第四章 表面淬火及表面形变强化技术

第四章表面淬火和表面形变强化技术

第一节表面淬火技术的原理与特点

一、表面淬火技术的原理与分类

（一）表面淬火的原理

表面淬火是通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。

适用材料：中碳钢或中碳合金钢。

工艺特点：快速加热，使工件表面迅速升温至淬火温度，而工件心部仍处于A1以下，这时立即喷水冷却，使工件表面层被淬硬成为马氏体，心部仍是原来的组织，保持着良好的韧性。

经表面淬火的工件，其表面硬度、耐磨性和疲劳强度均高，而心部则保留一定的塑性和韧性。

（二）表面淬火技术的分类

根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。

（三）表面淬火与化学热处理的区别

表面淬火只对工件的表面或部分表面进行热处理，所以只改变表层的组织。而心部或其它部分的组织仍保留原来的低硬度、高塑性和高韧性的性能，这样工件截面上由于组织不同性能也就不同。表面淬火便于实现机械化、自动化，质量稳定，变形小，热处理周期短，费用少，成本低，还可用碳钢代替一些合金钢。

化学热处理是将工件表面渗进了某些化学元素的原子，改变了表层的化学成份，使表面能得到高硬度或某些特殊的物理、化学性能。而心部组织成份不变，仍保留原来的高塑性。高韧性的性能，这样在工件截面上就有截然不同的化学成份与组织性能。化学热处理生产周期长，不便于实现机械化、自动化生产，工艺复杂，质量不够稳定，辅助材料消耗多、费用大、成本高，许多情况下还需要贵重的合金钢。化学热处理只在获得表面层的更高硬度与某些特殊性能及心部的高韧性等方面优于表面淬火。

第二节感应加热表面淬火

一、感应加热表面淬火法的基本原理

（一）感应加热表面淬火法定义

感应加热表面淬火法是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将零件表面迅速加热，然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。

[特点]

（1）表面晶粒细、硬度高。感应淬火得到很细小的马氏体组织，其硬度也比普通淬火高2～3HRC，且心部基本上保持了处理前的组织和性能。

（2）加热速度快，加热时间很短，一般只需几秒至几十秒即可完成。工件不容易产生氧化脱碳，淬火变形也很小。

（3）热效率高，生产率高，生产环境好，易实现机械化、自动化。

（4）淬硬层深度易于控制。通过控制电流频率来控制淬硬层深度，经验公式如下：

δ=(500~600)/√f

式中：

δ——淬硬层深度，

mm f——电流频率，Hz

（5）设备投资大、维修困难，需根据零件实际制作感应器，适合于批量生产。

（二）感应加热表面淬火法的原理

把工件放入由空心铜管绕成的感应线圈中，当感应线圈通以交流电时，便会在工件内部感应产生频率相同、方向相反的感应电流。感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面电流密度最大，心部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表面的涡流，几秒种可使工件表面温度升至800～1000℃，而心部温度仍接近室温，在随即喷水（合金钢浸油）快速冷却后，就达到了表面淬火的目的。

（三）感应加热分类

室温时感应电流流入工件表层的深度δ（mm）与电流频率f（HZ）的关系为δ频率升高，电流透入深度降低，淬透层降低。

（1）高频加热

常用频率为（200～300）KHZ，淬硬层深度为（0.5～2.5）mm，适用于中、小型零件，如小模数齿轮、轴类等。

（2）中频加热

常用频率为（2500～8000）HZ，淬硬层深度为（2～10）mm，适用于直径较大的轴类和大、中模数齿轮以及钢轨、机床导轨等。

（3）工频加热

电流频率为50HZ，不需要频设备，城市用交流电即可，适用于淬硬层深度为（10～20）mm以上的大型工件或用于穿透加热。如火车车轮等的表面淬火。

优缺点：感应加热表面淬火加热速度快，生产率高，加热温度和淬硬层深度容易控制，工件表面氧化和脱碳少，工件变形小，可以使全部淬火过程实现机械化、自动化。其缺点是设备较昂贵，形状复杂的零件感应圈不易制造，且仅适用于大批量生产。

二、感应加热表面淬火工艺流程

感应加热时，工件截面上感应电流密度的分布与通入感应线圈中的电流频率有关。电流频率愈高，感应电流集中的表面层愈薄，淬硬层深度愈小。因此可通过调节通入感应线圈中的电流频率来获得工件不同的淬硬层深度，一般零件淬硬层深度为半径的1／10左右。对于小直径（10～20mm）的零件，适宜用较深的淬硬层深度，可达半径的1／5，对于大截面零件可取较浅的淬硬层深度，即小于半径1／10以下。

感应加热表面淬火零件的一般工艺路线为：

[选材]最适宜的钢种是中碳钢（如40、45钢）和中碳合金钢（如40Cr、40MnB 钢等），常用零件有齿轮、轴、销类等。感应淬火后一般应采用180——200℃低温回火。也可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。

[工序、性能]一般中碳钢感应淬火件加工工序：锻件→正火→机械加粗加工→调质处理→机械精（半精加工）→感应淬火→精加工。调质处理保证获得良好的心部强韧性，以承受复杂的交变应力感应淬火获得表面高硬度，50——55HRC，具有良好的耐磨性。

表1感应加热表面淬火的分类与应用

第三节火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火法是用乙炔——氧火焰（最高温度3200℃）或煤气——氧火焰（最高温度2000℃），对工件表面进行快速加热，并随即喷水冷却。淬硬层深度一般为2～6mm。适用于单件小批量生产以及大型零件（如大型轴类、模数齿轮等）的表面淬火。火焰加热表面淬火的优点是设备简单，成本低，灵活性大。缺点是加热温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不够稳定。

优缺点：淬硬层深度一般为（2～6）mm，若要获得更深的淬硬层，会引起零件表面严重的过热，且易产生淬火裂纹。由于淬火质量不够稳定，生产率低，限制了它的广泛应用。但它具有方法简便灵活，无需特殊设备、成本低等优点，适用于单件或小批量生产的大型或需要局部淬火的零件。如大型轴、大齿轮、轧辊、齿条、钢轨面等。

适于中碳钢35、45钢和中碳合金结构钢40Cr及65Mn、灰口铸铁、合金铸铁的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤气-氧混合气燃烧的火焰喷射快速加热工件。工件表面达到淬火温度后，立即喷水冷却。淬硬层深度为2～6mm，否则会引起工件表面严重过热及变形开裂。