等离子弧表面淬火技术研究应用与进展.docx

等离子弧表面淬火技术研究应用与进展钟 厉 1, 曲冬 2(1. 重庆交通大学 机电与汽车工程学院, 重庆 400074; 2. 重庆交通大学 交通运输学院, 重庆 400074)摘 要：综述了等离子弧表面淬火的工艺原理及研究应用与进展，并对等离子弧表面淬火技术的发展趋势进行了探讨。关键词：等离子弧； 表面淬火； 表面硬度中图分类号：TG174.44文献标识码：A文章编号：1001-3814(2010)08-0142-04Research Application and Progress of Plasma Arc Surface HardeningZHONG Li1, QU Dong2(1. College of Mechatronics Automotive Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. College of Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)Abstract：The research application and progress about plasma arc surface quenching were discoursed, and thedevelopment trend of the plasma arc surface quenching was also discoursed.Key words：plasma arc; surface quenching; surface hardness材料表面处理是新世纪工业发展的关键技术之一， 它既是先进制造技术的重要组成部分， 又为高 新技术的发展提供有力支撑。 开发和应用表面工 程可以推进制造业和再制造业的发展，节约资源和 能源，减少环境污染， 是循环经济的重要技术支持， 也是实现工业可持续发展的一项重要举措1。金属表面热处理是材料表面处理技术的一项重 要内容， 它在解决材料和产品耐磨、 耐蚀、 耐高温和 赋予表面特殊功能从而提高产品性能、延长产品使 用寿命方面具有特殊功效。 利用它可以使一些表面 性能差、价格便宜的基材获得满足零件工况要求的 功能表层， 从而取代昂贵的整体合金， 节约贵金属 和稀缺材料，大幅度降低成本2。 等离子弧表面淬火 技术作为一种新型表面强化处理技术，能够有效提 高工件表面硬度、 耐磨性， 同时还能保持内部良好 的韧性和表面粗糙度，可以显著提高工件的综合力 学性能。等离子弧表面淬火技术等离子弧表面淬火属于一种利用高能量密度热 源对材料进行表面热处理的方法。 它以等离子弧作 为热源对工件表面进行加热， 使被加热部位的温度 在很短的时间内达到相变温度以上， 然后靠工件自 身冷却和相变获得所需的组织， 从而获得良好的表 面耐磨性和耐腐蚀性3。目前在工业生产中应用最多的表面淬火方法有 火焰加热表面淬火、 感应加热表面淬火和激光表面 强化热处理。 火焰加热表面淬火 是利用燃气氧 气火焰对工件进行局部加热， 然后靠工件自冷或强 制冷却来实现淬火。 其主要不足在于化学火焰温度 不高，温度上升速度缓慢，易于使靠近处理部位的区 域过热，工件变形大。 感应加热表面淬火是靠外加 电磁感应线圈产生的感应电流进行加热， 这种加热 效果往往受工件形状的限制， 且局部温度控制也比 较困难。 20 世纪 70 年代以来，激光表面淬火开始在 航空、 航天、机械、电器、 兵器和汽车制造等行业获 得了广泛应用，这种方法可以取得极佳的淬火效果， 淬火层硬度高、工件变形小，但其缺点是设备的价格 昂贵且体积庞大， 对操作人员的技术要求高， 而且 生产成本较高4。等离子弧是一种能量密度仅次于激光和电子束1收稿日期:2009-09-18基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(CSTC，2008BB6348); 重庆 市南岸区科技计划项目(20061023); 重庆交通大学博士启 动基金资助项目(200909008)作者简介:钟厉(1965- ),女,重庆人,教授,博士,主要从事材料表面工 程的科研及教学工作;电话E-mail:Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.08142下半月出版材料热处理技术Material & Heat Treatment的热源，可以利用它产生的高温进行表面强化处理。等离子弧表面淬火可用于常规硬化方法不易处理的 表面，如用于齿轮和齿条的齿部、丝杠的螺纹部分等 局部表面硬化处理。 对于表面积较大的工件如导 轨、主轴、杆等， 同样可以获得较为理想的硬化层 ， 所以将其用于工件表面淬火有很好的应用前景。 这 种方法主要有以下特点： 可在所需要的部位对工件 进行选择性的表面处理，能量的利用率高，能耗小。加热过程非常迅速， 高密度的热流使工件表面 能在很短的时间内达到很高的温度， 并由表及里形 成淬火介质，从而实现自冷淬火；且获得的表面硬度 也高于常规热处理。 它对金属进行非接触式加热， 没有机械应力作用，且加热和冷却速度快，热应力也 小，因此处理后工件的变形较小，可减小或者省去后 续处理。 设备投资小，生产运行成本低，这也是它能 在很多场合下取代激光淬火的最主要原因。现弱化趋势。 这是因为当试样的厚度超过一定的临界值时，过大的厚度导致淬火冷却速率变慢，从而无 法达到更好的淬火效果。 王硕桂8等对等离子表面 淬火相变硬化带影响因素的研究表明， 等离子弧表 面淬火过程中的淬硬相变温度大于常规热处理的中 的相变温度； 提高等离子弧热源的集中程度不能提 高等离子弧表面处理硬化层的最大深度， 相反可能 引起表面熔化； 而热源移动速度直接影响最大淬硬 深度，实际中可以降低热源的集中程度，同时降低热 源的移动速度， 提高等离子表面淬火的质量。等离子弧可 以通过直流 电源在等离 子 炬 的 钨 极、喷嘴和被处理工件之间的不同连接方式，得到转 移弧、非转移弧和联合弧三种等离子弧，不同的电弧 特性对淬火效果有着不同的影响。 赵程9等对此进 行了深入研究并发现： 转移弧和联合弧可以获得比 非转移弧更深的淬硬深度， 但非转移弧的氩气流量 对钢的淬硬深度影响比较大，同时，小口径的非转移 弧或联合弧的电弧燃烧稳定， 比较适合用于等离子 弧淬火处理。刘细芬10-11等选用 45 钢为实验材料，对非转移 弧等离子表面淬火的工艺参数进行了一系列的实验 研究，结果发现，等离子体表面淬火热处理工艺参数 对淬火组织性能有很大影响： 随着喷嘴到工件距离 的不断增加， 淬硬层的硬度、 深度、 宽度呈下降的趋 势， 且距离越大，淬火效果越不理想，当喷嘴到工件 的距离为 10 mm 时，工件表面硬度下降至 440 HV， 表明等离子电弧的热处理区域温度不足致使工件表 面不能发生组织转变； 由于扫描速度的增大， 淬火 区 的 宽 度 和 深 度 随 之 减 小 ， 这 是 因 为 扫 描 速 度 加 快，单位时间单位面积上接受到的能量减少，而且温 升的范围也会变窄； 随着电弧电流增加， 淬硬区宽 度、深度均同时增加，硬度趋于不变， 但是如果电弧 电流数值提高， 工件容易熔融， 影响淬硬层深度及 淬硬带宽度， 从而影响淬硬件的组织和性能， 因此 要控制好电弧电流值 。 实验还得出了最佳的生产 工艺参数：喷嘴直径 4.5 mm， 电弧电流 125 A， 喷嘴 到工件的距离 8 mm，扫描速度 4.2 m/min，工作气体气 压 0.075 MPa。苏荣君12等针对在用非转移弧进行淬火处理时，电弧一离开工件容易断弧、影响处理效果的问题，对 等离子切割机进行了改进， 用改进后的方法对折弯等离子弧表面淬火工艺等离子弧表面淬火的工艺原理是运用机械和电 磁压缩产生高能量密度的收缩等离子弧柱， 快速加 热金属工件， 使工件表面组织在极短时间内奥氏体 化，然后急速冷却，使工件表层组织细化强化，从而 提高表层的硬度和耐磨性5。 等离子弧表面淬火处 理时， 金属表面温度可以在熔化温度和相变温度之 间变化，过热度较大， 但由于弧束扫描速度快，处理 部分不会发生过热或过烧现象。 由于加热速度和冷 却速度都很快， 热应力较小， 奥氏体长大及碳原子 和合金原子的扩散也受到限制， 因此可以获得细化 和超细化的金相组织；同时，急冷可以抑制碳化物的 析出，从而减少脆性相的影响6。影响等离子表面淬火效果的工艺参数主要有喷 嘴孔径、工作电流、喷嘴到工件表面的距离、扫描速 度、起弧方式、试样厚度、工作气体等。新加坡南洋理工大学的 YANG7深入研究了试 样厚度对等离子表面淬火的影响，他以 ASSAB 760 (AISI 1045，我国的国标 45 钢) 中碳钢为实验材料 ， 试样厚度分 6、10 和 20 mm 三种， 在同等条件下进 行了一系列的等离子表面淬火实验，结果发现，试样 的最高淬火硬度、淬硬层深度和宽度、冷却速率等属 性指标都会随着试样厚度的增加而提高， 但当试样 厚度的增加超过一定程度时， 这些属性指标反而出2热加工工艺 2010 年第 39 卷第 08 期143材料热处理技术2010 年 4 月Material & Heat Treatment模块进行等离子淬火，效率提高了 3 倍，质量也有了很大的提高。后， 其磨损程度比未处理的部件低 3 倍， 得到很大推广。在国内， 现已研制出专用于汽缸套淬火的数控 等离子弧表面淬火设备， 等离子弧表面淬火工艺也 已经被应用于柴油发动机缸套、装甲车曲臂、大制动 鼓、 扭力轴等多种耐磨件和模具、刃具的表面强化。 所涉及的淬火材料包括中碳钢、 合金钢、灰铸铁、球 墨铸铁、硼合金铸铁等20-22。武文斌23-24将等离子表面淬火技术应用于粮食 饲料加工中的磨粉机磨辊硬化处理，经过处理的齿辊 并不改变齿形，表面硬度可达 650720 HV， 次表层 硬度为 750850 HV， 是 未处理试样硬度的 1.52倍；齿辊表面硬化层的厚度为 0.150.3 mm，并且齿 槽受影响较小，硬度基本不变，不影响磨辊的重复拉丝。 Pan25等运用层流式等离子弧对铸铁进行表面淬 火， 淬火后的 W-Mo-Cu 铸铁的平均表面硬度可达700 HV0.1，有些试样的上表面硬度可达 900 HV0.1， 是心部硬度的 3 倍； 并且淬硬层的厚度也随着的电 流的增大而增加， 但为了避免过高的电流导致表面 粗糙甚至脱落， 实际生产中要控制好电流强度才能 获得理想的淬火效果。等离子弧表面淬火层的组织和性能崔洪芝13等采用常压下低温等离子束表面淬火 技术， 以氩气作为等离子发生保护气体， 采用高频 高压方式引弧，对硼铸铁缸套进行了表面淬火。处理 后的硼铸铁缸套(300 HV)的硬度可达 800900 HV，硬化区深度为 0.10.17 mm， 宽度为 2.544 mm，等离子硬化层的组织是由表层的白口组织和次层的 高碳马氏体组成。 表层白口组织的出现是由于铸铁 的熔点比钢要低，表面易发生微熔，熔化后的液态金 属冷却后转化为白口组织。 除碳化物外，淬火区中 还可能出现残余奥氏体组织。张磊14等对铸铁类机械零件进行离子束表面淬 火处理后， 研究发现，铸铁材料等离子束淬火时，淬 火区和基体之间有明显的分界线，基本没有过渡区； 整个淬硬区中的组织转变完善， 近乎全部为隐针马 氏体， 故硬度高； 淬火时由于组织转变造成体积膨 胀， 使淬火区处有凸起， 淬火区在形成高硬度的同 时，又承受了一定的挤压力，这使淬火区有更高的硬 度和耐磨性。 张剑15等对淬火条纹的形态及分布对 耐磨性能的影响进行了深入研究，结果表明：在有润 滑的状态下， 等离子弧淬火条纹与运动方向夹角成9078时，润滑条件最好，因此摩擦因数最小，减 摩性能最好；在相同速度下，等离子弧淬火条纹会随着载荷的增加而使得摩擦因数减小。3结束语等离子弧表面淬火技术已受到国内外研究工作 者的重视并取得了许多进展， 其在工业上的应用也 有着很好的前景。 但影响等离子弧表面淬火处理工 艺的参数较多， 且在工件工艺处理过程中对诸多工 艺参数进行有效的精确控制存在着一定的难度，所 以我国等离子弧表面淬火技术的研究还需从以下几 个方面继续努力：(1) 等离子发生器方面：随着科技的发展，等离 子表面淬火技术将向着大功率、智能化方向迈进，应 大力开发适合等离子表面淬火用的高效等离子发生 器以及相应的自动控制技术。(2) 淬火工艺方面：改进现有工艺，探索新的表 面淬火工艺，并且注重复合工艺的研究开发，有效地 将多种传统的表面处理工艺与等离子表面淬火结合 应用于实际生产当中，起到“1+12”的协同效果。(3) 技术设计方面： 建立工艺与性能的理论模 型， 通过理论建模分析， 实现对工艺过程控制的优 化，使得可以在已知载荷的情况下，能给出优化的工5等离子弧表面淬火的研究应用国外对等离子弧表面淬火工艺的研究开展的比 较早， 在日本、 俄罗斯等国家已经达到在工业生产中 推广的程度16。 Selivanov 用以氩气为源离子的等离子弧硬化铸铁零件表 面 ， 其 硬 度 可 达 52 60 HRC；Saakov 提出运用等离子弧强化轮副，可以有效地提高 其接触疲劳强度17。 Alan Donaldson18运用等离子淬 火原理，用 CO 取代氩气作为等离子源气体，巧妙地 将等离子淬火技术应用在还原铝及还原镁的工业生 产中，使得生产成本降低 25% 。 Korotkov19 等针对 货运火车车架的支撑梁易磨损、耐用里程短的问题， 对低碳钢车架进行了等离子表面淬火处理， 处理后 的工件表面硬度可达 40 HRC，在行驶 50 万公里之4Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.08144下半月出版材料热处理技术Material & Heat Treatment艺和表层结构体系。制造技术，2008，(10)：13-14崔洪芝，尹华跃等离子束气缸套内壁硬化处理新技术J金属热处理，2000，(3)：28-29张磊，崔洪芝，尹华跃 ， 等铸铁等离子束淬火区的特点J山东科技大学学报(自然科学版)，2001，20(1)：94-96张剑，赵文珍，丁津原等离子弧淬火条纹对表面摩擦磨损的 影响J东北大学学报，2004，25(5)：486-488Grishanov V V， Mordasov V ICombination of laser andplasma processes for metal treatment JAkad NaukMet.，1999，(4)：98-103Saakov A G， Petrov S VPlasma surface hardening wheel couples J Atvomticheskaya Svarka，1999，(7)：71-72Alan Donaldson， Ronald A， CordesRapid plasma quenching for the production of ultrafine metal and ceramic powdersJ High-Risk 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