第四章 钢的表面淬火

有关
1 原始组织为退火状态的共析钢
自表面向心部：M区(包括残余 奥氏体)、M十P区和P区。
2 原始组织为正火状态的45钢 淬火烈度很大的淬火介质
从表面到中心：M、M+F、 M+F+P、P+F
3 原始组织为调质状态的45钢
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。
例如：40Cr钢 调质+表面淬火：324N/mm2 调质处理：235N/mm2
原因
✓ 表层本身的强度增高； ✓ 在表层形成很大的残余压应力；
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
4.3 表面淬火方法 4.3.1 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，继之快速冷却，以获得M组织的工艺。
种类和用途
所用电流频率的不同
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。
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。
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 4.2.1 钢在非平衡加热时的相变特点
感应加热表面淬火的特点
与普通加热ຫໍສະໝຸດ Baidu火相比
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。
（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。
例子：亚共析钢
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
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
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↑
5）结论
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％；
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；
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。
2) 火焰淬火
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。
3) 电接触加热表面淬火
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。
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。 5) 激光加热表面淬火
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。
4.1 表面淬火的目的、分类及应用
一 定义
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。
二 目的
✓ 表面：一定深度的M组织 ✓ 心部：仍保持着淬火前的组织状态
三 分类 依据：供给表面能量的形式不同
1) 感应加热表面淬火
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。
二 表面淬火后的性能 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。
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
影响因素
✓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
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；
（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
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；