第四章 钢的表面淬火

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①中碳调质钢、球墨铸铁——机械零件（机床主轴、齿轮、柴油机曲轴、凸轮轴）；②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①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；②加热时间极短→奥氏体晶粒来不及长大；（4）快速加热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。①微小体积内的不均匀性：P区域；②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①钢种②淬火前的原始组织③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C↑→M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10~20%;过渡区的宽度为淬硬层深度的25~30％；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100~500kHz，最常用频率为200~300kHz，可获淬硬层浓度为0.5~2.0mm，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500~10000Hz，最常用频率为2500~8000Hz。可获淬硬层深度为3~5mm。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10~15mm。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，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Vdde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。AXReIf22RIQf224.0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fIRPa2031025.14）加热零件吸收的功率Pa——工件吸收的功率，w/cm2R0——工件直径，cmρ——工件材料电阻率，μ——工件材料磁导率，H/mf——交变电流频率，Hz——“吸收因子”AeIIxx05）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fc2Pa——离工件表面的距离，cm2I0——表面最大的涡流强度，A①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；②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）xxeII0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，这时工件内部的加热和普通加热相同，称为传导式加热。a)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；b)加热迅速，热损失小，热效率高；c)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。①决定感应加热表面淬火用钢硬度的主要因素；含碳量为0.40~0.50%。②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0.50~0.60%；③为了提高调质零件的耐磨性，最合适的含碳量为0.40~0.50%。2）含碳量3）预先热处理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。以汽车拖拉机为例材料耐磨零件强度和韧性好的零件40、45、40Cr、40MnB55~63HRC45~58HRC灰口、可锻、球墨、合金等铸铁45~58HRC≥38HRC≥43HRC40、4540～50HRC40Cr45~55HRC5）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25~30%。零件类型硬化层深度汽车拖拉机表面耐磨1-2mm需要磨削的轴类3-5mm承受扭转疲劳的直径的10～20％直径大于40mm直径的10％直径小的直径的20％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