钢表面淬火课件

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1、一、表面淬火的目的、分类及应用,定义：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达到淬火目的的热处理工艺。 目的：表面一定深度范围内获得马氏体组织，具有一定的硬度及耐磨性；心部为原始组织，有足够的塑性、韧性。 特点：快速加热、快速冷却。工艺简单、强化效果显著、热处理变形小、自动化程度高、生产效率高，应用广泛。,8.6 钢的表面淬火,应用：含碳量在0.40.5%的中碳调质钢，如主轴、齿轮等，可保持心部有较高的综合力学性能、表面有较高的硬度和耐磨性。高碳钢的表面淬火用于承受较小冲击和交变载荷的工、量具；不适用于低碳钢。 分类：（按能量的供给形式不同） 感应加热表面淬

2、火：电磁感应加热。 火焰淬火：可燃气体加热。 电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光束加热表面淬火、电子束加热表面淬火等。,二、表面淬火工艺原理,1、钢在非平衡加热时的相变特点： 在一定的加热速度范围内，相变临界点Ac3、Accm随加热速度的增加而提高，当加热速度达到一定值时，亚共析钢转变温度均为1130C。 奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大； 奥氏体转变是在一个温度范围内完成的。随着加热速度的增大，转变温度提高，转变温度范围扩大。,提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒： 奥氏体临界晶核减小、形核部位增加，形核率高，且时间短，晶粒来不及长大。 快速加热对冷却时过冷奥氏体及马氏体回火

3、的影响： 因奥氏体成分不均匀、晶粒细化、减小了过冷奥氏体的稳定性； 淬火后马氏体成分也不均匀，使马氏体回火时硬度下降的快，所以回火温度应略低些。.,2、表面淬火的组织与性能 2.1、表面淬火时的金相组织 与钢种、淬火前的原始组织、淬火加热时沿截面温度分布有关。 如图:原始组织为退火状态的共析钢： 自表面向心部依次为： MM+P P M区：表面粗中间细。,若原始组织为正火状态的45钢： 正火后的组织： 少量F+细片P 淬火后的金相组织： 如图所示,2.2、表面淬火后的性能 表面硬度： 比普通淬火的硬度高。 原因：奥氏体晶粒、亚结构细化、表面高的压应力分布等。 加热速度一定，在某一温度内可出现硬度

4、增加现象。随加热速度提高，这一温度移向高温。与奥氏体成分不均匀性、晶粒细化有关。,耐磨性： 比普通淬火的耐磨性高。 原因：奥氏体晶粒细化使得淬硬层中马氏体晶粒极为细小、碳化物弥散度较高、表面强度硬度较高、表面高的压应力等综合影响的结果。,2.3、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应该匹配。,（2）表面淬硬层深度与工件内残余应力的关系： 表面残余应力为压应力，其大小和分布与淬硬层深度有关。,残余应力与淬火层深度的硬度分布有关： 过渡区硬度降落越陡，表面压应力越大，但张应力也越大 过渡区硬度降落越缓，表面压应力减小，张应力减小内移,残余应力与钢中

5、含碳量的关系：含碳量越高，马氏体比容越大，组织应力越显著，表面淬火后的残余压应力越大。 结论：不同的零件都有自己合适的淬硬层深度及过渡区宽度。 中、小尺寸零件的高频表面淬火的淬硬层深度为工件半径的1020%，过渡区宽度为淬硬层深度的2530%。,（3）硬化层分布对工件承载能力的影响 结论：在淬硬层的过渡区存在着拉应力的峰值，当此处是截面突变区时易导致破坏。,三、表面淬火方法,1、感应加热表面淬火 定义：工件放在有足够功率的感应线圈中，在高频交变磁场的作用下，工件表面形成强大的感应电流而产生热效应，使工件表面局部迅速升温，然后快速冷却，获得马氏体组织的热处理工艺。 分类（按设备输出的频率高低）：

6、 高频淬火（f=301000KHz）、中频淬火(f10KHz)、工频淬火(f=50Hz) 特点：热效率高，加热迅速，工件表面不易氧化、脱碳，加热速度快，晶粒细化，设备简单，变形小，自动化程度高，应用广泛。,1.1、感应加热的基本原理 （1）电磁感应 工件在交变电流的感应圈中产生感应电动势： ：磁通变化率，与电流频率成正比。 感应电势产生感应电流，即涡流： 涡流分布于工件表面，并产生热量： Q=0.24If2R ,说 明： 感生电流的方向在每一瞬间和感应器中的电流方向相反； 如感应器与工件间隙非常小，无漏磁，磁能全部为工件表面所吸收，此时涡流与通过感应器的交变电流大小相等、方向相反。这种理想条件

7、下，在高为1cm的单匝感应圈中加热的工件所吸收的功率为：,表面效应：涡流强度由工件表面向内层减小的规律。 涡流在被加热工件中的分布由表面至中心呈指数规律衰减，离表面为X处的涡流强度： 式中 I0表面最大的涡流强度 与材料物理性质有关的系数： 当X=时，Ix = 0.368I0，此X称“电流透入深度”，用表示： 与电阻率成正比，与导磁率、电流频率成反比。 涡流分布于表面上的现象称为“集肤效应”。,钢在20C时的电流透入深度称为“冷态电流透入深度”，简化公式为： 20=(20/f1/2) mm 钢在800C时的电流透入深度称为“热态电流透入深度”，简化公式为： 800=(500/f1/2) mm

8、表面效应是高频率电流的最基本特性。,（2）感应加热的物理过程 由于加热温度升高，引起钢的电阻率及导磁率的变化，使得电流透入深度发生很大的变化，加热层中的涡流分布也将产生重大变化。 感应加热过程可分为：冷态、过渡态、热态三个阶段。,冷态： 小，表面温度超过A2时，此薄层变为顺磁体，急剧下降使加热速度下降。 过渡态：磁力线、涡流移向内侧铁磁体处，此处迅速被加热。工件截面内最大涡流密度由表面向心部推移，自表面向心部依次加热，即“透入式加热”。 热态：当变成顺磁体的高温层的厚度超过热态电流透入深度后涡流不再向内部推移。再加热时为传导加热。,透入式加热的优点： 1、表层的温度超过A2后，最大涡流密度移向

9、内层，表层加热速度开始下降，使表层不易过热； 2、加热迅速，热损失小，热效率高； 3、热量分布较陡，淬火后的过渡层较窄，使表面压应力较高，有助于提高工件的疲劳强度。 表明淬火特点：加热时间短，组织中碳化物弥散度大，因此钢件的耐磨性高，冲击韧性好。,1.2、感应加热表面淬火工艺 （1）根据零件尺寸及硬化层深度的要求，合理选择设备： 设备频率的选择： 主要根据硬化层深度x来选择， 上限频率 下限频率 所选用的频率不宜过低。 最佳频率： f最佳= 600/x2,（2）淬火加热温度及方式的选择 加热温度与淬火前原始组织有关。 采用较高的淬火加热温度：比普通加热淬火温度高30200C，以使组织中的第二相

10、充分溶解。 调质处理的组织比正火的均匀，温度可低些。 常用感应加热方式： 1、同时加热法：适用于设备功率足够的情况 2、连续加热法：感应器与工件相对运动。 加热温度的控制：控制加热时间。,（3）冷却方式及介质 冷却方式： 1、喷射冷却法：调节压力、温度及喷射时间来控制冷却速度。 2、浸液冷却法： 3、埋油冷却法: 冷却介质： 水、油、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯醇水溶液、乳化液等。,（4）回火工艺 温度：感应加热淬火后一般只进行低温回火。 目的：降低残余应力和脆性，且不致降低硬度。 方式： 1、炉中回火：回火温度150180C。 2、自回火：利用工件内残留的热量回火。 3、感应加热回火：加热层的深度

11、应比硬化层深一些，中频、工频加热回火，以降低过渡层的拉应力。,2、火焰加热表面淬火 定义：将高温火焰或燃烧后的炽热气体喷向工件表面上一定的尺寸范围内，使其迅速加热到奥氏体化温度，然后在一定的淬火介质中冷却的热处理工艺。 优点：设备简单、使用方便，成本低；可灵活移动，对零件局部实行快速表面淬火；无氧化、脱碳现象，变形小。 缺点：表面容易过热，较难得到小于2mm的淬硬层，只适用于火焰喷射方便的表面上。,火焰淬火工艺方法 1、同时加热淬火：适用于较小面积的表面淬火，便于实现自动化。 2、旋转淬火法：适用于圆柱形或圆盘形工件的表面淬火。 3、摆动淬火法：喷嘴在工件上面来回摆动，适用于较大面积、淬硬层深

12、度较深的工件表面淬火,4、推进淬火法：火焰喷嘴连续沿工件表面欲淬火部位向前推进加热，喷水器随后跟着喷水冷却。适用于导轨等较长工件。 5、旋转连续淬火：旋转与推进淬火法的组合。适用于轴类零件的表面淬火。 6、周边连续淬火法：,火焰淬火时影响表面温度及淬硬层深度的因素： 1、火焰喷嘴与工件表面的距离： 2、加热时间：推进式的速度为50150mm/min 3、加热停止与喷水冷却间隔时间：56s为宜。 火焰淬火后的回火： 1、炉中回火：180220C，保温12小时。 2、自回火,8.7 淬火缺陷,淬火变形： 由热应力和组织应力作用 2. 淬火裂纹： 原材料缺陷、锻造缺陷、淬火工艺不当等 3. 淬火硬度不足： 加热温度过低或保温时间不足，冷却速度不够，表面脱碳，淬透性不够，奥氏体成分不当，操作不当等 4. 淬火软点： 原始组织不均，加热温度不足，碳浓度不均，局部脱碳或氧化等 5. 过热与过烧： 加热温度过高，保温时间过长等,