表面淬火仅使钢铁工件的表面得到淬火的一种表面热处理工艺。目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度,而心部仍具有较高的韧性。常用于轴类、齿轮类等零件。操作时利用快速加热的方法使工件表层奥氏体化,然后立即淬火使表层组织转变为马氏体,心部组织基本不变。表面淬火后一般进行低温回火。根据加热方法不同,可分为感应加热表面淬火、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等,其中以前两种方法应用最广。
加热用的能源通常有电磁感应加热,火焰加热,电接触加热及在电解液中加热;并可采用更高密度的能源,如电子束、激光、电弧等。能源提供的能量密度越高,则表面加热和淬硬层越薄。
1、电磁感应加热表面淬火
铁磁性物质的工件处在交变磁场中时,会因感应而在内部产生电流。这种电流在微小区域内形成回路,称之为涡流。涡流电流强度与交变磁场磁通变化率和工件材质有关。涡流在工件中仅集中在表层,有所谓“集肤效应”。表面电流最大,向内逐渐降低。电流值保持表面电流I0的1/e以上的厚度称为“电流透入深度”(e为自然对数的底)。钢铁材料在居里温度(磁性转变温度,中碳钢约为724℃)以上由于导磁率的突然变化,电流透入深度(△)急剧增大。当被加热材料与感应器条件相同时,△值取决于感应器中交变电流的频率(f),对于钢铁材料,△≌500/(mm)。因此要根据淬火层厚度的要求选择电流频率。常用的感应加热用交流电源有3种:(1)高频。200~300kHz,采用电子管式高频振荡电源,淬硬层厚度一般为1~3mm。(2)中频。500~800Hz,采用中频发电机或可控硅变频装置电源,淬硬层厚度一般为6~8mm。(3)工频。一般工业频率50Hz,采用加热变压器电源,由工业电网供电,淬硬层厚度一般为10~20mm,其电流透入深度则可达50~70mm,适于大件的表面淬火。
电磁感应加热表面淬火通常是将工件置于一加热感应圈内,感应圈通入交变电流以形成交变磁场。感应圈多用铜管制成,可以是单圈或多圈的,管内通入冷却水防止工作时升温。加热和喷冷淬火可采用连续和断续两种方式,皆可在图1机构上实现。喷水圈设在加热器的下方,在连续式加热-喷冷时,工件在自旋转(使加热均匀)的同时向下移动,表面各部位依次加热和淬冷;在断续式加热-喷冷时,工件自旋转时位置不变,待一定面积被加热到淬火温度时,迅速下降并喷水冷却。
表面淬火时的加热温度取决于钢的成分(临界点)、原始组织和加热速度。加热速度一般在50~500℃/s之间,属快速加热。由于钢在快速加热时奥氏体形成的动力学的特点,在加热速度、加热温度、钢的原始组织和淬火后组织、性能几方面之间具有如图2所示的关系。Ⅱ区为最佳规范,既具有细晶粒,又具有高硬度。Ⅰ区加热不足,晶粒虽细小,但加热时奥氏体形成不充分,淬火硬度不足。Ⅲ区为加热过度,晶粒长大,硬度也因残留奥氏体较多而略有下降。
2、火焰加热表面淬火
将工件置于氧-乙炔(也可用天然气等)火焰中,表面快速加热至淬火温度后喷水淬冷。火焰温度一般为3000℃左右。本法设备简单,常用于小批、单件生产或零部件的维修。其设备包括:(1)喷嘴。氧-乙炔按一定比例混合,在相当高的压力下从喷嘴小孔喷出并被点燃。喷嘴的布置,一般按工件表面制成仿形状。(2)淬火机床。固定工件和喷嘴位置,并可控制工件(或喷嘴)的旋转和移动。(3)燃烧控制装置。保证氧-乙炔气有稳定的混合比和喷出压力。
3、电接触加热表面淬火
利用触头(铜或石墨材质)和工件的接触电阻,低电压、大电流,使触点温度迅速上升。将触点以一定速度移过工件表面,即可将表层加热至淬火温度,并在工件自身的冷却下淬硬。本法简易可行,适于大件的局部表面淬火。
4、电解液加热表面淬火
以工件作阴极,置于电解液中(常用5%~20%碳酸钠水溶液),以电解槽为阳极,通入200~300V直流电。由于电解作用使阴极(工件)表面形成一层氢气膜。氢气膜具有大的电阻,温度迅速升高,并将工件表面加热到淬火温度。停电后电解液将工件淬冷。本法适用于大批量生产工件的局部表面淬火。
通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。
表面淬火是表面热处理的主要内容,其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布,以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。从大的方面分,表面热处理分为两大类:表面淬火、表面化学热处理。
常用的表面淬火方法有:火焰加热表面淬火、接触电热表面淬火、感应加热表面淬火等。常用的表面化学热处理方法有:渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铜等。
表面淬火 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。为了达到只加热工件表层的目的,要求所用热源具有较高的能量密度。
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。
化学热处理 将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温,使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层,以改变表层的组织和化学成分,从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理,以便最大限度地发挥渗层的潜力,并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。
根据渗入元素的不同 ,化学热处理可分为渗碳 、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。 最常用的表面热处理工艺有感应加热热处理和火焰淬火,此外还有接触电阻加热淬火、电解加热淬火、激光热处理和电子束热处理等。
接触电阻加热淬火 通过电极将小于 5伏的电压加到工件上,在电极与工件接触处流过很大的电流,并产生大量的电阻热,使工件表面加热到淬火温度,然后把电极移去,热量即传入工件内部而表面迅速冷却,即达到淬火目的。当处理长工件时,电极不断向前移动,留在后面的部分不断淬硬。
这一方法的优点是设备简单,操作方便,易于自动化,工件畸变极小,不需要回火,能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力,但淬硬层较薄(0.15~0.35毫米)。显微组织和硬度均匀性较差。
这种方法多用于铸铁做的机床导轨的表面淬火,应用范围不广。电解加热淬火 将工件置于酸、碱或盐类水溶液的电解液中,工件接阴极,电解槽接阳极。
接通直流电后电解液被电解,在阳极上放出氧,在工件上放出氢。氢围绕工件形成气膜,成为一电阻体而产生热量,将工件表面迅速加热到淬火温度,然后断电,气膜立即消失,电解液即成为淬冷介质,使工件表面迅速冷却而淬硬。
常用的电解液为含 5~18%碳酸钠的水溶液。电解加热方法简单,处理时间短,加热时间仅需5~10秒,生产率高,淬冷畸变小,适于小零件的大批量生产,已用于发动机排气阀杆端部的表面淬火。
激光热处理 激光在热处理中的应用研究始于70年代初,随后即由试验室研究阶段进入生产应用阶段。当经过聚焦的高能量密度 (10瓦/厘米)的激光照射金属表面时,金属表面在百分之几秒甚至千分之几秒内升高到淬火温度。
由于照射点升温特别快,热量来不及传到周围的金属,因此在停止激光照射时,照射点周围的金属便起淬冷介质的作用而大量吸热,使照射点迅速冷却,得到极细的组织,具有很高的力学性能。如加热温度高至使金属表面熔化,则冷却后可以获得一层光滑的表面,这种操作称为上光。
激光加热也可用于局部合金化处理,即对工件易磨损或需要耐热的部位先镀一层耐磨或耐热金属,或者涂覆一层含耐磨或耐热金属的涂料,然后用激光照射使其迅速熔化,形成耐磨或耐热合金层。在需要耐热的部位先镀上一层铬,然后用激光使之迅速熔化,形成硬的抗回火的含铬耐热表层,可以大大提高工件的使用寿命和耐热性。
电子束热处理 70年代开始研究和应用。早期用于薄钢带、钢丝的连续退火,能量密度最高可达10瓦/厘米。
电子束表面淬火除应在真空中进行外,其他特点与激光相同。当电子束轰击金属表面时,轰击点被迅速加热。
电子束穿透材料的深度取决于加速电压和材料密度。例如,150千瓦的电子束在铁表面上的理论穿透深度大约为0.076毫米;在铝表面上则可达 0.16毫米。
电子束在很短时间内轰击表面,表面温度迅速升高,而基体仍保持冷态。当电子束停止轰击时,热量迅速向冷基体金属传导,从而使加热表面自行淬火。
为了有效地进行"自冷淬火",整个工件的体积和淬火表层的体积之间至少要保持5∶1的比例。表面温度和淬透深度还与轰击时间有关。
电子束热处理加热速度快,奥氏体化的时间仅零点几秒甚至更短,因而工件表面晶粒很细,硬度比一般热处理高,并具有良好的力学性能。
声明:本网站尊重并保护知识产权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果我们转载的作品侵犯了您的权利,请在一个月内通知我们,我们会及时删除。
蜀ICP备2020033479号-4 Copyright © 2016 学习鸟. 页面生成时间:3.104秒