第四章 表面淬火10 1

三、激光热处理
1、激光热处理基本原理 为解决吸收率低的问题，可在需硬化表 面涂敷一层能吸收远红外线的涂层，这种 工艺叫“表面黑化”处理。 2、激光热处理工艺 由于激光束光斑尺寸很小，工件表面淬 火时必须靠激光束在淬火工件表面的扫描 运动来实现，目前扫描有三种方法： （1）散焦激光束单程扫描；（2）散焦激光 束交叠扫描；（3）摆动激光束加热。
§4-2：表面淬火工艺原理
一、钢在非平衡加热时的相变特点 1、对相变临界点的影响 （1）提高加热速度将使Ac3、Accm线升高。当 速度大于200℃/s时，变化趋于平缓。 （2）加热速度对Ac1S开始点影响不大，但对 Ac1f点有明显的影响，随着加热速度的提高， Ac1f点显著提高。原始组织愈不均匀，Ac1f形 成温度提高愈多。
透入式加热与传导式加热相比较有如下特点：
●表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡流 移向内层，表层加热速度开始变慢，不易过 热，而传导式加热随着加热时间的延长，表 面继续加热容易过热； ●加热迅速，热损失小，热效率高； ●热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面 压应力提高
2、感应加热表面淬火工艺 （1）根据零件尺寸及硬化层深度要求，合理选择设备。 （a）设备频率选择
η-设备总效率0.4～0.6
◆感应加热的其他条件及感应器确定后，比功率的
调整依靠感音加热装置的电参数来调整，如:阳极 电压、阳极电流、栅极电流和槽路电压。
（2）淬火加热温度和方式的选择 淬火加热温度应根据材料原始组织、零件 的要求来确定；一般比普通淬火温度高30～ 200℃加热。 ◆常用的加热方式有两种：
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1、感应加热表面淬火(Induction hardening) 2、火焰加热淬火(Flame / Torch hardening) 3、电接触表面加热淬火(Contact hardening) 4、激光表面加热淬火(Laser hardening) 5、电子束表面加热淬火等(Electron-beam hardening )
求最小表面硬度的函数： （HV）HL ＝0.8 （HV）HS 式中（HV）HS为零件要求最小表面硬度。
3、表面淬火后性能 ◆表面硬度：快速加热，激冷淬火的工件表面 硬度往往比普通淬火高2～5个百分点 ◆耐磨性：快速加热表面淬火后工件的耐磨性 优于普通淬火 ◆疲劳强度：采用正确的表面淬火工艺可以显 著提高零件的抗疲劳性能 ◆残余应力分布：表面淬火后的残余应力大小 和分布与钢种、零件尺寸、硬化层深度及加 热冷却等多种因素有关
实验表明：
●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，继续增加硬化层厚度，表面残余压应 力反而减少。 ●残余应力与沿硬化层深度的硬度分布有关。 过渡区硬度降落愈陡，表面压应力虽较大， 但紧靠过渡区的张应力峰值也最大；过渡区 硬度降得愈平缓，过渡区愈宽，张应力峰值 内移且减少，表面的残余压应力也减少。 ●残余应力的分布和钢中的含碳量有关。含碳 量愈高，残余压应力愈大
热态电流透入深度 ▲可见，频率愈高，电流透入深度愈浅；频率不变时， 温度超过居里点以后，电流透入深度显著增加。
800 500/ f
（C） 热传导
（2）感应加热的过程 如右图为工件在感 应加热时涡流在工件表 面分布变化的曲线和感 应加热时冷态和热态的 涡流分布曲线。 透入式加热 概念: 特点:P86 （与传导式加热区别）
3、奥氏体成分均匀化影响
奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增加 原因：
◆快速加热条件下形成的奥氏体，其含C量随加热速
度提高而偏离其平衡成分
◆大部分合金元素在碳化物中富集，从而使合金元素
在快速加热时更难固溶于奥氏体并不易均匀化
◆原始组织对奥氏体均匀化有很大影响 4、对过冷奥氏体转变及回火的影响
2、对奥氏体晶粒度影响
提高相变区加热速度使奥氏体起始晶粒度显著细化。 原因： ◆奥氏体形核不仅在铁素体与碳化物相界，而且在α 相亚结构边界形核；晶核尺寸仅为亚结构边界宽度 1/10—1/5，形成极细的起始晶粒。 ◆在高速加热条件下，起始晶粒度不易长大，从而细 化晶粒。 ◆所形成的奥氏体晶粒内部受热应力和组织应力的作 用，形成许多位错胞。
150 2500 f 2 2 x x
（b）比功率的选择：
f 最佳
600 2 x
比功率是指感应加热时工件单位表面积上所吸收的 电功率。比功率选择主要决定于频率和要求硬化层 深度 设备比功率 ：设备输出功率与零件同时被加热的面 积比
P P A
P P工 P A
第四章：表面淬火
● 表面淬火作为强化金属零件的手段之一，具有以下 特点： 1、经表面处理零件不仅提高表面硬度和耐磨性，而且 与适当预先处理的心部组织相结合，可以获得高的 疲劳强度和强韧性。 2、表面淬火工艺简单，强化效果显著，热处理后变形 小。 3、生产过程易于自动化，生产效率高。
主要内容
1、表面淬火目的 2、表面淬火基本条件 3、快速加热时组织转变特点及 组织结构与性能关系 4、几种表面淬火方法
§4-1：表面淬火目的及分类
一、表面淬火目的 在工件表面一定深度范围内获得马氏 体组织，而心部仍保持表面淬火前的组织 状态（调质或正火状态）以获得表面层硬 而耐磨，心部又有足够塑性、韧性的工件。
二、表面淬火分类
要实现表面加热必须给工件以极高的能量密度来加热，使工 件表面的热量来不及向心部传导，造成极大温差。一般认为 若加热装置能提供≥102W/CM2能量密度就可实现表面加热。 （按加热装置不同可分为）
§4-3：表面淬火方法
一、感应加热表面淬火
工件在交变磁场作用下产生了较高的感
应电势并在表面形成涡流，利用感应电流
在零件表面产生的热效应而使零件加热称 为感应加热；将感应加热后的零件快速冷 却的淬火工艺称为感应加热淬火。
根据设备输出频率高低，感应加热的种类如下表所示：
加热方法 工频 中频 高频、超音频 超高频脉冲
3、激光热处理的特点 （1）加热速度快，淬火不用冷却剂 （2）可以进行局部、选择性淬火 （3）几乎没有变形
四、电子束加热表面淬火、 电解液加热表面淬火、 电接触加热表面淬火
频率（KHz） 50×10-3 <10 20～1000 27120
功率密度 （102W×cm-2） 0.1~1 <5 2～10 100～300
1、感应加热基本原理 （1）感应加热的物理基础 （a）电磁感应：当工件放在通有交变电流的感应圈中时，受到 交变磁场作用，其表面产生感应电动势： d e K dt 涡流——零件在感应电势的作用下产生的电流。
同时加热法
连续加热法
（3）冷却方式和冷却介质的选择 ●最常用的冷却方式是喷射冷却和浸液冷却法。 ●对于细、薄工件或合金钢齿轮，为减少变形、开
裂，可将感应器与工件同时放于油槽中加热，断电 后冷却，这种加热方法称为埋油淬火法。
●常用的冷却介质有水、油、乳化液等。 （4）回火工艺 ●感应加热一般只进行低温回火，目的是为了降低
M
P+ M P
M +F
M + F+ P
M
F+ P
离表面距离 共析钢表面淬火沿截面温度分布 及淬火后金相组织
离表面距离 45钢表面淬火沿截面温度分布 及淬火后金相组织
2、表面淬火后有效硬化层深度测定 国际上统一采用ISO3754标准 我国制订国标GB5617-85 标准规定：在感应加热或火焰加热后有效硬 化层深度（DS）从零件表面到维氏硬度（HV） 等于规定的硬度值的那一层之间的距离。硬 度测量是在9.8N的负荷下进行。 ● 极限硬度（HV）HL（即规定硬度）是零部件所要
If
e e 2 Z R2 X L
Q 0.24I f R t
2
（b）表面效应（集肤效应） 定义：涡流强度随高频电磁场强度由零件表面向内层逐渐减小 而相应减小的规律。
离表面x处的涡流强度为：
x
I x I 0e
式中 Io——表面最大的涡流强度（A）
x——到零件表面的距离（cm）
残余应力和脆性，又不致降低硬度，
●一般采用的回火方式有炉中回火、自回火和感应
加热回火。
3、感应器设计简介
感应器是将高频电流转化为高频磁场对工件实行 感应加热的能量转换器。 ▲材料
感应器中电流密度可达6000A/m㎡，故所用的
材料的电阻率必须尽可能小，一般采用电解铜，通 常用紫铜制作。 ▲组成： 有效线圈（又称施感导体）；汇流接线板；汇
67 / f (mm) 4、感应加热时的驱流和屏蔽
▲导磁体的驱流作用：在感应圈上卡上导磁体后， 磁力线走向发生变化，即由原来圆环效应作用电流 沿着圆环内侧流过变为沿着导磁体缺口流动。
高频导磁体用铁淦氧制成；中频采用硅钢片叠成。
▲屏蔽方法：铜环屏蔽；磁短路
5、高频装置的工作原理 电子管变频装置
●升压变压器：将50HZ、380V电升到高压10KV
●直流整流：将高压工频电流(50HZ)整流为高压直流
6.7－ 13.5KV
●变频装置：电子管自激振荡器将直流电变换为高频
或超音频交流电流(即高压高频)。
●淬火变压器：将高压高频电流变换为低压高频
（<1000V）
●感应线圈：
二、火焰加热表面淬火（flame hardening) 火焰加热表面淬火的优点： （1）设备简单、使用方便、成本低； （2）不受工件大小限制，可灵活移动使用； （3）淬火后表面清洁，无氧化脱碳现象，变 形小。 缺点： （1）表面易过热； （2）难以得到小于2mm的淬硬层深度； （3）所采用的混合气体有爆炸危险
流条；冷却装置等
▲感应圈形状与结构
感应圈的几何形状主要根据工件硬化部位 的几何形状、尺寸及选择的加热方式来确定。 设计时应注意以下几种效应：
▲临近效应：（采用旋转加热方法）
▲环状效应：（有利于圆柱体外表面）
▲尖角效应：（调节线圈与零件间的间隙或改 进感应圈的结构来改善）
▲感应圈尺寸的确定
感应圈管壁厚度应略大于高频电流穿透厚度。
（1）降低过冷奥氏体的稳定性
（2）改变马氏体点（Ms、Mf）及马氏体组织形态
二、表面淬火的组织与性能
1、组织：淬火后可分为淬硬层、过渡层以及心部原 始组织。不同原始组织表面淬火后金相组织： （1）对于退火状态共析钢： （2）对于正火态45钢，原始组织为F+P：
T AC1f AC1s
T A C3 AC1f AC1s
对钢而言简化为： uf 由式可见：电流透入深度随着工件材料电阻 率的增加而增加，随材料的导磁率及电流频 率的增加而减小。 频率越高，电流透入深度越浅；当频率不 变时，温度超过居理点以后，电流透入深度 显著增加。
50300
生产上可简化为： ▲ 20℃时
▲ 800 ℃时
20 20 / f 冷态电流透入深度
例一：有一个φ20×700mm的轴，材料为45
钢，要求表面具有较高的耐磨性（50～ 55HRC），沿轴方向尺寸变形不能超过1mm， 采用淬火能否达到要求？不能怎么办？
例二：有一45钢制的φ200mm齿轮，要求表
面硬度为48～55HRC，齿轮承受较大载荷且 具有较好接触疲劳性能。如何处理？采用 整体淬火，整个齿部都会淬硬，使用过程 中易发生脆断，怎么办？
c 2 p f
与材料物理性质有关的系数
从式中看出：x=0时， Ix=I0 x >0时，Ix<I0 x=Δ时, Ix=I0/e＝0.368I0 工程上规定：当涡流强度从表面向内层降低到表面
最大涡流强度的36.8％即I0/e时，该处到表面的距离
Δ称为电流透入深度，用δ表示。
δ的大小与金属的电阻率（ρ），相对磁导 率Ur=u/u0和电流频率（f）有关： 2 u0u