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1第11章钢的表面淬火热处理原理与工艺第11章钢的表面淬火2第11章钢的表面淬火导读通过学习本章，主要掌握感应加热的原理方法及相关参数确定原则，感应加热淬火方法；掌握火焰加热淬火的概念，了解火焰淬火原理与方法。3第11章钢的表面淬火第四章钢的表面淬火钢的表面要求高强度高硬度，耐磨性，疲劳极限，心部保持足够的塑性，韧性，以承受一定的冲击力。因此，需要进行表面淬火。本章主要讨论快速加热时组织转变的一些特点，以及表面淬火层组织结构与性能之间的关系，在此基础上讲述目前比较成熟的或有发展前途的表面淬火工艺。4第11章钢的表面淬火第一节钢的表面淬火的目的分类及应用表面淬火是指被处理的工件在表面有限深度范围内,加热到相变点以上,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、表面淬火的目的在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，而其心部仍保持着淬火前的组织状态（调质或正火状态）以获得表面层硬而耐磨，心部又有足够塑性，韧性的工件。5第11章钢的表面淬火二、表面淬火的分类：1、感应加热表面淬火;（高频、中频、高频脉冲）2、火焰淬火;3、电接触加热淬火;4、电解液加热表面淬火;5、激光加热表面淬火;6、电子束加热表面淬火。6第11章钢的表面淬火三、表面淬火的应用应用最普遍的时感应加热淬火及火焰淬火。激光束加热和电子束加热是目前迅速发展着的高能量加热淬火方法。用于中碳调质钢或球铁制零件，低碳钢因效果不显著，很少应用，高碳钢，因为脆性大，只在工具或高冷硬轧辊上。7第11章钢的表面淬火第二节表面淬火工艺原理一、钢非平衡加热时的相变特点特点：1）一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高；(Ac3和Accm极限1130℃)2）奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大；3）提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒；4）加快加热对过冷奥氏体转变及马氏体回火有明显影响。8第11章钢的表面淬火在快速加热条件下非平衡相图加热速度与奥氏体转变温度范围9第11章钢的表面淬火二、表面淬火的组织与性能1、表面淬火的金相组织其金相组织与钢种，淬火前的原始组织及淬火加热时沿截面温度分布有关。10第11章钢的表面淬火11第11章钢的表面淬火调质状态的45钢，回火索氏体，会造成回火组织的不均匀，在C区温度低于Ac1，但高于原调质温度，因此发生进一步回火，表面淬火导致这一区域硬度下降。12第11章钢的表面淬火2、表面淬火后性能表面硬度：快速加热，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劳强度：采用正确的表面淬火工艺，可以显著地提高零件的抗疲劳性能，降低缺口敏感性。13第11章钢的表面淬火CrWMn钢加热速度与淬火硬度不同淬火的耐磨性14第11章钢的表面淬火3、淬硬层深度及分布对承载能力的影响1)表面淬火硬化层与工件负载时应力分布的匹配。2)淬硬层深度与工件内残余应力的关系。15第11章钢的表面淬火16第11章钢的表面淬火17第11章钢的表面淬火3)硬化层分布对工件承载能力的影响18第11章钢的表面淬火一、感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，在工件表面产生感应电流，将其表面快速加热到临界点以上而实现淬火的一种工艺方法。感应加热表面淬火与普通淬火相比有下列特点：加热速度快，热量集中在工件表面，加热时间短，工件表面不易氧化脱碳，淬火变形小，易于实现机械化，自动化生产，质量稳定，生产效率高。另外，还可用于工件穿透加热与化学热处理。如锻坯中频穿透加热，高频渗碳，渗硼，渗氮等。第三节表面淬火方法19第11章钢的表面淬火1、感应加热的基本原理1)、电磁感应感应圈内通过一定频率的交流电时，就会同时产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电流，且有电流通过，这种现象即为电磁感应。感应电流的流线在工件中自行闭合形成回路，称为涡流。其瞬时电流方向与感应圈中的电流方向相反。涡流强度(If)与感应电动势(e)及工件内涡流回路的阻抗(I)有关20第11章钢的表面淬火感应电动势：涡流：热量：21第11章钢的表面淬火2)、集肤效应电流沿截面的分布是不均匀的，电流主要沿工件表面通过，交变电流的频率越高，这种不均匀性越严重，电流的密度集中于表面越多，这种现象称为集肤效应通入交变电流之导体截面上电流密度的分布可由电磁场微分方程解得：22第11章钢的表面淬火由上式可知：当导体内某处的电流为表面最大电流密度的0.368倍时，则深度δ就称为电流透入深度。23第11章钢的表面淬火对钢来说：上式说明：电流透入深度是随材料电阻率的增加而增大，与材料的磁导率及电流频率的平方根成反比。在热处理生产中按频率的高低把感应电流分为：高频（700－1000KHz）中频（0.5－1.0KHz）工频50Hz。24第11章钢的表面淬火导磁率μ和电阻率ρ随温度而变，ρ随温升而增大，极值为10－4Ωcm，μ在A2点突变。在20℃时，冷态电流透入深度在800℃时，热态透入深度感应加热时，由于表层高温区导磁率下降，涡流移向内侧，使电流密度发生变化。25第11章钢的表面淬火26第11章钢的表面淬火2、感应加热表面淬火工艺1)根据零件尺寸及硬化层深度要求，合理选择设备；设备频率选择：δx要求硬化层深度cm27第11章钢的表面淬火2）淬火温度和加热方式的选择淬火温度据工件的材料原始组织硬度要求而定，感应加热淬火之前，以调质预处理可获得更高的强度塑性，小的变形，不重要件也可以以正火做预处理。加热速度较快的，采用较高温度。每周钢都有最佳加热规范。加热方式：同时加热、连续加热当工件的淬火面积小于设备允许的最大加热表面积时，采用同时加热。28第11章钢的表面淬火3）冷却方式和冷却介质的选择a、喷射冷却通过感应器或冷却圈上的许多小孔，将淬火剂以定压力喷射到工件表面，而进行冷却，小孔中心与冷却圈的轴线呈一定角度（30－45）常用于连续加热淬火。b、浸液冷却工件表面同时一次加热后，立即将工件整件浸入淬火槽中冷却。29第11章钢的表面淬火c、埋油淬火对细薄工件或合金钢齿轮，为减少变形开裂和防止喷油着火，可将感应器和工件同时放入油槽中加热，断电后即同时冷却。d、预冷淬火工件淬火前先断电，在空气中停留几秒，再喷水或浸液冷却以防止变形开裂。冷却介质：水、油乳化液、10％食盐水溶液、0.1~0.3％的聚乙烯醇水溶液。30第11章钢的表面淬火4）感应加热表面淬火后的回火一般只进行低温回火，减小残余应力，降低脆性a、炉内回火b、自行回火c、感应回火a、炉内回火：淬火后工件放入炉中150－180度回火，保温1－2小时。实验表明在相同回火温度下，高频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热量来加热淬硬层的回火方法。自行回火简化工艺，提高生产率，降低成本，工件开裂倾向小。缺点：工艺不易掌握，消除淬火应力不如炉内回火。31第11章钢的表面淬火c、感应回火：通常采用中频或工频加热回火，为了降低过渡层的拉应力,感应回火加热层应比淬火层较深些,加热速度一般不超过20－30度/s，感应回火比炉内回火加热时间短，显微组织中碳化物的弥散度大，因此，耐磨性高，并有良好韧性。（本次结束）32第11章钢的表面淬火二、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用氧乙炔或其它可燃气体的燃烧，形成高温火焰。喷向工件表面，使工件迅速加热到淬火温度，然后淬火冷却得到预期的硬度和淬硬层深度。火焰淬火必须供给表面的热量大于自表面传给心部及散失的热量，以便达到“蓄热效应”，才能实现表面淬火。33第11章钢的表面淬火特点：简便易行，费用低，方法灵活，可对各种形状的大尺寸工件进行局部淬火。缺点：加热温度无法测量，淬硬层不易控制，火焰加热是利用外热源来加热工件表面。由于火焰本身的结构特点，各区域的温度不一致。因此，在火焰接触表面的局部受热地区，有较大的温度梯度。34第11章钢的表面淬火1、火焰的结构及其特性火焰可用各种混合气体作为燃料A)煤气与氧气（1：0.6）B)天然气与氧气（1：2～3）C)丙烷和氧气（1：4～5）D)乙炔和氧气（1：1～1.5）其中d)的温度最高，达3100℃，c)的温度最低，2650℃。温度还和气体混合比有关。35第11章钢的表面淬火图为氧乙炔火焰结构和温度分布曲线。火焰由焰心，内焰（还原区），外焰（全燃区）三部分组成。内焰温度最高（约为3100度），火焰加热淬火就是利用这部分火焰。为了使表面加热尽量均匀而不致产生局部过热，必须采取调整气体的流量（氧和乙炔混合比例），工件与喷嘴间的距离及摆动火焰，旋转工件。36第11章钢的表面淬火37第11章钢的表面淬火2、喷嘴采用特别的喷嘴，如图所示的三种类型。喷嘴形状可根据工件设计成各种形态，如图。由于内焰温度很高，应注意过热，该区域与工件间的距离一般为6－10mm范围，大件加热距离可小些。喷嘴和工件的相对移动速度一般在50－300mm/min，当淬火层深度为2－5mm时，可采用80－200mm/min。冷却一般采用喷水冷却，水温保持15－20度。注：喷嘴必须喷水冷却38第11章钢的表面淬火39第11章钢的表面淬火3、火焰淬火工艺：1）同时加热淬火；2）旋架淬火法；3）摆动淬火法；4）推进淬火法5）旋转连续淬火法6）周边连续淬火法40第11章钢的表面淬火41第11章钢的表面淬火三、其它表面淬火法（一）电阻加热表面淬火利用工件表面的周围介质中形成高电阻，并通过低电压，大电流将工件表面迅速加热并淬火的方法，即为电阻加热表面淬火。在工件表面造成高电阻的方法：42第11章钢的表面淬火1、电接触加热表面淬火低电压大电流，通过压紧在工件表面的滚轮与工件自成回路，并在接触处产生局部电阻，当电流足够大时（400－600A）产生的热能足以使接触处表面温度达到临界温度以上。然后靠工件本身的自冷，淬火表层下可获得深约0.2－0.5mm隐晶马氏体。(也可以水冷)电接触加热表面淬火可显著提高表面耐磨性，抗擦伤能力，设备简单，操作方便，工件变形小，淬火后不需回火。硬化层较浅（0.15－0.35mm）复杂件不适用。43第11章钢的表面淬火44第11章钢的表面淬火2、电解液加热表面淬火5－18％碳酸钠水溶液的电解槽中，工件-阴极，电解槽-阳极，通直流电溶液被电离，在阳极上放出氧，阴极上放出氢。包围在工件周围的氢气膜，具有较大电阻，阴极附近产生大量的热工件表面迅速加热到淬火温度，当断电后，氢气膜破裂，工件即可在电解液中自行淬火。电解液加热淬火时，工作电压在150－300V之间调整，电流密度以3－4A/cm2为宜，加热时间则通过试验加以确定。一般为几秒，几十秒。特点：电解液加热淬火工艺简单，变形小，对批量生产零件可采用机械化自动化生产。45第11章钢的表面淬火（二）激光和电子束加热表面淬火是70年代初发展起来的新技术，它为金属的表面热处理带来了一些新的概念和特点。1、激光热处理的基本原理激光是一种亮度极高（能量密度106W/cm2），单色性和方向性极强的光源，激光加热是以扫描方式来实现的，可以以轻微散焦的的激光束单程扫描或交叠扫描；也可以以尖锐聚焦的激光束往复摆动扫描。46第11章钢的表面淬火47第11章钢的表面淬火为控制表面温度和加热深度，需要控制扫描速度和功率密度。(解释)激光是光辐射加热，存在反射问题，吸收与工件表面黑度有关。黑化处理：预加热部位涂上一层高吸收率的薄膜涂料。常用涂料：磷酸锌盐、磷酸锰盐、碳黑、氧化铁粉，以磷酸盐为好（80％）48第11章钢的表面淬火2、激光热处理特点加热速度快，淬火不用冷却剂；可以进行局部的选择性淬火；几乎没有变形激光热处理已经进入生产应用阶段，在美国已在汽车工业得到应用，可锻铸铁转向器壳体内壁用激光淬火可获得宽1.5～2mm，深0.25mm的硬化带49第11章钢的表面淬火电子束加热表面淬火电子流轰击金属表面，电子流与金属中的原子碰撞来传递能量进行加热，也是高能量密度的加热方式，可自行淬火。表面