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1、使钢件表硬内韧的表面热处理技术凿飞止使钢件表硬内韧的表面热处理技术.装甲兵工程学院徐滨士韩文政/姜厚温弋火车,汽车,拖拉机等车辆的速度变换.靠操纵小同传动比的齿轮来实现.传动齿轮在啮合时的受情况很复杂图 1 用光弹试验方法显_了齿轮的受情况.图】齿轮 T 怍时的施力分布目B 拉应力 A,c 一胜威力Fig.IThestressdistributionofworkinggear图中的黑色齿 I 是主动齿.JJ 是被动齿I 齿向 JJ 齿传递动力时,使 II 齿变成了花脸.线条表示应力的分布和大小.线条密应力就大 c 啮合 A 处压应力最大.啮合点 A 在 II 齿表面由上而下移动.直到其根部.在
2、啮合点 A 处还有相对滑动必然产生磨损.齿面磨损后两齿啮合不平稳于是产生噪声,振动.I 齿和】 】齿在 A 点啮合传动使齿根部的危险点 B 受拉应力 C 点受到压应力.相当于有个弯矩.想把 II 齿折断 .若断齿则动力没法传递.汽车,拖拉机在起步,刹车以及不平路面上行驶,各传动齿轮都会受到冲击.其危害性就更大了.可见对齿轮性能的要求是:齿面要有高耐磨性齿芯部要有高的强度和耐冲击韧性.三高缺一不可 a 一般条件下 三高无法同时达到但表面热处理技术有 2 种办法来实现.l 对齿轮进行表面淬火11 火焰表面热处理用氧一乙炔中性焰逐个加热齿面,到桔红色时收稿 2000-0327开水管冷却.直到每个齿都
3、处理完后(见图 2).再快速用焊枪火焰将每个齿扫一遍.捷鐾虮热层2 火 l 掐表面淬火小意Fig2Theschematicofsurfacequenchingbyflame此法叫火焰表面热处理.氧乙炔火焰其温度高,焰心可达 3200.C,加热速度快在钢表层呈桔红色时,大约为 850.C.而里边温度还不高 c 浇水后很快冷却表层就淬火了.硬度高,耐磨而里面温度低淬不上火.硬度低,韧性好,但齿面易脆裂,崩块.为了达到了三高. 还要把表面加热到浅黄色(即 200.C 左右),进行淬火后的低温回火以去掉跪性和内应力此法虽简单,方便却只能凭目视颜色估计温度,手工操作.加之火焰温度有限.使工作效率和应用范
4、围受到限制.仅用于处理简单且不大的零件I2 感应加热表面淬火法感应加热表面淬火法.如图 3 所示把钢制零件放在感应圈中在感应圈通电后的高频磁场作用下钢制零件会产生感应的不均匀的高频电流表层电流密度高内芯低称为交流电的 集肤效应. 钢是导体.有电阻 =电流流过会产生热量即 Q=O24flRt(J)其中.Q 一热量 lJ.,电流强度(A) 一电阻(n).f 一时间,s这个热量 Q 用来加热零件时.是集中在电流密度高的表层.加热的深度与频率有关对于钢.加热温度 850.C 以上时,8kHz 加热深度为 56mm.户 l000kHz 加热深度为 050mm控制感应线圈通电时间即可有效控制加热温度,待表
5、面达到所需温度即可将感应线圈移开.喷使俐件表破内的表旺热处埋技术你琏 I水.使加热深度范围内淬火获得高硬度的淬火层.同时.还可控制喷水时间,让零件留点余热,以对淬火层低温回火即可达戮三高 要求了,仅需做一套适合齿轮表面淬火的感应圈1)骺囊电衙 L 集叶 J 层幽 3 感 J 热表向淬火意图Fig3Theschematicofsurlhcequenchingbyinducingheaung我国常用的感应加热设备有:电子管式高频发生器,常用的频率是 200300kHz 用于 12into淬透层的零件表面热处理:由电动机带动的中频发电机常用的频率 8kHz 用于 35mm 淬透层零件的表面热处理.高
6、频,中频淬火后,零件表面的硬度和耐磨性好,硬度比普通淬火高出 23 个洛氏硬度单位表层淬火区将产生压应力,使疲劳极限提高例如 T8 钢在高频处理前的疲劳极限旺.=2499MPa: 经高频淬火后当淬透层深度为 I.7fflO1 时,疲劳极限 d】:6194MPa.提高了 1.48 倍.另外.激光加热表面淬火技术,电子束加热表面淬火技术均屑高能密度表面淬火技术.2 对齿轮进行化学热处理将零件置于化学活性介质中在钢的固态温度下.向零件表层渗入金属或非金属元素,改变表层的化学成分和组织结构,以改善零件表层性质的工艺方法.称为化学热处理.常用的有渗碳,氰化,氮化等工艺方法2I 渗碳处理圈 4 是一个用电
7、阻丝加热的气体渗碳炉示意图.里面有个耐热罐.成串地放进一批齿轮.盖严炉盖.加热炉温到 920C 左右.打开管道阀门往炉内滴入煤油,甲苯等渗碳剂碳氢化舍物).在高温及缺氧条件下分解为 C 和 H 等.高温下的 C原子将成为活性c.吸附在齿轮表面而氢等废气将排出炉外并点火燃烧.焕仙j 鬯-L 火 l蕞纠.矗拱罐t体4 气体浩碳意Fig4Theschematicofgaseouscementilc吸附在齿轮表面上的活性碳 l 浓度.高于齿轮材料中的碳浓度.就会发生碳的扩散方向是由表及里在 920.C 炉温保温时.煤油或甲苯不断恒速滴入,炉内的活性碳浓度保持不变.废气不断排出燃烧活性碳原子就会源源不断
8、地渗入齿轮表层.渗碳层厚度与炉温和渗碳时间有关.在一定时间内渗碳层厚度与渗碳温度的关系为:Ae式中.一渗碳层厚度 ram)r 一渗碟温度 lA,a 一实验系数 .根据经验.为了得到 l5into 的渗碳层在 920.C 时需 65h:温度提高到 970.C 时需要 5h齿轮经 920.C 渗碳 6.5h 后.从炉中取出.在空气中自然冷却到室温.即得到表层 l5Flin 碳含量高而里面碳含量低(原来的碳含量)的效果;用齿轮的三高 性能来衡量 ,渗碳后将齿轮重新加热到 800.C 左右,热透后取出放到水 l 或油?中侠速冷却实现淬火齿轮表层硬度为 HRC258而齿轮的心部硬度 HRC=3035 淬
9、火后齿轮还要再进行 I50.CI80.C 的低温回火处理以消除表层的脆性 a 这时.齿轮就达到了表层耐磨眭高强度高,而心部韧性高的三高要求了.齿轮渗碳热处理的生产周期长.例如.要求有1&由程 2000 年第 2 期( 总第 47 期)4715iiim 渗碳层的渗碳温度为 920.C,渗碳时间为7-8h 渗碳后要进行淬火和低温回火.最后还要用齿轮磨床瞎削齿表面 a22 氰化处理齿轮可在图 4 所示的气体渗碳炉中进行氰化处理;它是同时渗碳和氮 2 种元素此时.需要在气体渗碳 l 舻的炉盖上再开一个孔,装上一个管子.将炉子的温度控制在 820.C.一根管子滴入煤油或甲苯以得到活性碳 lC1 另一根管
10、子滴入氨水(或通氨气:.以获得活性氮【N 卜【c 件 ENJ 被零件表面吸附并同时向零件表层扩散得到所需的氰化层.与渗碳相比,氰化处理的优点:氰化温度(820.c比渗碳温度(920.c)低得多 .晶粒不会粗化,氰化后直接淬火.太大简化了热处理工艺.成本比渗碳低得多.要达到相同的性能.氰化层深度只需渗碳层的 2/3氰化处理后的零件性能优于渗碳处理其力学性能比较见表 I.表 1 钢件经氰化和渗碳处理后的力学性能比较Teble1Thecompareofmechanicsqualityofsteelbetweencyanictreatedandcarbonization娃理硬盏冲舌韧性抗拉强度抗弯强度
11、渗最厚腰ZRC/Jcmffn/MPa 西 MPa/mm零件氰化处理不足之处是在表层 010mm 以下的范囤内有一层特殊的氮化物.经氰化处理后不能再用磨削加工来提高其表面光洁度.不能用于表厦精度要求特别高的零件.2.3 氢化处理假如在图 4 的气体渗碳炉中作如下变动炉子的温度改为 500600.C最常用 550.C),装入零千生并到达以上温度后.在管子中滴入氨气.此时吸谢在零件表面的是活性氮NI 原子向零件表层中扩散氮原子,称为钢的氮化处理.也称为氮化用作氮化处理的是一种专用的氯化钢一38CrMoAI 台金钢.也可用其它中碳(030060%c)钢或舍金铜.如 45 钢,40Cr,38CrSi 等
12、经氯化处理后的零件,具有高的表面硬度及耐瞎性.表面硬度达 10001lO0HV 同时零件表面的疲劳强度比渗碳处理提高 20%左右由于氮化处理温度较低.E 在氮化处理后不必再进行淬火处理,因此零件变形小.适用于精密零件热处理 c氮化处理的不足是生产周期长.成本高.例如精密机床主轴,由 38CrMoAl 制造.要求的氮化层深度为 0.406mil1.要求表面硬度 HV900.采用500520.C 等温氮化工艺时.需要 72h采用离子氮化等新工艺可以加速氮化的过程离子氮化是在真空室内高压电场作用下进行的.室内有阴阳两极,将零件接在阴极上零件外围有个炉罩,接阳极当室内真空度抽到 6666Pa以上时.向
13、真空室通入少量氨气当阴阳极之间接通直流电源时氨气在电场作用下部分分解成氮和氢的正离子及电子.这时阴极 l 零件一表面形成一层紫色辉光,具有高能量的氮离子轰击零件表面由动能转化为热能使零件表面温度升高=同时,氮的正离子在阴极(即零件) 夺取电子后还原成氮原子并梭零件表面吸收,继而向零件表层扩散;氮离子在轰击零件表面时,还能产生阴极溅射效应溅射出的铁离子与氮离子化合形成含氮浓度高的氮化铁(FeN;.井附着在零件表面然后分解为 Fe=N,FeN 并放出氮原子向零件表屠扩散加速零件表层形成氮化层.离子氮化时一般电压为 400750V,电流密度为 0520mA/cm 功率为 025W/cm.离子氮化能明
14、显地缩短生产周期对 38CrbloA1 钢氯化层深为 053070mil1.要求表面硬度HV900 时,应用离子氮化只需 15-20h.离子氮化层的韧性和疲劳强度明显提高,还具有节电,省氨,劳动条件好,无公害等特点.它的不足是设备投资高,零件的大小受真空室尺寸的限制.24 渗硼处理在化学热处理领域中.除了_述几种常见的方法外.还有渗金属,渗硼,渗硫,硫氮共渗,多元共渗等方法下面,简单介绍渗硼,渗金属.渗硼是在零件表层被硼所饱和而形成硼化物的过程 a 有固体渗硼 ,液体渗硼和气体渗硼 .最近又出现流态渗硼等方法.目前我国使用最多的是液体渗硼.使钢件表硬内韧的表面热处理技术椽滨等在渗硼时(碳钢和台
15、金钢的渗硼温度一般是950.C 左右).活性硼BI 将通过吸附和扩散渗入零件表面层.渗入的硼原子与铁原子间可形成两种极稳定的 Fe 和 FeB 化台物-对于一般钢材.渗硼层由化合物层和扩散层组成.化合物是单相的 Fe或复相的 Fe,FeB 混合物,化台物与基体间有过渡层.零件表面的渗硼层具有许多特点:表面硬度高,1200-2000HV 并在 800.C 以下能保持高硬度在 600.C 以下能保持高的抗氧化性:渗硼层的耐磨性和抗介质(如硫酸,盐酸及碱)腐蚀能力强,但在硝酸中不耐蚀.因此,渗硼处理很适用于 600.C 以下工作的模具及零件的表面强化.例如,某厂对 45 钢制动回扦进行渗硼处理, 比
16、原来用 38CrMoA1A 钢和3Cr13 等台金钢制造的阀杆,使用寿命提高 10 倍以上;某厂对拖拉机履带销,拉丝模,负荷不大的齿轮等进行渗礤处理使用寿命也提高了 710 倍.因此渗硼 l 技术的推广价值很好.2.5 渗金属处理为了充分利用铬,镍,钴,钼,钨,铌,钽等台金元素,采用低碳钢或低合金钢渗金属的办法,可将零件表层形成特殊的台金化.以满足所需的高耐热,耐磨或抗氧化等特殊性能.例如,表面渗铬可以提高零件的抗腐蚀和耐磨性能,又有较好的抗疲劳性能.可在化工,冶金业上代替铬不锈钢,也可用来保护精密零件.表面渗铝可以提高钢的抗氧化性能.用低碳钢和中碳钢经渗铝代替耐热钢和耐热台金,用于热处理炉的底板,热电偶套管,盐浴坩埚和辐射管等;表面渗锌可用来改进在大气环境下的抗腐蚀性能;表面渗硅用于表面防护,可以达到与高硅耐蚀铸铁相同的含硅量 0416%Si).渗硅层的性能与高硅耐蚀铸铁相近.在硫酸,硝酸
