表面淬火

表 4—3 40Cr 钢不同处理工艺对缺口敏感度的影响 － 试样形式 疲劳强度 σ 1 N／mm2 调质 调质+表面淬火 450~480 630 Φ = 20mm 光滑试样 140 600 Φ = 20mm 缺口试样
第二节 感应加热淬火技术 一、感应加热淬火基本原理 铁制零件在高频交变磁场中， 铁的内部将产生很大的感应电流。 电流在金属体内自行闭合，称为 涡流。由于工件阻抗很小，涡流 很大。受集肤效应的影响，越靠 近工件表面电流越大。感应电流 快速将零件的表面加热到 Ac3 或 Acm以上，快速冷却后即可在零 件表层获得马氏体组织。
5 火焰加热表面淬火的优缺点（1） 硬化层较厚，硬度梯度较平缓，耐磨性好；
5 火焰加热表面淬火的优缺点（2）
投资少，简单易行，处理费用低； 大小零件均可处理，能实现自动化操作；
温度均匀性差，难以控温，质量波动大。
因有软带的问题，只能进行局部淬火。
表面淬火中的软带问题
特大轴承表面淬火的软带问题
2 激光淬火设备
工业上常用的激光发生器有横流CO2和YG两种。
3 材料表面预处理
（1）与基体力学性能有关的热处理：被处理金属的原始 组织对激光淬硬层的硬度和深度都有影响。 （2） 提高零件表面激光吸收率的黑化处理：~80％的激光 被平整金属表面反射，黑化处理可以增加激光吸收率。
黑化处理的方法有：涂碳素墨汁、磷化处理、氧化处理 或激光专用黑色涂料。
二、 感应加热表面淬火工艺流程 以齿轮加工为例 锻打毛坯→正火处理(~220HB)→粗加工→调质处理（~250HB） →精加工（滚齿）→感应加热淬火→回火（~55HRC）→磨削
齿轮高频淬火
三、感应加热的优缺点 热效率高、加热时间短； 工件表面氧化、脱碳比较轻，变形小； 比普通热处理具有更优异的机械性能；
2 火焰加热淬火用燃料 要有较高的发热值，来源容易，价格低廉，贮存和使 用安全可靠，污染小。
表 4－10 常用火焰加热表面淬火用燃料特性 燃料名称 发热值 火焰温度 ℃ kcal/m3 氧助燃 空气助燃 3100 12754 2320 乙炔 2700 8900 1875 天然气(甲烷) 2640 2435 1925 丙烷 2540 2670 ~ 8010 1985 城市煤气 2300 * — 煤油
2 表面淬火的分类
一般按加热源的名称分类
火焰表面淬火
高频感应表面淬火 等离子弧表面淬火
电阻表面淬火 激光表面淬火
3
适合表面淬火的金属材料
一般用于处理中碳调质钢和球墨铸铁。
表 4—1 常用表面淬火常用钢及铸铁牌号 类 别 钢 号 应 用 碳素结构钢 35, 40, 45, 50 小模数、轻载齿轮及轴类零件 40Cr, 45MnB 中等模数、 轻载齿轮和高强度传动轴 合金结构钢 30CrMo, 42CrMo,42SiMn 模数较大、负载较大的齿轮与轴类 5CrMnMo, 5CrNiMo 负荷大的零件 灰口铸铁 机床导轨、气缸套 铸 铁 球墨铸铁, 合金球墨铸铁 曲轴、机床主轴、凸轮轴
4 激光淬火的工艺参数 激光淬火主要工艺参数有激光功率P、光斑直径D和 扫描速度v。
相变硬化层的深度H与工艺参数的关系为： P H ( Dv)
激光淬火适用范围：硬化层深度≤0.75mm，宽度＜1.2mm， 表面硬化效率80~85mm2/min，一般激光表面淬火功率为 1~6kw/cm2。
5 激光淬硬层的组织和性能
（3） 激光淬硬层的耐磨性
几种材料激光淬火与其它处理的耐磨性比较 材 料 处理规范 调质 激光强化 20Cr 38CrMoAl 渗碳淬火 激光强化 渗氮 激光强化 强化面积/％ 整体 30 整体 30 全表面 30 磨损量/mg 30.9 ~ 40.9 2.2 ~ 2.9 2.2 ~ 2.9 1.3 ~ 3.3 3.4 ~ 4.9 2.3 ~ 2.7 45
表面淬火层的性能（3） （3） 疲劳强度：高频淬火可显著提高零件的疲劳强度。这 是由于表面产生的压应力可以抑制裂纹的萌生和扩展，使其 缺口敏感性下降。
表 4－2 40Cr 钢不同处理状态下疲劳强度的比较 － 处理状态 疲劳强度 σ 1 N／mm2 200 正火 240 调质 290 调质+表面淬火δ = 5mm 330 调质+表面淬火δ = 9mm
6 激光淬火的特点 淬硬层组织细化，硬度比常规淬火高15％～20％，耐磨性提 高1～10倍。 能精确控制硬化层深度，工件变形小，表面无氧化脱碳。 只要激光能照射到的部位都可实现表面硬化处理。 加热速度快、自动化程度、生产效率高。 需对工件表面进行预处理，以增加工件吸收激光的能力。 设备较贵。
感应加热淬火技术的基本原理（3） 磁导率μ和电阻率ρ 又与工件的温度 有关，在Ac1以上(770℃)磁导率μ 几乎 降至为零。这样钢中电流导入深度可简 化为 20℃时：
20钢的磁导率、电阻 率与加热温度的关系
800℃时： 800
500 f
所以温度越高，加热速度越慢，避免 了表面过热。
第三节 火焰表面加热淬火技术 (flame surface hardening) 用火焰 将 工 件 表 面快速 加热到Ac3或Acm以上，然后 用水快速冷却，以在表层获 得马氏体组织。
1 火焰加热的特点 分焰心1、内焰2和外焰3三个区。
内焰温度最高。
有较大的温度梯度。
（根据氧与乙炔的比例不同，氧－乙炔焰还可 分为氧化焰、还原焰、中性焰三种）
设备易于实现机械化自动生产，生产效率高；
零件棱边易过热，形状复杂的零件难以保证温度均匀；
设备投资较大。
高频感应加热装置（电子管式）
电子管式高频感应加热电路图
晶体管式高频感应加热设备
晶体管式高频感应加热示例
四、感应加热淬火新技术（1） 1 超高频感应加热淬火 利 用 27.12MHz 超 高 频 率 的 极 强 的 趋 肤 效 应 使 0.05mm ~ 0.5mm的零件表层在极短的时间内加热，然后靠自身迅速冷却， 达到淬火目的。 特点：变形量较小，不必回火。主要用于小、薄的零件，可 明显提高质量，降低成本。
表面淬火与常规淬火的区别 (5) 4 快速加热淬火后的回火温度一般应比普通回火温度略低。
三、表面淬火层的组织和性能 1 表面淬火层的组织和硬度分布 表面淬火层分为：
（1） 淬硬区Ⅰ （完全相变区 ）
（2） 过渡区Ⅱ （部分相变区 ） （3） 心部区Ⅲ （无相变区 ） 45 钢的淬硬区组织为马氏体；过 渡区组织为马氏体＋铁素体；心部 组织为珠光体＋铁素体。
表面淬火层的组织和硬度分布 硬化层的厚度可用金相法和硬度法测定。
金相法测定硬化层的厚度
硬度法测定硬化层的厚度
2 表面淬火层的性能（1） （1） 表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通 淬火高2～5个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余 压应力。
表面淬火层的性能（2） （2） 耐磨性：高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高。这是 由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小，碳化物高度弥散，淬硬 层硬度和强度都比较高。
不均匀的奥氏体在冷却过程对过冷奥氏体转变及转变产 物产生很大影响： （1） 奥氏体中未溶碳化物 和高碳偏聚区的存在将促进 过冷奥氏体分解，使奥氏体 转变孕育期缩短，C曲线向 左移动。
表面淬火与常规淬火的区别 (4)
（2） 亚共析钢中原铁素体 领域形成低碳奥氏体，原珠 光体领域形成高碳奥氏体。 两种奥氏体在淬火后分别得 到低碳马氏体及高碳马氏体。
四、 激光表面淬火技术在汽车制造行业中的应用
表 4－76 激光表面硬化实例 加工零件 应用单位 采用的激光设备 应用效果 齿轮转向器 美国通用 5 台 500W 和 12 台 1kW 每天处理 3.3 万件，每 箱体内孔 汽车公司 的 CO2 激光处理设备 件处理时 18s，耐 磨性提高 9 倍。 柴油机汽缸 美国通用 5 台 5kWC02 激光器 15min 处理一件，提高 套(灰铸铁) 汽车公司 耐磨性。 此工艺已定为 该公司标准工艺 轴承圈 美国通用 采用一套千瓦级 CO2 激 用于生产线上， 汽车公司 光处理机 每分钟处理 12 个 汽车缸套 发动机 汽缸体 意大利菲亚 特汽车公司 中国第一 汽车制造厂 采用 3.5kWC02 激光器 四条自动生产线 2kWCO2 激光处理器 处理一件需要 21s。 激光淬火使发动机 寿命提高 1 倍以上， 行车超过 20 万 km
一、感应加热淬火技术的基本原理（1） 在理想状态下，单匝感应圈加热 1 厘米高的柱形工件表 面吸收功率P
P 1.25103 R0 I 2 ( f )1/ 2
式中 R0—— 工件直径mm；I——感应圈内电流 A；ρ— 钢的电阻率； μ —磁导率；f—频率。 (ρμf)1/2为吸收因子。
电流（涡流）导入深度与δ、μ、f的关系是
（1） 激光淬火组织 相变硬化区：极细的马氏体； 过渡区：为复杂的多相组织； 基体：原始的基体组织。 图4－7 45钢表面激光淬火 区横截面金相组织
（2） 激光淬硬层的硬度（1）
图4－8 45钢激光淬火区显微 硬度与淬硬层深度的关系
激光淬硬层的硬度（2）
因极快速的加热和冷却，致使激光淬硬层的硬度比常规淬 火高15％～20％。淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关。
第四章
表面淬火和表面形变强化
热处理知识（复习）
热处理的本质：通过改变 组织达到改善金属的机械性能。 热处理的4个工艺参数：加 热速度、加热温度、保温时间、 冷却速度。 热处理的4种工艺：退火、 正火、淬火、回火。
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
1 表面淬火
用特殊的加热方式将钢表面快 速加热到 Ac3 （亚共析钢）或 Ac1 （过共析钢）以上，随后快速冷 却，使钢铁表层发生马氏体相变， 生成硬化层。
二、表面淬火与常规淬火的区别 (1) 加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高。