黄科院金属材料及热处理教案项目6 钢的表面热处理

项目六钢的表面热处理【内容简介】本项目主要介绍钢的表面热处理的原理、方法，淬透性、淬硬性的定义，淬透性的测定方法等内容。【学习目标】(1)熟悉火焰加热淬火，感应加热淬火的原理；(2)明确淬透性的测定方法；(3)掌握淬透性，淬硬性的区别。§6.1表面火焰淬火钢的表面淬火分为感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火等。一、表面火焰淬火的原理火焰加热表面淬火是一种利用乙炔—氧气或煤气—氧气混合气体的燃烧火焰“将工件表面迅速加热到淬火温度”随后以浸水和喷水方式进行冷却“使工件表层转变为马氏体而心部组织不变的工艺方法。二、表面火焰淬火的应用优点：设备简单，操作方便，成本低，工件大小不受限制，特别适用于大型工件、单件和小批量生产；缺点：淬火硬度和淬透性深度不易控制，淬火质量不稳定，常取决于操作工人的技术水平和熟练程度，生产效率低，只适合单件和小批量生产。常用于轧钢机齿轮、轧辊、矿山机械齿轮、轴、普通机床导轨、齿轮等零件。§6.2表面感应淬火一、感应淬火的原理将工件放在通有交变电流的感应圈内，感应圈周围的交变磁场会使工件产生频率相同、方向相反的感应电流，称为涡流。工件上产生的感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，在工件表面电流密度最大，心部几乎没有电流通过，这种现象称为集肤效应。钢本身具有电阻，由于集肤效应，是工件表面迅速达到淬火温度而心部温度不变。二、感应加热的频率选用1)高频感应加热淬火采用电子管式高频设备，工作频率通常为200~300kHz，可获得0.5~2mm厚的硬化层，一般用于处理中小模数齿轮和小轴。2)中频感应加热淬火生产上采用机械式中频发电机组或可控硅变频器，可提供频率为1000、2500或8000Hz的电流，能获得2~10mm厚的硬化层，主要用于大模数齿轮、较大尺寸的轴、钢轨轨端及轨面全长淬火。3)工频感应加热淬火工频感应加热是采用工业上常用的50Hz工频电流，因而只需降压变压器。能获得10~20mm厚的硬化层，主要用于深层和穿透加热，如大工件的表面淬火、锻件的穿透加热等。三、感应加热表面淬火的特点1、感应加热是靠工件表面层感应电流直接加热，因而加热效率高，加热速度快(可达1000℃/秒)，无保温过程。2、虽然感应加热表面淬火的加热温度高，但由于加热速度快，无保温过程，故能获得细晶粒奥氏体，淬火后得隐晶马氏体，工件表面硬度高(比普通淬火高2~3HRC)，氧化、脱碳少。3、感应加热表面淬火后，淬硬的表面层中存在很大的残余压应力，有效地提高了工件的疲劳强度。由于不是整体加热，淬火冷却时，工件的变形小。4、感应加热表面淬火生产效率高，便于实现机械化、自动化。四、感应加热表面淬火用钢中碳钢和中碳合金钢，如40钢、45钢、40Cr、40MnB等。五、钢的淬透性1.钢的淬透性和淬硬性淬透性是指钢在淬火冷却时获得马氏体组织的能力。它是钢的固有属性，反映了钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度。其大小通常用一定条件下淬火后钢的淬透层深度来表示。同样形状和尺寸的工件，用不同的钢材制造，在相同条件下淬火，淬透层越深，其淬透性越好。钢的淬透性主要决定于临界冷却速度。速度越小，过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性就越好。V表VV表V心VkV表V心Vk图6-3淬透层深度与冷却速度淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。——取决于马氏体中的C%。淬透性和淬硬性是两个概念，淬硬性好的钢，淬透性不一定好。如碳素工具钢淬火后硬度很高，但淬透性不好；某些低碳合金钢，淬硬性不高，但淬透性很好。2.淬透性测定方法1)按材料C曲线位置判定C曲线位置右移，钢的淬透性越大。2)借临界淬透直径评定钢材在某中介质中淬火后,心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径。临界直径越大,表明钢的淬透性越高。测定方法：把被测钢制成的不同直径的圆形棒按规定条件进行淬火，然后垂直轴线截断，沿直径方向测定硬度。图6-5图6-5末端淬火法示意图3)末端淬火法测定图6-6末端淬火法硬度曲线试验方法：将试样加热到规定的淬火温度后，从试样末端喷水冷却。沿试样长度方向测出各种冷却速度的不同组织与硬度，绘制出淬透性曲线。3.淬透性对钢力学性能的影响零件淬透后，整个截面各处性能均匀一致。而未淬透部分的组织和性能均不均匀，力学性能明显下降，使零件承受载荷的能力大大下降。图6-7淬透性对钢回火后力学性能的影响4.影响淬透性的因素凡能增加过冷奥氏体稳定性的因素，均能增加钢的淬透性。1)钢的化学成分一般来说，在亚共析钢中，淬透性随着含碳量增加而增加；而在过共析钢中，含碳量>1.2%时，淬透性随含碳量增加而明显下降。除Co外，大多数合金元素都能显著提高钢的淬透性。2)奥氏体化条件奥氏体化温度升高，保温时间越长，奥氏体经历粗大，成分均匀，碳化物溶解彻底，过冷奥氏体越稳定，从而提高淬透性。5.影响具体零件有效淬透深度的因素1)钢的淬透性越大，零件的有效淬透深度也越大；2)淬火介质的冷却能力越大，零件的有效淬透深度越大；3)零件的体积越大，有效淬透深度越小；4)零件不同部位和形状对冷却速度有很大的影响。5)零件表面粘附塑料、锈斑或污物，会影响冷却速度，使该处淬硬层浅。6.淬火缺陷及其防治措施1)变形与开裂—淬火时零件中引起的内应力是造成变形和开裂的根本原因。2)氧化和脱碳—钢在氧化介质中加热时，氧原子与零件表面或晶界的铁原子形成FeO的现象称为氧化；在介质中加热，使钢中溶解的碳形成CO或CH4而降低含碳量的现象称为脱碳。3)过热和过烧—零件在热处理时，如果加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒显著长大，这种现象称为过热。如果加热温度过高，使钢的晶界严重氧化或熔化