第四章 表面淬火08

例一：有一个φ20×700mm的轴，材料为45钢，要求表面具有较高的耐磨性（50～55HRC），沿轴方向尺寸变形不能超过1mm，采用淬火能否达到要求？不能怎么办？例二：有一45钢制的φ200mm齿轮，要求表面硬度为48～55HRC，齿轮承受较大载荷且具有较好接触疲劳性能。如何处理？采用整体淬火，整个齿部都会淬硬，使用过程中易发生脆断，怎么办？●表面淬火作为强化金属零件的手段之一，具有以下特点：1、经表面处理零件不仅提高表面硬度和耐磨性，而且与适当预先处理的心部组织相结合，可以获得高的疲劳强度和强韧性。2、表面淬火工艺简单，强化效果显著，热处理后变形小。3、生产过程易于自动化，生产效率高。第四章：表面淬火主要内容1、表面淬火目的2、表面淬火基本条件3、快速加热时组织转变特点及组织结构与性能关系4、几种表面淬火方法§4-1：表面淬火目的及分类一、表面淬火目的在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，而心部仍保持表面淬火前的组织状态（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。二、表面淬火分类要实现表面加热必须给工件以极高的能量密度来加热，使工件表面的热量来不及向心部传导，造成极大温差。一般认为若加热装置能提供≥102W/CM2能量密度就可实现表面加热。（按加热装置不同可分为）1、感应加热表面淬火(Inductionhardening)2、火焰加热淬火(Flame/Torchhardening)3、电接触表面加热淬火(Contacthardening)4、激光表面加热淬火(Laserhardening)5、电子束表面加热淬火等(Electron-beamhardening)§4-2：表面淬火工艺原理一、钢在非平衡加热时的相变特点1、对相变临界点的影响（1）提高加热速度将使Ac3、Accm线升高。当速度大于200℃/s时，变化趋于平缓。（2）加热速度对Ac1S开始点影响不大，但对Ac1f点有明显的影响，随着加热速度的提高，Ac1f点显著提高。原始组织愈不均匀，Ac1f形成温度提高愈多。2、对奥氏体晶粒度影响提高相变区加热速度使奥氏体起始晶粒度显著细化。原因：◆奥氏体形核不仅在铁素体与碳化物相界，而且在α相亚结构边界形核；晶核尺寸仅为亚结构边界宽度1/10—1/5，形成极细的起始晶粒。◆在高速加热条件下，起始晶粒度不易长大，从而细化晶粒。◆所形成的奥氏体晶粒内部受热应力和组织应力的作用，形成许多位错胞。3、奥氏体成分均匀化影响奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增加原因：◆快速加热条件下形成的奥氏体，其含C量随加热速度提高而偏离其平衡成分◆大部分合金元素在碳化物中富集，从而使合金元素在快速加热时更难固溶于奥氏体并不易均匀化◆原始组织对奥氏体均匀化有很大影响4、对过冷奥氏体转变及回火的影响（1）降低过冷奥氏体的稳定性（2）改变马氏体点（Ms、Mf）及马氏体组织形态二、表面淬火的组织与性能1、组织：淬火后可分为淬硬层、过渡层以及心部原始组织。不同原始组织表面淬火后金相组织：（1）对于退火状态共析钢：（2）对于正火态45钢，原始组织为F+P：TMM+F+PF+P离表面距离45钢表面淬火沿截面温度分布及淬火后金相组织AC1AC1fsAC3M+FTMP+MP离表面距离共析钢表面淬火沿截面温度分布及淬火后金相组织AC1AC1fs2、表面淬火后有效硬化层深度测定国际上统一采用ISO3754标准我国制订国标GB5617-85标准规定：在感应加热或火焰加热后有效硬化层深度（DS）从零件表面到维氏硬度（HV）等于规定的硬度值的那一层之间的距离。硬度测量是在9.8N的负荷下进行。●极限硬度（HV）HL（即规定硬度）是零部件所要求最小表面硬度的函数：（HV）HL＝0.8（HV）HS式中（HV）HS为零件要求最小表面硬度。3、表面淬火后性能◆表面硬度：快速加热，激冷淬火的工件表面硬度往往比普通淬火高2～5个百分点◆耐磨性：快速加热表面淬火后工件的耐磨性优于普通淬火◆疲劳强度：采用正确的表面淬火工艺可以显著提高零件的抗疲劳性能◆残余应力分布：表面淬火后的残余应力大小和分布与钢种、零件尺寸、硬化层深度及加热冷却等多种因素有关实验表明：●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，继续增加硬化层厚度，表面残余压应力反而减少。●残余应力与沿硬化层深度的硬度分布有关。过渡区硬度降落愈陡，表面压应力虽较大，但紧靠过渡区的张应力峰值也最大；过渡区硬度降得愈平缓，过渡区愈宽，张应力峰值内移且减少，表面的残余压应力也减少。●残余应力的分布和钢中的含碳量有关。含碳量愈高，残余压应力愈大§4-3：表面淬火方法一、感应加热表面淬火工件在交变磁场作用下产生了较高的感应电势并在表面形成涡流，利用感应电流在零件表面产生的热效应而使零件加热称为感应加热；将感应加热后的零件快速冷却的淬火工艺称为感应加热淬火。加热方法频率（KHz）功率密度（102W×cm-2）工频500.1~1中频105高频、超音频20～10002～10超高频脉冲27120100～300根据设备输出频率高低，感应加热的种类如下表所示：1、感应加热基本原理（1）感应加热的物理基础（a）电磁感应：当工件放在通有交变电流的感应圈中时，受到交变磁场作用，其表面产生感应电动势：涡流——零件在感应电势的作用下产生的电流。（b）表面效应（集肤效应）定义：涡流强度随高频电磁场强度由零件表面向内层逐渐减小而相应减小的规律。dtdKe22LfXReZeItRIQf224.0离表面x处的涡流强度为：式中Io——表面最大的涡流强度（A）x——到零件表面的距离（cm）与材料物理性质有关的系数从式中看出：x=0时，Ix=I0x0时，IxI0x=Δ时,Ix=I0/e＝0.368I0工程上规定：当涡流强度从表面向内层降低到表面最大涡流强度的36.8％即I0/e时，该处到表面的距离Δ称为电流透入深度，用δ表示。fpc2xxeII0δ的大小与金属的电阻率（ρ），相对磁导率Ur=u/u0和电流频率（f）有关：对钢而言简化为：由式可见：电流透入深度随着工件材料电阻率的增加而增加，随材料的导磁率及电流频率的增加而减小。频率越高，电流透入深度越浅；当频率不变时，温度超过居理点以后，电流透入深度显著增加。uu02uf50300生产上可简化为：▲20℃时冷态电流透入深度▲800℃时热态电流透入深度▲可见，频率愈高，电流透入深度愈浅；频率不变时，温度超过居里点以后，电流透入深度显著增加。（C）热传导2020/f800500/f（2）感应加热的过程如右图为工件在感应加热时涡流在工件表面分布变化的曲线和感应加热时冷态和热态的涡流分布曲线。透入式加热概念:特点:P86（与传导式加热区别）透入式加热与传导式加热相比较有如下特点：●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。（a）设备频率选择（b）比功率的选择：比功率是指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率。比功率选择主要决定于频率和要求硬化层深度设备比功率：设备输出功率与零件同时被加热的面积比221502500fxx2600fx最佳PPAPPPA工η-设备总效率0.4～0.6◆感应加热的其他条件及感应器确定后，比功率的调整依靠感音加热装置的电参数来调整，如:阳极电压、阳极电流、栅极电流和槽路电压。（2）淬火加热温度和方式的选择淬火加热温度应根据材料原始组织、零件的要求来确定；一般比普通淬火温度高30～200℃加热。◆常用的加热方式有两种：同时加热法连续加热法（3）冷却方式和冷却介质的选择●最常用的冷却方式是喷射冷却和浸液冷却法。●对于细、薄工件或合金钢齿轮，为减少变形、开裂，可将感应器与工件同时放于油槽中加热，断电后冷却，这种加热方法称为埋油淬火法。●常用的冷却介质有水、油等。（4）回火工艺●感应加热一般只进行低温回火，目的是为了降低残余应力和脆性，又不致降低硬度，●一般采用的回火方式有炉中回火、自回火和感应加热回火。3、感应器设计简介感应器是将高频电流转化为高频磁场对工件实行感应加热的能量转换器。▲材料感应器中电流密度可达6000A/m㎡，故所用的材料的电阻率必须尽可能小，一般采用电解铜，通常用紫铜制作。▲组成：有效线圈（又称施感导体）；汇流接线板；汇流条；冷却装置等▲感应圈形状与结构感应圈的几何形状主要根据工件硬化部位的几何形状、尺寸及选择的加热方式来确定。设计时应注意以下几种效应：▲临近效应：（采用旋转加热方法）▲环状效应：（有利于圆柱体外表面）▲尖角效应：（调节线圈与零件间的间隙或改进感应圈的结构来改善）▲感应圈尺寸的确定感应圈管壁厚度应略大于高频电流穿透厚度。4、感应加热时的驱流和屏蔽▲导磁体的驱流作用：在感应圈上卡上导磁体后，磁力线走向发生变化，即由原来圆环效应作用电流沿着圆环内侧流过变为沿着导磁体缺口流动。高频导磁体用铁淦氧制成；中频采用硅钢片叠成。▲屏蔽方法：铜环屏蔽；磁短路67/()fmm5、高频装置的工作原理电子管变频装置●升压变压器：将50HZ、380V电升到高压10KV●直流整流：将高压工频电流(50HZ)整流为高压直流6.7－13.5KV●变频装置：电子管自激振荡器将直流电变换为高频或超音频交流电流(即高压高频)。●淬火变压器：将高压高频电流变换为低压高频（1000V）●感应线圈：二、火焰加热表面淬火（flamehardening)火焰加热表面淬火的优点：（1）设备简单、使用方便、成本低；（2）不受工件大小限制，可灵活移动使用；（3）淬火后表面清洁，无氧化脱碳现象，变形小。缺点：（1）表面易过热；（2）难以得到小于2mm的淬硬层深度；（3）所采用的混合气体有爆炸危险三、激光热处理1、激光热处理基本原理为解决吸收率低的问题，可在需硬化表面涂敷一层能吸收远红外线的涂层，这种工艺叫“表面黑化”处理。2、激光热处理工艺由于激光束光斑尺寸很小，工件表面淬火时必须靠激光束在淬火工件表面的扫描运动来实现，目前扫描有三种方法：（1）散焦激光束单程扫描；（2）散焦激光束交叠扫描；（3）摆动激光束加热。3、激光热处理的特点（1）加热速度快，淬火不用冷却剂（2）可以进行局部、选择性淬火（3）几乎没有变形四、电子束加热表面淬火、电解液加热表面淬火、电接触加热表面淬火