鍛件表面淬火、滲碳、滲氮等熱處理是為了提高、強(qiáng)化鍛件表面的質(zhì)量,能夠具有更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞極限。鍛件表面熱處理是為改變工件表面的組織和性能,僅對(duì)其表面進(jìn)行熱處理的工藝。通常使表面具有高硬度和耐磨性,而心部仍保持足夠的塑性和韌性。生產(chǎn)上先選用一定成分的鋼,保證心部力學(xué)性能指標(biāo)滿足要求,然后應(yīng)用表面熱處理方法強(qiáng)化表面層,使之達(dá)到性能要求。許多機(jī)械零件在扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變負(fù)荷、沖擊負(fù)荷作用下工作,其表面層承受著比心部高的應(yīng)力;在摩擦的場合,表面層還不斷被磨損。表面熱處理分為表面淬火和表面化學(xué)熱處理兩大類。
1.鍛件表面淬火
鍛件的表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度,然后迅速冷卻,僅使表面層獲得淬火組織,而心部仍保持淬火前組織的熱處理方法。常用的有感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。表面淬火一般為中碳鋼和中碳合金鋼鍛件。
感應(yīng)加熱淬火是利用電磁感應(yīng)原理,通過交變電流在工件表面感應(yīng)出巨大渦流,使鍛件表面迅速被加熱,而心部幾乎不受熱。
感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn):淬火后馬氏體晶粒細(xì)化,表層硬度比普通淬火高2-3HRC。表層存在很大的殘余壓應(yīng)力,有助于提高疲勞強(qiáng)度;不易產(chǎn)生變形和氧化脫碳;易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化,適合于批量生產(chǎn)。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℃低溫回火。
火焰加熱表面淬火是利用氧乙炔氣燃燒的火焰(溫度高達(dá)3100-3200℃)將鍛件表面快速加熱到相變溫度以上,隨后淬火冷卻的工藝方法。
淬火后立即進(jìn)行低溫回火,或利用鍛件內(nèi)部余熱自身回火。這種方法可獲得2?6 mm的淬透深度,設(shè)備簡單,成本低,適于單件或小批量生產(chǎn)。
2.鋼的化學(xué)熱處理
鍛件的化學(xué)熱處理是將鍛件置于適當(dāng)?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫,使一種或幾種元素滲入到鋼的表層,以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。化學(xué)熱處理的主要特點(diǎn)是:表層不僅有組織的變化,而且有成分的變化,故性能改變的幅度大。其主要作用是強(qiáng)化和保護(hù)金屬表面。常用的化學(xué)熱處理方法是滲碳、滲氮和碳氮共滲。
(1)鍛件滲碳處理
將鍛件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫使碳原子滲人表層的化學(xué)熱處理工藝。目的是使低碳(Wc=0.10%-0.25%)鋼件表面得到高碳(Wc=1.0%-1.2%),經(jīng)適當(dāng)?shù)?a target="_self" title="熱處理爐">熱處理爐(淬火+低溫回火)后獲得表面高硬度、高耐磨性,而心部仍保持一定強(qiáng)度及較高的塑性、韌性。適用于同時(shí)受磨損和較大沖擊載荷的低碳、低碳合金鋼鍛件,如齒輪、活塞銷、套筒等。
目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。即將鍛件置于密閉的加熱爐中,可直接通入滲碳?xì)夥?,如煤氣、液化石油氣;也可滴入有機(jī)物,如煤油、甲醇等,在高溫下裂解為含碳?xì)夥?。含碳?xì)夥赵阡摫砻姘l(fā)生氣相反應(yīng),生成活性碳原子,被鋼表面吸收而溶入奧氏體中,并向內(nèi)部擴(kuò)散而形成一定深度的滲碳層。
通常滲碳溫度為900-950℃,滲人速度為每小時(shí)0.2-0.3mm??刂票貢r(shí)間,即可控制所需的滲層深度。
氣體滲碳的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高,勞動(dòng)條件好,滲碳過程容易控制,容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化, 適用于大批量生產(chǎn)。
(2)鍛件的滲氮
鋼的滲氮俗稱氮化,一般在Ac1溫度以下使活性氮原子滲入鍛件件表面,在鍛件表面獲得一定深度的富氮硬化層的熱處理工藝。目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等。適用于交變載荷下工作并要求耐磨的重要結(jié)構(gòu)零件,如高速傳動(dòng)的精密齒輪、高速柴油機(jī)曲軸、高精度機(jī)床主軸及在高溫下工作的耐熱、耐蝕、耐磨零件如齒輪套、閥門、排氣閥等。
滲氮的特點(diǎn):滲氮形成的氮化物硬度高,氮化物硬度可達(dá)950℃,1 200HV,相當(dāng)于65-72HRC;耐磨性好;熱硬性好,在600-650℃有較高熱硬性,氮化后無須淬火。氮化溫度低(500-600℃),氮化過程中無組織轉(zhuǎn)變,變形小,組織穩(wěn)定。形成的氮化層有少量膨脹,表面形成壓應(yīng)力,可提高疲勞強(qiáng)度。氮化物連續(xù)致密,可提高耐蝕性。
常用的滲氮方法有氣體滲氮、離子滲氮、氦碳共滲(軟氮化)等,生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣體滲氮。
1)氣體氮化。在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮的工藝。氮化用鋼需選用含有與氮親和力大的Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的合金鋼,如38CrMoAlA、350A1A、38CrMo等。氮化前需調(diào)質(zhì)預(yù)處理,目的是改善機(jī)加工性能并獲得均勻的回火索氏體組織,保證心部具有較高的強(qiáng)度和韌性。
氣體滲氮是在滲氮爐內(nèi)通入氨氣,加熱升溫至560-570℃以上,氨分解出活性氮原子,活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面,在保溫過程中向里擴(kuò)散,形成滲氮層。滲氮時(shí)間2-5h,可獲得厚度為0.4-0.6mm氮化層。
2)離子滲氮。在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩校缅懠帢O)和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電進(jìn)行滲氮的工藝。離子滲氮相對(duì)于氣體滲氮速度快、周期短,38CrMoAlA要達(dá)到0.53-0.70mm深的滲層,僅需1.5-2.0h (氣體滲氮法5h);滲層質(zhì)量高,明顯提高滲氮層的韌性和疲勞強(qiáng)度;工件變形小,適用于處理精密零件和復(fù)雜零件;材料的適應(yīng)性強(qiáng),滲氮用鋼、碳鋼、合金鋼和鑄鐵都能進(jìn)行離子滲氮,但專用滲氮鋼(如38CrMoAlA)效果較佳。缺點(diǎn)是投資高,溫度分布不均,測溫困難和操作要求嚴(yán)格等。
3)鋼的氮碳共滲。也稱氣體軟氮化,是在一定溫度(500-560℃)下,向鍛件表層滲入氮和碳,并以滲氮為主的化學(xué)熱處理工藝。常以尿素分解為滲劑,加熱后分解出活性碳、氮原子,被鍛件表面吸收,經(jīng)擴(kuò)散獲得滲層。其目的是提高鍛件表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。廣泛應(yīng)用于模具、高速鋼刀具、曲軸、齒輪、氣缸套等耐磨件的處理。
氮碳共滲的特點(diǎn)是滲層硬而不脆,具有高的耐磨性、抗咬合性、抗擦傷的能力;處理時(shí)間短,一般1?3h,滲后不再進(jìn)行其他處理;且不受鋼種的限制。缺點(diǎn)是表層碳氮化合物層太薄,僅有0.01?0.02 mm,不宜用于重載條件下。
(3)碳氮共滲
碳氮共滲是一種改進(jìn)型的氣體滲碳工藝,是在含有碳?xì)浠衔铩⒁谎趸?、氨氣的氣氛中,在高于Ac1溫度的奧氏體狀態(tài)下,把碳和氮同時(shí)滲人鍛件表面增加其表面硬度的工藝。通常在840-870℃下進(jìn)行,保溫4-6h可得0.5-0.8 mm滲層,但共滲層淺,一般用于輕載荷、高耐磨性的零件。