第四章 钢的表面淬火

1、第四章 钢的表面淬火,主要内容 表面淬火的目的、分类及应用 表面淬火工艺原理 表面淬火方法,基本要求 掌握表面淬火的目的、分类及应用，表面淬火工艺原理及方法。 本章重点 表面淬火的目的、分类及应用，表面淬火工艺原理及方法。 本章难点 表面淬火方法，包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、其他表面淬火法。,4.1 表面淬火的目的、分类及应用,被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。,一 定义,表面：一定深度的M组织 心部：仍保持着淬火前的组织状态,二 目的,依据：供给表面能量的形式不同,三 分类,以电磁感应原理在工件表面产生

2、电流密度很高的涡流来加热工件表面的淬火方法。,1) 感应加热表面淬火,用温度极高的可燃气体火焰直接加热工件表面的表面淬火方法。,2) 火焰淬火,当低电压大电流的电极引入工件并与之接触，以电极与工件表面的接触电阻发热来加热工件表面的淬火方法。,3) 电接触加热表面淬火,5) 激光加热表面淬火,4) 电解液加热表面淬火,工件作为一个电极（阴极）插入电解液中，利用阴极效应来加热工件表面的淬火方法。,6) 电子束加热表面淬火,四 应用,1) 普遍应用：感应加热表面淬火、火焰淬火,2) 迅速发展：激光加热表面淬火、电子束加热表面淬火,3) 适用材料, 中碳调质钢、球墨铸铁机械零件（机床主轴、齿轮、柴油机

3、曲轴、凸轮轴）；, 高碳钢承受较小冲击和交变载荷下工作的工具、量具及高冷硬轧辊；,4.2 表面淬火工艺原理,（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,4.2.1 钢在非平衡加热时的相变特点,（2） 奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大,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, 过热度大奥氏体晶核不仅在铁素体一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，因此使奥氏体的成核率增大； 加热时间极短奥氏体晶粒来不及长大；,（4）快速加热

4、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。,微小体积内的不均匀性：P区域； 大体积范围内的不均匀性：P和先共析F；,淬火后马氏体成分也不均匀,例子：亚共析钢,4.2.2 表面淬火的组织与性能,一 表面淬火的金相组织, 钢种, 淬火前的原始组织, 淬火加热时沿截面温度的分布,有关,自表面向心部：M区(包括残余奥氏体)、M十P区和P区。,1 原始组织为退火状态的共析钢,2 原始组织为正火状态的45钢,从表面到中心：M、M+F、M+F+P、P+F,淬火烈度很大的淬火介质,由于S回为粒状渗碳化均匀分布在铁素体基体上的均匀组

5、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。,3 原始组织为调质状态的45钢,1 表面硬度,二 表面淬火后的性能,快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。,影响因素,奥氏体成分不均匀性、奥氏体晶粒及亚结构细化,2 耐磨性,比普通淬火的高,奥氏体晶粒细化 奥氏体成分的不均匀 表面硬度较高 表面压应力状态,影响因素,3 疲劳强度,显著地提高零件的抗疲劳性能； 显著地降低疲劳试验时的缺口敏感性；,例如：40Cr钢 调质+表面淬火：324N/mm2 调质处理：235N/mm2,表层本身的强度增高； 在表层形成很大的残余压应力；,原因,三 表面淬火淬硬

6、层深度及分布对工件承载能力的影响,1 表面淬火硬化层与工件负载时应力分布的匹配,传动轴，承受扭矩，截面上剪切应力分布如右图所示。,2 表面淬硬层深度与工件内残余应力的关系,1）表面淬火时截面上残余应力的分布如右图。,2）硬化层深度与残余应力的关系,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。,3）残余应力与沿淬火层深度的硬度分布的关系,与M层的深度、过渡区的宽度及工件截面尺寸之间的比例有关。,4）残余应力与钢中含碳量有关,CM比容组织应力越显著残余压应力,对于高频表面淬火,中、小尺寸零件淬硬层深度为工件半径的

7、1020%; 过渡区的宽度为淬硬层深度的2530；,5）结论,3 硬化层分布对工件承载能力的影响,当工件进行局部表面淬火时，存在着淬火区段与非淬火区段间的过渡问题；,4.3 表面淬火方法,4.3.1 感应加热表面淬火,利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷却，以获得M组织的工艺。,定义,种类和用途,1) 高频感应加热表面淬火：电流频率为100500kHz，最常用频率为200300kHz，可获淬硬层浓度为0.52.0mm，主要适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸轴类零件的表面淬火。 2) 中频感应加热表面淬火：电流频率为50010000Hz，最常用频率为25008000Hz

8、。可获淬硬层深度为35mm。主要用于要求淬硬层较深的较大尺寸的轴类零件及大中模数齿轮的表面淬火。 3) 工频感应加热表面淬火：电流频率为50Hz，不需要变频设备。可获得淬硬层深度为1015mm。适用于轧辊、火车车轮等大直径零件的表面淬火。,所用电流频率的不同,感应加热表面淬火的特点,1) 由于感应加热速度极快，钢的奥氏体化温度明显升高，奥氏体化时间显著缩短，即奥氏体化是短时间内在一个很宽的温度范围内完成的。 2) 由于感应加热时间短、过热度大，使得奥氏体形核多，且不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，硬度比普通淬火的高2-3HRC，韧性也明显提高。 3) 表面淬火后，不仅工件表层强度高

9、，而且由于马氏体转变产生的体积膨胀，在工件表层造成了有利的残余压应力，从而有效地提高了工件的疲劳强度并降低了缺口敏感性。,与普通加热淬火相比,4) 感应加热速度快、时间短，工件一般不会发生氧化和脱碳；同时由于芯部未被加热，淬火变形小。 5) 感应加热表面淬火的生产效率高，便于实际机械化和自动化；但因设备费用昂贵，不宜用于单件生产。,中碳和中碳低合金结构钢，例如40、45、40Cr、40MnB等。,应用,1 感应加热的物理基础,一 感应加热基本原理,1）当工件放在通有交变电流的感应圈中，在交变电流所产生的交变磁场作用下将产生感应电动势。,2）当感应圈通入交变电流时，零件内产生感应电流，此电流在零

10、件内形成闭合回路，其方向与通入的电源电流方向相反，呈涡状流通，故称涡流。,R材料的电阻 X感抗,3）加热产生的热量,4）加热零件吸收的功率,Pa工件吸收的功率，w/cm2 R0工件直径，cm 工件材料电阻率， 工件材料磁导率，H/m f 交变电流频率，Hz,“吸收因子”,5）涡流在被加热工件中的分布由表面到中心呈指数规律衰减,Pa离工件表面的距离，cm2 I0 表面最大的涡流强度，A,当金属零件通过直流电时，在金属零件的截面上电流的分布是均匀的； 当金属零件通过交流电时，在金属零件的截面上电流的分布是不均匀的；最大电流密度出现在金属零件的最表面。这种电流通过导体时，沿导体表面电流密度最大，越往

11、中心电流密度越小的现象称为高频电流的集肤效应，又称表面效应。,6）集肤效应（表面效应）,工程上规定，当电流（涡流）强度从表面想内部降低到表面最大电流强度的0.368（I0/e）时，则该处到表面的距离就称为电流透入深度。,通常把20时的电流透入深度称为“冷态电流透入深度”平；而把800时的电流透入深度。称为热态电流透入深度。,2 感应加热的物理过程,工件截面内最大密度的涡流由表面向心部逐渐推移，同时自表面向心部依次加热。这种加热方式称为透入式加热。,继续加热时，电能只在热态电流透入层范围内变成热量，此层的温度继续升高。与此同时，由于热传导的作用，热量向工件内部传递，加热层厚度增厚，这时工件内部的

12、加热和普通加热相同，称为传导式加热。,表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡流移向内层，表层加热速度开始变慢，不易过热，而传导式加热随着加热时间的延长，表面继续加热容易过热； 加热迅速，热损失小，热效率高； 热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面压应力提高；,透入式加热与传导式加热相比有如下特点,二 感应加热表面淬火工艺,两种参数,热参数：感应加热温度、加热时间、加热速度等； 电参数：设备频率、零件单位表面功率、阳极电压、阳极电流、槽路电压、栅极电流等；,感应加热表面淬火是借助调整设备的电参数来控制热参数，达到保证表面淬火质量。,1 确定感应加热表面淬火工艺参数的依据,1）钢种,得到坚硬耐磨的

13、表面层选择中碳钢或高碳钢； 得到既有坚硬表面，又保证心部的强度和韧性合金钢，且要经过预先热处理获得细小碳化物分布在铁素体基体上的组织； 与传统热处理用钢相比，在同样条件下，可采用合金量较低的钢种；,在机床汽车拖拉机制造种，机床齿轮、汽车拖拉机曲轴、凸轮轴和其他零件用45钢，少数用40钢；合金钢用40Cr、40CrNiMo；拖拉机和农机用40Mn2、50Mn。,决定感应加热表面淬火用钢硬度的主要因素；含碳量为0.400.50%。 代替渗碳钢时，由于表面硬度要求高，应选择含碳量较高的钢中0.500.60%； 为了提高调质零件的耐磨性，最合适的含碳量为0.400.50%。,2）含碳量,3）预先热处理

14、和感应加热表面淬火前的原始组织选择,感应加热表面淬火前的原始组织对感应加热表面淬火的结果有很大的影响,原始组织为弥散细小的碳化物颗粒均匀分布在铁素体基体上的组织，在感应加热时，可以在较低的温度较快地转变为A，短时实现A均匀化。用这种原始组织的钢制成零件，可获得硬化层薄而硬度高的表面层和心部良好的综合力学性能。只对一些重要零件才使用预先热处理。,用正火预先热处理得到具有细珠光体及少量铁素体组织的中碳钢也可获得较好的结果，但比回火索氏体的心部力学性能差一些,用铸造、锻造、热轧或用退火预先热处理得到的粗片珠光体及铁素体或珠光体及大块铁素体的中碳钢，经感应快速加热表面淬火后心部的力学性能较差。,粗粒的

15、球化体组织或大块状铁素体组织，对感应加热表面淬火却有不利的影响。,4）表面硬度,对于不同材料在不同条件下工作的零件，有不同要求。,以汽车拖拉机为例,5）硬化层深度,图纸上所规定的硬化层深度，是保证零件较好力学性能而确定的，实际上还应控制感应加热表面淬火后过渡层大小和分布。,硬化层是指从表面全部M到半M的这段距离； 过渡层是指半M到出现原始组织的这段距离；,过渡层呈现拉应力状态，若过宽，会使表层压应力减小，导致疲劳强度降低。过渡层为硬化层深度的2530%。,6）硬化区部位,为了使零件淬火后的过渡层内不出现应力集中、淬火变形开裂，应对硬化层深度和硬化区部位作合理的规定。,对轴类零件,带凸缘的轴、轴

16、颈，硬化区最好从凸缘根部圆角处开始。若根部不需要淬硬，硬化区距离圆角根部的距离应该不小于5-8mm； 阶梯轴的阶梯（即大直径与小直径之差的一半）小于3mm，采用同一感应器连续淬火；大于3mm，零件在感应器内移动速度应该有所不同，要保真硬化层均匀；且轴上的硬化区应分段处理。大小轴颈的圆角过渡处，必要时采用滚压或喷丸处理； 一根轴上有两个相邻硬化区，应有足够的距离，以免产生交接过渡裂纹，不同频率处理时相邻硬化区之间有一定距离； 在轴的端部，可以保留2-8mm的非硬化区，避免产生轴端淬火裂纹； 花键轴的硬化区大于花键全长的10-15,对于齿轮,重负荷：硬化层沿齿廓分布，根部及底部均被硬化，提高齿面的

17、弯曲疲劳强度； 模数小于2.5的轻负荷：整体穿透淬硬； 模数较大、负荷较轻的：齿面硬化，但硬化区不接触齿根部位，非硬化区应保留相当于齿高的1/3。,7）变形中空圆柱或环形零件的变形,硬化层深度小于0.35（外环直径-内环直径）时，变形规律：淬外圆，外径胀大；淬内圆，内径缩小,硬化层深度大于0.1（圆柱外径或外环直径-圆柱内径或内环直径）时，变形规律：淬外圆，外径增大而内径缩小；淬内圆，内径缩小而外径胀大。,1）根据零件尺寸及硬化层深度的要求，合理选择设备, 设备频率的选择,主要根据硬化层深度来选择,设备确定后，频率就不能任意调节，电流频率的透入深度是不能根据硬化层深度的要求来随意选择的。要实现

18、透入式加热，电流的频率的选择范围为：,2 感应加热表面淬火工艺参数的确定,当硬化层深度已知，就可以找到一电流最佳频率。实践证明，硬化层深度为电流热透入深度的一半时，可以得到电流最佳频率：,当要求硬化层深度大于现有设备频率所能达到的电流透入深度时，在保证表面不过热的条件下，采用的方法：,降低零件单位表面的输入功率，延长加热时间； 增大零件与感应器之间的间隙，延长加热时间；或在同时加热时采用间断加热法，以增加热传导时间； 零件在感应加热前，在感应器中进行预热； 连续加热时，采用双匝或多匝感应器； 采用较小单位表面功率，延长加热时间； 零件尺寸大，而设备功率不足时，应采用连续顺序加热淬火，使感应器加

19、热的表面积尽量减小，以提高单位表面功率，并同时采取预热措施；, 比功率的选择,比功率：指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率；,在频率一定时，比功率愈大，加热速度愈快；当比功率一定时，频率愈高，电流进入愈浅，加热速度愈快。 比功率的选择主要取决于频率和要求的硬化层深度。在频率一定时，硬化层较浅的，选用较大比功率(透入式加热)；在层深相同情况下，设备频率较低的可选用较大比功率。,3 淬火加热温度和方式的选择,采用较高的淬火加热温度，一般高频加热淬火温度可比普通加热淬火温度高30200。 加热速度较快的，采用较高的温度； 淬火前的原始组织不同，也可适当地调整淬火加热温度。调质处理的组织比正火的

20、均匀，可采用较低的温度。,1） 感应加热淬火温度,与加热速度和淬火前原始组织有关,2） 加热方式, 同时加热法：对工件需淬火表面同时加热，一般在设备功率足够、生产批量比较大的情况下采用；, 连续加热法：对工件需淬火部位中的一部分同时加热，通过感应器与工件之间的相对运动，把已加热部位逐渐移到冷却位置冷却，待加热部位移至感应器中加热，如此连续进行，直至需硬化的全部部位淬火完毕。,3）冷却方式和冷却介质的选择, 喷射冷却法：当感应加热终了时把工件置于喷射器之中，向工件喷射淬火介质进行淬火冷却。, 冷却方式：喷射冷却法和浸液淬火法, 浸液淬火法：当工件加热终了时，浸入淬火介质中进行冷却。, 对细、薄工

21、件或合金钢齿轮，为减少变形、开裂，可将感应器与工件同时放入油槽中加热，断电后冷却，这种方法称为埋油淬火法。,用于喷射冷却。其冷却能力随浓度增大而降低，通常使用的浓度为0.050.30；若浓度0.3，则使用温度最好为3243，不宜低于15。, 淬火介质,水、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯醇水溶液、乳化液和油,低淬透性钢制作的形状简单的零件，用于喷射冷却。, 水, 聚乙烯醇水溶液,乳化液（3），用于喷射冷却，低合金钢制作的的零件，形状复杂的碳钢制作的零件，用来防止这些零件开裂；, 乳化液,合金钢浸液冷却；使用时，必须具有良好的通风和灭火条件；也可用于喷射冷却。采用埋油淬火时，一般在油中设有喷油装置或油搅拌

22、器，对油进行强制冷却；, 油,4 回火工艺,2）回火方式,降低残余应力和脆性，而又不致降低硬度,采用低温回火,1）目的,炉中回火 自回火 感应加热回火, 种类,炉中回火,自回火：当淬火后尚未完全冷却，利用在工件内残留的热量进行回火。, 特点,温度：150180 时间：12小时,温度：比炉中回火要高80左右,时间：自回火时间短,感应加热回火,目的：降低过渡层的拉应力,时间：比炉中回火加热时间短，显微组织中碳化物弥散度大钢件耐磨性高，冲击韧性较好；,热源种类：中频或工频加热回火，保证加热层的深度比硬化层深一些；,加热速度：小于1520/S,4.3.2 火焰加热表面淬火,定义,用一种火焰在一个工件表

23、面上若干尺寸范围内加热，使其奥氏体化并淬火的工艺。,供给表面的热量表面传给心部+散失的热量表面淬火,特点,设备简单、使用方便、成本低； 不受工件体积大小的限制，可灵活移动使用； 淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形也小；,优点,表面容易过热； 较难得到小于2mm的淬硬层深度，只适用于火焰喷射方便的表层上； 采用的混合气体有爆炸危险；,缺点,一 火焰的结构及其特性,煤气和氧气(1:0.6)； 天然气和氧气(1:1.2-1:2.3)； 丙烷和氧气(1:4-1:5)； 乙炔和氧气(1:1-1:1.5)；,1 燃料,最高为氧、乙炔焰，可达3100 最低为氧、丙烷氧、丙烷焰，可达2650； 通常用氧、

24、乙炔焰，简称氧炔焰。乙炔和氧气的比例不同，火焰的温度不同。,2 火焰温度,还原区温度最高(一般距焰心顶端2-3mm处温度达最高值)，应尽量利用这个高温区加热工件。,依据：乙炔与氧气的比例不同,3 分类,还原焰 中性焰 氧化焰,焰分三区：焰心、还原区及全然区,二 火焰淬火工艺,1 同时加热淬火,将淬火工件表面一次同时加热到淬火温度，然后喷水或浸入淬火介质中冷却。,特点：较小面积的表面淬火，适用大量生产，便于实现自动化。,2 旋架淬火法,工件在加热和冷却过程中旋转，可使工件加热均匀。,特点：圆柱形或圆盘形工件的表面淬火。,3 摆动淬火法,靠喷嘴在工件上面来回摆动，以扩大加热面积，当欲加热部分表面均

25、匀达到加热温度时，采用和同时加热法一样的方法冷却。,特点：较大面积、淬硬层深度较深的表面淬火。,4 推进淬火法,喷嘴连续沿工件表面欲淬火部位向前推进加热，喷水器随后跟着喷水冷却淬火。,特点：导轨、机床床身的滑动槽等淬火。,5 旋转连续淬火法,旋转淬火与推进淬火法的组合。,特点：轴类零件的表面淬火。,6 周边连续淬火法,火焰喷嘴和喷水器沿着淬火工件的周边作曲线运动来加热工件周边和冷却。,特点：开始加热淬火区与最终淬火加热区相遇时要产生软带。,影响表面温度及淬硬层深度的因素,火焰喷嘴与工件表面的距离；,加热时间；,加热停止与喷水冷却间隔时间；,4.3.3 其它表面淬火法,一 电解液加热表面淬火,工

26、作原理如右图所示,特点：工艺简单、生产率高、变形小。,应用：用于生产流水线，内燃机阀杆的顶端淬火，不适用形状复杂、尺寸较大工件。,二 电接触加热表面淬火,借一特制的可移动的电极与工件表面接触，并通以低电压大电流，借接触电阻加热工件表面而淬火的方法称为电接触加热表面淬火。 加热后可以水冷，也可以利用工件本身向未加热部位传热冷却淬火。,三 激光加热表面淬火,1 激光热处理的基本原理,1） 特点：亮度极高、单色性和方向性极强,2） 加热方式：扫描方式（点线面）, 以轻微散焦的激光束进行横扫描，可以单程扫描，也可以交叠扫描；, 用尖锐聚焦的激光束进行往复摆动扫描；,c 摆动的尖锐聚焦激光束单程扫描,a 散焦的光束单程扫描,b 散焦的光束交叠扫描,3） 关键参数,扫描速度,功率密度,扫描速度温度