1、第四章 钢的表面热处理,钢的表面热处理,目 录,一、表面淬火的目的、分类及应用 二、表面淬火工艺原理 三、表面淬火方法,钢的表面热处理,定义：表面淬火是指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。 目的：表层为马氏体，心部为淬火前组织（调质或正火状态）。表层硬度高，心部韧性好。 表面淬火是强化金属材料表面的重要手段之一。表面淬火可提高硬度、耐磨性，与心部组织相配合，获得强韧性、高疲劳强度。,一、表面淬火的目的、分类及应用,钢的表面热处理,表面淬火的加热能量密度极高，因此，表面淬火常以供给表面能量的形式不同而命名及分类。目前表面淬火可以分
2、成以下几类：1、感应加热表面淬火 2、火焰加热表面淬火3、电接触加热表面淬火利用电阻发热进行加热（低电压大电流） 4、电解液加热表面淬火5、激光加热表面淬火6、电子束（等离子）加热表面淬火,分类：,钢的表面热处理,表面淬火主要应用于中碳调质钢或球铁件；高碳钢表面淬火后由于心部塑、韧性低，应用较少；低碳钢表面淬火后强化效果不明显，很少应用。,表面淬火的应用：,钢的表面热处理,1、钢在非平衡加热时的相变特点 表面淬火时的能量密度很高，钢处于非平衡加热，钢在非平衡加热时有如下特点：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； 2）奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大； 3）提高加
3、热速度可显著细化奥氏体晶粒； 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。,二、表面淬火工艺原理,钢的表面热处理,2、表面淬火的金相组织 钢件经表面淬火后的金相组织与钢种、淬火前的原始组织及淬火加热时沿截面温度的分布有关。原始组织为退火状态的共析钢：淬火以后金相组织自表面向心部应分为三区，马氏体区 (M) (包括残余奥氏体)马氏体加珠光体 (M十P)珠光体 (P)区。原始组织为正火状态的45钢：较复杂，如果采用的是淬火烈度很大的淬火介质，淬火后其金相组织自表面向中心可分为四区，马氏体区(M)马氏体加铁素体(M+F）马氏体加铁素体加珠光体区珠光体加铁素体。,这里所以出现马氏体加珠光体区
4、，因快速加热时奥氏体是在一个温度区间、井非在一个恒定温度形成的，其界限相当于沿截面温度曲线的奥氏体介始形成温度及奥氏体形成终了温度。,钢的表面热处理,原始组织为调质状态45钢由于回火索氏体为粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的均匀组织，淬火组织也较均匀。Ac1-Ac3温度区的淬火组织中，未溶铁素体分布比较均匀；Ac1-至相当于调质回火温度区（C区），由于其温度高于原调质回火温度而又低于临界点，因此将发生进一步回火现象。表面淬火将导致这一区域硬度下降。,钢的表面热处理,1）表面硬度 快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。与加热温度及加热速度有关，快速加热时奥氏体成分不均匀性、奥氏体晶
5、粒及亚结构细化。 2）耐磨性 快速表面淬火的耐磨性优于普通淬火的。与其奥氏体晶粒细化、奥氏体成分的不均匀，表面硬度较高及表面压应力状态等因素有关。3）疲劳强度 表面淬火可显著提高零件的抗疲劳性能。原因：除与表层本身的强度增高外，主要是因为在表层形成很大的残余压应力。,3、表面淬火后的性能,钢的表面热处理,三、表面淬火方法,1、感应加热表面淬火 定义：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，然后快速冷却，获得马氏体组织的工艺。原理：利用电磁感应原理，使工件表面产生感应电流（集肤效应）。钢本身具有电阻，产生热效应，加热工件表面，而后冷却，实现表面淬火。分类：高频加热淬火（100500
6、kHz）中频加热淬火（50010000Hz）工频加热淬火（50Hz）,钢的表面热处理,快速灵活的感应加热表面淬火,钢的表面热处理,工艺：设备频率的选择主要根据硬化层深度来选择。比功率的选择（工件单位表面所吸收的电功率）频率一定时，要求硬化层深，比功率要小；相同硬化层深度时，频率较高，比功率要小，频率较低，比功率要大。,钢的表面热处理,冷却方式和冷却介质的选择 喷射冷却法浸液冷却法埋油淬火法对细、薄工件或合金钢齿轮，为减小变形、开裂，可将感应器与工件同时放入油槽中加热，断电后冷却。回火工艺感应加热后一般只进行低温回火，以降低残余应力和脆性，而又不降低硬度。炉中回火： 150180，12h；自回火
7、,钢的表面热处理,感应加热表面淬火的特点：,由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间内达到相变临界点以上，而心部仍处于相变点以下。淬火后，由表及里为马氏体、马氏体铁素体屈氏体、铁素体珠光体索氏体组织；工件表面为细小的隐晶马氏体组织，硬度较普通淬火高（HRC23），脆性低，疲劳强度高，耐磨性高；不易氧化和脱碳，变形小；淬火层深度易于控制，易实现机械化和自动化。缺点：设备费用昂贵，维修困难，形状复杂的感应器不易制造，不适用单件生产。,钢的表面热处理,2、火焰加热表面淬火,定义：用气体燃烧的火焰在工件表面上若干尺寸范围内加热，达到淬火温度后立即冷却，从而得到预期的硬度和淬硬层深度（26mm）的工艺
8、。优点：设备简单、使用方便、成本低；不受工件体积大小的限制，可灵活使用；淬火后表面清洁，无氧化、脱碳形象，变形小。缺点：表面容易过热；较难得到小于2mm的淬硬层深度。,钢的表面热处理,火焰结构及其特性：,火焰分三区：焰心、还原区及全燃区。其中还原区温度最高。火焰淬火可用下列混合气体作为燃料。煤气和氧气（1：0.6） 天然气和氧气（1：1.2至1：2.3） 丙烷和氧气（1：4至1：5） （温度最低，2650） 乙炔和氧气（1：1至1：1.5） （温度最高，3100）,钢的表面热处理,一般分为三个部分。（1）内层。带蓝色，因供氧不足，燃烧不完全，温度最低，有还原作用。称内焰或还原焰。（2）中层。明
9、亮。温度比内层高。（3）外层。无色。因供氧充足，燃烧完全，温度最高，有氧化作用。称外焰或氧化焰。 或分为焰心、内焰和外焰，火焰温度由内向外依次增高。（1）焰心。中心的黑暗部分，由能燃烧而还未燃烧的气体所组成。（2）内焰。包围焰心的最明亮部分，是气体未完全燃烧的部分。含着碳粒子，被烧热发出强光，并有还原作用，也称还原焰。（3）外焰。最外面几乎无光的部分，是气体完全燃烧的部分。含着过量而强热的空气，有氧化作用，也称氧化焰。,钢的表面热处理,电解液加热表面淬火工艺简单，生产率高，变形小。 电接触加热表面淬火 可移动的电极与工件表面接触，并通以低电压大电流，利用电阻发热加热工件，实现淬火。,3、其它表
10、面淬火方法,钢的表面热处理,电解液加热表面淬火,将工件放入盛有5-15碳酸钠水溶液的电解槽中，工件为阴极，电解档为阳极，两极间加一定直流电压，使电解液电解，在阳极上放出氧气，阴极工具上析出氢气。包围工件的氢气膜使工件与电解液隔开，氢气膜又有很大电阻，当有很大电流通过时，将产生大量的热，达到很高的温度，工件浸入电解液部分迅速被加热。当工件表面被加热到淬火温度时，停止送电，氢气膜立即破裂，包围工件的电解液使工件迅速冷却淬火 电压在150-300V之间调整，电流密度为3-4A/cm2：。加热时间由试验确定。,钢的表面热处理,激光是一种亮度极高，单色性和方向性极强的光源。激光加热和一般加热方式不同，它
11、是利用激光束由点到线，由线到面地以扫描方式来实现。 表面淬火时最主要的是控制表面温度和加热深度，因而用激光扫描加热时，关键是控制扫描速度和功率密度。 由于激光加热是一种光辐射加热，因而工件表面吸收热量除与光的强度有关外，还和工件表面黑度有关。为了提高吸收率，通常都要对表面进行黑化处理，即在欲加热部位涂上一层对光束有高吸收能力的薄膜涂料。常用涂料有磷酸锌盐膜、碳黑、氧化铁粉等。,4、激光加热表面淬火,钢的表面热处理,激光热处理的特点如下： (a)加热速度快，淬火不用冷却剂。由于加热速度极快，故可以得到超细晶粒。 (b)可以进行局部的选择性淬火。由于激光具有高的方向性和相干性，可控性能特别好，对一
12、些拐角、狭窄沟槽、齿条、齿轮、深孔、盲孔表面等采用光学传导系统和反射镜可以很方便地进行加热淬火。 (c)几乎没有变形。,钢的表面热处理,激光热处理的应用：在汽车工业中应用较多。如用10kW C02激光器处理4140H结构钢轴，淬火深度为0.25mm，硬度为HRC55。,钢的表面热处理,通过电子束流轰击金属表面，电子流和金属中的原子碰撞来传递能量进行加热。电子束加热表面时，表面温度和淬透深度除和电子束能量大小有关外，还和轰击时间有关。轰击时间长，温度就高，加热深度也增加。加热速度快，淬火不用冷却剂。,5、电子束加热表面淬火,钢的表面热处理,1）电子束加热效率高，消耗能量是所有表面加热中最小的，而激光加热的电效率低，成本较高，仅优于渗碳；2）大功率激光器维护比较复杂，但除了激光器本身外，无特殊要求，而电子束系统需要有一定真空度；3）电子束加热工件表面不需特殊处理，而激光加热工件表面要进行黑化处理；4）激光具有极高的可控性能，可精确地瞄准加热部位，电子束的可控性则较激光差。,激光加热和电子束加热相比较：,钢的表面热处理,
