四、表面淬火(13)

第四章表面淬火和表面形变强化热处理的4种工艺：退火、正火、淬火、回火。热处理知识（复习）热处理的本质：通过改变组织达到改善金属的机械性能。热处理的4个工艺参数：加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度。一、表面淬火技术的原理1表面淬火用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁表层发生马氏体相变，生成硬化层。第一节表面淬火技术的原理与特点2表面淬火的分类一般按加热源的名称分类。火焰表面淬火高频感应表面淬火等离子弧表面淬火激光表面淬火电阻表面淬火表4—1常用表面淬火常用钢及铸铁牌号类别钢号应用碳素结构钢35,40,45,50小模数、轻载齿轮及轴类零件40Cr,45MnB中等模数、轻载齿轮和高强度传动轴30CrMo,42CrMo,42SiMn模数较大、负载较大的齿轮与轴类合金结构钢5CrMnMo,5CrNiMo负荷大的零件灰口铸铁机床导轨、气缸套铸铁球墨铸铁,合金球墨铸铁曲轴、机床主轴、凸轮轴一般用于处理中碳调质钢和球墨铸铁。3适合表面淬火的金属材料加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高。二、表面淬火与常规淬火的区别(1)提高加热速度将使Ac3与Acm线上移，可以防止过热。快速加热使奥氏体成分不均匀，易形成贫碳的奥氏体，合金元素也难实现成分均匀化。（1）奥氏体中未溶碳化物和高碳偏聚区的存在将促进过冷奥氏体分解，使奥氏体转变孕育期缩短，C曲线向左移动。表面淬火与常规淬火的区别(2)不均匀奥氏体在冷却过程对过冷奥氏体转变及转变产物有很大影响：（2）亚共析钢中原铁素体领域形成低碳奥氏体，原珠光体领域形成高碳奥氏体。两种奥氏体在淬火后分别得到低碳马氏体及高碳马氏体。1表面淬火层的组织和硬度分布表面淬火层分为：（1）淬硬区Ⅰ（完全相变区）（2）过渡区Ⅱ（部分相变区）（3）心部区Ⅲ（无相变区）三、表面淬火层的组织和性能45钢的淬硬区组织为马氏体；过渡区组织为马氏体＋铁素体；心部组织为珠光体＋铁素体。硬化层的厚度可用金相法和硬度法测定。表面淬火层的组织和硬度分布硬度法测定硬化层的厚度金相法测定硬化层的厚度（1）表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通淬火高2～5个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余压应力。2表面淬火层的性能（1）（2）耐磨性：高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高。这是由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小，碳化物高度弥散，淬硬层硬度和强度都比较高。（3）疲劳强度：高频淬火可显著提高零件的疲劳强度。这是由于表面产生的压应力可以抑制裂纹的萌生和扩展，使其缺口敏感性下降。表面淬火层的性能（2）表4－240Cr钢不同处理状态下疲劳强度的比较处理状态疲劳强度σ－1N／mm2正火调质调质+表面淬火δ=5mm调质+表面淬火δ=9mm200240290330表4—340Cr钢不同处理工艺对缺口敏感度的影响疲劳强度σ－1N／mm2试样形式调质调质+表面淬火Φ=20mm光滑试样Φ=20mm缺口试样450~480140630600一、感应加热淬火基本原理铁制零件在高频交变磁场中，铁的内部将产生很大的感应电流。电流在金属体内自行闭合，称为涡流。由于工件阻抗很小，涡流很大。受集肤效应的影响，越靠近工件表面电流越大。感应电流快速将零件的表面加热到Ac3或Acm以上，快速冷却后即可在零件表层获得马氏体组织。第二节感应加热淬火技术在理想状态下，单匝感应圈加热1厘米高的柱形工件表面吸收功率P式中R0——工件直径mm；I——感应圈内电流A；ρ—钢的电阻率；μ—磁导率；f—频率。(ρμf)1/2为吸收因子。电流（涡流）导入深度δ与ρ、μ、f的关系是mm感应加热频率f越高，淬硬层越浅，但加热速度越快。2/1203)(1025.1fIRPf41003.5一、感应加热淬火技术的基本原理（1）表6－9感应加热淬火用交流电频率名称频率范围/Hz淬硬深度/mm高频（100~500）×1030.5~2超音频（20~100）×1032~5中频（1.5~10）×1032~5工频5010~15感应加热频率与淬硬层的关系磁导率μ和电阻率ρ又与工件的温度有关，在Ac1以上(770℃)磁导率μ几乎降至为零。这样钢中电流导入深度可简化为20℃时：mm800℃时：mm所以温度越高，加热速度越慢，避免了表面过热。f500800f2020图4－3钢的磁导率、电阻率与加热温度的关系感应加热淬火技术的基本原理（3）以齿轮加工为例锻打毛坯→正火处理(~220HB)→粗加工→调质处理（~250HB）→精加工（滚齿）→感应加热淬火→回火（~55HRC）→磨削二、感应加热表面淬火工艺流程齿轮高频淬火热效率高、加热时间短；工件表面氧化、脱碳比较轻，变形小；比普通热处理具有更优异的机械性能；设备易于实现机械化自动生产，生产效率高；零件棱边易过热，形状复杂的零件难以保证温度均匀；设备投资较大。三、感应加热的优缺点高频感应加热装置（电子管式）电子管式高频感应加热电路图晶体管式高频感应加热设备晶体管式高频感应加热示例1超高频感应加热淬火利用27.12MHz超高频率的极强的趋肤效应使0.05mm~0.5mm的零件表层在极短的时间内加热，然后靠自身迅速冷却，达到淬火目的。特点：变形量较小，不必回火。主要用于小、薄的零件。四、感应加热淬火新技术（1）技术参数普通高频淬火超高频冲击淬火频率(200~300)kHz27.12MHz功率密度200W/cm2(10-30)kW/cm2加热时间(0.1~5)s(1~500)ms硬化层深度(0.5~2.5)mm(0.05~0.5)mm工件冷却喷水或其他冷却自身冷却淬火层组织正常马氏体组织极细针状马氏体畸变不可避免极小2双频感应加热淬火对于凹凸不平的工件可采用两种频率交替加热，较高频率加热时，凸出部位温度较高；较低频率加热时，低凹部位温度较高。这样可达到均匀硬化的目的。感应加热淬火新技术（2）3超音频感应加热淬火采用20kHz～50kHz的频率（超音频波）感应加热淬火可解决凹凸不平工件表面淬硬层不均匀的问题。感应加热淬火示例DieHardeningInductionhardeningofformingtool(Volvo)DieHardeningDieHardeningFinalresult.DieHardeningDieHardeningDieHardening第三节火焰表面加热淬火技术(flamesurfacehardening)用火焰将工件表面快速加热到Ac3或Acm以上，然后用水快速冷却，以在表层获得马氏体组织。分焰心1、内焰2和外焰3三个区。内焰温度最高。有较大的温度梯度。（根据氧与乙炔的比例不同，氧－乙炔焰还可分为氧化焰、还原焰、中性焰三种）1火焰加热的特点要有较高的发热值，来源容易，价格低廉，贮存和使用安全可靠，污染小。表4－10常用火焰加热表面淬火用燃料特性火焰温度℃燃料名称发热值kcal/m3氧助燃空气助燃氧与燃料气体积比空气与燃料气体体积比乙炔天然气(甲烷)丙烷城市煤气煤油12754890024352670~8010*310027002640254023002320187519251985—1.01.754.0*2.0—9.025.0*—2火焰加热淬火用燃料（1）旋转法：火焰喷嘴或工件旋转。火焰加热淬火方法为了使工件表面加热均匀,可采取如下方法：（2）推进法：工件和火焰喷嘴做相对移动。（3）联合法(旋转推进法)：使火焰喷嘴及冷却装置沿着转动的工件作相对移动。单位时间消耗的燃气越多，加热速度越快。火焰停留的时间越长，表面温度越高。火焰停留时间越长淬硬层越厚。淬硬层深度还和钢的淬透性、工件比表面积大小有关。4影响火焰表面淬火硬化层的工艺因素硬化层较厚，硬度梯度较平缓，耐磨性好；5火焰加热表面淬火的优缺点投资少，简单易行，处理费用低；大小零件均可处理，能实现自动化操作；温度均匀性差，难以控温，质量波动大。因有软带的问题，只能进行局部淬火。表面淬火中的软带问题特大轴承表面淬火的软带问题利用高能束（激光束、电子束、等离子束）在被处理工件表面的能量转换加热工件，使其快速加热到Ac3或Acm相变温度以上，然后利用自身快速冷却，在材料表面获得硬化层。第四节高能束表面淬火技术1激光淬火过程：将104～105W/cm2高功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度将工件表面迅速升温至相变点以上，然后依靠冷态基体以105℃/s的速度自冷淬火。一、激光表面淬火2激光淬火设备工业上常用的激光发生器有横流CO2和YG两种。（1）与基体力学性能有关的热处理：被处理金属的原始组织对激光淬硬层的硬度和深度都有影响。3材料表面预处理（2）提高零件表面激光吸收率的黑化处理：~80％的激光被平整金属表面反射，黑化处理可以增加激光吸收率。黑化处理的方法有：涂碳素墨汁、磷化处理、氧化处理或激光专用黑色涂料。相变硬化层的深度H与工艺参数的关系为：)(DvPH4激光淬火的工艺参数激光淬火适用范围：硬化层深度≤0.75mm，宽度＜1.2mm，表面硬化效率80~85mm2/min，一般激光表面淬火功率为1~6kw/cm2。激光淬火主要工艺参数有激光功率P、光斑直径D和扫描速度v。（1）激光淬火组织相变硬化区：极细的马氏体；过渡区：为复杂的多相组织；基体：原始的基体组织。5激光淬硬层的组织和性能图4－745钢表面激光淬火区横截面金相组织激光淬硬层的硬度因极快速的加热和冷却，致使激光淬硬层的硬度比常规淬火高15％～20％。淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关。图4－845钢激光淬火区显微硬度与淬硬层深度的关系（3）激光淬硬层的耐磨性几种材料激光淬火与其它处理的耐磨性比较材料处理规范强化面积/％磨损量/mg调质整体30.9~40.945激光强化302.2~2.9渗碳淬火整体2.2~2.920Cr激光强化301.3~3.3渗氮全表面3.4~4.938CrMoAl激光强化302.3~2.7淬硬层组织细化，硬度比常规淬火高15％～20％，耐磨性提高1～10倍。能精确控制硬化层深度，工件变形小，表面无氧化脱碳。只要激光能照射到的部位都可实现表面硬化处理。加热速度快、自动化程度、生产效率高。需对工件表面进行预处理，以增加工件吸收激光的能力。设备较贵。6激光淬火的特点四、激光表面淬火技术在汽车制造行业中的应用表4－76激光表面硬化实例加工零件应用单位采用的激光设备应用效果齿轮转向器箱体内孔美国通用汽车公司5台500W和12台1kW的CO2激光处理设备每天处理3.3万件，每件处理时18s，耐磨性提高9倍。柴油机汽缸套(灰铸铁)美国通用汽车公司5台5kWC02激光器15min处理一件，提高耐磨性。此工艺已定为该公司标准工艺轴承圈美国通用汽车公司采用一套千瓦级CO2激光处理机用于生产线上，每分钟处理12个汽车缸套意大利菲亚特汽车公司采用3.5kWC02激光器处理一件需要21s。发动机汽缸体中国第一汽车制造厂四条自动生产线2kWCO2激光处理器激光淬火使发动机寿命提高1倍以上，行车超过20万km激光表面淬火实例激光束将基材表面快速加热到熔化温度以上，由基材内部传热冷却而使熔化层表面快速冷凝结晶的表面处理工艺技术。工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材。熔凝层为铸态组织（也可能出现非晶态组织）。二、激光表面熔凝技术（1）激光熔凝处理特别适合于灰口铸铁和球墨铸铁的表面强化，熔凝层为碳含量很高的白口铸铁，显微硬度可以高达1000~1100HV，耐磨性非常优越。激光表面熔凝技术（2）激光熔凝层比激光淬火层的硬化层深，硬度高，耐磨性更好。缺点是基材表面的粗糙度较大，需精加工后才能使用。类似于激光表面淬火技术。工件对电子束的吸收能力大于激光束，所以淬硬层深度高于激光淬火。电子束淬火必须在真空环境下进行，设备投入大，还要防止x射线辐射，所以应用范围受到限制。四、电子束表面淬火（略）补充内容：等离子弧加热表面淬火技术直流等离子弧示意图直流等离子弧功率大、电弧温度