表面热处理文档格式.docx
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仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理,也叫表面淬火。
是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。
按照实现方式，表面淬火可分为：
感应加热表面淬火
火焰加热表面淬火
激光加热表面淬火
感应加热表面淬火原理：
感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。
若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。
由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。
工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。
感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200℃低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。
名称
频率（HZ）
淬硬深度（mm）
适用零件
高频感应加热
100~1000K
0.2~2
中小型，如小模数齿轮，直径较小的圆柱型零件
中频感应加热
500~10000
2~8
中大型，如直径较大的轴，大中等模数的齿轮
工频感应加热
50
10~15以上
大型零件，如直径大于300mm的轧辊及轴类零件
1、一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。
用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性
2、为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采用正火或调质。
3、感应加热淬火零件的加工工艺路线为：
下料-----锻造-----调质或正火------切削加工-----感应加热淬火+低温回火-----精加工-----检验
4、高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80℃～150℃）进行的,因此晶核多,且不易长大，组织细小。
5、表面层淬得马氏体后,由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力,显著提高工件的疲劳强度。
6、因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。
另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。
7、加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。
8、工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应器不易制造
火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧等火焰加热工件表面，进行淬火。
火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。
但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。
因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。
真空热处理：
在低于一个大气压的环境中进行加热的热处理工艺。
真空实际上是气体较稀薄的空间。
在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态，统称为真空。
真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。
1958年第一届国际技术会议曾建议采用“托”（Torr）作为测量真空度的单位。
国际单位制（SI）中规定压力的单位为帕（Pa）。
我国也按SI规定，把压力的法定计量单位规定为Pa（帕）。
l标准大气压（1atm）≈1.013X105Pa（帕）
1Torr≈1/760atm=1mmHg
1Torr≈133Pa1Pa≈7.5X10-3Torr
真空区域
压力值/Pa
低真空
105-102
中真空
102-10-1
高真空
10-1-10-5
超高真空
<
10-5
在1.33X10-1Pa时残存的空气量只占炉内气氛的0．5％，而水蒸气的含量则约占70％-90％。
真空炉残余气体在加热过程中有很大变化，当加热至1000℃以上时，水蒸气比例会降至1％-4％;
氧气比例将低于0.1％-0.01％，即比大气低2-3个数量级;
氮气降至1％-10％，比大气低1-2个数量级；
氢的浓度在室温时为千分之几，高温时可增至40％一60％；
一氧化碳也有所增加。
露点：
将水蒸气变为水的最低温度。
气压越低，露点越低。
露点越低，水蒸气含量越少。
可以用露点来表示真空度？
1Pa真空气氛下相对杂质含量相当于10x10-6，即相当于99.999％的高纯氮气或氢气。
因此，可将真空看成是很纯的气氛，而且是很容易获得的气氛。
通常保护气氛炉，为了实现无氧化加热，其露点充其量也不过在-30-60℃范围内，这只不过相当与6x10-1Pa的真空度。
排出气体的过程。
主要靠真空泵抽气来实现。
几个概念：
极限真空度
抽速L/s
漏气率（压升率）L/s
真空测量
真空加热的特点：
防止氧化、除锈作用、防止脱碳、脱气、净化、蒸发作用、加热速度缓慢；
防止氧化的作用：
金属的氧化和氧化物的分解，按下式进行:
当真空中氧的分压大于氧化物的分解压时，金属要氧化；
相反，当MeO的分解压力大于真空中的氧分压时，MeO会分解出金属来。
1200℃时，FeO的分解压力为1.3x10-11Pa
防止氧化的原因：
氧化介质稀薄，氧化速度极其缓慢，表面上即使有氧化膜也很薄，只有1-2nm左右，可认为金属没有氧化。
由于真空泵的油蒸气扩散至炉内，使真空气氛实际成为含碳气氛，这样炉内氧分压可低于金属氧化物的分解压，金属不会氧化。
一般而论，绝大多数金属在13.3-1.33×
10-3Pa范围内进行加热，都可获得光亮的表面，其热处理后表面光亮度一般可达到处理前的60％一80％以上。
防止脱碳：
在常压的空气中加热，金属要被脱碳，而在真空中加热，由于气氛的活化能极低，气固界面反应进行特别缓慢，脱碳反应不易进行。
脱气：
金属中总会溶解一定量的气体，如H2、N2、O2等，在真空条件下进行热处理，有利于金属脱气。
金属的脱气，有利于提高它的塑性和强度。
温度越高，分子热运动越剧烈，有利于促使溶解于金属中的气体扩’散到表面；
真空度越高，气压越低，越有利于扩散到金属表面的气体逸出。
钢液真空脱气处理，使钢液更纯净，钢材更致密
Ti、Zr及其合金，极易氧化和吸气，特别适合真空热处理。
一般要求Ti及其合金含H2低于50x10－6，否则会氢脆。
在6.7X10-2Pa,705℃真空热处理后，H2的含量可在32X10-6－38×
10-6之间
钢的抗拉强度越高，造成氢脆断裂所需氢浓度越低，真空热处理的脱气作用便可满足这一要求。
如30CrMnSi2NiA钢原始含H2量为6.4X10-6，在空气下加热油淬时，含H2量升高至13X10-6；
而在真空中加热油淬，则下降为4.9x10-6。
净化：
真空热处理炉，已广泛应用于易损伤的金属箔、拉丝线材和精密的带有小孔筛眼之类金属零件的脱脂处理。
附着在这些物件上的油脂属普通脂肪族，是碳、氢、氧化合物，蒸气压较高，在真空中加热时被挥发或分解，随即被真空泵抽走。
蒸发：
在热处理温度范围内，常压下，金属与合金的蒸发是微不足道的。
真空热处理时工件表面层中某些元素的蒸发，有时是很严重的。
Zn、Mg、Mn、Al、Cr等常用的合金元素的蒸气压较高，易蒸发，造成表面合金元素贫乏。
从而使合金的组织变化，力学性能下降。
金属的蒸发，导致邻近的工件表面粘结，影响工件表面光亮度，甚至于报废。
真空热处理时真空度应选择恰当，绝不是真空度越高超好。
无氧化加热的基本原理
金属在真空炉中实现无氧化加热的原因。
不单纯是真空排气的作用。
因为真空热处理过程中出现的很多现象，以单纯的真空排气观点，不能解释。
例如：
（1）对某一种钢，在同一真空度下加热，住往高温时不氧化，中温时出现氧化。
对2Crl3钢，真空度为6.5Pa下加热，温度为1050℃时不氧化，而600—700℃时却出现氧化。
（2）对真空热处理，耐热钢、抗氧化钢、镍铬不锈钢比一般碳钢需要更高的真空度，才能得到光亮的表面。
（3）真空炉的漏气率和炉衬材料的放气率，对实现金属的无氧化加热影响很大。
如果真空炉的漏气率过大，选用大泵。
虽然也能维持—定的真空度，但是不能实现无氧化加热。
出现所谓“过堂风”。
（4）带有氧化皮的热轧钢板，经真空加热以后，氧化皮会被还原，出现光亮表面。
真空加热有强烈的还原作用。
金属实现无氧化加热的基本条件为气氛中氧的分压必须低于金属氧化物的平衡分解压。
应当注意，工作真空度与氧分压的区别。
真空炉的总压力一般不低于1.33x10-3Pa，为了实现金属的无氧化加热，残余气体中氧的分压必须低于金属氧化物的平衡分解压。
为此，不能仅仅靠抽真空，还要靠高温化学反应，抽真空将大量气体排掉，剩余的氧化性气体与还原性物质化合，才能使氧分压降到金属氧化物的平衡分解压以下，实现金属的无氧化加热。
降低真空炉中氧分压的主要途径
碳在高温下与氧和水化合生成一氧化碳、二氧化碳和氢气。
可以显著地降低气氛中氧的分压。
对有石墨构件配有油扩散泵或油增压泵的真空炉，泵的返油不可避免，即使配有很好冷阱的油扩散泵或油增压泵，所返出的油经高温分解．也可以提供足够的碳。
既没有石墨构件，也不用油扩散泵或油增压泵的外热式真空空炉，为了降低氧分压，往往需要在真空炉中加入脱氧剂。
脱氧剂—般可以使用石墨。
在不允许使用石墨的情况下，可以使用钛屑等。
碳与残余气体中的氧气和水化合生成一氧化碳、二氧化碳和氢气。
一氧化碳分压与真空度为同一数量级。
如果真空度为2.66x10-1Pa。
一氧化碳分压约为1.33X10-1Pa，考虑到一般真空计的测量精度不高，化学反应不平衡因素的影响，在实际工作中；
可以将一氧化碳分压近似地看作真空度。
在一般热处理温度下，氧分压远远低于一氧化碳分压。
在800℃时，一氧化碳分压为133Pa（1Torr）时，对应的氧分压只有1.28X10-23Pa（9.6x10-24Torr）。
氧分压比一氧化碳分压低23个数量级，在这个温度下氧化铁的平衡分解压为9.58x10-15Pa（7.2x10-17Torr）。
根据金属实现无氧化加热的基本原理，气氛中氧分压低于氧化铁的平衡分解压约7个数量级，因此可以实现铁的无氧化加热
（1）金属实现无氧化加热所需的真空度与加热温度有关，对所有的金属，加热温度越高，所需的真空度越低。
“低温用高真空，高温用低真空”是选择工作真空度的基本原则，在这方面理论与实践经验得到了统一。
（2）对一般碳素钢，在650℃以上加热，在任何真空度的条件下，都可以实现无氧化加热。
在这方面，真空热处理与可控气氛热处理，以及用固体碳保护的方法，效果是一致的。
（3）对高铬或高锰合金钢，在850℃以上温度加热，工作真空度在13.3Pa，可以实现无氧化加热，真空度不需要很高，以减少合金元素的蒸发。
（4）在高温、高真空条件下加热，比如温度在1250℃以上，真空度在1.33x10-2Pa以上，某些绝缘材料，如SiO2等，有还原成金属，破坏绝缘的危险，应当予以注意。
无氧化加热理论在实际工作中的应用
（1）严格控制真空炉的漏气率和炉衬材料的放气率
真空炉的漏气率在制造中应当予以保证。
是考核真空炉质量的一个重要指标。
炉衬材
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