第四章 表面淬火和变形强化

金属表面处理工艺一、表面热处理1、表面淬火 n 表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以 强化零件表面的热处理方法。

感火焰加热 应加 热n 表面淬火目的： n ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; n ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。

即表硬里韧。

n 适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。

轴 的 感 应 加加 热 表 面 淬淬 火n ①表面淬火用材料 n ⑴ 0.4-0.5%C的中碳钢。

n 含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。

n 含碳量过高，心部韧性下降； n ⑵ 铸铁 提高其表面耐磨性。

机床导轨表面淬火齿轮n ②预备热处理 n ⑴工艺： n 对于结构钢为调质或正火。

n 前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普 通件。

n ⑵目的: n 为表面淬火作组织准备； n 获得最终心部组织。

回火索氏体 索氏体n ③表面淬火后的回火 n 采用低温回火，温度不高于200℃。

n 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。

n ④表面淬火+低温回火后的组织 n 表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。

感应加热表面淬火 感应淬火机床n ⑤表面淬火常用加热方法 n ⑴ 感应加热: 利用交变电流在工件表面感应巨大涡流， 使工件表面迅速加热的方法。

感应加热 表面淬火示意图n 感应加热分为： n 高频感应加热频率为250-300KHz，淬 硬层深度0.5-2mm火传 感动 应轴 器连续 淬感应加热表面淬火齿轮的截面图n 中频感应加热 频 率 为 25008000Hz ， 淬 硬 层 深度2-10mm。

中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴各种感应器n 工频感应加热 n 频率为50Hz,淬硬层深度10-15 mm感应穿透加热各种感应器n ⑵ 火焰加热: 利用乙炔火焰直接加 热工件表面的方法。

成本低，但质 量不易控制。

2.感应加热表面淬火
（1）定义 感应加热表面淬火是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速加热然后快速冷却的一种热处理工艺操作。 （2）基本原理： δ= 。 式中:δ——感应电流透 入深度，mm; f——电流频率，HZ 。 “电磁感应”: 把工件放入由空心铜管绕成的感应器线圈中，感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，于是工件内就会产生频率相同、方向相反的感生电流。 “集肤效应”:这种感生电流在工件中的分布是不均匀的，主要集中在表面层。愈靠近表面、电流密度愈大;频率愈高，电流集中的表面层愈薄，这种现象称为集肤效应。
5.渗碳经热处理及相应组织
图4.45 渗碳后常用的热处理工艺曲线
渗碳淬火组织
渗碳淬火后的表层组织 基体组织M回火+F 经渗碳的机车从动齿轮
01
表层：
02
回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体
03
心部：
04
铁素体+回火马氏体（或铁素体+珠光体）
渗碳+淬火+低温回火后组织
渗碳件的加工工艺路线：
下料 → 锻造 → 正火 → 机械加工 → 渗碳 → 淬火+低温回火 →精加工 → 成品。
4.4.1 表面强化概述 ( Introduction of surface reinforcing )
可见，表面强化是表面工程的核心内容，是决定强化表层的成分、组织、结构与性能的关键技术。 按表面强化的工艺特点可分为如下6类： ①表面冶金强化（它包括堆焊、热喷涂、激光重熔等）； ②表面形变（机械）强化（它包括喷丸、滚压、挤压等）； ③表面热处理强化（它包括表面淬火、化学热处理等）； ④表面薄膜强化（它包括电镀、电刷镀、气相沉积、化学镀等）； ⑤表面非金属化处理（它包括喷塑、粘涂、涂装等）； ⑥高能束（密度）表面强化（它包括电子束、离子束、激光束等）。 其中以表面淬火和化学热处理等应用最为普遍。 表面强化的性能要求 ---- “表硬内韧”。

晶闸管中频电源装置优点： 1)产品设计简单，制造方便，不需大量的加工设备，生产周期较短。 2)体积小、重量轻，节省硅钢片、铜材和钢材。 3)电效率高，感应加热用的晶闸管中频电源装置效率一般在90%以上。 4)由于晶闸管中频电源没有旋转部分，故运行可靠，维护简单，运 行中噪声和振动较小。
5)晶闸管中频电源装置在运行中，能根据负载变化自动调整频率 系统的输出功率一直保持在额定值
器结构示意图及说明。
表4-11 高频感应器结构
表4-11 中频感应器结构
三、感应器基本尺寸的确定
1.感应器与工件之间的间隙确定 表4-13为推荐采用的感应器与零件表面之间间隙的经验
数据。 2.感应器尺寸的确定
(1)感应器直径的确定 加热外圆表面时，感应器的内径 可由下式计算：
加热圆孔表面时，感应器的外径可由下 式计算：
3.前进法:火焰喷嘴和冷却装置沿淬火零件表面作平行移动，一边加 热，一边冷却，淬火零件可缓慢移动和不动。这种方法可以使很长 的工件进行表面淬火(如长轴、机床床身、导轨等)，也适用于大模 数齿轮进行逐齿的淬火。
4.联合法：是指淬火零件绕其轴线作迅速旋转，而喷嘴及喷水装置同时沿 零件轴线平行移动。该法加热比较均匀，可作冷轧辊的表面淬火用。
二、感应器的分类及结构
1 分类 （1）加热方法 同时加热感应器和连续加热感应器
（2）零件加热部位形状 外表面加热感应器 内表面加热感应器 平面加热感应器 特殊形状加热感应器
（3）电源频率 高频 中频
2 结构
（1）.制造感应器用纯铜厚度
纯铜厚度应稍大于感应电流冷态透入深度。
• 高频电流较小，不需要很高的机械强度，可用薄壁纯铜管绕制而 成，也可用薄铜片焊接而成。
如采用多匝时，则匝间距不超过零件与感应器之间的间隙， 以提高效率，一般匝间距为3~6mm。

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。