项目六 钢的表面热处理

项目六 钢的表面热处理

【内容简介】

本项目主要介绍钢的表面热处理的原理、方法，淬透性、淬硬性的定义，淬透性的测定方法等内容。

【学习目标】

(1) 熟悉火焰加热淬火，感应加热淬火的原理；

(2) 明确淬透性的测定方法；

(3)掌握淬透性，淬硬性的区别。

§6.1 表面火焰淬火

钢的表面淬火分为感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火等。

一、表面火焰淬火的原理

火焰加热表面淬火是一种利用乙炔—氧气或煤气—氧气混合气体的燃烧火焰“ 将工件表面迅速加热到淬火温度” 随后以浸水和喷水方式进行冷却“ 使工件表层转变为马氏体而心部组织不变的工艺方法。

二、表面火焰淬火的应用

优点：设备简单，操作方便，成本低，工件大小不受限制，特别适用于大型工件、单件和小批量生产；

缺点：淬火硬度和淬透性深度不易控制，淬火质量不稳定，常取决于操作工人的技术水平和熟练程度，生产效率低，只适合单件和小批量生产。

常用于轧钢机齿轮、轧辊、 矿山机械齿轮、轴、普通机床导轨、齿轮等零件。

§6.2 表面感应淬火

一、感应淬火的原理

将工件放在通有交变电流的感

应圈内，感应圈周围的交变磁场会使

工件产生频率相同、方向相反的感应

电流，称为涡流。

工件上产生的感应电流在工件截面

上的分布是不均匀的，在工件表面电

流密度最大，心部几乎没有电流通

过，这种现象称为集肤效应。

钢本身具有电阻，由于集肤效

应，是工件表面迅速达到淬火温度而

心部温度不变。

二、感应加热的频率选用

1) 高频感应加热淬火

采用电子管式高频设备，工作频

率通常为200~300kHz，可获得

0.5~2mm厚的硬化层，一般用于处理

中小模数齿轮和小轴。

2) 中频感应加热淬火

生产上采用机械式中频发电机组或可控硅变频器，可提供频率为1000、2500或8000Hz 的电流，能获得2~10mm厚的硬化层，主要用于大模数齿轮、较大尺寸的轴、钢轨轨端及轨面全长淬火。

3) 工频感应加热淬火

工频感应加热是采用工业上常用的50Hz 工频电流，因而只需降压变压器。能获得10~20mm厚的硬化层，主要用于深层和穿透加热，

如大工件的表面淬火、

锻件的穿透加热等。

三、感应加热表面淬火的特点

1、感应加热是靠工件表面层感应电流直接加热，因而加热效率高，加热速度快(可达1000℃/秒) ，无保温过程。

2、虽然感应加热表面淬火的加热温度高，但由于加热速度快，无保温过程，故能获得细晶粒奥氏体，淬火后得隐晶马氏体，工件表面硬度高(比普通淬火高2~3HRC)，氧化、脱碳少。

3、感应加热表面淬火后，淬硬的表面层中存在很大的残余压应力，有效地提高了工件的疲劳强度。由于不是整体加热，淬火冷却时，工件的变形小。

4、感应加热表面淬火生产效率高，便于实现机械化、自动化。

四、感应加热表面淬火用钢

中碳钢和中碳合金钢，如40钢、45钢、40Cr 、40MnB 等。

五、 钢的淬透性

1. 钢的淬透性和淬硬性

淬透性是指钢在淬火冷却时获得马氏体组织的能力。它是钢的固有属性，反映了钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度。

其大小通常用一定条件下淬火后钢的淬透层深度来表示。同样形状和尺寸的工件，用不同的钢材制造，在相同条件下淬火，淬透层越深，其淬透性越好。钢的淬透性主要决定于临界冷却速度。速度越小，过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性就越好。

V 表V 心

图6-3 淬透层深度与冷却速度

淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。

——取

决于马氏体中的 C% 。

淬透性和淬硬性是两个概念，淬硬性好的钢，淬透性不一定好。如碳素工具钢淬火后硬度很高，但淬透性不好；某些低碳合金钢，淬硬性不高，但淬透性很好。

2. 淬透性测定方法

1) 按材料C 曲线位置判定

C 曲线位置右移，钢的淬透性越大。

2) 借临界淬透直径评定

钢材在某中介质中淬火后, 心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径。临界直径越大, 表明钢的淬透性越高。

测定方法：把被测钢制成的不同直径的圆形棒按规定条件进行淬火，然后垂直轴线截断，沿直径方向测定硬度。

图6-5 末端淬火法示意图

3) 末端淬火法测定

图6-6 末端淬火法硬度曲线

试验方法：将试样加热到规定的淬火温度后，从试样末端喷水冷却。沿试样长度方向测出各种冷却速度的不同组织与硬度，绘制出淬透性曲线。

3. 淬透性对钢力学性能的影响

零件淬透后，整个截面各处性能均匀一致。而未淬透部分的组织和性能均不均匀，力学性能明显下降，使零件承受载荷的能力大大下降。

图6-7 淬透性对钢回火后力学性能的影响

4. 影响淬透性的因素

凡能增加过冷奥氏体稳定性的因素，均能增加钢的淬透性。

1) 钢的化学成分

一般来说，在亚共析钢中，淬透性随着含碳量增加而增加；而在过共析钢中，含碳量>1.2%时，淬透性随 含碳量增加而明显下降。除Co 外，大多数合金元素都能显著提高钢的淬透性。

2) 奥氏体化条件

奥氏体化温度升高，保温时间越长，奥氏体经历粗大，成分均匀，碳化物溶解彻底，过冷奥氏体越稳定，从而提高淬透性。

5. 影响具体零件有效淬透深度的因素

1) 钢的淬透性越大，零件的有效淬透深度也越大；

2) 淬火介质的冷却能力越大，零件的有效淬透深度越大；

3) 零件的体积越大，有效淬透深度越小；

4) 零件不同部位和形状对冷却速度有很大的影响。

5) 零件表面粘附塑料、锈斑或污物，会影响冷却速度，使该处淬硬层浅。

6. 淬火缺陷及其防治措施

1) 变形与开裂—淬火时零件中引起的内应力是造成变形和开裂的根本原因。

2) 氧化和脱碳—钢在氧化介质中加热时，氧原子与零件表面或晶界的铁原子形成FeO 的现象称为氧化；在介质中加热，使钢中溶解的碳形成CO 或CH4而降低含碳量的现象称为脱碳。

3) 过热和过烧—零件在热处理时，如果加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒显著长大，这种现象称为过热。如果加热温度过高，使钢的晶界严重氧化或熔化，这种现象称为过烧。

4) 硬度不足和软点—硬度不足是指工件上较大区域内的硬度达不到技术要求；软点是指工件内许多小区域的硬度不足。

5) 防止措施

合理选择刚才与正确设计零件结构。—选择淬透性好的钢；

采用合理的热处理工艺；

采用正确的浸入淬火介质方式；

淬火后及时回火。