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特种热处理技术.ppt

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资源描述

1、特种热处理技术,主讲:杨玲,为什么要学习这门课程?,我们首先了解一下课程的内容结构吧,绪论 (2学时) 1 高能率加热和高能率热处理 (2学时) 2 金属快速加热时的相变特点 (6学时) 3 感应热处理 (6学时) 4 离子轰击热处理 (7学时) 5 激光与电子束热处理 (6学时) 6 电化学热处理 (3学时),先修课程:金属学、固态相变原理及应用,参考书籍:夏国华、杨树蓉.现代热处理技术 熊剑.国外热处理新技术,教学手段:多媒体、板书相结合,一. 热处理基础 二. 热处理方法 三. 钢的热处理基础理论的研究进展 四. 钢的热处理应用研究的新进展,绪论,热处理的定义,热处理的主要目的:改变钢的

2、性能。,热处理的应用范围:整个制造业。,热处理的分类:,热处理,普 通 热处理,表 面 热处理,退火;正火; 淬火;回火;,表面淬火,化 学热处理,感应加 热淬火,火焰加 热淬火,渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;,一.热处理基础,1、 钢的内部结构这里涉及到了晶格(包括晶格常数以及常见晶格类型等)、原子排列、相组织等等。在空间,通过一系列原子正确地排列成距离相等、相互平行的一个接一个的想象的平面,从而构成了空间晶格,在这些晶格的结点上排列着原子。,晶格与晶胞,晶格为了表达空间原子排列的几何规律,把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为节点,人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为

3、晶格。,晶胞构成晶格的最基本单元。 晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵,通常为小的平行六面体。晶胞要满足能充分反映整个空间点阵的对称性,具有尽可能多的直角,体积要最小。,平行六面体的三个棱长a、b、c和及其夹角、,可决定平行六面体尺寸和形状,这六个量亦称为点阵常数。,点阵常数,晶系按点阵常数对晶体的分类。,晶系,2、 Fe-C相图,它是热处理的基础,它包括有5个单相区、7个两相区和3条水平线,分别为共晶转变线(1148)、包晶转变线(1495)、共析转变线(727)。,铁碳合金中的基本相,相C在-Fe中的间隙固溶体,晶体结构为bcc,仅由相形成的组织称为铁素体,记为 F(Ferrite)

4、。,相C在-Fe中的间隙固溶体,晶体结构为fcc,仅由 相形成的组织称为奥氏体,记为 A(Austenite)。,相C在-Fe中的间隙固溶体,晶体结构也为bcc, 相出现的温度较高,组织形貌一般不观察,也有称高温铁素体。,Fe3C相铁和碳生成的间隙化合物,其中碳的重量百分比为6.69%,晶体结构是复杂正交晶系,仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体,依然记为Fe3C,也有写为Cm(Cementite)。,L相碳在高温下熔入液体,相图中标记 L(Liquid)。,相图中相区,五个单相区:液相区 L 高温固溶体 奥氏体 (A) 铁素体 (F)渗碳体 Fe3C,七个双相区: L L L Fe3C Fe3

5、C Fe3C,三个三相区: HJB线(包晶线) L ECK线(共晶线) L Fe3CPSK线(共析线) Fe3C,铁碳合金三相平衡转变,这是一包晶反应,发生在高温,并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化,不作讨论。,共晶反应,产物共晶体组织称为莱氏体,记录Ld(Ledeburite),共析反应,产物为两相层片交替分布的共析体组织称为珠光体,记录P(Pearlite),3 、钢的相变,相变决定钢的结晶过程,决定钢的组织,也决定了钢的最终性能。相变包括新相晶核的形成和长大。相变分三类:同素异构转变、共析分解、过饱和固溶体分解。,4、 钢在加热时的转变,这里涉及到加热温度、保温时间、加热速度、原始组

6、织以及化学成分对加热时转变的影响,包括马氏体、珠光体、贝氏体等的转变。,奥氏体的形成,A,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,5、 钢在冷却时的转变,在快速冷却下,转变温度下降的程度(过冷度)决定着转变的机理和动力学,即决定着转变产物的组织和性能。它涉及到马氏体和奥氏体的转变。,钢在热处理时的冷却方式,6 、奥氏体晶粒度,因为晶粒度不仅影响机械性能,而且影响热处理行为,通过热处理很大程度上可以改变晶粒度。奥氏体晶粒度包括起始晶粒度、本质晶粒度和实际晶粒度。这里涉及到了晶粒度的确定以及热处理对晶粒度的影响。,起始晶粒度:奥氏体转变刚完成,晶界刚刚相互接触时的晶粒大小。 实际晶粒度:

7、钢在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小。 本质晶粒度:表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向。通常采用标准实验的方法,即将钢加热到(93010),保温3-8小时后,测定其奥氏体晶粒大小。,1、退火 2、正火 3、淬火 4、回火 5、形变热处理 6、钢的表面淬火 7、钢的化学热处理,二.热处理方法,1 、退火,(1)概念:将钢加热到临界点Ac1以上或以下温度,保温以后随炉缓冷以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。,(2)目的:均匀钢的化学成分及组织、细化晶粒、调整硬度、消除内应力和加工硬化,改善钢的成形及切削加工性能。,(3)分类:均匀化退火、完全退火、不完全退火、球化退火、去应力退火

8、以及再结晶退火等等,了解各种不同退火的特点。,2 、正火,(1)概念:将钢加热到Ac3或Accm以上适当温度,保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。,(2)目的:改善钢的切削加工性能、消除热加工缺陷、消除过共析钢的网状碳化物,便于球化退火,提高普通结构零件的机械性能。了解怎样选择退火和正火。,3 、淬火,(1)概念:将钢加热到Ac3或Ac1以上一定温度,保温以后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体的热处理工艺。,(2)目的:使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能,淬火可以显著提高钢的强度和硬度。,4、 回火,(1)概念:将淬火钢在A1以下温度加热

9、,使其转变为稳定的回火组织,并以适当方式冷却到室温的工艺过程。回火包括回火温度和回火冷却方式。,(2)目的:减小或消除淬火应力,保证相应的组织转变,提高钢的塑性和韧性,获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合,以满足各种用途工件的性能要求。,(3)分类:低温回火、中温回火、高温回火,5、 形变热处理,它是将塑性变形和热处理有机结合在一起的复合工艺。,(1)原理高温形变热处理是将钢加热至Ac3以上,在稳定的奥氏体范围内进行变形,然后立即淬火,使之发生马氏体转变并回火至需要的性能。低温形变热处理是将钢加热至奥氏体化状态,迅速冷却至Ac1点以下、Ms点以上(过冷奥氏体亚稳温度范围)进行大量塑性变形,然后

10、立即淬火并回火至需要的性能。,(2)目的作用既能提高钢的强度,又能改善钢的塑性和韧性,还能简化工艺,节省能源。形变热处理是提高钢的强韧性的主要手段之一 。,形变热处理是把塑性变形(锻、轧等)和热处理工艺紧密结合起来的一种热处理方法。由于它可以使钢同时受到形变强化和相变强化,因此可以大大提高钢的综合力学性能。根据形变温度的高低,可分为中温形变热处理和高温形变热处理两种。中温形变热处理是把钢加热至奥氏体化,保温一段时间,迅速冷却到过冷奥氏体的亚稳区,进行大量的(6090)塑性变形,然后淬火得到马氏体组织的综合热处理工艺。中温形变热处理淬火后需要进行低温回火或中温回火。高温形变热处理是把钢加热至奥氏

11、体化,保温一段时间,在该温度下进行塑性变形,随后淬火处理,获得马氏体组织。,65,形变热处理动画,66,6、 钢的表面淬火,它是将工件加热到淬火温度,然后迅速冷却,仅使表面层获得淬火组织的热处理方法。对于某些零件要求表面具有高硬度,而心部具有一定的强度、足够的韧性和塑性,就可以采用表面淬火的方法来处理。有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火等等。,7 、钢的化学热处理,概念:将工件放入含有某种活性原子的化学介质中,通过加热使介质中的原子扩散渗入工件表面一定深度,改变其化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺。,化学热处理和表面热处理的不同点:首先工艺不同;另外,化学热处理后工件表面不仅有组

12、织的变化,而且也有化学成分的变化。,分类:化学热处理根据渗入元素不同可以分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等等。化学热处理的一般过程为:分解、吸附和扩散。,1. 奥氏体的转变 2. 淬火钢的回火 3. 晶粒细化 4. 减少晶界脆性夹杂物 5. 发展结晶学结构,钢的热处理基础理论的研究进展,钢的热处理应用研究的新进展,1. 加热过程的应用研究 2. 冷却过程的应用研究,概念:是把碳钢或低合金钢加热至Ac1+5Ac3之间进行一次以上的淬火,并在Ac1以下回火。,加热过程的应用研究,作用:不仅能提高低温冲击韧性,降低脆性转变温度,而且可抑制回火脆性。,原因:由于获得少量残余铁素体,以及产生脆化的

13、杂质原子在残余铁素体中富集,因而减少了原奥氏体晶界处的偏聚。,(1)临界区热处理,(2)高温奥氏体化通过提高淬火加热温度,改进超高强度钢断裂韧性。,(3)利用残余奥氏体的淬火工艺研究表明,只要在残余奥氏体的数量、形态及分布等方面,针对工作条件加以合理而严格的控制,可以发挥其有利影响的,例如:少无变形淬火。,(4)超细化处理,一般采用快速加热细化奥氏体晶粒。由钢的结晶动力学得知,在钢的相变重结晶过程中,给予快速加热和快速冷却就可以细化晶粒,反复的次数越多,晶粒越细。近年来发展了如下几种细化奥氏体晶粒和碳化物的工艺:a.循环相变细化奥氏体晶粒的快速加热法b.利用奥氏体重结晶的淬火c.碳化物超细化处

14、理,(5)马氏体时效钢的循环加热韧化把马氏体时效钢加热至825保温2min,随后炉冷至室温,按这种工艺进行一次或多次,最后时效,可以得到在马氏体的基底上保留一定量的稳定残余奥氏体的组织,提高断裂韧性。,(6)复合强韧化的研究a.高温奥氏体化+晶粒细化复合工艺b.快速循环热处理+形变热处理复合工艺,(1)分级淬火的发展分为Ms点以上和Ms点以下两种分级淬火方法。,冷却过程的应用研究,(2)几种特殊的淬火冷却方法a.液氮淬火b.流动粒子炉中冷却的淬火c.悬浮液淬火d.沸水冷却,1 高能率加热和高能率热处理,1.高能率加热 2.高能率热处理,高能率加热是指加热某物体时,热源可以向其单位面积上提供比一

15、般加热多的能量,从而获得很大的加热速度。工程上通常把加热时提供的能量密度高于炉中加热时的密度(0.5W/mm2)就称作高能率加热,也称高能量密度加热。,高能率加热概念,提高能量密度的措施:(1)提高发热体温度受到发热体(器件)软化温度的限制。 (2)要减小能量传递距离由于操作和被加热物体(工件)的形状以及装卡条件都必须要求与发热体之间有一定的距离。所以,炉内加热时能量密度很低。加热速度也很小。,炉中加热,高能率加热的形式,1.内部发热式 2.定向传递(发射)式 3.等离子体加热 4.化学反应式 5.直接接触式,1.内部发热式,通过感应或者直接通电的方式将能量传给被加热物体,如电磁感应、超声振动

16、、电阻加热、电火花加热等都属这一类。这种方式是将电能、机械能等能量通过物体本身的物理变化而将其直接转换成热能,不通过中间物体的传递,而只需提供能发出高密度能量的装置,就可以提高加热时的能量密度。,2.定向传递(发射)式,是将能量集中并定向传给物体,从而大幅度地提高了能量密度和传递效率。如激光束、电子束、离子束加热等部属这一类。它们不仅可采用一系列措施,使能源发出的能量会聚成密度很高的能源,而且可以定向地传给物体。,3.等离子体加热,是利用等离子体中的高速粒子与被加热物体直接接触,将很高的能量传统它,从而获得很高的能量密度。,4.化学反应式,是利用在被加热物体周围的化学反应放出的热量直接对工件进

17、行加热。电解加热就属于这一类,化学反应的速度越快,提供的能量就越多。,5.直接接触式,将热源与被加热物体直接接触,用传导的方式传热。火焰表面加热就属于这一类。,(1)加热速度快,高能率加热的特点,可以达到1011/S 加热时间短 不发生氧化或氧化轻微(不会造成材料损失或缺陷,不会造成污染),(2)加热精度高,能够实现在很小范围内的加热,这样可以用于表面或局部加热。,由于加热层簿,虽然加热速度很快,但热应力很小,变形开裂的倾向也很小,可以应用在尺寸很小的工件或大工件中凹陷部分、盲孔的底部等用普通加热方法难以实现的特殊部位。,表面状态、化学成分、组织组成等都发生超常变化,所以不仅可以用于加热手段,

18、还可以进行打孔、焊接、熔化等不同形式的加工。,(3)节省能源,无二次环境污染,便于系统自动化,既无炉子升温、保温时吸收和耗散的能量,也无工件出炉时向周围散失的热量,更无空载时炉体保温或装炉不满时空耗的能量。,加热速度快,减少了在加热过程中向环境中散失热量的时间。也可以缩短保温时间来减少能耗。,高能率加热大都采用新型能源,在使用这些能源时无 二次污染。同时,这些能源大部易于使用微型计算机等先进手段进行控制,便于系统自动化。,(4)大多数高能率加热设备都比较复杂,造价较高,普及困难。,1.按照加热方式分:感应热处理、离子轰击热处理、激光热处理、电子束热处理、电火花表面强化、电解热处理、火焰加热热处

19、理、电阻加热热处理。,高能率热处理的类型,2.按照热处理工艺分:穿透加热、局部热处理、化学热处理、表面工程。,高能率热处理的特点,(1)可以提高处理质量 (2)发展了新型的热处理方法 (3)既可以处理金属,也可以用来处理非金届, 如在陶瓷、高分子材料表面沉积金属和化合物,并可获得复合镀层和超薄(二维)材料。 (4)节省能源和资源,3 感应热处理,感应加热在热处理上的应用已有五十多年的历史,最初是使用高频感应加热表面淬火,用以提高工件的耐磨性和抗疲劳性能。现在由单一的表面热处理,成为一种用途极广的热处理加热方法。,根据使用频率范围,一般分为低频(102103Hz)中频(103104Hz)、高频(

20、104105Hz)和超高频(105Hz),分别用于穿透加热、表面加热和超簿层加热热处理,以及各种化学热处理。,一.感应热处理的基本原理 二.影响感应加热硬化层深度的因素 三.感应加热淬火的分类 四.感应加热表面淬火后的组织和性能 五.感应加热表面淬火的工艺特征,3.1 感应热处理的特征,一.感应热处理的基本原理,1、 感应加热的物理过程 2、 涡流在工件中的分布,1、感应加热的物理过程,它是利用电磁感应原理,当感应圈中通过一定频率交流电时,在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场,若将工件放入感应圈中,在交变磁场作用下,工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流,它沿工件的表面形成封

21、闭回路,称为涡流。,瞬时感应电动势为:涡流Ii为:,由于R、L都很小,故Ii能达到很高的值,使涡流回路中产生大量的热Q:感应加热时主要依靠这种热量,其次在感应加热铁磁性材料过程中,当起始加热温度还没有超过该种材料磁性转变点的温度时,还会由于磁滞现象引起的热效应对工件起加热作用。,感应加热铁磁性材料时,在居里温度以上和以下的加热速度大小关系是什么?,?,磁滞热效应,问题引入,磁滞回线,(1)居里点(磁性转变温度)对于任何铁磁物质都有这样一个临界温度,高过这个温度铁磁性就消失,变为顺磁性,这个临界温度叫做铁磁质的居里点。,(2)磁滞现象磁场可以把铁块变成磁铁,此后,即使磁场减弱或消失,铁块的磁力并

22、不会回到原来的起点或零点,部分磁力将永久地滞留在铁块中,即磁场强度减小,磁感应强度随之减小,但是滞后于磁场强度的减小,这种现象称为磁滞现象。,(3)磁滞热效应钢铁零件是硬磁材料,它具有很大的剩磁,在交变磁场中,零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变而改变。在交变磁场的作用下,磁分子因磁场方向的迅速改变将发生激烈的摩擦发热,也对零件加热起一定作用,称为磁滞热效应。,钢铁材料的磁滞热效应只有在磁性转变点以下存在,在磁性转变点以上,因钢铁零件失去磁性,所以磁滞热效应不存在。因此,对于钢铁而言,在磁性转变点以下进行加热时,加热速度比磁性转变点以上快。,2.涡流在工件中的分布,表面效应(集肤效应) 感应电

23、流透入深度,表面效应,涡流的分布高度集中在工件表面,随与表面距离的增大而急剧下降,这种现象就是表面效应,也称为集肤效应。涡流的大小为:,感应电流透入深度,工程上规定,当电流强度衰减至表面涡流强度的1/e时的距离就称为电流透入深度,对于钢铁材料来说:,实际应用中可近似认为涡流只存在于表面深度为 的薄层内,由于涡流产生的热量与涡流强度的平方成正比,所以从表面到心部的热量下降比涡流的下降更快。有90%的热量是发生在深度为 的薄层内,所以从发热的角度来说,表面效应更大。感应电流透入深度取决于交流电频率、材料的导磁率和电阻率,在导磁率和电阻率一定时,频率越大,电流透入深度越小,表面效应越明显。,涡流分布

24、图和热量分布图,导磁率、电阻率的变化规律,(1)电阻率的变化,温度,电阻率同磁场强度无关,但随温度升高而增大。在800 900 范围内各种钢的比电阻基本相等。,磁场强度 温度 化学成分,(2)导磁率的变化,导磁率在失去磁性以前基本不变,其数值与磁场强度有关,但在磁性转变温度(居里点)以上,钢材将失去磁性,其值急剧下降为真空导磁率。,钢的电阻率、导磁率和温度的关系,(3)随着材料温度的上升,会导致电阻率增大和导磁率下降,透入深度增大,涡流分布平缓,当温度上升到磁性转变点时,由于导磁率的急剧下降,使感应电流透入深度增大几倍至几十倍,钢在800 900 范围内的电流透入深度和在20 的电流透入深度分

25、别为:,透入式加热,当感应线圈刚刚接通电流,工件温度开始明显升高前的瞬间,涡流在零件表面的分布是符合冷态分布曲线的。由于越趋近零件表面涡流强度越大,因此升温也越快。当表面出现一超过失磁温度的薄层时,加热层被分成两层,外层的失磁层和与之相连的未失磁层。由于失磁层内的导磁率急剧下降导致涡流强度的明显下降,从而使最大的涡流强度移至两层的交界处。因此使两层交界处的升温速度比表面的升温速度更大。随着失磁层不断向纵深移动,零件就这样得到逐层而连续的加热,直到透热深度热为止。这种加热方式,称为透入式加热。它是铁磁性材料在感应加热过程中所具有的独特的加热方式。,透入式加热的特点,(1)表面的温度超过磁性转变温

26、度后,最大涡流密度区移 向内侧,表层加热速度就开始缓慢下来。 (2)加热迅速,热损失小。 (3)热量分布较陡,淬火后的过渡层较窄,表面压应力高。,传导式加热,当失磁的高温层厚度超过热态的涡流透入深度热后,涡流完全按着热态特性分布。再继续加热时,热量基本上是依靠在厚度为热的表层中得到,而在此层内越靠近表面,涡流强度越大;同时,由于热传导的作用,加热层的厚度将随时间的延长而不断增加。当零件的加热层厚度远远大于材料在该电流频率下的热态的涡流透入深度时,那么这种加热层就是主要依靠热传导方式获得的,因此,称为传导式加热。,传导式加热的特点,(1)加热层厚度靠时间的延长而增加,容易过热。 (2)传导式加热

27、温度曲线较透入式加热平缓,热效率低。 (3)过渡区较宽,表面残余压应力较小。,实际上硬化层深度总小于电流透入深度,并随着频率的上升这种差别愈大。,硬化层深度和电流透入深度的关系,原因:由于工件内部传热能力较大所致。即频率越高,涡流分布越陡,接近感应电流透入深度处的电流强度愈小,那么发出的热量也比较小,内部以很快的速度将部分热量传入工件内部,那么电流虽然透入到i 处,但实际上这里不一定能加热到奥氏体化温度,所以也不可能硬化。,如果延长加热时间,外层传入的热量大于传入内部的热量,实际硬化层深度可以有所增加。,二.影响感应加热硬化层深度的因素,感应加热层的宏观特点:感应加热层有热作用层深度和硬化层深

28、度,后者为前者的一部分。,影响因素:热作用层深度、材料淬透性,当热作用层厚度较大时,硬化层深度受到材料淬透性很大影响,材料淬透性愈好,硬化层深度愈厚,到一定程度后硬化层深度仅决定于热作用层深度,和材料淬透性无关。对于热作用层较浅的加热状态,材料淬透性成为次要因素,硬化层深度主要决定于热作用层深度。,不同热作用层下材料淬透性与硬化层的关系,掌握感应加热的物理过程、涡流在工件表层中的分布情况。考虑硬化层的分布情况。,小结,三.感应加热淬火的分类,1、同时加热淬火:将工件的淬硬区同时置于感应器中加热,达到加热温度后同时冷却的淬火方法。用于:(1)工件直径不太大,硬化区不是很长的各种淬硬区。(2)具有

29、多个不同位置的淬硬区,各淬硬区面积不太大时,进行逐个或几个淬硬区的同时加热淬火。特点:工件淬硬区与感应器的相对位置不变,工件在感应器中可旋转或不旋转,淬硬层均匀。,2、连续加热淬火:将较大的淬火面积中的一部分在感应器中加热,通过感应器与淬火工件的相对运动,使已经加热到温的淬火部位移到冷却位置进行淬火,同时感应器进入未加热的工件淬火区内,使未加热部分得到加热。,用于: (1)直径大、淬硬区长、淬硬区面积大的工件。 (2)电源功率小,无法实行大面积同时加热淬火的情况。,连续加热淬火可以实现功率较小的电源处理具有较大淬硬区面积的工件,可以实现同时加热淬火无法完成的过程。,与普通加热淬火相比,他的组织

30、最明显的特征是沿圆柱径向有明显差别,可以把它分为三部分:淬硬层、过渡层和心部组织。,四.感应加热表面淬火后的组织和性能,表面加热淬火后组织和硬度分布,对45钢:区温度高于Ac3,能达到奥氏体化温度,当材料淬透性足够大时,淬火后得到全部马氏体,区为全淬硬层。 区温度在Ac3Ac1之间,淬火后得到马氏体+铁素体,称为过渡层。 区温度低于Ac1,为原始组织,即铁素体珠光体。,对T8钢:区温度高于Accm,能达到奥氏体化温度,当材料淬透性足够大时,淬火后得到全部马氏体,区为全淬硬层。 区温度在AccmAc1之间,淬火后得到马氏体+渗碳体,称为过渡层。 区温度低于Ac1,为原始组织,即渗碳体珠光体。,(

31、1)硬度感应表面淬火后的硬度比普通加热要高,这是由于:a.快速加热时,形成的奥氏体晶粒比较细小,冷却后得到的马氏体晶粒也较细小;b.有大量亚结构残留在马氏体中。最高硬度的获得还与淬火加热温度和加热速度有关。,表面淬火后的性能,(2)加热速度和加热温度对硬度的影响对一种材料来说,在某一温度下才可获得最大硬度,加热温度低,由于奥氏体化不充分,碳化物未完全溶入奥氏体,马氏体含碳量低,而使硬度不高。当温度过高,会使晶粒长大,亚结构消失而使硬度下降。在同一温度下,表面硬度随加热速度的增大而提高。,加热速度对表面硬度的影响,(3)感应加热表面淬火后使工件的疲劳极限大幅度提高 感应表面淬火后,一方面表面得到

32、马氏体,实现了组织强化;另一方面,在马氏体层形成了很大的残余压应力,减少了表面裂纹的产生和扩展,有利于提高疲劳极限。,五.感应加热表面淬火的工艺特征,1、感应加热设备频率的选择和确定 2、感应加热比功率的选择 3、加热温度和时间的选择 4、淬火剂与冷却方式 5、感应表面淬火后的回火 6、感应表面淬火用材 7、感应加热淬火缺陷及其解决方法 8、感应加热温度的测量,1、感应加热设备频率的选择和确定,所谓频率选择,是指选择合适的频率数量级,或者说频率范围。, ,其最佳值为:,2、感应加热比功率的选择,它的选择依据是电流频率、工件尺寸和工件的技术要求,一般情况下,电流频率越低,选择的比功率就越大,反之

33、就越小。,3、 加热温度和时间的选择,区为最佳区,可以获得有优异的性能。另外在高频加热时,当要求较高的硬化层深度时,可以通过增加保温时间来达到目的。,正火45钢高频淬火规范图,4、淬火剂与冷却方式,(1)淬火剂生产上常用的淬火剂有水、盐水、油、高分子水溶液、盐浴、金属浴和气体等。由于感应表面加热变形小,所以盐浴、金属浴不是选用之列,常用的是水、盐水、油和高分子水溶液等。水和盐水冷却能力大,对于合金钢来说,变形开裂倾向大,油的冷却能力小,加之易燃、污染环境等缺点,近年来逐渐被高分子水溶液所代替。它们的冷却能力大都介于水和油之间,同时也可调整浓度达到冷却能力可调的目的,有很广的用途。,(2)冷却方

34、式,浸入式,蒸汽膜形成阶段 沸腾阶段(冷却能力最大) 对流阶段,喷射式,a. 可提高硬度,降低变形开裂倾向;b.调节水压、流量、水温以及喷射时间来控制冷却速度;c.改变喷水角度、喷水孔与工件之间的间隙以及工件移动速度也可调节冷却速度。,5、感应表面淬火后的回火,(1)回火温度与硬度的关系,淬火后回火温度与硬度的关系,(2)回火方式,炉内回火:温度不高于200,此种回火就可以明显的降低表面淬火件的残余应力,并保持淬火后的高硬度。 自回火:利用存留在淬火区以外的残存热量,将淬火区再次加热到一定温度,达到回火的目的。它的工艺简单,可防止淬火裂纹。温度比炉内回火稍高。 感应加热回火:将已经淬火的工件通

35、过感应加热达到回火的目的。温度高、时间短,得到的组织细小,性能好。,6、感应表面淬火用材,1.中碳结构钢 2.灰铸铁 3.球墨铸铁,7、感应加热淬火缺陷及其解决方法,(1)硬度低,产生原因:a.钢材含碳量低b.冷却操作慢c.加热温度低,解决方法:a.含碳量低于0.3%的钢不适于表面淬火 b.及时进行淬火冷却,适当控制冷却水量、水压c.适当提高淬火加热温度,(2)淬火裂纹,产生原因:a.零件几何形状复杂b.过热 c.重复淬火d.连续分布的杂质 e.冷却速度过大,解决方法: a.改进感应器的设置和调整工艺参数 b.尽量不要延长加热时间 c.在重复淬火前进行退火、正火或高温回火处理 d.严格控制钢材

36、成分和杂质含量 e.改变冷却方式和冷却介质,(3)淬火变形,产生原因:a.加热冷却不均匀b.原始组织不均匀,解决方法: a.改善感应器设计、改善加热和冷却条件; b.淬火前进行高温回火或退火、正火及调质处理。,8、感应加热温度的测量,(1)感应加热温度测量的特殊性a.加热速度快 b.感应加热是一个动态过程,温度测量是动态测量 c.散热导致表面温度下降,温度不易测量 d.要测量个别地方的温度比较困难 e.感应器周围有较大的高中频磁场,对测温仪产生干扰,(2)感应加热温度测量方法a.直接测量 b.间接测量(辐射高温计、光学高温计、光电高温计、红外线温度计等),感应加热表面淬火是对零件表面或某一方面

37、进行快速的加热和冷却的过程,由于感应加热表面淬火过程心部未被加热,必然导致急热急冷的热应力;又由于表面层伴随着组织转变,必然产生组织应力。,3.2 感应加热表面淬火后的应力状态,感应加热表面淬火时仅表面有限深度加热到淬火温度,由于加热瞬间表面要膨胀,而心部未被加热,温度低,未膨胀,因此表面承受压应力。淬火冷却时,表面要收缩,而心部仍处于未加热状态,故冷却时没有体积变化,没有收缩,所以表面承受拉应力。热应力引起的残余应力是表面拉应力。,热应力的产生,感应加热表面淬火冷却时,表面发生马氏体转变,它的比容较大,体积会涨大,而心部未发生相变化,没有体积变化,因此表面承受压应力。即组织应力引起的残余应力

38、是表面压应力。感应加热表面淬火后钢的内应力是由热应力和组织应力综合作用的结果。,组织应力的产生,拉应力的分布及影响因素,a. 拉应力存在一峰值,峰值的位置在靠近硬化区内侧处;b. 峰值的大小与感应加热时的温度梯度有关,温度梯度越大,峰值越高,位置也越趋于硬化层;c. 峰值的大小与截面大小有关,截面尺寸越大,峰值越高,越靠近硬化层。,降低拉应力的措施,a. 对大截面零件采用预热 b. 减小比功率 c. 降低截面上的温度梯度,(1)硬化层深度 (2)硬化层深度上的硬度分布 (3)碳含量 (4)热处理工艺,残余应力的影响因素,(1)硬化层深度 a.随着硬化层深度的增加,最大的拉应力峰值向中心移动。

39、b.在硬化层深度相同时,随零件尺寸的增大,表面淬火层内残余压应力也增大。 c.当硬化层深度开始增大时,残余压应力相应增大,当硬化层深度增大到一定值时,过渡区相应增加厚度,结果表面残余压应力减小。,(2)硬化层深度上的硬度分布残余压应力与沿硬化层深度上的硬度分布有关,即与马氏体层的深度、过渡区的宽度及原始组织部分之间的比例有关。 过渡区与硬化层应有一个合适的比例关系,才能保证零件既处于安全状态,又有良好的性能。,(3)碳含量随含碳量的增加,表面层的残余压应力显著增大,这是由于随含碳量增加,淬火后马氏体的比体积增大,使组织应力大大增加。,(4)热处理工艺 a. 预热。预热可以减小过渡区的残余拉应力

40、,但并不明显降低表面层的残余压应力。 b. 回火。可以使零件硬化层及过渡区的残余应力大大降低。 c. 冷加工工艺。(例如磨削加工易形成磨削裂纹),1. 快速加热使钢的相变点Ac3、Accm上升。 2. 快速加热使钢的相变点Ac1分离。,3.3 感应加热时的相变特点,钢在快速加热时的组织转变,(1)钢在快速加热时的晶粒尺寸 a. 加热速度越快,初始奥氏体晶粒越细 b. 在同一加热速度,晶粒大小随温度的升高而增大。,(2)本质细晶粒钢感应加热时奥氏体晶粒的长大特性为了在感应加热时得到细小的奥氏体晶粒,除选择合理的原始组织和适当的加热速度外,还与钢材的冶金因素有密切关系。,(3)奥氏体的均匀化快速加

41、热时,珠光体到奥氏体的转变是在一个温度区间内形成的。对共析钢而言,快速加热时,全部完成a-r相变后,仍然残留着渗碳体,在进一步的加热或保温过程中就进行着渗碳体的溶解和奥氏体中碳浓度的均匀化过程,在快速加热时,刚刚完成奥氏体转变后,所形成的奥氏体的碳浓度是不均匀的,加热速度越快,奥氏体中碳浓度越不均匀。,怎样消除奥氏体的不均匀化?,措施:应该在奥氏体转变完成后继续提高加热温度,这样有利于碳浓度分布均匀。对合金钢,除碳的均匀化问题外,还有合金元素本身的均匀化,一般合金元素在奥氏体中的扩散速度比碳要慢得多,为达到合金元素的均匀化就需要加热到更高的温度,这样易造成过热,因此,一般合金钢不适于快速加热淬

42、火。,消除奥氏体不均匀化,钢在快速加热时所形成的奥氏体在晶粒大小、碳和合金元素分布等方面的特性,显然会显著影响钢的冷却转变。由于加热速度快,感应加热所得到奥氏体的稳定性低。原因:其一是晶粒较细,另外碳或合金元素分布不均匀。,快速加热对冷却转变的影响,一.感应器的结构 二.感应器的分类 三.感应器的设计原则 四.感应器基本尺寸的确定,3.4 感应热处理用装置,一.感应器的结构,(1)感应导体 (2)汇流排 (3)冷却装置 (4)喷水管,感应器,二.感应器的分类,(1)高频加热感应器 (2)中频加热感应器 (3)工频加热感应器,三.感应器的设计原则,1、感应器的设计应符合以下要求:,(1)被加热零

43、件表面温度应尽可能均匀 (2)感应器电效率尽可能高,损耗尽量小 (3)有良好的冷却条件 (4)感应器要有足够的机械强度,操作方便,2、考虑感应器的结构时,必须尽量提高热效率,(1)感应器导体与零件加热表面之间的间隙要小,磁损耗小,效率高。 (2)要采用导磁体 (3)在保证绝缘的情况下,汇流排之间的距离越小越好,减小磁损耗。,3、感应加热零件表面硬化层的分布及硬化层形状应符合要求。,(1)实心截面:用于加热小零件 (2)空心截面:可通水冷却,操作安全可靠,应用广泛 (3)复合截面:多用于淬硬层较大的情况,四.感应器基本尺寸的确定,1、感应器与工件的间隙,2、感应导体直径的确定,(1)加热外圆表面

44、时,感应导体内径为:D=D0+2li (2)加热圆孔表面时,感应导体的外径为:D=D02li,3、感应导体高度的确定,(1)感应导体高度hi大于加热区高度ha时,硬化层深度分布均匀。 (2)感应导体高度hi等于加热区高度ha时,硬化层形状呈弧形,分布不均匀。 (3)感应导体高度hi小于加热区高度ha时,硬化层深度呈月牙形。,(4)对长轴进行局部加热时,感应导体的高度hi一般应超过硬化层高度812mm。 (5)硬化层高度较大时,可采用多圈感应器。 (6)同时加热时,感应导体高度还与设备总功率、比功率、工件直径有以下关系:,4、感应器冷却水路与喷水孔的确定,(1)感应器多用铜管加热制成,可以通水冷

45、却把由于损耗引起的热量带走。 (2)采用同时加热时,可不设喷水孔。 (3)采用连续加热时,需在感应器的端部钻喷水孔。,5、汇流排的间距、长度确定,(1)一般汇流排间距为1.53mm,间距增大会增加感抗。 (2)汇流排长度取决于工件的形状、尺寸和淬火夹具等具体条件,长度尽量小一些,以免增加感抗。,当两个载有一定频率的交流电流的导体彼此相距很近时,每个导体内的电流将重新分布。若两个导体中电流方向相反时,最大电流密度出现在两导体相邻的一面;电流方向相反时,最大电流密度出现在两导体相背的一面。,邻近效应,圆环效应,当交变电流通过环形导体时,电流在导体截面上的分布将发生变化,电流仅仅集中在圆环的内侧。当

46、加热圆柱体的外表面时,圆环效应与邻近效应一致,感应器中电流与工件表面靠近;当加热内孔时,圆环效应与邻近效应恰好不一致,圆环效应使电流在感应器内侧流过,距内孔表面较远,加热效率较低。,问题引入,怎样解决由于邻近效应与圆环效应不一致造成加热效率低的问题?,导磁体是磁的优良导体,具有很强的驱流作用,可以把高中频电流由感应器的内侧驱赶到外侧,从而加强邻近效应,提高感应器效率。(对加热圆孔内表面而言),导磁体,感应器与工件表面等距,在工件的尖角处加热强度远较其它光滑部位强烈,往往会造成过热,这种效应为尖角效应。产生原因:尖角效应是由于磁力线易于在尖角处集中,感应涡流较大的缘故,减小措施:一般应将尖角或突

47、出部位的间隙适当加大,削弱此处感应电流的密度。,尖角效应,3.5 其它形式感应热处理,1、穿透感应热处理 2、深层感应加热表面淬火 3、超高频感应热处理 4、双频感应加热淬火 5、工频感应热处理,1、穿透感应热处理,穿透加热是相对于表面加热而言的,对于不同尺寸的工件,可以使用不同的频率,如果工件截面尺寸小,可使用较高的频率,对于截面尺寸较大的工件,频率要低些。,概念:用较低的频率和较长的加热时间,将淬透性不高的钢制零件整个截面加热到相变点以上,然后进行较剧烈的淬火冷却,以获得不大的淬硬层深度,它的表面获得马氏体,心部获得非马氏体强化。,2、深层感应加热表面淬火,特点:(1)加热到相变点以上的深

48、度远大于硬化层深 度,对截面不大的零件可能透热。(2)应选用淬透性不高的钢种,淬硬层深度取决于钢本身的淬透性。(3)加热能量集中程度较低,加热时间长,因此,加热装置的功率可相应减小。,深层感应加热表面淬火工艺:,(1)钢材的选择 a.含碳量的选择。一般在0.41.2范围内变化。 b.加热时奥氏体晶粒长大倾向小,必须选用细晶粒钢。 c.对不同尺寸零件及不同受力条件,应选用不同淬透性的钢。,(2)工艺条件的选择 a.为实现深层加热,通常零件必须同时整体加热,因此感应器的设计必须考虑到零件形状以便加热均匀。 b.对频率、比功率、加热速度等的选择可参照穿透加热来考虑。 c.加热温度、保温时间与所选钢材的成分及零件尺寸大小有关。,3、超高频感应热处理,特点:频率高,电流透入深度很小,能量密度很高,加热速度快,加热时间短,硬度、耐磨性比一般淬火的高,工件几乎不变形,适用于精密零件。,组织:组织非常细小,并非马氏体,近乎非晶态组织。,对于凹凸不平的工件,不能保持工件与感应器的施感导体之间的间隙一致,得不到均匀的硬化层,要使低凹处达到一定深度的硬化层,难免使凸出部过热,反之低凹处得不到硬化层。为了克服这个问题,可以采用双频感应加热淬火。即用两种不同频率的电源,交替对感应器供电,使各处温度几乎一致,表面硬度也趋于一致。,

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