表面淬火(黑)

• (3)硬化层分布对工件承载能力的影响 • 尽量避免在危险断面处出现淬硬层的过渡。 • 如图，在离淬硬层一定距离外存在着拉应 如图， 力峰值，若和外加载荷所产生的应力叠加， 力峰值，若和外加载荷所产生的应力叠加， 特别在截面突变区，很可能导致破坏。 特别在截面突变区，很可能导致破坏。为 了避免这种现象的发生， 了避免这种现象的发生，要尽量避免在危 险断面处出现淬硬层的过渡。 险断面处出现淬硬层的过渡。
• 例如0.4％C碳钢，当以130℃／s的加热速度 加热至900℃时，奥氏体中存在着1.6％C的碳 浓度区．显然，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． • 快速加热时，过热度很大，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 体的成核串增大。又由于加热时间极短，奥 氏体晶粒来不及长大．当用超快速加热时， 可获得超细化晶粒。
• 淬火以后金相组织应分为三区，自表面向心部分别 为马氏体区 (M) (包括残余奥氏体)， 马氏体加珠 光体 (M十P)及珠光体 (P)区。 • 这里所以出现马氏体加珠光体区，因快速加热时奥 氏体是在一个温度区间、并非在一个恒定温度形成 的。 • 在全马氏体区，自表面向里，由于温度的差别，最 表面温度高，马氏体较粗大，中间均匀细小，紧靠 终了形成温度区，由于其淬火前奥氏体成分不均匀， 如腐蚀适当，将能看到珠光体痕迹(“珠光体灵 魂”)．在温度低于奥氏体开始形成温度区，由于原 为退火组织，加热时不能发生组织变化，故为淬火 前原始组织．
• 由于快速加热奥氏体成分的不均匀性，淬火 后马氏体成分也不均匀，所以，尽管淬火后 硬度较高，但回火时硬度下降较快，因此回 火温度应比普通加热淬火的略低。 • 二、表面淬火的组织与性能 • 1． 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:
• 3． 表面淬火淬硬层深度及分布对工件承载 能力的影响 • 虽然表面淬火有上述优点，但使用不当也 会带来相反效果。例如淬硬层深度选择不当， 或局部表面淬火硬化层分布不当，均可在局 部地方引起应力集中而破坏。 • (1)表面淬火硬化层与工件负载时应力分布的 匹配即表面淬火淬硬层深度必须与承载相配。
试验表明，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，若再继续增厚硬化层深度， 表面残余压应力反而减小。
残余应力还与沿淬火层深度的硬度分布有关， 残余应力还与沿淬火层深度的硬度分布有关，即马 氏体层的深度、 氏体层的深度、过渡区的宽度及工件截面尺寸之间 的比例有关。 的比例有关。
• 若45钢表面淬火前原始组织为调质状态： • 由于回火索氏体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． • 在淬火加热温度低于Ac1，至相当于调质回火 温度区，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 。
• 2． 奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增 加而增大 • 随着加热速度的增大，转变温度提高，转 变温度范围扩大．随着转变温度的升高，与 铁素体相平衡的奥氏体碳浓度降低，而与渗 碳体相平衡的奥氏体碳浓度增大．因此，与 铁素体相毗邻的奥氏体碳浓度将和与渗碳体 相毗邻的奥氏体中碳浓度有很大差异。由于 加热速度快，加热时间短，碳及合金元素来 不及扩散，将造成奥氏体中成分的不均匀， 且随着加热速度的提高，奥氏体成分的不均 匀性增大。
• 在快速加热时均随着加热速度的增加而向高 温移动。但当加热速度大到某一范围时，所 有亚共析钢的转变温度均相同.加热速度愈快， 奥氏体形成温度范围愈宽，但形成速度快； 形成时间短．加热速度对奥氏体开始形成温 度影响不大，但随着加热速度的提高，显著 提高了形成终了温度．原始组织愈不均匀， 最终形成温度提得愈高．
• (3)疲劳强度 • 采用正确的表面淬火工艺，可以显著地提 高零件的抗疲劳性能。例如40Gr钢，调质加 表面淬火(淬硬层深度0，9mm)的疲劳极限为 324N／mm2，而调质处理的仅为235N／mm2。 表面淬火还可显著地降低疲劳试验时的缺口 敏感性。表面淬火提高疲劳强度的原因，除 了由于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。表面残余压 应力愈大，工件抗疲劳性能愈高。
• 表面淬火前原始组织为正火状态的45钢 : • 如果采用的是淬火烈度很大的淬火介质，即 只要加热温度高于临界点，凡是奥氏体区均 能淬成马氏体，按其金相组织分为四区，表 面马氏体区(M)，往里为马氏体加铁素体 (M+F）,再往里为马氏体加铁素体加珠光体区， 中心相当于温度低于奥氏体开始形成温度区 为淬火前原始组织，即珠光体加铁素体。
• 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． • 在珠光体区域，原渗碳体片区与原铁素体片区之间 存在着成分的不均匀性，而在原珠光体区与原先共 析铁索体块区也存在着成分的不均匀性，由于存在 这种成分的大体积不均匀性，将使这二区域的马氏 体转变点不同，马氏体形态不同．即相当于原铁素 体区出现低碳马氏体，原珠光体区出现高碳马氏 体．
• 4：电解液加热表面淬火 • 即工件作为一个电极（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 • 6:电子束加热表面淬火
• 4.2 表面淬火工艺原理 • 一、钢在非平衡加热时的相变特点 • 如前所述，钢在表面淬火时，其基本条Baidu Nhomakorabea 是有足够的能量密度提供表面加热，使表面 有足够快的速度达到相变点以上的温度。因 此，表面淬火时，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． 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。例如激光加热淬火的45钢硬 度比普通淬火的可高4个洛氏硬度单位；高频 加热喷射淬火的，其表面硬度比普通加热淬 火的硬度也高2～3个洛氏硬度单位。这种增 高硬度现象与加热温度及加热速度有关．
• (2)耐磨性 • 快速加热表面淬火后工件的耐磨性比普通 淬火的高。快速表面淬火的耐磨性优于普通 淬火的。看来，这也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。
4.1 表面淬火的目的、分类及应用 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的热处理 工艺。因此，从加热角度考虑，表面淬火仅是 在工件表面有限深度范围内加热到相变点以上。
• 一、表面淬火的目的 • 在工件表面一定深度范围内获得马氏体组 织，而其心部仍保持着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、表面淬火的分类 • 目前表面淬火可以分成以下几类： • 1． 感应加热表面淬火 • 即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。
• (2)表面淬硬层深度与工件内残余应力的关 系 • 表面淬火时由于仅表面加热，仅表面发生胀 缩，故表面将承受压应力。淬火冷却时表面 热应力为拉应力，而表面组织应力为压应力， 二者叠加结果，表面残余应力为压应力。这 种内应力由于表面部分加热和冷却时的胀缩 和组织转变时的比容变化所致，显然其应力 大小及分布与淬硬层深度有关．
• 残余应力的分布还和含碳量有关，因为含碳 量愈高，马氏体比容愈大，组织应力愈显著， 表面淬火下，残余应力愈大。 • 可见，对每个具体零件来说，都有一个合适 的淬硬层深度及过渡区宽度。这时，在静载 荷下，不致于有太靠近表面的过高张应力峰 值。对高频淬火表面而言，中、小尺寸零件 淬硬层深度为工件半径的10～ 20%，而过渡 区的宽度为淬硬层深度的25～ 30%，实践证 明较为合适。
• 根据所产生交流电流的频率不同，可分为高 频淬火，中频淬火及高频脉冲淬火(即微感应 淬火)三类。 • 2． 火焰淬火 • 即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 • 即为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电阻发热 来加热工件表面的淬火方法。