第八章_淬火

第八章 表面淬火
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淬火是将合金在高温下所具有的状态以过冷、 过饱和状态固定至室温，或使基体转变成晶体 结构与高温状态下不同的亚稳状态的热处理形 式。 合金能否淬火可由相图决定。如果合金在相 图上有多型性转变或者固溶度变化，这些合金 就可以淬火。 淬火可分为两类：无多型性转变合金的淬火 与有多型性转变合金的淬火。
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热应力：工件加热或冷却时，由于各部位出现瞬间温
差而导致不同部位热胀和冷缩的不一致而产生的应力。
组织应力：工件加热或冷却时，因各部位间出现瞬间
温差而使不同部位组织转变不同步而产生的内应力，又 称为淬火应力。
2. 淬火裂纹 工件产生淬火变形一般可以矫正，但产生淬 火裂纹则只能报废。裂纹产生的原因包括原材 料缺陷、锻造缺陷以及淬火工艺不当，包括加 热温度过高、加热速度过快以及冷却速度过快 等。
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比功率的选择主要取决于频率和要求的硬化层深度。
加热方式和加热工艺参数的选择和确定：
分为同时加热法和连续加热法两种。每种钢都有最佳 的加热规范，可参见有关手册。
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同时加热法是将工件上需要加热表面的整个 部位置于感应器内，一次完成加热，然后直接 喷水冷却或将工件迅速置于淬火槽中冷却。这 种方法适用于小型零件或淬火面积较小而尺寸 较大的零件，如曲轴、齿轮等。 连续加热法，即对工件需淬火部位中的一个 局部先行加热，通过感应器与工件之间的相对 运动，把已加热的部位连续移到冷却位置冷却， 待加热的部位连续移至感应器中加热，如此连 续进行，直至需硬化的全部部位淬火完毕。如 果工件是较长的圆柱形，为了使加热均匀，还 可使工件绕其本身轴线旋转。这种方法适用于 轴类等长型工件的表面淬火，如轴、齿条、机 床导轨和大型齿轮等，它的最大优点是使用较 小容量的设备处理大型工件。
缺点：淬硬层较薄，一般手工操作时硬化
层为0.07～0.13毫米,机动操作时则为 0.2～0.3毫米,硬度为HRC55～62，金相 组织及硬度的均匀性都较差。 接触电阻加热表面淬火目前多用于机床铸铁 导轨的表面淬火，也用于汽缸套，曲轴， 工模具等的淬火。
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浴炉加热表面淬火
定义：将工件浸入高温盐浴或金属浴中， 短时加热，使表层达到规定淬火温度，然 后激冷的方法称为浴炉加热表面淬火。
淬火操作方法：加热淬火、旋架淬火、
摆动淬火、推进淬火等方法。
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长，表面温度下降越多，加热深度加深。间隔时 间一般以5~s为宜。在连续淬火或推进式加热淬 火时，主要控制火焰喷嘴与喷水孔之间的距离， 一般在10~15mm之间。 火焰淬火后进行炉中回火或自回火。炉中回火温 度为180~220℃，保温1~2h。 工艺参数：火焰特性，焰心到工件表面距离， 相对移动速度，淬火介质和淬火方式，温度范围 等。
1. 表面淬火的目的、参数、分类及应用 表面淬火：仅对工件表层进行淬火的工艺。
目的：在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，
而其心部仍保持这表面淬火前调质或正火的组织状态以 使工件表面层硬而耐磨，心部又保留足够的塑性和韧性。 参数：淬硬层的深度及硬度梯度。确定淬硬层的深度 及硬度梯度时，应使表面淬火硬化层与工件负载应力分 布相匹配。 分类：表面淬火常以供给表面能量的形式不同而命名 和分类。
特点：此方法不需要添置特殊设备，操作 简单，特别适合于单件小批量生产。 所有可淬硬的钢种均可进行浴炉加热表面 淬火，但以中碳钢和高碳钢为宜，高合金 钢加热前需预热。

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淬火缺陷
淬火加热和冷却过程中产生的变形、开裂、氧 化、脱碳、过热、过烧、硬度不足等，统称淬火 缺陷。 1. 淬火变形 淬火变形主要是由于淬火时工件内部产生的 内应力所造成。根据形成原因可分为热应力和 组织应力，工件变形是这两种应力综合影响的 结果。
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。
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狭义上讲，淬火是把钢件加热到临界温度 （Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化， 再以大于临界冷却速度的冷速冷却，从而获得 马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 淬火的目的是提高钢的硬度、强度、耐磨性 和硬磁性，以及与各种回火工艺配合提高钢的 强韧性和弹性。 淬火工艺分为许多种。
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表面淬火
（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
M
P+ M P
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
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谢谢！
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火焰加热表面淬火
定义：用一种火焰在一个工件表面上若干尺
寸范围加热，使其奥氏体化并淬火的工艺。
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火焰淬火的燃料:(1)煤气和氧气;(2)天然
气和氧气;(3)丙烷和氧气;(4)乙炔和氧气。 最常用的为氧气和乙炔。
喷嘴：火焰淬火一般采用特别的喷嘴。整
个喷头由喷嘴、带混合阀的手柄管以及一 个紧急保险阀组成。喷嘴必须通水冷却。
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
（1）降低过冷奥氏体的稳定性
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感应器中流过交变电流时，其周围 就要产生相同频率的交变磁场，在交 变磁场作用下工件中将产生感应电动 势，从而产生与感应器频率相同而方 向相反的感应电流，即涡流。涡流因 工件本身的电阻转换成热能，从而将 工件加热，又叫涡流加热。
2）感应加热设备 按照输出电流频率不同可分为高频、中频、 工频、超音频和超高频脉冲五类。
● 极限硬度（HV）HL（即规定硬度）是零部件所要
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
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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。
主要类别：
感应加热表面淬火
火焰加热表面淬火
接触电阻加热表面淬火 浴炉加热表面淬火 电解液加热表面淬火 高密度能量表面淬火 表面保护热处理
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1. 感应加热表面淬火
利用感应电流通过工件所产生的热效应，使 工件表面加热并进行快速冷却的淬火工艺。 1）感应加热基本原理 利用了电磁感应、涡流发热和磁滞发热等物 理现象以及交变电在导体中的分布特征。
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冷却方法和冷却介质的选择和确定：
最常用喷射冷却法和浸液冷却法。
喷射冷却法即当感应加热终了时把工件置于
喷射器之中，向工件喷射淬火介质进行淬火 冷却。其冷却速度可以通过调节液体压力、 温度及喷射时间来控制。浸液淬火法即当工 件加热终了时，浸人淬火介质中进行冷却。 对细、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人油槽 中加热，断电后冷却，这种方法称为埋油淬 火法。
操作要点：加热停止与喷水冷却间wk.baidu.com时间越
优点：具有设备简单、使用方便、成本低
廉、不受工件体积大小限制的优点。
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三.接触电阻加热表面淬火
定义：接触电阻加热表面
淬火是利用触头（铜滚轮或 碳棒）和工件之间的电阻使 工件表面加热，并依靠热传 导来实现冷却淬火。
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优点：接触电阻加热表面淬火设备简单，操 作灵活，工件变形小，淬火后不需要回火， 能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力。
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感应加热设备的种类及主要用途
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3）感应加热表面淬火工艺 感应淬火工艺主要包括频率和比功率的选择 与确定、加热方式和加热工艺参数的选择与确 定、冷却介质和冷却方法的选择与确定等。 频率和比功率的确定：
电流频率主要应根据硬化层深度的要求合理选择。根 据淬硬层深度选择电流频率时，可由热处理手册查得。
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。