45钢高频淬火工艺及性能的研究

1、摘 要本文研究了感应加热表面淬火对于45钢组织性能的影响，采用感应加热表面淬火技术对45钢进行表面强化，通过调整加热时间及感应电流等工艺参数，对所获得试件的淬硬层进行显微硬度测试，利用金相显微镜对试件淬硬层的组织、厚度进行研究分析。同时与正火并调质件进行硬度、金相组织等方面的比较。结果表明经过高频感应加热淬火后45钢的表面性能明显改善，表面为淬火马氏体，而心部仍为正火组织，使得试件既耐磨又有很强的韧性，所得的工艺参数将被作为生产实践的参考依据。关键词： 45钢 高频感应淬火 硬度 AbstractThe effect on the 45 steel performance after the

2、Induction Quenching is studied .we use the Induction Quenching technology to make surface hardening on 45 steel .We adjust Process Parameters such as heating time and induced current and make the Hardened layer hardness test to the specimen that we get .Then we do the micro-hardness test, later on e

3、mbed specimen and make the sample of the specimen .After that we analysis the thickness of Hardened layer on the micro-structural Microscope .For the other group of specimen , In order to obtain similar data with the first group ,we do quenching test of the specimen for measuring microstructure .The

4、 results showed that the 45 steel is improved after Induction Quenching . And the process parameters we got will be as a reference for production practice in the future.Key words： 45 steel High frequency induction quenching hardness 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论- 1 -1.1 感应加热淬火工艺概述- 1 -1.2 感应加热淬火技术的优点与不足-

5、 1 -1.3感应加热淬火技术的应用- 2 -1.4 感应加热淬火技术的发展方向- 3 -1.4.1 感应加热淬火技术的发展- 3 -1.4.2 新型感应加热淬火技术- 3 -1.5 感应加热淬火技术常见质量问题及产生原因- 5 -1.6 45钢感应加热淬火技术的应用与研究- 6 -第2章 工艺方案制定与实验过程- 8 -2.1 总体实验步骤- 8 -2.2 实验材料与设备的选取- 8 -实验材料的选取- 8 -2.2.2 实验设备的选取- 8 -2.3 实验参数与方案的确定- 10 -2.3.1 正火预处理参数与方案的确定- 11 -2.3.2 高频感应加热淬火处理参数与方案的确定- 11

6、-2.3.3 调质处理参数与方案的确定- 11 -2.4实验操作过程- 12 -2.4.1 试件的正火预处理- 12 -2.4.2 试件的高频感应加热淬火处理- 12 -2.4.3 试件的调质处理- 12 -第3章 实验结果分析- 13 -3.1 试件经高频感应加热淬火后硬度的分析比较分析- 13 -相同感应电流下淬火硬度的比较分析- 13 -3.1.2 相同加热时间下淬火硬度的比较分析- 15 -3.1.3 试件回火后和回火前硬度的比较分析- 16 -3.2试件高频感应淬火回火与调质硬度的比较分析- 17 -3.3 金相组织的比较分析- 18 -3.3.1 试件感应加热实验前、后表面特征-

7、18 -3.3.2 试件感应加热实验前、后金相组织- 19 -结 论- 21 -致 谢- 22 -参考文献- 23 -第1章 绪 论 20世纪50年代，感应热处理开始在国内应用，当时此工艺被称做“高周波淬火”。这门热处理新工艺利用线圈电磁感应加热钢铁件是很新奇与吸引人的，它具有加热快、局部淬火、节能、在线生产、便于自动化等特点，很快为热处理工作者所接受。当时感应淬火主要的目标是，提高工件的耐磨性，代替渗碳与氰化，缩短时间周期与降低生产成本1。绪论中旨在介绍感应加热表面淬火技术的基本原理和优缺点、应用与研究现状及发展趋势。1.1 感应加热淬火工艺概述 感应加热：工件放到感应器内，感应器一般是输入

8、中频或高频交流电 (300-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000，而心部温度升高很小。感应加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率，频率越高加热的深度越浅。 高频(10KHZ以上)加热的深度为0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加热，如小模数齿轮及中小轴类零件等。 中频(110KHZ)加热深度为2-10mm，一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。 工频(50HZ)加热淬硬层深度

9、为10-20mm，一般用于较大尺寸零件的透热，大直径零件（直径Ø300mm以上，如轧辊等）的表面淬火。在感应加热表面淬火时产生交变磁场，使得工件中产生出同频率的感应电流。这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到基体接近于0。利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到8001000，而基体温度升高很小。由于感应加热工艺是瞬间的高温、冷却过程，金属表面不仅会因迅速淬火而形成马氏体，而且在经过狭窄的淬硬区后还会得到感应淬火前的预处理基体组织。1.2 感应加热淬火技术的优点与不足感应加热表面淬火技术不仅有效地改善金属的表面性能（如硬度、

10、耐磨性、抗腐蚀性、导热、导电性能等)，与其他常用的表面处理工艺(如渗碳、调质、表面渗氮等)相比，还具有以下优点： （1）加热速度极快，可扩大A体转变温度范围，缩短转变时间。 （2）淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高（23HRC）。脆性较低及较高疲劳强度。 （3）经该工艺处理的工件不易氧化脱碳，甚至 有些工件处理后可直接装配使用。 （4）淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化。 （5）可进行工件局部淬火该技术能精确地将工件需要进行淬火的局部进行进行加热，特别是在采用导磁体和使用高功率密度的情况下。（3）节能热处理其能耗与渗碳、氮化、调质相比具有极大的优势，当工件淬火部位质量与

11、整体质量之差越大时，它的优势也越显著。感应热处理常具有高的附加值。（4）快速热处理感应淬火的加热时间以妙计，一般在214s之内，生产周期亦短，特别是在采用自回火或随机感应回火情况下，此工序与机加工工序相似。为此，现代化的感应加热淬火装备已经安排在生产线或自动线上。（5）清洁热处理感应淬火所用淬火液一般为水或具有添加剂的水溶液，淬火时，几乎没有油烟，劳动环境好。（6）便于机械化及自动化大批量生产的感应淬火，一般均配有进步梁送料、机械手取工件及机器人操纵感应器等减少体力劳动的装置。然而，感应加热表面淬火也有其本身的不足： （7）工具费用高需要专用工装即感应器热处理炉一炉可装多种工件加热、渗碳、氮化

12、，而感应淬火则要求一个部位一种感应器，甚至要求一种专用定位夹具等，因此工具费用高。它只适用于大批量生产一种或一种族的工件。（8）成套装置投资费用高和一般热处理设备相比，感应加热成套装置包括变频电源、淬火机床、感应器，以及附属的冷却水、淬水液循环装置等，其投资费用相对较高，维护技术及费用亦比一般热处理设备高2。1.3感应加热淬火技术的应用高频感应加热表面淬火是表面淬火方法中比较好的一种，主要应用于承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件，要求表面层承受比基体更高的应力或耐磨性，需对工件表面提出强化要求，适于含碳量We=0.400.50%的钢材。目前被运用于重型机械、轴承工业、石油钻井、冶金机械、纺织机

13、械、建筑材料等领域外，还在以下领域得到应用3 4。（1）汽车制造业汽车制造业广泛地采用了热处理技术，感应加热淬火的汽车零部件，已经上升到占全部热处理零件的50%左右。感应淬火的目的除提高零件飞耐磨性以外，相当部分是提高零件的扭转疲劳强度和弯曲疲劳强度。典型零件有曲轴、凸轮轴、飞轮齿圈、半轴、等速万向联轴器、变速叉、传动器轴、十字轴、减震器轴等。（2）拖拉机及工程机械除发动机淬火零件与汽车发动机相似外，其行走部分有许多感应淬火件，例如：驱动轮、导向轮、支重轮、链轨节、销、套、水泵轴、气门摇臂、推土机刀片、拖拉机最终传动齿轮等。（3）机床制造工业机床制造中，感应淬火件有主轴箱的变速齿轮、主轴、变速

14、叉、导轨表面以及各种小零件的耐磨部分。（4）铁路运输60及以上的钢轨全长淬火的提高其强韧性的主要途径之一，铁道部以建立起10多条钢轨感应淬火生产线。此外，机床零件应用感应淬火的内燃机的相关零件,例如：曲轴、齿轮、轴等。1.4 感应加热淬火技术的发展方向 感应加热淬火技术的发展近几年来,国内外感应加热技术在提高产品质量、发挥材料潜力、降低生产成本、改善设备性能、增加淬火装置的容量、发展淬火机床、大量采用穿透感应加热淬火工艺、提高机械化和自动化程度等方面都有了很大进展。其中感应加热电源经历从机械式中频发电机组、电子管式高频电源、晶闸管式中频电源到晶体管超高频和高频电源的发展。其中晶体管器件电源具有

15、集大电流、高耐压和高频于一身的特点,将来最有可能成为感应加热的主导电源。半导体功率器件在今后将向着大容量化、高频、驱动简单、低导通压降、模块化和功率集成化方向发展。随着加热电源的发展，以及零件苛刻的要求，新的感应热处理工艺在提高零件的表面性能方面扮演着越来越重要的角色5。 新型感应加热淬火技术随着工业技术的发展,各种机械设备的性能不断提高。相应的机械零件承载能力,运行品质、体积大小和服役条件也不断升级,因此研究它们的感应淬火表面强化工艺有代表性意义。近年来在零件表面的感应淬火工艺中存在两种不同原理的热处理,包括逐部淬火和在圆柱型感应器内的旋转淬火。出于生产率的考虑和机械零件的特点,目前主要多采

16、用整体加热感应淬火工艺 。而为了能够很好的满足零件苛刻的要求，新型的感应加热淬火技术应运而生。（1）双频感应加热淬火双频感应加热淬火主要用于齿轮的表面强化。从20世纪90年代,美国采用中频和高频电源处理齿轮,先在中频感应器中加热,然后迅速降到高频感应器中加热,最后落入油中淬火。进入21世纪,直到最近几年,美国公司6提出同时用双频感应加热进行表面淬火,实现了齿轮的轮廓淬火。双频电流齿轮淬火是用中频电流预热齿轮齿沟部分,随后立即用高频电流加热齿顶部分 ,得到沿齿轮廓的淬硬层。在汽车齿轮生产上应用此种工艺,不但能同时加热,且能扫描加热。双频感应加热淬火的特点主要有：双频感应加热速度快、时间短、奥氏体

17、晶粒不易长大,使表层呈细晶结构;快速加热形成不均匀的奥氏体,转变后的马氏体组织中,残余奥氏体数量较少;淬火时表层产生的压应力对提高硬度也有一定影响。双频加热淬火技术可以得到更好的仿形淬硬层,对于提高齿轮疲劳强度、减小淬火变形等非常有利。（2）双频感应加热技术双频感应加热是在一个感应圈上同时供给中频和高频能量,即在一个感应圈上施加掺和频率,由一个中频基础振荡迭加一个高频振荡组成。两种频率(MF和HF)的振幅能独自控制,同时能调整MF和HF的输出份额,齿面淬硬程度优于齿根和齿顶,能达到工件的技术要求。这种同时双频感应加热能实现加速奥氏体化,具有热处理质量高、生产率高和变形小的优点,能适应今天的经济

18、发展需求,这要归功于能获得极细小的奥氏体晶粒和加热时间短。也使它能实现自淬火,高能量的迅速加热只加热工件的表面层,下方的冷基体能很快传热,实现淬硬。（3）感应加热气体渗氮及碳氮共渗感应加热气体渗碳及碳氮共渗是将需要渗氮或氮碳共渗的零件感应加热到560,保温一定时间。加热过程通人氨气进行渗氮。改变加热温度、时间和通入的氨气流量得到不同的渗层深度和渗层硬度。感应加热气体渗氮具有升温速度快,能在选定部位进行局部渗氮、供给渗氮的活性氮原子充足、有脉冲渗氮和磁场渗氮特点、生产周期短、渗氮层脆性低等特点。（4）液体介质感应渗碳液体介质感应渗碳是将处理工件和感应加热器一起浸于特殊的冷的液态活性介质中,介质具

19、有不同的化学组份和物理性能。选择合理工艺参数,在同一活性介质中冷却。感应渗碳过程中工件表面受感应高频电流加热,高密度和精确限定的高频能量迅速加热工件表面层至材料熔点以下的某一温度。液体活性介质在工件表面直接分解,产生大量原子态高活性碳,工件表面吸收并扩散至一定深度。一般适用于钢件、Ti合金和一些超合金 。这种新技术能确保处理工件的高的质量、一致可靠的性能和长的服役寿命。同时能节约成本、能源、材料和环境保护费用。（5）高频电阻感应加热表面淬火高频电阻感应加热表面淬火7 8是把工件要淬硬的部分作为感应器导体回路的一部分,用高频电流对工件表面同时感应加热和电阻加热,实现表面淬火。通高频电流时,工件表

20、层的一部分直接通电,由自身的电阻加热。与此同时,感应器附近的工件表面产生感应电流,见图,两种作用加热工件的表层和表面,达到淬火温度后,切断电源。更换不同的感应器,可以加热不同形状的工件表面。由于加热速度极快,加热部分仅限于某一范围,周围及深处冷的部分迅速导热,使加热区激冷,实现自冷淬火。与传统的高频加热相比,工件表面加热电流更集中、密度更大、加热速度更快。因此可以对工件表面实施高能量热处理。高频感应电阻加热表面淬火的特点：适用于齿条轴的齿条淬火和各种凸轮轴汽缸内表面的强化。功率密度高、加热速度快、畸变小、淬硬层浅。不需淬火介质,真空室等,无需发黑化处理。（6）高频脉冲感应加热表面淬火用高频脉冲

21、感应加热进行淬火,使用2030MHz的高频脉冲,通过感应圈在毫秒级极短时间内使工件表面急速加热到淬火温度,然后自冷。高频脉冲感应加热综合感应加热与高频脉冲加热的某些特点,与其他热处理工艺比较,淬火后具有高硬度、高耐磨性、良好的韧性和疲劳强度、以及微变形等特点。而且相应的设备投资少,维修简单。感应脉冲加热淬火后的超常硬化,是有效的晶粒细化,高密度亚结构及高的残余应力综合作用的结果9。1.5 感应加热淬火技术常见质量问题及产生原因感应热处理常见的质量问题有开裂、硬度过硬或过低、硬度不均匀、淬硬层过深或过浅、淬硬层深度不均、表面局部烧熔等10。其原因归纳如下：（1）开裂原因加热温度高、不均匀，冷却过

22、快且不均匀；淬火液选择不当，冷却速度过大；材料淬透性偏高，成分偏析，含有毒元素，存在缺陷；零件结构设计不合理，技术规范不当。（2）淬硬层深度过深或过浅的原因加热功率过高（低）且加热时间过长（短）；电源频率选择不当，并且在此情况下又没有选择合理的比功率与加热时间；材料的淬透性过高或者过低；淬火液的温度、压力、成分选择不当。（3）硬度过高或过低原因材料含碳量偏高或偏低；回火温度偏低或过高且回火时间不当；淬火液成分、压力、温度选择不当；材料表面脱碳；淬火加热温度低组织尚未转变等。（4）表面硬度不均匀的原因感应器结构不合理；引起加热、冷却不均匀；材料原始组织不良（带状组织、偏析、局部脱碳）。（5）表面

23、局部烧熔的原因 感应器结构不合理；加热时间过长；工件带有尖、角、孔、槽；表面有缺陷；连续加热或半圈旋转加热时，移动或旋转过程中有突然停止现象。1.6 45钢感应加热淬火技术的应用与研究45钢是优质碳素结构钢，车轴是其中的一个应用方向，对45钢进行合理的热处理能有效提高车轴的使用寿命。车轴是一个变直径的圆柱体 ,要实现全长表面淬火在很大程度上取决于感应器的结构设计与制造。加热用感应器的设计应主要考虑 使被加热零件的表面温度均匀; 感应器损耗小 ,电效率高; 感应器冷却良好; 制造简单 ,有足够的机械强度 ,操作使用方便。车轴加热感应器用矩形紫铜管制造成圆形感应器 ,并通水冷却 ,零件加热后由用附

24、带喷水圈进行喷射冷却。为了保证在感应加热中尽可能地减少漏磁 ,提高加热效率 ,感应器与零件之间的间距尽可能小 ,但要有足够的间隙 ,保证使感应器能与车轴的相对运动顺利进行10。首先，我国的机车、车辆均采用优质碳素钢车轴 ,纵观总体情况 ,应该说碳素钢车轴是成熟的、可靠的。对于高速列车车轴材料是选碳素钢还是合金钢 ,我国还没有成熟的技术。由于各国的国情不同 ,技术观点不同 ,选用的车轴材料不尽相同 ,但都属于低碳钢范畴11。在调质或正火的基础上再施加表面感应淬火强化处理 ,可使服役寿命成倍地延长。因此 ,这是提高车轴使用寿命的一种重要工艺方法。表面感应强化对提高车轴的弯曲或扭转疲劳强度、减少对缺

25、口的敏感性和应力集中十分有效。表面感应淬火后 ,由于心部高的有效韧性和塑性 ,允许其硬化层有较高的硬度 ,以保持高的耐磨性、 强度和残余压应力 ,充分发挥材料抗疲劳的潜力。国外对车轴高频感应淬火从过去的局部淬火、 分段淬火 ,发展到现在的表面全长淬火。其次，加热温度和加热时间当材料和原始组织一定时,相变温度随着加热速度增大而提高,为得到合格的淬火组织,相应的淬火温度也随之提高。车轴感应加热升温速度一般在 30100 / s ,45钢车轴的表面淬火加热温度选择 890960 为佳 ,为了获得较深的淬硬层深度 ,选择上限加热温度。较长的加热时间和较高的加热温度 ,可获得较深的加热深度 ,反之 ,加

26、热深度较浅。 据文献介绍12 13，45钢易淬裂的尺寸范围为511mm，截面尺寸过小或过大均不易淬裂。由于由于车轴直径较大 ,需要加热深度较深 ,因此 ,选择加热功率 150220kW ,加热时间 615s ,加热温度 920960 。 第2章 工艺方案制定与实验过程2.1 总体实验方案本章根据对感应加热淬火技术的了解，利用现有的实验手段和已掌握的实验技术，选取相应的实验设备，制定实验参数，对45钢正火预处理，然后进行高频感应加热淬火处理与调质处理。并测量试件经感应加热淬火与调质后的硬度，最后观察试件感应加热淬火后的进行组织。先对原始正火组织的45钢试件采用不同的加热时间参数和不同的感应电流参

27、数，对具有等同的原始正火组织的45钢进行高频感应加热表面淬火处理，并进行水淬，然后进行显微硬度的测量，比较几组实验数据。选出性能最优的试件进行金相组织的测试和观察。之后进行回火。然后对具有等同的原始正火组织的45钢进调质热处理，之后进行显微硬度的测量。并和感应加热淬火并回火的试件进行比较。2.2 实验材料与设备的选取实验材料的选取 本实验选用的是实验室中的20mm的45钢棒材，使用切割机将其截成11个高度为10mm的试件备用。2.2.2 实验设备的选取本课题研究的是车轴（45钢）高频感应加热淬火热处理，拟采用不同的加热功率、温度、时间、冷却、回火等工艺参数的组合，通过检测试件截面硬度、金相组织

28、等进行对比，以期获得45钢车轴优异的机械性能，从而探究出高频感热处理的优化工艺，为工具生产制造提供新的工艺途径。所以选取合适的实验设备可以让预设的各种参数和测量出的数据精确而全面。（1）SP-15系列中、高频感应加热焊接设备（图2-1）图2-1主要用途：金刚石工具焊接、车刀焊接、贵金属熔炼、锤子淬火、钻头热轧。技术参数：最大振荡功率：15KVA 振荡频率：30100KHZ 输入电压：单相220V,50或60HZ 冷却水要求：0.2Mpa,25L/min负载持续率：80% 自动控制型的计时功能：加热时间、保温时间、冷却时间(199s)分体式主分机连线长度：2m（最长可定制6m）主要特点：采用MO

29、SFET功率器件和我公司第一代变流控制技术。特别轻巧，只有1830KG左右。操作简单，几分钟即可学会。安装简单，只需接电源和水即可，无需专人安装。自动控制型可调节加热、保温过程的功率和时间，有利于提高加热质量的重复性简化工人操作。分体式机型主要用于工作环境脏、高温、有腐蚀性等恶劣条件。（2）Leica DMI5000MMDS倒置金相显微镜及图像分析系统（图2-2） 用于观察分析材料的金相显微组织，具有高性能无限远光学系统、完善的观察功能、先进的图像采集分析系统，可进行自动智能管理、控制操作、图像分析并生成报告。主要技术指标：光学系统：校正多重色差，消除杂散光干扰目镜：25mm宽视场双目镜物镜：

30、5、10、20、50、100倍平场复消色差物镜转盘：5位电动控制观察方式：明场、暗场、偏光载物台：127x83mm移动范围操作规程：根据要求选择目镜、物镜、样品托盘，从干燥器取出放于镜座上。接通电源，启动主机和控制系统。调节载物台的机械中心与显微镜光轴重合。将充分清洁、干燥的金相试样放于载物台上。粗调旋钮，视场逐渐变亮，微调至图像清晰。调节物台旋钮找到试样的观测区域。调节光强、孔径光阑和视场光阑至视场亮度适中，图象反差依需要而定。进行金相组织观察、摄取、保存及分析。工作结束，关闭电源，取下物镜、目镜放于干燥器中，盖上镜筒防尘盖，载物台调至低位。罩上仪器罩，清理实验现场，填写仪器使用记录。 图2

31、-2 图2-3（2）HXD-1000TMC/LCD显微硬度计及图象分析系统（图2-3）仪器用于测定精密零件、金属组织及渗碳等硬化层的显微硬度，完成硬化层深度测量及曲线绘制，能够进行数据测量、统计分析、报告存储打印。还可用于观察和拍摄金相显微组织。包括机体、升降工作台、物镜压头转塔、自动加载机构、摄像照明系统、测微目镜系统、控制系统、图象分析系统等。主要技术指标：实验力：1000、500、300、200、100、50、25、10gf实验力保持时间： 560秒（12级）仪器操作规程：确认仪器处于正常工作状态，将试样用不同方法固定在工作台上，并粗调高度，严禁碰撞物镜和压头。接通电源，启动主机和控制系

32、统，选择载荷大小及保荷时间。微调手轮，视场逐渐变亮，至试样表面像清晰为止。转动微分筒找到试样的待测部位。进行自动加载测量程序，测定各点压痕对角线长度及显微硬度。测试中，如需调校压痕位置和照明系统等，应主动报告。测试完毕，关闭电源，将仪器恢复到使用前状态，物台降至低位。盖上仪器罩，清理实验现场，填写仪器使用记录。2.3 实验参数与方案的确定2.3.1 正火预处理参数与方案的确定 正火是将钢加热到Ac3或Acm以上3050保温，钢全部转化为均匀的奥氏体然后在室温的静止空气中自然冷却。本实验须先将所有试件进行正火预处理，置于960箱式电阻炉中加热15min后取出，在空气中自然冷却。2.3.2 高频感

33、应加热淬火处理参数与方案的确定钢制零件感应加热表面淬火后的组织与钢号（即成分）、感应加热表面淬火前的原始组织、感应加热淬火条件（电流频率）、感应加热表面淬火时间以及回火等有关。所以只有在考虑以上因素的情况下才能通过实验手段获得理想的实验数据，达到实验的目的。根据现有感应加热设备，原始组织为正火组织的45钢，在感应加热表面淬火时需要确定的是：加热时间、感应电流、回火时间和温度。其中，对于加热时间和感应电流这两项重要的实验参数来说，不能确定在什么样的时间和电流下能够达到预期的目的，故而需要进一步采用实验手段来寻找最佳的实验参数。其余工艺参数比较成熟，根据所查文献可以得出：45钢平均含碳量为0.46

34、%，淬火方式为水淬；加热温度9101000；回火温度200，回火时间1h。对于实验的分组，由于感应加热设备没有频率旋钮，所以用不同感应电流来模拟频率，本实验选择在三种不同感应电流下而且每一电流值下分别加热5s、8s、11s。具体感应电流值为297A、355A、400A，将试件分别标为19。2.3.3 调质处理参数与方案的确定 调质是淬火加高温回火热处理，其回火的温度主要依据钢的回火抗力和技术条件而定。目前已对各种工业用钢测出了其机械性能随回火温度变化的曲线，可以为选择回火温度的依据。目的是使工件具有良好的综合机械性能。调质淬火时要求整个截面淬透（而感应加热表面淬火则会形成一定的淬硬层），钢经高

35、温回火后，得到由铁素体和弥散分布于其中的细粒状渗碳体组成的回火索氏体组织。45钢的调质工艺较为传统和成熟，其冷加工性能不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点的淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。将预备进行调质处理的试件标记为10，45钢的淬火温度在900左右，保温时间为1020min。保温完成后立即投入水中进行淬火，此操作要求迅速，以免试件发生正火，使硬度降低。45钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560600，保温时间1h，之后空冷。2.4实验操作过程2.4.1 试件的正火预处理将11个截取好的相同45钢试件置于已加热至960的三相电阻炉中，保温1h以上

36、，然后取出放在干燥清洁的地方空冷，准备感应加热表面淬火实验。并取出一个试件测试其洛氏硬度和维氏硬度并观察其显微组织，和其他处理作对照，此试件标为11。2.4.2 试件的高频感应加热淬火处理按照感应加热设备使用说明安装其附件，并按照设计的实验参数调节设备；然后按照2.3.2中操作规程逐个对试件1-9进行感应加热表面淬火。测试9个试件不同加热时间、不同感应电流下截面淬硬层的维氏硬度，打开金相显微镜的电源，将试件放在金相显微镜上，摆正试件，调节焦距进行观察，调整视野，选择较理想的镜头进行拍照。拍照按照从边缘到基体的顺序进行，从而便于分析试件边缘至基体组织的变化，并对比感应加热淬火前的维氏硬度。 试件

37、的调质处理 将三相电阻炉加热到900，然后将试件10放入炉中加热15min，取出后立即投入水中进行淬火，然后将其放入另一加热到600的炉中保温1h，取出空冷。测量它的维氏硬度。第3章 实验结果分析3.1 试件经高频感应加热淬火后硬度的分析比较分析通过对试件11的硬度数据的分析，表明试件在感应加热表面淬火前的硬度介于15HRC20HRC之间，而在采用不同加热时间和不同感应电流参数进行感应加热表面淬火时，各试件的硬度、淬硬层不尽相同。本章以相同感应电流不同加热时间和相同加热时间不同感应电流两大板块对实验结果进行归纳和分析。相同感应电流下淬火硬度的比较分析在相同感应电流时，试件1-9分别确定感应电流

38、为297A、355 A、400A下采用加热时间有5s、8s、11s，现对在297A、355 A、400A感应电流下各试件在不同加热时间时的硬度数据进行分析。分别见表4-1、4-2、4-3。表4-1 297A时各试件截面的显微硬度（HV）分布(mm)距边缘距离试件及时间0.20.40.60.81.01.21.62.03.04.06.0试件15s214.8210.2197.4209.7208.7227.3204.4240.0235.1229.4210.8试件28s 246.0266190.3224.0209.2208.1212.9198.8180.6178.4179.6试件311s543.8499

39、.1314.1262.1251.6228.4219.1219.8223.9220.3210.2 表4-2 355A时各试件截面的显微硬度（HV）分布(mm)距边缘距离试件及时间0.20.40.60.81.01.21.62.03.04.06.0试件45s237.0244.9206.9221.0225.9213.5210.5196.8198.7200.3195.6试件58s 711.1807.9624.5513.6506.4463.0248.3232.6220.7210.4200.8试件611s705.1639.2462.7487.3422.2386.5356.4342.5265.4220.519

40、9.5表4-3 400A时各试件截面的显微硬度（HV）分布(mm)距边缘距离试件及时间 0.20.40.60.81.01.21.62.03.04.06.0试件75s260.8259.1242.2238.3227.0230.5228.5241.7206.2187.8200.2试件88s 556.2592.0730.1698.8509.7486.5450.2421.3226220.5200.8试件911s565.4598.7700.5356.5229.4225.6220.4210.5210.5204.5195.6通过对表4-1、4-2、4-3的分析，将各组数据进行了系统的归纳，并利用Excel，将

41、各试件在297A、355 A、400A感应电流下感应加热表面淬火后的硬度值进行了编辑，具体各组数据的变化，请详见图4-1、4-2、4-3。图4-1 297A时各试件截面的显微硬度（HV）分布图4-2 355A时各试件截面的显微硬度（HV）分布图4-3 400A时各试件截面的显微硬度（HV）分布由图4-1、4-2、4-3，可以归纳为以下几点：（1）在相同感应电流下，随着加热时间不断增加，试件淬硬层不断增加，截面边缘向基体硬度基本上是逐渐升高，而基体硬度基本保持不变。可以说明随着加热时间的延长，试件表面硬度也随之增加，而基体硬度基本不变，符合零件表面强化工艺的范畴。（2）靠近表面0.4mm内的硬度

42、值呈现逐渐上升的趋势，这是试件表面的氧化层部分-试件4的存在，造成边缘开始部分没有达到应有的硬度值。3.1.2 相同加热时间下淬火硬度的比较分析由上面的数据中取出在8s下试件2、5、8在感应电流为297A、355 A、400A的硬度数据进行分析。见表4-4。表4-4 8s时试件在297A、355 A、400A下各截面显微硬度（HV）分布(mm)距边缘距离试件及电流 0.20.40.60.81.01.21.62.03.04.06.0试件2297A246.0266190.3224.0209.2208.1212.9198.8180.6178.4179.6试件5355 A711.1807.9624.5

43、513.6506.4463.0248.3232.6220.7210.4200.8试件8400A556.2592.0730.1698.8509.7486.5450.2421.3226220.5200.8为了便于分析、突出重点，本节特别取出加热时间为8s时试件2、5、8在感应电流为297A、355 A、400A下的截面显微硬度数据进行分析。关于试件在感应电流为297A、355 A、400A下截面显微硬度分布情况，请见图4-4。图4-4 8s时试件在297A、355 A、400A下各截面显微硬度（HV）分布通过对图4-4的分析，发现试件在相同加热时间、不同感应电流（即相同的感应频率）下的感应加热表面

44、淬火，其表面硬度值分布不同。可以说明随着感应电流的增加，试件截面边缘区域硬度值明显增加，淬硬层本应不断降低，而试件8时比试件5淬硬层厚可能是由于试件淬火时未置于感应线圈的中心。3.1.3 试件回火后和回火前硬度的比较分析对试件5进行200回火处理，保温1h后，再对实验5进行显微硬度测试与回火处理前进行比较分析，其结果总结如下：试件5进行200回火、保温1h处理后，其截面硬度值分布与处理前截面硬度值分布详见表4-5，图4-5。表4-5 试件5回火前后显微硬度分布(mm)距边缘距离试件及回火 0.20.40.60.81.01.21.62.03.04.06.0试件5回火前711.1807.9624.

45、5513.6506.4463.0248.3232.6221.5220.7210.4回火后675.4775.1565.2460.7420.2400.7200.9204.2201.8202.3222.3图4-5试件5回火前后显微硬度分布通过对由试件5回火前、后的截面硬度值分布分析，发现试件回火后的截面硬度由边缘向基体的变化与回火前相比有所降低，减小了裂纹发生的可能性，提高了韧性，而且淬硬层约为1.6mm，在允许的范围内。3.2试件高频感应淬火回火与调质硬度的比较分析试件10在调质处理时，首先考虑的是如何保证试件的综合机械性能，其次考虑的便是硬度的要求。通过对试件截面显微硬度的分布测试，其具体数据和

46、变化趋势见表4-6、图4-6。表4-6 试件10、5的截面显微硬度（HV）分布变化距边缘距离试件及处理方法 0.20.40.60.81.01.21.62.03.04.06.0试件10调质后262.1292.4294.7273.1271.7267.6264.9270.4270.3271.2265.9试件5回火后725.6835.4621.1505.2300.7320.2200.7200.9204.2201.8202.3图4-6 试件10、5的截面显微硬度（HV）分布变化根据试件10、5的截面显微硬度变化，感应加热表面淬火使得零件表面硬度得到提高。而调质使零件整体的体机械性能提高，只是和表面感应淬

47、火相比硬度值较低。虽然两者均符合对车轴的技术要求，但是在实际的生产操作可行性、难易性、损耗性等角度进行分析可以发现对车轴高频感应加热淬火工艺要相对优于其调质工艺。从实际可行性角度进行分析，发现两种工艺均具有操作可能，高频感应加热淬火工艺可以对车轴进行局部的强化处理，由于其加热时间短、升温快不会影响内部性能；调质工艺需要长时间加热。从难易程度进行分析，发现高频感应处理工艺由于加热时间短、升温快完全可以采用机械手进行夹持操作，能够实现大批量流水线作业；而调质处理工艺操作步骤多、时间长难以实现机械化。从损耗性角度进行分析，前者设备主要为感应加热设备，而后者则需要两种以上加热设备；在材料消耗方面，前者

48、机械化高，生产效率明显由于后者，降低了成本。所以对车轴的高频感应热处理工艺可以作为实际生产的参考依据。3.3 金相组织的比较分析3.3.1 试件感应加热实验前、后表面特征图4-7 试件表面特征通过观察各试件实验前、后的表面特征，在图4-7中可以非常清晰的看到经过感应加热表面淬火的试件截面靠近边缘的淬硬层，并且由于手工操作，试件不可能在感应线圈的正中心造成靠近感应线圈一边的淬硬层较厚。3.3.2 试件感应加热实验前、后金相组织（1）试件在感应加热之前正火的金相组织（见图4-8）通过对图4-8的观察，发现在试件没有经过感应加热表面淬火时，其截面组织为正火组织（粗大的铁素体和珠光体）。其正火组织硬度

49、值较低，强韧性不高，使得制成的车轴的耐磨性、使用寿命低。因此利用感应加热表面淬火强化零件表面可以大大提高硬度值以及使用寿命，并且改善了试件表面组织。 图4-8 基体组织（2）试件经过感应加热情况下的金相组织（见图4-9） （a）距边缘0.4mm （b）距边缘0.8mm （c）距边缘1.6mm （d）距边缘3.0mm图4-9 由边缘到心部的金像显微组织通过对图4-9金相组织的观察，发现试件5经过高频感应加热淬火后，试件截面边缘组织中出现马氏体组织。越往内试件逐渐变为基体组织，即淬火前的正火组织。结 论45钢试样经过高频感应淬火与调质处理后，通过硬度测试与显微组织观察，得到以下结论：（1）45钢在相同感应电流下，随着加热时间不断增长，表面硬度明显提高，但淬硬层厚度也不断增加；（2）45钢在相同感应加热时间下，随着感应电流值不断升高，45钢表面硬度明显提高，催硬层厚度不断降低；（3）通过各组数据的比较，得出工艺参数在加热时间为8s、感应电流值为355A时，试件表面硬度明显提高，由200Hv变为800Hv左右，并且淬硬层约为1.6