第四章 钢的表面淬火

x
c 2
f
6）集肤效应（表面效应） ① 当金属零件通过直流电时，在金属零件的截面上电流 的分布是均匀的； ② 当金属零件通过交流电时，在金属零件的截面上电流 的分布是不均匀的；最大电流密度出现在金属零件的 最表面。这种电流通过导体时，沿导体表面电流密度 最大，越往中心电流密度越小的现象称为高频电流的 集肤效应，又称表面效应。
d e V d
2）当感应圈通入交变电流时，零件内产生感应电流，此 电流在零件内形成闭合回路，其方向与通入的电源电流方 向相反，呈涡状流通，故称涡流。
If e R X
2 2
A
R——材料的电阻 X——感抗 3）加热产生的热量
Q 0.24I 2 R f
4）加热零件吸收的功率
Pa 1.2510 R0 I
感应加热表面淬火的特点 与普通加热淬火相比 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。 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。
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。
≥43HRC
5）硬化层深度
图纸上所规定的硬化层深度，是保证零件较好力 学性能而确定的，实际上还应控制感应加热表面淬火 后过渡层大小和分布。
硬化层是指从表面全部M到半M的这段距离； 过渡层是指半M到出现原始组织的这段距离； 过渡层呈现拉应力状态，若过宽，会使表层压应力 减小，导致疲劳强度降低。过渡层为硬化层深度的 25~30%。
1）钢种
在机床汽车拖拉机制造种，机床齿轮、汽车拖拉机曲轴、 凸轮轴和其他零件用45钢，少数用40钢；合金钢用40Cr、 40CrNiMo；拖拉机和农机用40Mn2、50Mn。
2）含碳量 ① 决定感应加热表面淬火用钢硬度的主要因素；含碳 量为0.40~0.50%。 ② 代替渗碳钢时，由于表面硬度要求高，应选择含碳量 较高的钢中0.50~0.60%； ③ 为了提高调质零件的耐磨性，最合适的含碳量为 0.40~0.50%。
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；
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
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； 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；
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）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％；
用正火预先热处理得到具有细珠光体及少量铁素体组 织的中碳钢也可获得较好的结果，但比回火索氏体的心 部力学性能差一些
用铸造、锻造、热轧或用退火预先热处理得到的粗片 珠光体及铁素体或珠光体及大块铁素体的中碳钢，经感 应快速加热表面淬火后心部的力学性能较差。
粗粒的球化体组织或大块状铁素体组织，对感应加热 表面淬火却有不利的影响。
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。
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 （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。
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。
5) 激光加热表面淬火 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；
零件类型
硬化层深度
汽车拖拉机表面耐磨
需要磨削的轴类 承受扭转疲劳的 直径大于40mm 直径小的
1-2mm
3-5mm 直径的10～20％ 直径的10％ 直径的20％
6）硬化区部位 为了使零件淬火后的过渡层内不出现应力集中、淬 火变形开裂，应对硬化层深度和硬化区部位作合理的规 定。 对轴类零件
4）表面硬度 对于不同材料在不同条件下工作的零件，有不同要求。 以汽车拖拉机为例
材料 40、45、40Cr、40MnB 灰口、 可锻、球墨、合金等铸 铁 40、45 40Cr 40～50HRC 45~55HRC 耐磨零件 55~63HRC 45~58HRC 强度和韧性好的零件 45~58HRC ≥38HRC
3
2
f
Pa——工件吸收的功率，w/cm2 R0——工件直径，cm ρ——工件材料电阻率， μ——工件材料磁导率，H/m f ——交变电流频率流在被加热工件中的分布——由表面到中心呈指数 规律衰减
I x I0 e A
Pa——离工件表面的距离，cm2 I0 ——表面最大的涡流强度，A
工件截面内最大密度的涡流由 表面向心部逐渐推移，同时自表面 向心部依次加热。这种加热方式称 为透入式加热。 继续加热时，电能只在热态 电流透入层范围内变成热量，此层 的温度继续升高。与此同时，由于 热传导的作用，热量向工件内部传 递，加热层厚度增厚，这时工件内 部的加热和普通加热相同，称为传 导式加热。
（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；
（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
3）预先热处理和感应加热表面淬火前的原始组织选择 感应加热表面淬火前的原始组织对感应加热表面 淬火的结果有很大的影响 原始组织为弥散细小的碳化物颗粒均匀分布在铁素 体基体上的组织，在感应加热时，可以在较低的温度 较快地转变为A，短时实现A均匀化。用这种原始组织 的钢制成零件，可获得硬化层薄而硬度高的表面层和 心部良好的综合力学性能。只对一些重要零件才使用 预先热处理。
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 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
I x I 0e
x
工程上规定，当电流（涡流） 强度从表面想内部降低到表面 最大电流强度的0.368（I0/e）时， 则该处到表面的距离就称为电 流透入深度。
通常把20℃时的电流透入 深度称为“冷态电流透入深 度”平；而把800℃时的电流 透入深度。称为热态电流透 入深度。
2 感应加热的物理过程
两种参数 热参数：感应加热温度、加热时间、加热速度等； 电参数：设备频率、零件单位表面功率、阳极电压、 阳极电流、槽路电压、栅极电流等； 感应加热表面淬火是借助调整设备的电参数来控制 热参数，达到保证表面淬火质量。