1、,1,第11章 鋼的表面淬火,熱處理原理與工藝 第11章 鋼的表面淬火,2,第11章 鋼的表面淬火,導讀,通過學習本章，主要掌握感應加熱的原理方法及相關參數(shù)確定原則，感應加熱淬火方法；掌握火焰加熱淬火的概念，了解火焰淬火原理與方法。,3,第11章 鋼的表面淬火,第四章 鋼的表面淬火 鋼的表面要求高強度高硬度，耐磨性，疲勞極限，心部保持足夠的塑性，韌性，以承受一定的沖擊力。因此，需要進行表面淬火。 本章主要討論快速加熱時組織轉(zhuǎn)變的一些特點，以及表面淬火層組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關系，在此基礎上講述目前比較成熟的或有發(fā)展前途的表面淬火工藝。,4,第11章 鋼的表面淬火,第一節(jié) 鋼的表面淬火的目的分類及

2、應用,表面淬火是指被處理的工件在表面有限深度范圍內(nèi),加熱到相變點以上,然后迅速冷卻，在工件表面一定深度范圍內(nèi)達到淬火目的的熱處理工藝。 一、表面淬火的目的 在工件表面一定深度范圍內(nèi)獲得馬氏體組織，而其心部仍保持著淬火前的組織狀態(tài)（調(diào)質(zhì)或正火狀態(tài)）以獲得表面層硬而耐磨，心部又有足夠塑性，韌性的工件。,5,第11章 鋼的表面淬火,二、表面淬火的分類： 1、感應加熱表面淬火;（高頻、中頻、高頻脈沖） 2、火焰淬火; 3、電接觸加熱淬火; 4、電解液加熱表面淬火; 5、激光加熱表面淬火; 6、電子束加熱表面淬火。,6,第11章 鋼的表面淬火,三、表面淬火的應用 應用最普遍的時感應加熱淬火及火焰淬火。激

3、光束加熱和電子束加熱是目前迅速發(fā)展著的高能量加熱淬火方法。 用于中碳調(diào)質(zhì)鋼或球鐵制零件，低碳鋼因效果不顯著，很少應用，高碳鋼，因為脆性大，只在工具或高冷硬軋輥上。,7,第11章 鋼的表面淬火,第二節(jié) 表面淬火工藝原理,一、鋼非平衡加熱時的相變特點 特點： 1）一定的加熱速度范圍內(nèi)，臨界點隨加熱速度的增加而提高；(Ac3和Accm極限1130) 2）奧氏體成分不均勻性隨著加熱速度的增加而增大； 3）提高加熱速度可顯著細化奧氏體晶粒； 4）加快加熱對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變及馬氏體回火有明顯影響。,8,第11章 鋼的表面淬火,在快速加熱條件下非平衡相圖,加熱速度與奧氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍,9,第11章 鋼的表面淬

4、火,二、表面淬火的組織與性能,1、表面淬火的金相組織 其金相組織與鋼種，淬火前的原始組織及淬火加熱時沿截面溫度分布有關。,10,第11章 鋼的表面淬火,11,第11章 鋼的表面淬火,調(diào)質(zhì)狀態(tài)的45鋼，回火索氏體，會造成回火組織的不均勻，在C區(qū)溫度低于Ac1，但高于原調(diào)質(zhì)溫度，因此發(fā)生進一步回火，表面淬火導致這一區(qū)域硬度下降。,12,第11章 鋼的表面淬火,2、表面淬火后性能 表面硬度：快速加熱，激冷淬火后表面硬度比普通淬火高。 耐磨性：工件的耐磨性比普通淬火的高 疲勞強度：采用正確的表面淬火工藝，可以顯著地提高零件的抗疲勞性能，降低缺口敏感性。,13,第11章 鋼的表面淬火,CrWMn鋼加熱速

5、度與淬火硬度,不同淬火的耐磨性,14,第11章 鋼的表面淬火,3、淬硬層深度及分布對承載能力的影響 1)表面淬火硬化層與工件負載時應力分布的匹配。 2)淬硬層深度與工件內(nèi)殘余應力的關系。,15,第11章 鋼的表面淬火,16,第11章 鋼的表面淬火,17,第11章 鋼的表面淬火,3)硬化層分布對工件承載能力的影響,18,第11章 鋼的表面淬火,一、感應加熱表面淬火 感應加熱表面淬火是利用電磁感應的原理，在工件表面產(chǎn)生感應電流，將其表面快速加熱到臨界點以上而實現(xiàn)淬火的一種工藝方法。 感應加熱表面淬火與普通淬火相比有下列特點： 加熱速度快，熱量集中在工件表面，加熱時間短，工件表面不易氧化脫碳，淬火變

6、形小，易于實現(xiàn)機械化，自動化生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。 另外，還可用于工件穿透加熱與化學熱處理。如鍛坯中頻穿透加熱，高頻滲碳，滲硼，滲氮等。,第三節(jié) 表面淬火方法,19,第11章 鋼的表面淬火,1、感應加熱的基本原理 1)、電磁感應 感應圈內(nèi)通過一定頻率的交流電時，就會同時產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場，在工件中相應地產(chǎn)生了感應電流，且有電流通過，這種現(xiàn)象即為電磁感應。 感應電流的流線在工件中自行閉合形成回路，稱為渦流。 其瞬時電流方向與感應圈中的電流方向相反。渦流強度(If)與感應電動勢(e)及工件內(nèi)渦流回路的阻抗(I)有關,20,第11章 鋼的表面淬火,感應電動勢：,渦流：,熱量：,21,

7、第11章 鋼的表面淬火,2)、集膚效應 電流沿截面的分布是不均勻的，電流主要沿工件表面通過，交變電流的頻率越高，這種不均勻性越嚴重，電流的密度集中于表面越多，這種現(xiàn)象稱為集膚效應 通入交變電流之導體截面上電流密度的 分布可由電磁場微分方程解得：,22,第11章 鋼的表面淬火,由上式可知： 當導體內(nèi)某處的電流為表面最大電流密度的0.368倍時，則深度就稱為電流透入深度。,23,第11章 鋼的表面淬火,對鋼來說： 上式說明：電流透入深度是隨材料電阻率的增加而增大，與材料的磁導率及電流頻率的平方根成反比。在熱處理生產(chǎn)中按頻率的高低把感應電流分為：高頻（7001000KHz） 中頻（0.51.0KHz

8、）工頻50Hz。,24,第11章 鋼的表面淬火,導磁率和電阻率隨溫度而變， 隨溫升而增大，極值為104cm， 在A2點突變。 在20時， 冷態(tài)電流透入深度 在800時， 熱態(tài)透入深度 感應加熱時，由于表層高溫區(qū)導磁率下降，渦流移向內(nèi)側(cè)，使電流密度發(fā)生變化。,25,第11章 鋼的表面淬火,26,第11章 鋼的表面淬火,2、感應加熱表面淬火工藝,1)根據(jù)零件尺寸及硬化層深度要求，合理選擇設備； 設備頻率選擇： x要求硬化層深度cm,27,第11章 鋼的表面淬火,2）淬火溫度和加熱方式的選擇 淬火溫度據(jù)工件的材料原始組織硬度要求 而定，感應加熱淬火之前，以調(diào)質(zhì)預處理可獲得更高的強度塑性，小的變形，不

9、重要件也可 以以正火做預處理。加熱速度較快的，采用較高溫度。每周鋼都有最佳加熱規(guī)范。 加熱方式：同時加熱、連續(xù)加熱 當工件的淬火面積小于設備允許的最大加熱表 面積時，采用同時加熱。,28,第11章 鋼的表面淬火,3）冷卻方式和冷卻介質(zhì)的選擇 a、噴射冷卻 通過感應器或冷卻圈上的許多小孔，將淬火劑 以定壓力噴射到工件表面，而進行冷卻，小孔 中心與冷卻圈的軸線呈一定角度（3045 ）常 用于連續(xù)加熱淬火。 b、浸液冷卻 工件表面同時一次加熱后，立即將工件整件 浸入淬火槽中冷卻。,29,第11章 鋼的表面淬火,c、埋油淬火 對細薄工件或合金鋼齒輪，為減少變形開裂和防止噴油著火，可將感應器和工件同時放

10、入油槽中加熱，斷電后即同時冷卻。 d、預冷淬火 工件淬火前先斷電，在空氣中停留幾秒，再噴水或浸液冷卻以防止變形開裂。冷卻介質(zhì)：水、油乳化液、10食鹽水溶液、 0.10.3的聚乙烯醇水溶液。,30,第11章 鋼的表面淬火,4）感應加熱表面淬火后的回火 一般只進行低溫回火，減小殘余應力，降低脆性 a、爐內(nèi)回火 b、自行回火 c、感應回火 a、爐內(nèi)回火：淬火后工件放入爐中150180度回火，保溫12小時。實驗表明在相同回火溫度下，高頻淬火后的表面硬度比普通淬火高。 b、自行回火：利用工件心部尚未散失的剩余熱量來加熱淬硬層的回火方法。 自行回火簡化工藝，提高生產(chǎn)率，降低成本，工件開裂傾向小。缺點：工藝

11、不易掌握，消除淬火應力不如爐內(nèi)回火。,31,第11章 鋼的表面淬火,c、感應回火：通常采用中頻或工頻加熱回火，為 了降低過渡層的拉應力, 感應回火加熱層應比淬火層較深些, 加熱速度一般不超過 2030度/s，感應回火比爐內(nèi)回火加熱時間短，顯微組織中碳化物的彌散度大，因此，耐磨性高，并有良好韌性。（本次結(jié)束）,32,第11章 鋼的表面淬火,二、火焰加熱表面淬火,火焰加熱表面淬火是利用氧乙炔或其它可燃氣體的燃燒，形成高溫火焰。噴向工件表面，使工件迅速加熱到淬火溫度，然后淬火冷卻得到預 期的硬度和淬硬層深度。 火焰淬火必須供給表面的熱量大于自表面?zhèn)鹘o心部及散失的熱量，以便達到“ 蓄熱效應”，才能實現(xiàn)

12、表面淬火。,33,第11章 鋼的表面淬火,特點：簡便易行，費用低，方法靈活，可對各種形狀的大尺寸工件進行局部淬火。 缺點：加熱溫度無法測量，淬硬層不易控制，火焰加熱是利用外熱源來加熱工件表面。由于火焰本身的結(jié)構(gòu)特點，各區(qū)域的溫度不一致。因此，在火焰接觸表面的局部受熱地區(qū)，有較大的溫度梯度。,34,第11章 鋼的表面淬火,1、火焰的結(jié)構(gòu)及其特性 火焰可用各種混合氣體作為燃料 A)煤氣與氧氣（1：0.6） B)天然氣與氧氣（1：23） C)丙烷和氧氣（1：45） D)乙炔和氧氣（1：11.5） 其中d)的溫度最高，達3100，c)的溫度最低，2650 。溫度還和氣體混合比有關。,35,第11章 鋼

13、的表面淬火,圖為氧乙炔火焰結(jié)構(gòu)和溫度分布曲線。 火焰由焰心，內(nèi)焰（還原區(qū)），外焰（全燃區(qū)）三部分組成。 內(nèi)焰溫度最高（約為3100度），火焰加熱淬火就是利用這部分火焰。 為了使表面加熱盡量均勻而不致產(chǎn)生局部過熱，必須采取調(diào)整氣體的流量（氧和乙炔混合比例），工件與噴嘴間的距離及擺動火焰，旋轉(zhuǎn)工件。,36,第11章 鋼的表面淬火,37,第11章 鋼的表面淬火,2、噴嘴 采用特別的噴嘴，如圖所示的三種類型。 噴嘴形狀可根據(jù)工件設計成各種形態(tài)，如圖。 由于內(nèi)焰溫度很高，應注意過熱，該區(qū)域與工件間的距離一般為610mm范圍，大件加熱距離可小些。 噴嘴和工件的相對移動速度一般在50300 mm/min，當

14、淬火層深度為25mm時，可采用80200mm/min。 冷卻 一般采用噴水冷卻，水溫保持1520度。 注：噴嘴必須噴水冷卻,38,第11章 鋼的表面淬火,39,第11章 鋼的表面淬火,3、火焰淬火工藝： 1）同時加熱淬火； 2）旋架淬火法； 3）擺動淬火法； 4）推進淬火法 5）旋轉(zhuǎn)連續(xù)淬火法 6）周邊連續(xù)淬火法,40,第11章 鋼的表面淬火,41,第11章 鋼的表面淬火,三、其它表面淬火法 （一）電阻加熱表面淬火 利用工件表面的周圍介質(zhì)中形成高電阻，并通過低電壓，大電流將工件表面迅速加熱并淬火的方法，即為電阻加熱表面淬火。 在工件表面造成高電阻的方法：,42,第11章 鋼的表面淬火,1、電接

15、觸加熱表面淬火 低電壓大電流，通過壓緊在工件表面的滾輪與工件自成回路，并在接觸處產(chǎn)生局部電阻，當電流足夠大時（400 600A）產(chǎn)生的熱能足以使接觸處表面溫度達到臨界溫度以上。然后靠工件本身的自冷，淬火表層下可獲得深約0.20.5mm隱晶馬氏體。(也可以水冷) 電接觸加熱表面淬火可顯著提高表面耐磨性，抗擦傷能力，設備簡單，操作方便，工件變形小，淬火后不需回火。 硬化層較淺（0.150.35mm）復雜件不適用。,43,第11章 鋼的表面淬火,44,第11章 鋼的表面淬火,2、電解液加熱表面淬火 518碳酸鈉水溶液的電解槽中，工件-陰極，電解槽-陽極，通直流電溶液被電離，在陽極上放出氧，陰極上放出

16、氫。包圍在工件周圍的氫氣膜，具有較大電阻，陰極附近產(chǎn)生大量的熱工件表面迅速加熱到淬火溫度，當斷電后，氫氣膜破裂，工件即可在電解液中自行淬火。 電解液加熱淬火時，工作電壓在150300V之間調(diào)整，電流密度以34A/cm2 為宜，加熱時間則通過試驗加以確定。一般為幾秒，幾十秒。 特點：電解液加熱淬火工藝簡單，變形小，對批量生產(chǎn)零件可采用機械化自動化生產(chǎn)。,45,第11章 鋼的表面淬火,（二）激光和電子束加熱表面淬火 是70年代初發(fā)展起來的新技術(shù)，它為金屬的表面熱處理帶來了一些新的概念和特點。 1、激光熱處理的基本原理 激光是一種亮度極高（能量密度106W/cm2），單色性和方向性極強的光源，激光加熱是以掃描方式來實現(xiàn)的，可以以輕微散焦的的激光束單程掃描或交疊掃描；也可以以尖銳聚焦的激光束往復擺動掃描。,46,第11章 鋼的表面淬火,47,第11章 鋼的表面淬火,為控制表面溫度和加熱深度，需要控制掃描速度和功率密度。(解釋) 激光是光輻射加熱，存在反射問題，吸收與工件表面黑度有關。 黑化處理：預加熱部位涂上一層高吸收率的薄膜涂料。 常用涂料：磷酸鋅鹽、磷酸錳鹽、碳黑、氧化鐵粉，以磷酸鹽為好（80）,48,第11章 鋼的表面淬火,2、激光熱處理特點 加熱速度快，淬火不用冷卻