钢高频淬火要点

4545 钢高频淬火性能研究钢高频淬火性能研究 学号： 姓名： 4545 钢高频淬火性能研究钢高频淬火性能研究 45钢经过调质处理后，有良好的综合性能，广泛应用于各种重要零件，如 连杆，齿轮，轴类，不同的热处理工艺得到不同的工艺性能。 本文研究了感应加热表面淬火对于45钢组织性能的影响，采用感应加热表 面淬火技术对45钢进行表面强化，对所获得试件的淬硬层进行显微硬度测试。 利用金相显微镜对试件淬硬层的组织、厚度进行研究分析。同时与正火并调质 件进行硬度、金相组织等方面的比较。结果表明经过高频感应加热淬火后45钢 的表面性能明显改善，表面为淬火马氏体，而心部仍为正火组织，使得试件既 耐磨又有很强的韧性，所得的工艺参数将被作为生产实践的参考依据。 关键词： 45钢 高频感应淬火 金相 硬度 目目 录录 第一章 前言 .- 1 - （一）感应加热淬火工艺概述.- 1 - （二）感应加热淬火技术特点.- 2 - （三）高频感应淬火技术的应用 . - 3 - （四）感应加热淬火技术的发展.- 4 - （五）感应淬火常见问题及原因 .- 4 - （六）45 钢齿轮热处理 .- 5 - 第 2 章 工艺方案制定与实验过程 .- 6 - （一）工艺设定.- 6 - （二）实验过程.- 6 - （1）实验目的 .- 6 - （2）实验材料 .- 6 - 第 3 章 实验结果及分析 .- 11 - （一)硬度分析.- 11 - （二）结论.- 12 - 致 谢 .- 13 - 参考文献 .- 13 - 0 第一章 前言 感应淬火是热处理的重要工艺之一，具有加热速度快，节约能源生产效率 高，环保，易于操作等优点。对提高零件综合性能有重要影响。 20 世纪 50 年代，感应热处理开始在国内应用，当时此工艺被称做“高周波 淬火” 。这门热处理新工艺利用线圈电磁感应加热钢铁件是很新奇与吸引人的， 它具有加热快、局部淬火、节能、在线生产、便于自动化等特点，很快为热处 理工作者所接受。当时感应淬火主要的目标是，提高工件的耐磨性，代替渗碳 与氰化，缩短时间周期与降低生产成本。 近几年来，国内感应淬火在提高产品质量，发挥材料生产成本，改善设备 性能，增加淬火装置的容器，发展淬火机床，大量采用穿透感应加热淬火工艺， 提高机械化和自动化等方面都有了提高。 （一）感应加热淬火工艺概述 感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热，工件放 到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电 (300-Hz 或更高)的空心铜 管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的 分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于零，利用这个集肤 效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到 800-1000，而心 部温度升高很小。 感应加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率，频率越高 加热的深度越浅。 高频(10KHZ 以上)加热的深度为 0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加热， 如小模数齿轮及中小轴类零件等。 中频(110KHZ)加热深度为 2-10mm，一般用于直径大的轴类和大中模数的 齿轮加热。 工频(50HZ)加热淬硬层深度为 10-20mm，一般用于较大尺寸零件的透热， 大直径零件（直径 300mm 以上，如轧辊等）的表面淬火。 在感应加热表面淬火时产生交变磁场，使得工件中产生出同频率的感应电 流。这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到基 1 体接近于零。利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温 度上升到 8001000，而基体温度升高很小。由于感应加热工艺是瞬间的高 温、冷却过程，金属表面不仅会因迅速淬火而形成马氏体，而且在经过狭窄的 淬硬区后还会得到感应淬火前的预处理基体组织。 （二）感应加热淬火技术的特点 1、优点 感应淬火技术可以有效地改善金属的表面性能（如硬度、耐磨性、抗腐蚀 性、导热、导电性能等)，除此之外还具有以下优点： （1）加热速度极快，可扩大 A 体转变温度范围，缩短转变时间。 （2）淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高（23HRC） 。脆性 较低及较高疲劳强度。 （3）经该工艺处理的工件不易氧化脱碳，甚至有些工件处理后可直接装配 使用。 （4）淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化。 （5）可进行局部淬火 该技术能精确地将工件需要进行淬火的局部进行进行加热，特别是在采用 导磁体和使用高功率密度的情况下。 （3）环保 其能耗与渗碳、氮化、调质相比具有极大的优势，当工件淬火部位质量与 整体质量之差越大时，它的优势也越显著。感应热处理常具有高的附加值。 （4）快速热处理 感应淬火的加热时间以妙计，一般在 214s 之内，生产周期亦短，特别是 在采用自回火或随机感应回火情况下，此工序与机加工工序相似。为此，现代 化的感应加热淬火装备已经安排在生产线或自动线上。 （5）清洁热处理 感应淬火所用淬火液一般为水或具有添加剂的水溶液，淬火时，几乎没有 油烟，劳动环境好。 （6）便于机械化及自动化 2 大批量生产的感应淬火，一般均配有进步梁送料、机械手取工件及机器人 操纵感应器等减少体力劳动的装置。 2、缺点 感应淬火除上述优点之外，也因设备价格，存在固有的缺点 （1）工具费用高 需要专用工装即感应器热处理炉一炉可装多种工件加热、渗碳、氮化，而 感应淬火则要求一个部位一种感应器，甚至要求一种专用定位夹具等，因此工 具费用高。它只适用于大批量生产一种或一种族的工件。 （2）成套装置投资费用高 与一般热处理设备相比，感应加热成套装置包括变频电源、淬火机床、感 应器，以及附属的冷却水、淬水液循环装置等，其投资费用相对较高，维护技 术及费用也比一般热处理设备高。 （3）高频感应淬火的应用 高频感应加热表面淬火是表面淬火方法中比较好的一种，主要应用于承受 扭转、弯曲等交变负荷作用的工件，要求表面层承受比基体更高的应力或耐磨 性，需对工件表面提出强化要求，适于含碳量 We=0.400.50%的钢材。目前被 运用于重型机械、轴承工业、石油钻井、冶金机械、纺织机械、建筑材料等领 域外，还在以下领域得到应用。 （1）汽车制造业 汽车制造业广泛地采用了热处理技术，感应加热淬火的汽车零部件，已经 上升到占全部热处理零件的 50%左右。感应淬火的目的除提高零件飞耐磨性以 外，相当部分是提高零件的扭转疲劳强度和弯曲疲劳强度。典型零件有曲轴、 凸轮轴、飞轮齿圈、半轴、等速万向联轴器、变速叉、传动器轴、十字轴、减 震器轴等。 （2）拖拉机及工程机械 除发动机淬火零件与汽车发动机相似外，其行走部分有许多感应淬火件， 例如：驱动轮、导向轮、支重轮、链轨节、销、套、水泵轴、气门摇臂、推土 3 机刀片、拖拉机最终传动齿轮等。 （3）机床制造工业 机床制造中，感应淬火件有主轴箱的变速齿轮、主轴、变速叉、导轨表面 以及各种小零件的耐磨部分。 （4）铁路运输 60及以上的钢轨全长淬火的提高其强韧性的主要途径之一，铁道部以建 立起 10 多条钢轨感应淬火生产线。此外，机床零件应用感应淬火的内燃机的相 关零件,例如：曲轴、齿轮、轴等。 （四）感应加热淬火技术的发展 近几年来,国内外感应加热技术有了很大进展。其中感应加热电源经历从机 械式中频发电机组、电子管式高频电源、晶闸管式中频电源到晶体管超高频和 高频电源的发展。其中晶体管器件电源具有集大电流、高耐压和高频于一身的 特点,将来最有可能成为感应加热的主导电源。半导体功率器件在今后将向着大 容量化、高频、驱动简单、低导通压降、模块化和功率集成化方向发展。随着 加热电源的发展，以及零件苛刻的要求，新的感应热处理工艺在提高零件的表 面性能方面扮演着越来越重要的角色。 （五）感应淬火常见问题及原因 （1）开裂 加热温度高、不均匀，冷却过快且不均匀；淬火液选择不当，冷却速度过 大；材料淬透性偏高，成分偏析，含有毒元素，存在缺陷；零件结构设计不合 理，技术规范不当。 （2）淬硬层深过深或过浅 加热功率过高（低）且加热时间过长（短） ；电源频率选择不当，并且在此 情况下又没有选择合理的比功率与加热时间；材料的淬透性过高或者过低；淬 火液的温度、压力、成分选择不当。 4 （3）硬度过高或过低 材料含碳量偏高或偏低；回火温度偏低或过高且回火时间不当；淬火液成 分、压力、温度选择不当；材料表面脱碳；淬火加热温度低组织尚未转变等。 （4）表面硬度不均匀 感应器结构不合理；引起加热、冷却不均匀；材料原始组织不良（带状组 织、偏析、局部脱碳） 。 （5）表面局部烧熔 感应器结构不合理；加热时间过长；工件带有尖、角、孔、槽；表面有缺 陷；连续加热或半圈旋转加热时，移动或旋转过程中有突然停止现象。 （六）45钢齿轮热处理 45钢是优质碳素结构钢，齿轮是其中主要应用方向，对45钢进行合理的热 处理能有效提高齿轮的力学性能，提高使用寿命。 齿轮用于机械装置中功率的传递与速度的调节,在汽车、拖拉机、机床、起 重机械等产品中不仅有重要的作用,而且用量相当大。齿轮工作时,通过齿面的 接触传递动力,齿部承受很大的交变弯曲应力和接触应力,在相互啮合的齿面上 会有强烈的摩擦,啮合不均匀时还会产生冲击力齿轮的主要损坏形式是齿部折断 和齿面的过渡磨损齿轮。一般都需经过适当的热处理,以提高承载能力和延长使 用寿命,齿轮在热处理后应满足下列性能要求:较高的弯曲疲劳强度和接触疲 劳强度(抗疲劳点蚀)。齿面具有较高的硬度和耐磨性。齿轮心部具有足够 的强度和韧性，即有足够好的综合性能。 其次，加热温度和加热时间当材料和原始组织一定时,相变温度随着加热速 度增大而提高,为得到合格的淬火组织,相应的淬火温度也随之提高。齿轮感应 加热升温速度一般在 3090/ s ,45齿轮的表面淬火加热温度选择 890960 为宜,为了获得较深的淬硬层深度 ,选择上限加热温度。较长的加热时间和较 高的加热温度 ,可获得较深的加热深度 ,反之 ,加热深度较浅。 45钢易淬裂的尺寸范围为511mm，截面尺寸过小或过大均不易淬裂。由 于由于齿轮直径较大小,需要加热深度较浅。 5 第二章 工艺及实验过程 （一）工艺设定 根据对感应加热淬火技术的了解，利用现有的实验手段和已掌握的实验技 术，选取相应的实验设备，制定实验参数，对 45 钢调质（淬火加高温回火）预 备热处理，然后进行高频感应加热淬火处理与回火处理。并测量试件经调质， 感应淬火，回火后的硬度，最后观察试件感应加热淬火后的金相组织分析硬度， 是否达到要求。 （2）实验过程 1、实验目的 根据 45 钢小齿轮性能要求，编制热处理工艺，对实验试样进行热处理，每 步处理后拍金相组织照片打硬度，与预期结果对比，从中研究各工艺对材料性 能的影响。 2、实验材料 45#钢，直径 8mm，长度 10mm，10mm，20mm，共三根。 3、实验内容 （1）对原始试样进行硬度测试，打五次硬度，结果为 HRC 11、10、11、09、12 取硬度为 HRC 11； 并拍金相照片 （500 倍） 6 （2）预备热处理：调质 调质是淬火加高温回火热处理，其回火的温度主要依据钢的回火抗力和技 术条件而定。目前已对各种工业用钢测出了其机械性能随回火温度变化的曲线， 可以为选择回火温度的依据。目的是使工件具有良好的综合机械性能。调质淬 火时要求整个截面淬透（而感应加热表面淬火则会形成一定的淬硬层） ，钢经高 温回火后，得到由铁素体和弥散分布于其中的细粒状渗碳体组成的回火索氏体 组织。 45 钢的调质工艺较为传统和成熟，其冷加工性能不错，机械性能较好，且 价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点的淬透性低，截面尺寸大和要 求比较高的工件不宜采用。 调质中，45钢的淬火温度在830左右，保温时间为15min。保温完成后立 即投入油中进行淬火，此操作要迅速，以免试件发生正火，使硬度降低。45钢 7 淬火后高温回火，加热温度通常为600，保温时间2h，之后空冷。 调制后金相组织 （3）高频淬火处理 本实验研究的是齿轮（45 钢）高频感应加热淬火热处理，通过检测试件截 面硬度、金相组织等进行对比，以期获得 45 钢齿轮优异的机械性能，从而探究 出高频感热处理的优化工艺，为工具生产制造提供新的工艺途径。所以选取合 适的实验设备可以让预设的各种参数和测量出的数据精确而全面。 用高频脉冲感应加热进行淬火,使用 2030MHz 的高频脉冲,通过感应圈在 毫秒级极短时间内使工件表面急速加热到淬火温度,水冷。高频脉冲感应加热综 合感应加热与高频脉冲加热的某些特点,与其他热处理工艺比较,淬火后具有高 硬度、高耐磨性、良好的韧性和疲劳强度、以及微变形等特点。而且相应的设 备投资少,维修简单。感应脉冲加热淬火后的超常硬化,是有效的晶粒细化,高密 8 度亚结构及高的残余应力综合作用的结果。 处理后拍金相照片，分析淬硬层和中间部位金相组织和硬度的不同。 金相照片 边界处金相 中间基体处金相组织 9 （4）回火热处理 将试件放入炉中，随炉加热，加热到 150，保温一个小时。 处理后拍金相组织，并测试不同部位硬度。 边界处金相 中间基体组织金相 10 第 3 章 实验结果及分析 （一）硬度分析 表一 试样原始组织与调质处理后硬度比较（HRC） 可见调制处理对碳钢硬度有一定的提高 表二 高频淬火硬度分布 距边缘距离 试件及时间 0.20.40.60.81.01.21.62.03.04.06.0 高频淬火 5s237.0244.9206.9221.0225.9213.5210.5196.8198.7200.3195.6 热处理方式 12345 1 原始组织 111191011 2 调质 2126232423 次数 次 (mm ） ）) 11 由此可见高频淬火明显提高了钢件表面硬度，使其可满足使用条件。 感应加热表面淬火使得零件表面硬度得到提高。而调质使零件整体的体机 械性能提高，只是和表面感应淬火相比硬度值较低。虽然两者均符合对车轴的 技术要求，但是在实际的生产操作可行性、难易性、损耗性等角度进行分析可 以发现对车轴高频感应加热淬火工艺要相对优于其调质工艺。 从实际可行性角度进行分析，发现两种工艺均具有操作可能，高频感应加 热淬火工艺可以对车轴进行局部的强化处理，由于其加热时间短、升温快不会 影响内部性能；调质工艺需要长时间加热。 从难易程度进行分析，发现高频感应处理工艺由于加热时间短、升温快完 全可以采用机械手进行夹持操作，能够实现大批量流水线作业；而调质处理工 艺操作步骤多、时间长难以实现机械化。 从损耗性角度进行分析，前者设备主要为感应加热设备，而后者则需要两 种以上加热设备；在材料消耗方面，前者机械化高，生产效率明显由于后者， 降低了成本。 所以对齿轮的高频感应热处理工艺可以作为实际生产的参考依据。 最后进行挥霍处理，回火处理后试样硬度有所降低，大概为 HRC40，截面硬 度由边缘向基体的变化与回火前相比有所降低，减小了裂纹发生的可能性，提 高了韧性，而且淬硬层约为 1.mm，在允许的范围内。提高韧性塑性，不易