气氛该气氛是在分析吸热式气氛组成的基础上开发的一种新型气氛，其成分与天然气制备的吸热式气氛基本相同，均为40%H2、40%N2和20%CO，适应于较宽的温度范围。氮-甲醇-富化气渗碳是在炉内直接发生气氛，无需单独的炉外气氛发生器，可用天然气、丙烷、丙酮、醋酸乙酯为富化气。该气氛的稳定性与渗碳层均匀性不低于吸热式气氛，但在使用该气氛时要注意控制甲醇与N2的流量比例，不同比例是CO%是不同的。气体渗碳技术介绍直生式气氛（超级渗碳）该气氛是将原料气（天然气、丙烷、丙酮、醋酸乙酯）和空气直接通入800-1100℃的高温炉内，原料气和空气发生燃烧反应，直接形成非平衡但又可控的气氛。通过调节空气加入量调节碳势。温度不同，原料气不同，生成气氛中的CO和CH4含量不同。特点：（1）碳传递系数较高，渗碳速度较快。（2）只需一种原料气，运行成本较低。（3）目前主要应用在箱式多用炉上。气体渗碳技术介绍滴注式气氛该气氛也属于一种直生式气氛，是同时把两种有机液体直接滴入渗碳炉内进行热分解形成可控气氛，一种为稀释剂，如甲醇裂解为载气，另一种为富化剂，如丙酮、异丙醇。通过调节富化剂来调节碳势。该气氛适用于小批量生产的单位，渗剂储运方便。气体渗碳技术介绍气体渗碳工艺：渗碳工艺制定主要包括渗碳工艺分段（升温段、均温段、强渗段、扩散段、降温段、保温段）及各段温度、碳势、时间等参数的设定。工艺参数的确定同被处理工件的材料（主要是化学成分）、尺寸、大小、厚薄、形状复杂程度、渗层深度要求、渗碳设备、渗碳气氛有关。工艺段时间0渗碳温度t1保温温度t2淬火油温t3时间温度升温均温强渗扩散缓冷保温典型气体渗碳工艺曲线气体渗碳技术介绍渗碳温度的选择渗碳温度对于渗碳速度有很大的影响，温度越高渗速越快，常用渗碳温度为900-930℃。渗层深度浅时用下限，渗层深度深时用上限。在这样的渗碳温度下渗碳速度较高，而渗碳炉也可保持较长的寿命。对于一些要求薄层渗碳的零件，经常采取较低的渗碳温度（如870-890℃），这样容易对渗碳层的深度进行精确控制，零件变形也较小。对与渗层较深的零件可以考虑高温渗碳，能起到缩短渗碳周期和节能的效果。但这种情况下还必须要考虑升温及高温下对设备耐热钢件、耐火材料等零部件的寿命损害，维修成本的增加。渗碳时间的选择渗碳时间同渗碳层深度、钢种、渗碳气氛类型、渗碳温度、碳势、强渗期和扩散期的时间分配、设备类型和状态等因素有关。气体渗碳技术介绍碳势的选择升温阶段因为温度较低，一般碳势值选用0.4-0.8，过高的碳势容易形成炭黑。强渗阶段在给定温度下应根据渗碳层要求深浅合理选择。随着强渗温度升高，允许的最高碳势值相应升高。在选择强渗期、扩散期和保温期的碳势时，还要考虑合金系数的影响。合金系数即在一定渗碳气氛中，合金渗碳钢所能达到的平衡含碳量与纯铁在该气氛所达到的平衡含碳量之比。气体渗碳技术介绍渗碳后的处理：直接淬火工件渗碳后随炉降温到760-860℃之间后直接淬火的方法。可减少加热、冷却次数，提高生产率。可降低能耗和生产成本。可减少零件变形及氧化脱碳。适用于本质细晶粒钢，不适用于本质粗晶粒钢。重新加热淬火可得到较细的组织。清洗回火改善淬火组织，提高刚的性能。消除或减小淬火内应力。渗氮技术介绍渗氮：在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。目前应用的主要渗氮方法有气体渗碳和离子渗氮。气体渗氮：将表面清理干净、除油净化的工件放在密封炉内加热，并通入氨气。氨气在380℃以上就能按下式分解出活性氮原子。活性氮原子被钢表面吸收，形成固溶体和氮化物，随时间往里扩散，获得一定深度的渗氮层。2NH3→3H2+2[N]常用气体渗氮温度为550-570℃，渗氮周期较长，一般渗层0.4-0.6mm，其渗氮时间约需40-70h。渗氮的特点渗氮后表面合金氮化物硬度极高，一般可达950-1200HV（相当于68-72HRC），故不需淬火就可以有很高的表面硬度和耐磨性，而且还可保持到600-650℃不明显下降。钢的疲劳极限可提高15-30%。具有很高的耐腐蚀能力。工件的变形很小。渗氮技术介绍离子渗氮：在一定真空度下，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电现象进行的，所以又叫做辉光离子渗氮。过程:通过高压（400-750V）直流电，氨气被电离成氮和氢的正离子及电子，这时候在阴极（工件）表面形成一层紫色的辉光。具有高能量的氮离子以很大速度轰击到工件表面，由动能转化为热能，使工件温度升到渗氮温度（450-650℃）。同时氮原子在阴极上夺取电子后，还原成氮原子渗入工件表面，并向内层扩散形成渗氮层。另外氮离子轰击工件表面时，还能产生阴极溅射效应而溅射出铁离子，与氮离子化合，形成含氮量很高的FeN，重新附着在工件表面。在渗氮温度下，凝附着的FeN不稳定的，迅速分解为含氮较低Fe2N、Fe3N和Fe4N各级氮化物并放出氮原子。一部分氮原子通过扩散进入零件表面形成氮化物，另一部分再次返回等离子区。在邻近阴极区，氮化铁的形成以及其在阴极上的沉积是连续不断的。这种反应阴极溅射模式一般被认为是氮等离子区进入零件表面的主要迁移形式。渗氮技术介绍离子渗氮的优点渗氮速度快。渗氮层组织容易控制，脆性小。工件变形小。离子渗氮的缺点设备比较复杂，价格比气体渗氮贵。对操作人员的技术要求较高，需要具有一定的真空、辉光放电原理、化学热处理等方面的专业知识和等离子渗氮炉实际操作经验。不同形状、尺寸零件混合装炉时，做到各零件温度一致比较困难。准确测定炉内零件温度还比较困难，目前，只能采用模拟测温，仪表控温达到±1℃—±3℃，炉内零件实际温度可控制在±10℃以内。热处理设备介绍多用炉控制程序界面控制程序界面进气管道阀门何谓多用炉从用途方面来说，可以进行渗碳淬火、碳氮共渗，简单退火、回火等等从工艺灵活性来说，可以灵活的进行补共析、返晚淬火件等不合格件、灵活的对小批量不同层深的零件进行加工。周期炉和连续炉连续炉可以看作是多个盘位的集成，一个盘位的热处理状态差，比如说某盘位处气流出现死点、温度达不到工艺要求甚至完全渗不上碳，即使是这样我们也可以通过邻近盘位的状态调整达到合理的热处理产品。