钢表面淬火

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钢表面淬火是指被处理的工件在表面有限深度范围内,加热到相变点以上,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。 表面淬火是将钢快速加热至临界温度以上,然后快速冷却的过程。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。 常用于机床主轴,齿轮,发动机的曲轴等。

表面淬火

钢表面淬火采取的方法

表面淬火采用的快速加热方法有多种,如电感应,火焰,电接触,激光等,目前应用最广的是电感应加热法。

电解液加热表面淬火原理图

钢表面淬火分类 

根据加热的热源不同对表面淬火进行分类:

①感应加热表面淬火; 

②火焰加热表面淬火; 

③电接触加热淬火;  

④电解液加热表面淬火;  

⑤激光加热表面淬火; 

⑥电子束加热表面淬火; 

⑦等离子束加热表面淬火。

感应加热

 钢表面淬火应用

用于中碳调质钢或球铁制零件;

低碳钢因效果不显著,很少应用;

高碳钢因为脆性大,只在工具或高冷硬轧辊上。 

表面淬火工艺原理 

1)钢在非平衡加热时的相变特点 

(1)一定的加热速度范围内,临界点随加热速度的增加而提高;(Ac3和Accm极限1130℃) 

(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。 

(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/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 

表面淬火的组织和性能 

淬火前为退火状态的共析钢表面淬火后的组织: 

表层:马氏体M; 

向内:珠光体P+马氏体M;  

心部:原始组织珠光体。 

淬火前为正火状态的45钢表面淬火后的组织: 

表层:马氏体M; 

向内:铁素体F+马氏体M; 

再向内:铁素体F+珠光体P+马氏体M; 

心部:原始组织铁素体F+珠光体P 。

表面淬火后性能 

表面硬度:快速加热,激冷淬火后表面硬度比普通淬火高。 

原因:奥氏体晶粒细化、成分不均匀。 

耐磨性:工件的耐磨性比普通淬火的高。 

原因:奥氏体晶粒细化、成分不均匀;

表面硬度高;表面处于压应力状态。 

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,降低缺口敏感性。 

原因:表面强度提高;表面形成很大的残余压应力。 (例如:40Cr,调质加表面淬火时疲劳极限σ-1=324N/mm2,而调质态为235N/mm2)

疲劳强度的提高与淬硬层深度有一定关系。 

层浅,强化效果不显著; 

淬硬层深度增加,σ-1 随层深的增加而增大; 

但淬硬层过厚时,表面残余压应力下降,σ-1反而降低。 

实验表明:在弯曲疲劳强度最高时的最佳淬硬层深度δ=10~20%D(工件直径)。) 

感应表面加热淬火工艺参数的确定 

根据零件尺寸及硬化层深度的要求,合理选择设备

① 设备频率的选择 

主要根据硬化层深度来选择 设备确定后,频率就不能任意调节,电流频率的透入深度是不能根据硬化层深度的要求来随意选择的。

当硬化层深度已知,就可以找到一电流最佳频率。实践证明,硬化层深度为电流热透入深度的一半时,可以得到电流最佳频率。 

 ② 比功率的选择 

比功率:指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率; 

在频率一定时,比功率愈大,加热速度愈快;当比功率一定时,频率愈高,电流进入愈浅,加热速度愈快。 

比功率的选择主要取决于频率和要求的硬化层深度。在频率一定时,硬化层较浅的,选用较大比功率(透入式加热);在层深相同情况下,设备频率较低的可选用较大比功率。 

感应表面加热基本原理  

感应加热原理图

电磁感应原理

电流热效应原理