（机械工程专业论文）感应加热器在金属零件表面淬火中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 皇曼量量曼曼曼皇曼曼曼曼量量蔓曼奠舅曼皇量量量曼曼皇曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼ii l l i i i i i i ii i i i 曼曼皇曼皇曼曼量量曼量量皇量量量曼量量喜皇蔓曼曼量烹皇舅葛 摘要 随着社会经济和科学技术的不断发展，零件的服役条件日益苛刻，对不同工作条 件下磨损、腐蚀与断裂尤其疲劳断裂的抗力要求不断升级，金属材料的热处理技术尤 其表面强化技术显得尤为重要。表面淬火热处理是表面强化中的一种工艺，正确选择 表面淬火工艺必须了解零件的工作情况和服役条件，零件的结构、形状及使用的材料 等各个方面，从生产和使用角度去考虑解决方案，原则是从实际出发而且经济有效。 本文以洛阳正奇机械有限公司的多种高频、中频表面淬火感应器为应用背景，首 先从零件热处理及表面淬火的工艺特点、表面淬火组织特点、加热方法等几方面提出 零件表面强化的重要意义；其次介绍感应加热表面淬火基本原理、组织与性能、设备 组成及应用现状；最后详细论述表面淬火用感应加热器的设计过程，并就感应加热表 面淬火质量检查及缺陷防止、感应加热器在机械制造领域的其他应用等方面作了相关 介绍。 本文的主要研究内容为：根据金属零件的工作条件及表面性能要求对零件表面淬 火加热方式进行分析，着重分析表面淬火用感应加热器的结构、参数及优势。首先， 从金属零件的力学要求出发，通过分析表面淬火的工艺过程、组织特点，初步确定表 面淬火常用的加热方法及设备。其次，从性能优势及节约能源的方面提出感应加热方 法，阐述加热原理，进行常用感应器的结构设计。最后，通过一些参数计算，选择合 适的结构及参数，使感应加热器在金属零件表面淬火过程中获得高的效率和优异的性 能。 关键词：表面淬火；感应加热器：节能：工艺参数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e t ye c o n o m ya n ds c i e n c et e c h n o l o g y ，t h ew o r k c o n d i t i o no fm a c h i n ep a r t si ss t r i c ti n c r e a s i n g l y u n d e rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s ，t h e r e q u e s t so fc o m p o n e n tf o rw e a r i n g ，c o r r o s i o na n db r e a k a g ea r eg e t t i n gh i g l la n dh i 曲，t h eh o t p r o c e s s i n gt e c h n i q u e so fm e t a l sm a t e r i a l ，e s p e c i a l l yt h es u r f a c ee n h a n c et e c h n i q u e ，t h e r e f o r e ， a re p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h es u r f a c eh e a th a r d e n i n gi so n eo f s u r f a c ep r o c e s st e c h n i q u e so f m a c h i n ep a r t s i no r d e rt oc h o o s eh e a th a r d e n i n gt e c h n o l o g yc o r r e c t l y ，a n dt h es o l v e p r o g r a mm u s t b ec o n s i d e r e df r o mp r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，s ot h a tt h er e s u l tc o u l db e e c o n o m i c a l y b a s e do nt h e a p p l i c a t i o n s o fv a r i o u s s u r f a c e q u e n c h i n gh e a t i n ga p p a r a t u s i n l u o y a n g - z h e n g q im a c h i n e l i m i t e dc o m p a n y , t h ei m p o r t a n c eo fs p a r ep a n ss u r f a c ee n h a n c e f r o mt e c h n o l o g ya n do r g a n i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，h e a tm e t h o do fm a c h i n ep a r t sa n ds u r f a c e q u e n c h i n ge t c i nt i f f sp a p e r ，a r ep u tf o r w a r df i r s t l y ；s e c o n d ，i n d u c t i o nh e a t i n gp r i n c i p l e ， o r g a n i z a t i o nc o n s t i t u t ew i t hf u n c t i o n ，e q u i p m e n t sa n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o na lei n t r o d u c e d ； a tl a s t ，i n d u c t i o nh e a t i n ga p p a r a t u so fs u r f a c eq u e n c h i n gi sd e t a i l e d i na d d i t i o n ，m d u c t i o n h e a t i n gs u r f a c eq u e n c h i n gq u a l i t yc h e c ka n do t h e ra p p l i c a t i o no fi n d u c t i o nh e a t i n ga p p a r a t u s a tm a c h i n em a n u f a c t u r i n ga r ei n t r o d u c e dr e l a t e d l y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i s p a p e r ：t h eh e a t i n gw a yo fm a c h i n ep a r t s s u r f a c e q u e n c h i n gi sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h er e q u e s t i o n so fm a c h i n ep a r tw o r kc o n d i t i o n a n ds u r f a c ef u n c t i o n t h es t r u c t u r e , p a r a m e t e ra n da d v a n t a g eo fi n d u c t i o nh e a t i n ga p p a r a t u s a r ea n a l y s i s e de m p h a s i z l y f i r s t , a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c so ft h em e t a l s p a r t s ，t h e t e c h n o l o g yp r o c e s sa n do r g a n i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c e q u e n c h i n ga r ea n a l y s i s e d ，a n d t h em e t h o da n de q u i p m e n t so fs u r f a c e q u e n c h i n ga r ed e t e r m i n e d t h e n ，t h es t r u c t u r eo f i n d u c t i o nh e a t i n ga p p a r a t u si sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na d v a n t a g ea n de c o n o m y e n e r g y l a s t ，b ym e a n so fp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n s ，s u i t a b l es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sa le c h o s e di no r d e rt oo b t a i nh i g he f f i c i e n c ya n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei ns l l l f a c eq u e n c h i n g k e yw o r d s ：s u r f a c e - q u e n c h i n g ；i n d u c t i o nh e a t i n ga p p a r a t u s ；e n e r g y - s a v i n g ；p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1选题的背景和意义 第1 章绪论 随着社会经济和科学技术的不断发展，机械零件尤其齿轮类、轴类零件的 力学性能要求日益苛刻，这些零件在各类机械设备中发挥着非常重要的作用， 金属零件的热处理技术尤其表面强化技术显得尤为重要。零件的失效很多是有 疲劳引起，零件除了整体满足强度韧性要求外，表面的硬度、韧性要求更加严 格。表面淬火热处理是表面强化中的一种工艺，表面淬火的加热方法及设备有 很多种，从加热效率、淬火质量尤其节能方面比较感应加热表面淬火有着不可 取代的优势。 感应加热作为新兴的技术，在近：3 0 年来得到了真正应用。在能源紧缺的 今天，其重要性显得尤为突出，技术正在迅速提高，用途日益广泛。我国在改 革开放之后开始发展感应加热技术，其应用前景非常看好。2 0 世纪9 0 年代， 国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的应达感应加热公司和彼 乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他f i 的产品技术含量高、电源功率 大、品牌全、炉子吨位大、生产线规模大，占据了国内的很大一部分市场。感 应加热技术应用于金属的熔炼、锻造毛坯的加热、零部件的热处理、零件粘接 后的感应加热固化、感应加热半固态成形、感应加热装配、感应加熟钎焊等领 域。仅在零件表面淬火处理领域近年来很多企业生产多种高频、中频表面淬火 感应器，包括圆柱类零件表面淬火感应器、齿轮淬火感应器、曲轴淬火感应器、 凸轮类零件表面淬火感应器、球面零件淬火感应器、平面类零件淬火感应器、 端头和端面淬火感应器、套类零件内表面淬火感应器及槽口淬火感应器等多个 品种。 1 2国内外的发展现状 在能源紧缺的今天，节约能源的重要性显得尤为突出，感应加热技术正在 迅速提高，用途日益广泛。我国在改革开放之后开始发展感应加热技术，其应 用前景非常看好。在电能代替煤、油、气等不可再生能源在加热领域正逐步成 为优势能源的今天，感应加热在熔炼、加热等领域得到日益广泛的应用，电加 热特别是感应加热的应用有非常广泛的应用前景，感应加热设备生产厂商具备 广阔的发展空间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 随着电力半导体器件的开发和电力电子技术的不断发展，感应加热装置的 面貌也随之日新月异，以装置的体积、质量、性能方面的变化尤为突出。例如 频率，同容量的晶体管式变频装置与电子管式变频装置相比体积缩小2 3 ，重 量减轻2 3 ，冷却水节约1 2 ，耗电量节约1 3 ，效率提高3 5 ，使用寿命更长， 更加安全可靠，容易实现自动控制，有利于提高加热效率及质量，维护工作量 更小，能做到随用随开。德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、 比利时和俄罗斯等工业发达国家的感应加热装置的技术发展及应用位于世界 前列。 我国感应加热技术的应用开始于2 0 世纪5 0 年代，发展主要是改革开放以 后，主要用于机床、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火， 而熔炼和透热方面的应用较少。感应加热的技术几乎全来自前苏联和捷克。8 0 年代，浙大自主开发了第一台并联式晶闸管中频电源并向全国推广。2 0 世纪 9 0 年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的应达感应加 热公司和彼乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高、 电源功率大、品牌全、炉子吨位大、生产线规模大，占据了国内的很大一部分 市场。只是他们的设备价格高( 国内同性能产品大约是其价格的1 5 左右) ， 这才使国内厂家有了一定的市场发展空间。 感应加热装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电 源，另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈及机械结构，称感应炉。感 应加热装置的发展趋势呈现电源趋向高频大容量化、感应加热装置趋向机械 化、自动化。近几年，随着机电一体化、计算机、信息和控制、装备自动化、 新材料、新工艺等的快速发展，铸造、锻压和热处理过程趋向数字化、精密化。 反映在对加热方面的需求趋势为：数字化制造融入铸锻过程，包括加热、熔炼 设备；铸锻短流程生产要求减少资源浪费；大型铸锻件生产要求工业节能；自 动化控制下的清洁生产。因此感应加热装备在其节能环保的特点下，有应市场 需求向大型化、自动化和控制趋向智能化方向发展的趋向。 1 3 本文的主要工作内容 本文首先从机械零件热处理及表面淬火的工艺特点、表面淬火组织特点、 加热方法等几方面提出零件表面强化的重要意义；其次介绍感应加热表面淬火 基本原理、组织与性能、设备组成及应用现状；最后详细论述表面淬火用感应 加热器的设计过程，并就感应加热表面淬火质量检查及缺陷防止、感应加热器 在机械制造领域的其他应用等方面作了相关介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 本文的主要研究内容为：根据金属零件的工作条件及表面性能要求对零件 表面淬火加热方式进行分析，着重分析表面淬火用感应加热器的结构、参数及 优势。首先从金属零件的力学要求出发，通过分析表面淬火的工艺过程、组织 特点，初步确定表面淬火常用的加热方法及设备，从性能优势及节约能源的方 面提出感应加热方法，阐述加热原理，进行常用感应器的结构设计，通过一些 参数计算，选择合适的结构及参数，使感应加热器在金属零件表面淬火过程中 获得高的效率和优异的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章金属零件热处理 2 1 热处理原理及工艺过程介绍 机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等用的大量 零部件需要通过热处理工艺改善其性能。据初步统计，在机床制造中，约6 0 - - 7 0 的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达7 0 - - 8 0 ，而工模具及滚动轴承，则要l0 0 进行热处理。总之，凡重要的零件都必 须进行适当的热处理才能使用。 材料的热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷 却再发生相变的工艺过程。热处理基本过程包括加热、保温和冷却。这三大基 本要素决定了材料热处理后的组织和性能。加热是热处理的第一道工序，不同 的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种，一种是在临界点a 以 下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在a ，以上的加热，目的是为了获得 均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。保温的目的是要保证工件烧透， 防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。 一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。冷却是热处理的最终工序， 也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。 钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥氏体转变为 不同的组织，得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律，首先要研究钢在加热 时的变化。 1 加热时奥氏体的形成过程 以共析钢的加热转变为例，钢加热到7 2 7 ( 铁碳合金状态图的p s k 线即 a l 线) 以上的温度珠光体转变为奥氏体。这个加热速度十分缓慢，实际热处理 的加热速度均高于这个缓慢加热速度，实际珠光体转变为奥氏体的温度高于 a l ，定义实际转变温度为h c l 。h c l 高于a l ，表明出现热滞后，加热速度愈快， a c l 愈高，同时完成珠光体向奥氏体转变的时间亦愈短。 共析钢( 含0 7 7 碳) 加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相 相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体转变可分为四步进行，这四个阶段 包括奥氏体晶核的形成、奥氏体的长大、残余渗碳体的溶解、奥氏体成分的均 匀化，如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 图2 - 1共析钢加热转变示意图 上述分析表明，珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要 而充分条件：一是温度条件，要在a c t 以上加热，二是时间条件，要求在a c l 以上温度保持足够时间。在一定加热速度条件下，超过a c l 的温度越高，奥氏 体的形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度( 高于a c l ) 条件下， 保温时间越长，奥氏体成分越均匀。奥氏体晶粒尺寸过大( 或过粗) 往往导致 热处理后钢的强度降低，工程上往往希望得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒， 为此可以采用：途径之一是在保证奥氏成分均匀情况下选择尽量低的奥氏体化 温度；途径之二是快速加热到较高的温度经短暂保温使形成的奥氏体来不及长 大而冷却得到细小的晶粒。 2 钢的加热工艺选择 钢的加热工艺包含加热温度与加热时间。加热温度的选择，原则上可根据 钢的相图参考确定。实际生产中还要考虑加热方式，不同热处理类型，以及钢 的具体成分等因素作必要调整。加热时间指的是升温与保温时间的总和。加热 工件到要求的温度所需时间为升温时间。保温时间是工件表面与心部都达到要 求的温度所需时间。升温时间主要取决于加热速度，保温时间取决于钢的化学 成分、工件尺寸与形状以及加热炉类型等诸因素。加热速度快，升温时间短、 生产效率高，但是对于高合金钢以及形状复杂的工件，过快的加热速度会导致 升温过程中工件变形甚至开裂报废。保温时间以工件心部热透( 到达要求温度) 及成分均匀化合乎要求进行计算。一般碳素结构钢在温度8 0 0 c 左右的箱式电 炉中加热，以每1 毫米直径或1 毫米厚度保温1 o m i n - - 1 5 m i n 为宣，若采用 盐浴炉加热，保温时间可以缩短，每l 毫米直径或1 毫米厚度保温时间可为 o 3 m i n o 4 5 m i n 。 3 钢的加热缺陷 钢加热时常见的缺陷： ( 1 ) 氧化 加热时的氧化性气氛( 如空气气氛中0 ，、c o ，、h ，o 等) 氧化钢铁，在工 件表面形成f e o ，f e 203 ，f e304 等氧化物。在温度5 6 0 c 以下，主要形成这f e3o 类比较致密的氧化物，它可使钢表面与氧化性气氛隔离，阻止钢表进一步氧化。 鼢 一 国懒 卿一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 但钢的奥氏体化温度多在5 6 0 以上，钢被氧化形成以f e o 为主的疏松的氧化 物层，依加热温度升高加热时间增长其氧化物层厚度增加，不仅导致钢的烧损 加大，而且使零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的还严重影响后序热处理的质 量。 ( 2 ) 脱碳 钢加热过程中脱碳，即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象。伴随 氧化常发生脱碳，氧化性气氛也是脱碳的气氛，h ，虽是还原性气氛亦是脱碳气 氛。一般钢中含碳量越高，脱碳越严重。由于脱碳使钢件表面含碳量下降，导 致钢件机械强度下降，特别是工件的疲劳强度下降，耐磨损性能降低。 ( 3 ) 过热 钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高，出现的现象是钢的奥氏体晶 粒变粗。结果使钢的塑性、韧性、强度降低，同时工件热处理后变形加大，还 可能导致热处理裂纹、使工件报废。过热的工件一般可再在较低温度加热，重 新使奥氏体晶粒细化予以补救。 ( 4 ) 过烧 钢的过烧是指加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。 过烧后的工件很脆，如果锻造一锻即裂，过烧的工件只能报废。 加热缺陷的防止办法有采用真空加热、可控气氛加热、盐浴加热等方法， 实践证明这些是行之有效与可靠的方法，也是现代热处理的发展方向之一。 4 钢在冷却时的转变 同一种钢加热到奥氏体状态后，由于冷却速度不一样，奥氏体转变成的组 织不一样，因而性能也不一样。研究奥氏体冷却转变常用等温冷却转变曲线， 即t t t 曲线( 过冷奥氏体在一定温度下随时间变化组织转变情况) 及连续冷却 转变曲线，即c c t 曲线( 过冷奥氏体依冷却速度变化组织转变情况) 。t t t 曲 线是选择热处理冷却制度的参考，c c t 曲线更能反映热处理冷却状况，作为选 择热处理冷却制度的依据。 ( 1 ) 珠光体( p ) 转变及其组织 在温度a 1 以下至5 5 0 左右的温度范围内，过冷奥氏体转变产物是珠光体， 即形成铁素体与渗碳体组成的相间排列的层片状的机械混和物组织，这种类型 的转变又叫珠光体转变。在珠光体转变中，由a 1 以下温度依次降到鼻尖的5 5 0 左右，层片状组织的片间距离依次减小。这类组织又可细分为珠光体、索氏 体和屈氏体三种。实际上，这三种组织都是珠光体，其差别只是珠光体组织的 “片间距”大小，形成温度越低，片间距越小。“片间距 越小，组织的硬度 越高，屈氏体的硬度高于索氏体，远高于粗珠光体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 奥氏体转变为珠光体的过程也是形核和长大的过程。如图2 2 所示，当奥 氏体过冷到a 1 以下时，首先在奥氏体晶界上产生渗碳体晶核，通过原子扩散， 渗碳体依靠其周围奥氏体不断地供应碳原子而长大。同时，由于渗碳体周围奥 氏体含碳量不断降低，从而为铁素体形核创造了条件，使这部分奥氏体转变为 铁素体。由于铁素体溶碳能力低( 小于o 0 218 碳) ，所以又将过剩的碳排挤 到相邻的奥氏体中，使相邻奥氏体含碳量增高，这又为产生新的渗碳体创造了 条件。如此反复进行，奥氏体最终全部转变为铁素体和渗碳体片层相间的珠光 体组织。珠光体转变是一种扩散型转变，即铁原子和碳原子均进行扩散。 c p 图2 - 2 珠光体的形成示意图 ( 2 ) 贝氏体( b ) 转变及其组织 过冷奥氏体在5 5 0 m s ( 马氏体转变开始温度) 的转变称为中温转变， 其转变产物为贝氏体型，也叫贝氏体转变。贝氏体仍是由铁素体与渗碳体组成 的机械混和物，但其形貌与渗碳体的分布与珠光体型不同，硬度也比珠光体型 的高。 根据贝氏体的组织形态和形成温度区间的不同又可将其划分为上贝氏体 与下贝氏体。上贝氏体硬度比同样成份的下贝氏体低，韧性也比下贝氏体差， 所以其机械性能很差，脆性很大，强度很低，基本上没有实用价值。下贝氏体 有较高的强度和硬度，还有良好的塑性和韧性，具有较优良的综合机械性能， 是生产上常用的组织，获得下贝氏体组织是强化钢材的途径之一。 在中温区发生奥氏体转变时，由于温度较低，铁原子扩散困难，只能以晶 格转变的方式来完成原子的迁移，而碳原子则有一定的扩散能力，可以通过短 程扩散来完成原子迁移，所以贝氏体转变属于半扩散型相变。在贝氏体转变中， 存在着两个过程，一是铁原子的晶格转变，二是碳原子的短程扩散。 当温度较高( 5 5 0 3 5 0 ) 时，条状或片状铁素体从奥氏体晶界开始向 晶内以同样方向平行生长。随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原子向条间的 奥氏体中富集，最后在铁素体条之间析出渗碳体短棒，奥氏体消失，形成上贝 氏体。当温度较低( 3 5 0 - m s ) 时，碳原子扩散能力低，铁素体在奥氏体的 晶界或晶内的某些晶面上长成针状，碳原子不能长程迁移，因而不能逾越铁素 体片的范围，只能在铁素体内一定的晶面上以断续碳化物小片的形式析出，从 而形成下贝氏体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 3 ) 马氏体( m ) 转变及其组织 过冷奥氏体在马氏体开始形成温度m s 以下转变为马氏体，这个转变持续 至马氏体形成终了温度m f 。在m f 以下，过冷奥氏体停止转变。除a l 、c o 元 素外，溶解到奥氏体中的元素均使m s 、m f 下降。碳含量增多，m s 、m f 点降低。 经冷却后未转变的奥氏体保留在钢中，称为残余奥氏体。在m s 与m f 温度之间 过冷奥氏体与马氏体共存。在m s 温度以下，转变温度越低，残余奥氏体量越 少。马氏体形成的温度已是碳原子难以扩散的温度，马氏体是含过饱和碳的间 隙固溶体。马氏体硬度马氏体的形貌常有针状及板条状两种，前者一般出现在 高碳钢中，后者一般出现在低碳钢中。 2 2热处理工艺分类 常用热处理工艺可分两类：预备热处理和最终热处理。最终热处理( 如淬 火、回火) 是为了使成品达到要求的使用性能。预备热处理( 如退火、正火) 是 为了消除毛坯、半成品或返修件等在前道工序( 如铸、锻、焊、冷加工等) 所造 成的缺陷及内应力，为改善后续加工( 如切削、热处理、拉拨等) 的工艺性能而 作准备。 1 退火 将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工 艺称退火。一般缓冷常用炉冷、灰冷、砂冷等。退火主要目的是为了降低钢的 硬度，提高塑性和韧性，便于切削加工和冷冲压，消除内应力，细化晶粒、改 善组织，为后续工序作好组织准备。根据钢的成分、原始组织和不同目的，退 火可分为均匀化退火( 扩散退火) 、完全退火、球化退火、等温退火、去应力退 火和再结晶退火等。均匀化退火是为了金属铸锭、铸件或锻坯化学成分的偏析 和组织的不均匀性将其加热到高温，长时间保持，然后缓慢冷却，以达到化学 成分和组织均匀化为目的的退火工艺。完全退火是将铁碳合金完全奥氏体化， 随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。其目的是细化晶粒、消除 内应力，降低硬度以便冲压或切削加工。球状化退火是使钢中碳化物球状化而 进行的退火工艺。其目的是降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火做好组织 准备。主要用于共析钢和过共析钢( 如工具钢、轴承钢等) 。去应力退火是为了 去除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的 退火。再结晶退火是经冷形变后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间， 使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的退火工 艺。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 2 正火 正火是将钢材或钢件加热到月。，或月c 。以上3 0 - - 5 0 ，保温适当的时间后， 在静止的空气中冷却的热处理工艺。正火工艺的主要特点是把钢完全奥氏化后 空冷；正火的冷速比退火的稍快，过冷度稍大；共析碳钢获得索氏体组织；强 度、硬度略比退火高。普通结构件以正火作为最终热处理，提高其力学性能； 低碳钢正火以改善其切削加工性能：过共析钢正火可消除网状二次渗碳体，为 球化退火和淬火工艺作好组织准备。正火与退火从所得到的组织上没有本质区 别，其目的均可细化晶粒、改善组织和改善切削加工性能，但正火的生产效率 高、成本低。因此，一般普通结构件应尽量采用正火代替退火。 3 淬火 淬火是指将钢件加热到a 。或a 。以上某一温度，保持一定时间，然后以适 当速度冷却获得马氏体( 或贝氏体) 组织的热处理工艺。淬火是为了得到马氏体 ( 或贝氏体) 组织，经过回火后，使工件获得良好的力学性能。例如：提高工具、 轴承等的硬度和耐磨性；提高弹簧的弹性极限；提高轴类零件的综合力学性能 等。亚共析钢淬火加热温度一般为a 。，以上3 0 5 0 c ，以便淬火后获得均匀细 小的马氏体组织；共析钢和过共析钢淬火加热温度一般为a 。，以上3 0 - 5 0 ， 以便淬火后获得均匀细小的马氏体或马氏体和粒状渗碳体复相组织。钢件加热 到淬火温度并保持适当加热时间，其目的是使钢件全部热透，并获得细小均匀 的奥氏体组织。因此，生产中必须严加控制，否则会造成组织转变不完全或晶 粒粗大及生产率降低。 理想的冷却速度是在过冷奥氏体最不稳定的区间快速冷却，而在稳定的温 度区间慢速冷却，这样能保证实现马氏体转变，又能减少淬火应力和变形开裂 倾向。生产中常用不同的淬火方法去接近理想的冷却速度，淬火方法是根据工 件特点结合各种冷却剂的特点，保证淬火质量所采用的方法。常用淬火方法有 单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、深冷处理( 冷处理) 等。 4 回火 回火是指钢件淬硬后，再加热到a 。，以下一温度，保温一定时间，然后冷 却到室温的热处理工艺。因为淬火后钢的组织通常是马氏体和残余奥氏体，它 们均为不稳定相，在一定的条件下具有向稳定相转变的自发倾向；马氏体的硬 度高，韧性低；淬火应力大、工件易变形或裂纹。所以淬火的工件要进行回火 处理。淬火钢件回火的主要目的是稳定组织和形状尺寸：消除淬火应力；调整 硬度、提高韧性，以获得所需要的力学性能。 热处理生产中常按回火温度分为低温回火、中温回火和高温回火。钢件的 回火组织与力学性能也将随回火温度而改变。低温回火是指淬火钢件在2 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 以下的回火。具有很高硬度( 5 8 6 5 h r c ) 、高耐磨性、内应力及脆性有所降低， 韧性有所提高。低温回火常用于刃具、模具、量具、滚动轴承和渗碳件等。中 温回火是指淬火钢件在2 5 0 5 0 0 之间的回火。性能具有较高的硬度( 4 0 5 0 h r c ) 、较高弹性极限、较高屈服点、保持足够的韧性。中温回火常用于弹性 构件，如弹簧、发条等。高温回火是指淬火钢件在高于5 0 0 的回火，回火后 组织具有良好的综合力学性能。高温回火常用于承受复杂应力的重要零件，如 曲轴、连杆、齿轮和轴等。 2 3 表面热处理介绍 生产中常遇到有些零件( 如凸轮、曲轴、齿轮等) 在工作时，既承受冲击， 表面又受摩擦，这些零件常用表面热处理，保证“表硬心韧 的使用性能。表 面热处理是指仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺。通常可分 表面淬火和化学热处理两类。 2 3 1 表面淬火 表面淬火是指仅对表层进行淬火的工艺。其方法是通过快速加热使工件表 层迅速达到淬火温度，而心部还未达到临界淬火温度时立即快速冷却，使其表 层得到淬火组织而心部组织不变，以满足“表硬心韧的性能要求。目前生产 根据加热方法不同有多种表面淬火方法，将在下一章作详细介绍。 2 3 2 化学热处理 化学热处理是指将金属或合金工件置于一定的温度的活性介质中保温， 使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工 艺。其特点是表层不仅有组织改变也有化学成分的改变。按钢件表面渗入的元 素不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮( 氮化) 、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗铬 等。 现将生产中常用两种化学热处理分别简要介绍如下： 1 钢的渗碳 ， 渗碳是指将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原于渗入表层的化学热处 理工艺。其目的是为了将钢件表层增加含碳量，再经过淬火、低温回火后，工 件表层具有高硬度和耐磨性，而工件内部仍具有原低碳钢的高塑性和高韧性。 熟处理生产中常用气体渗碳法。气体渗碳法是将工件放在密封的加热炉( 如井 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 式气体渗碳炉) 中，通人渗碳剂( 如煤油、煤气、甲烷等) ，加热至9 2 0 - - 9 3 0 ， 炉内形成高浓度碳的气氛，在长时间保温的过程中，活性碳原于被钢件表面吸 收，溶入高温奥氏体中，并随保温时间的增长，碳原子逐渐向内部扩散，形成 一定深度的渗碳层。渗碳工件通常选用低碳钢和低碳合金钢材料，渗碳工件表 层含碳量一般为o 8 5 1 0 5 ，经淬火、低温回火后工件表面硬度可达5 6 - 6 4 h r c 。 2 钢的渗氮( 氮化) 氮化是指钢件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。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。主要用于要求 高硬度，高精度的工件，如镗杆、高压阀门阀杆、高精度齿轮和轴等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 第3 章金属零件表面淬火工艺 3 1表面淬火工艺过程 表面淬火是指仅对零件表层进行淬火的工艺。其方法是通过快速加热使 工件表层迅速达到淬火温度，而心部还未达到临界淬火温度时立即快速冷却， 使其表层得到淬火组织而心部组织不变，以满足“表硬心韧”的性能要求。钢 在表面淬火时，其基本条件是有足够的能量密度提供表面加热，使表面有足够 快的速度达到相变点以上的温度。因此，表面淬火时钢处于非平衡加热。 钢在非平衡加热时有如下特点： 1 在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高 在快速加热时均随着加热速度的增加而向高温移动。但当加热速度大到某 一范围时，所有亚共析钢的转变温度均相同。加热速度愈快，奥氏体形成温度 范围愈宽，但形成速度快、形成时间短。加热速度对奥氏体开始形成温度影响 不大，但随着加热速度的提高，显著提高了形成终了温度。原始组织愈不均匀， 最终形成温度提得愈高。 2 奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大 随着加热速度的增大，转变温度提高，转变温度范围扩大。随着转变温 度的升高，与铁素体相平衡的奥氏体碳浓度降低，而与渗碳体相平衡的奥氏体 碳浓度增大。由于加热速度快，加热时间短，碳及合金元素来不及扩散，将造 成奥氏体中成分的不均匀，且随着加热速度的提高，奥氏体成分的不均匀性增 大。显然，快速加热时，钢种、原始组织对奥氏体成分的均匀性有很大影响， 对热传导系数小，碳化物粗大且溶解困难的高合金钢采用快速加热是有困难 的。 3 提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒 快速加热时，过热度很大，奥氏体晶核不仅在铁素体、碳化物相界面上 形成，而且也可能在铁素体的亚晶界上形成，因此使奥氏体的形核率增大。又 由于加热时间极短，奥氏体晶粒来不及长大。当用超快速加热时，可获得超细 化晶粒。 4 快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响 快速加热使奥氏体成分不均匀及晶粒细化，减小了过冷奥氏体的稳定性， 使c 曲线左移。由于奥氏体成分的不均匀性，特别是亚共析钢，还会出现两种 成分不均匀性现象。由于快速加热奥氏体成分的不均匀性，淬火后马氏体成分 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 也不均匀，所以，尽管淬火后硬度较高，但回火时硬度下降较快，因此回火温 度应比普通加热淬火的略低。 3 2表面淬火组织特点 1 表面淬火的金相组织 钢件经表面淬火后的金相组织与钢种、淬火前的原始组织及淬火加热时沿 截面温度的分布有关。最简单的是原始组织为退火状态的共析钢。淬火以后金 相组织应分为三区，自表面向心部分别为马氏体区( m ) ( 包括残余奥氏体) ， 马氏体加珠光体( m 十p ) 及珠光体( p ) 区。这里所以出现马氏体加珠光体区， 因快速加热时奥氏体是在一个温度区间、并非在个恒定温度形成的，其界限 相当于沿截面温度曲线的奥氏体开始形成温度及奥氏体形成终了温度。在全马 氏体区，自表面向里，由于温度的差别，在有些情况下也可以看到其差别，最 表面温度高，马氏体较粗大，中间均匀细小，紧靠开始形成温度区，由于其淬 火前奥氏体成分不均匀，如腐蚀适当，将能看到珠光体痕迹( “珠光体灵魂”) 。 在温度低于奥氏体形成终了温度区，由于原为退火组织，加热时不能发生组织 变化，故为淬火前原始组织。 若表面淬火前原始组织为正火状态的4 5 钢，则表面淬火以后其金相组织 沿截面变化将要复杂得多。如果采用的是淬火程度很大的淬火介质，即只要加 热温度高于临晁点，凡是奥氏体区均能淬成马氏体，按其金相组织分为四区， 表面马氏体区( m ) ，往里为马氏体加铁素体( m + f ) ，再往里为马氏体加铁素体加 珠光体区，中心相当于温度低于奥氏体开始形成温度区为淬火前原始组织，即 珠光体加铁素体。在全马氏体区，金相组织也有明显区别，在紧靠相变点a c ， 区，相当于原始组织铁素体部位为腐蚀颜色深的低碳马氏体区，相当于原来珠 光体区为不易腐蚀的隐晶马氏体区，二者颜色深浅差别很大，由此移向淬火表 面，低碳马氏体区逐渐扩大，颜色逐渐变浅，而隐晶马氏体区颜色增深，靠近 表面变成中碳马氏体( 如图3 1 ) 。 图3 14 5 钢表面淬火后不同加热温度区的金相组织 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 若4 5 钢表面淬火前原始组织为调质状态，由于回火索氏体为粒状渗碳化 均匀分布在铁素体基体上的均匀组织，因此表面淬火后不会出现由于上述那种 碳浓度大体积不均匀性所造成的淬火组织的不均匀。在截面上相当于a c ，与 a c ，温度区的淬火组织中，未溶铁素体也分布得比较均匀。在淬火加热温度低 于a c 至相当于调质回火温度区，由于其温度高于原调质回火温度而又低于临 界点，因此将发生进一步回火现象。表面淬火将导致这一区域硬度下降。这一 部分的回火程度取决于参数m ，其区域大小取决于表面淬火加热时沿截面的温 度梯度。加热速度愈快，沿截面的温度梯度愈陡，该区域愈小。由于加热速度 快，加热时间短，参数m 小，回火程度也减小。 表面淬火淬硬层深度一般计至半马氏体( 5 0 m ) 区，宏观的测定方法是沿 截面制取金相试样，用硝酸酒精腐蚀，根据淬硬区与未淬硬区的颜色差别来确 定( 淬硬区颜色浅) ；也可借测定截面硬度来决定。 2 表面淬火后的性能 ( 1 ) 表面硬度 快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。例如激光加热 淬火的4 5 钢硬度比普通淬火的可高4 个洛氏硬度单位；高频加热喷射淬火的， 其表面硬度比普通加热淬火的硬度也高2 3 个洛氏硬度单位。这种增高硬度 现象与加热温度及加热速度有关。当加热速度一定，在某一温度范围内可以出 现增加硬度的现象，提高加热速度，可使这一温度范围移向高温，看来这和快 速加热时奥氏体成分不均匀性、奥氏体晶粒及亚结构细化有关。 ( 2 ) 耐磨性 快速加热表面淬火后工件的耐磨性比普通淬火的高。快速表面淬火的耐磨 性优于普通淬火的。这也与其奥氏体晶粒细化、奥氏体成分的不均匀、表面硬 度较高及表面压应力状态等因素有关。 ( 3 ) 疲劳强度 采用正确的表面淬火工艺，可以显著地提高零件的抗疲劳性能。例如4 0 c r 钢，调质加表面淬火的疲劳极限为3 2 4 n m m2 ，而调质处理的仅为2 3 5 n m m2 。 表面淬火还可显著地降低疲劳试验时的缺口敏感性。表面淬火提高疲劳强度的 原因，除了由于表层本身的强度增高外，主要是因为在表层形成很大的残余压 应力。表面残余压应力愈大，工件抗疲劳性能愈高。 3 表面淬火淬硬层深度及分布对工件承载能力的影响 虽然表面淬火有上述优点，但使用不当也会带来相反效果。例如淬硬层深 度选择不当，或局部表面淬火硬化层分布不当，均可在局部地方引起应力集中 而破坏。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 ( 1 ) 表面淬火硬化层与工件负载时应力分布的匹配即表面淬火淬硬层深度 必须与承载相配。 ( 2 ) 表面淬硬层深度与工件内残余应力的关系 表面淬火时由于仅表面加热，仅表面发生胀缩，故表面将承受压应力。淬 火冷却时表面热应力为拉应力，而表面组织应力为压应力，二者叠加结果，表 面残余应力为压应力。这种内应力由于表面部分加热和冷却时的胀缩和组织转 变时的比容变化所致，显然其应力大小及分布与淬硬层深度有关。试验表明， 在工件直径一定的情况下，随着硬化层深度的增厚，表面残余压应力先增大， 达到一定值后，若再继续增厚硬化层深度，表面残余压应力反而减小。残余应 力还与沿淬火层深度的硬度分布有关，即与马氏体层的深度、过渡区的宽度及 工件截面尺寸之间的比例有关。 一 3 3 表面淬火对零件表面强化的重要意义 表面强化技术包括液固转变、气固转变、水溶液沉积、固态相变、固态扩 渗、表面粉末冶金、表面形变强化、离子注入与冲击硬化、涂料与涂塑等几类， 表面淬火是表面强化处理的一种，它可以充分发挥材料的潜力。采用表面淬火 处理能够较理想地解决表面和心部性能要求不一致的矛盾，既能改善表面强 度、硬度和耐磨性，有能保证心部大塑性和韧性，满足生产技术要求。 表面淬火是提高零件承受一定冲击载荷、抵抗磨损和抵抗疲劳的有效方 法。表面淬火适用于含碳量为0 4 0 5 的中碳结构钢，如果含碳量过高，则 会使工件心部的韧性下降，如果含碳量过低，则使工件表面的硬度、耐磨性降 低。此外，表面淬火还可用于铸铁如机床导轨表面的处理，以提高其耐磨性。 3 4 表面淬火加热方法 零件表面淬火方法有很多，根据加热时所具有的供热方法有感应加热表面 淬火、火焰加热表面淬火、盐浴加热加热表面淬火、电解液加热加热表面淬火、 电接触加热表面淬火、激光加热加热表面淬火、电子束加热表面淬火、离子束 加热表面淬火、太阳能加热加热表面淬火等等。下面简单介绍几种常用的表面 淬火方法。 3 4 1感应加热表面淬火 感应加热是将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面迅速加热( 几秒钟内 即可升温8 0 0 1 0 0 0 ，心部仍接近室温) 后立即喷水冷却( 或浸油淬火) ，使 工件表面层淬硬的工艺方法。感应加热表面淬火将在下一章作详细介绍。 3 4 2火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是用乙炔一氧或煤气一氧混合气燃烧的火焰喷射快速加 热工件。工件表面达到淬火温度后，立即喷水冷却，淬硬层深度为2 6 m m ， 否则会引起工件表面严重过热及变形开裂。 火焰加热表面淬火方法可分为同时加热方法和连续加热方法。其操作方 法、工艺特点和适用范围如表3