材料与热处理(项目六)

1、项目六项目六 钢的表面热处理钢的表面热处理6.1表面火焰淬火表面火焰淬火6.2表面感应淬火表面感应淬火6.1表面火焰淬火表面火焰淬火 钢的表面淬火一般分为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬钢的表面淬火一般分为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火等。表面淬火使工件表层得到高硬度的淬火马氏体，而心部火等。表面淬火使工件表层得到高硬度的淬火马氏体，而心部仍然保持原有的韧性。仍然保持原有的韧性。下一页返回6.1表面火焰淬火表面火焰淬火6.1.1表面火焰淬火的原理表面火焰淬火的原理 火焰加热表面淬火是一种利用乙炔一氧气或煤气一氧气混火焰加热表面淬火是一种利用乙炔一氧气或煤气一氧气混合气体的燃烧火焰，将工件表

2、面迅速加热到淬火温度，随后以合气体的燃烧火焰，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。火焰加热表面热处理，如织不变的工艺方法。火焰加热表面热处理，如图图6-1所示。所示。上一页 下一页返回6.1表面火焰淬火表面火焰淬火6.1.2表面火焰淬火的应用表面火焰淬火的应用 火焰加热表面淬火的优点是火焰加热表面淬火的优点是:设备简单、操作方便、成本低、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，工件大小不受限制，特别适用于大型工件、单件和小批量

3、生产，淬硬层深度一般为淬硬层深度一般为26 mm。缺点是淬火硬度和淬透性深度。缺点是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熟练程度;生产效率低，只适合单件和小批量生产。常用于轧生产效率低，只适合单件和小批量生产。常用于轧钢机齿轮、轧辊钢机齿轮、轧辊;矿山机械齿轮、轴矿山机械齿轮、轴;普通机床导轨、齿轮等零普通机床导轨、齿轮等零件。件。上一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火6.2.1表面感应淬火的原理表面感应淬火的原理 表面感应淬火是利用电磁感应原理，将工件置于用铜管制表面感应淬火是利用电磁感应原

4、理，将工件置于用铜管制成的感应圈中，通以一定频率的交变电流，铜管中产生的交变成的感应圈中，通以一定频率的交变电流，铜管中产生的交变磁场在工件内产生一定频率的感应电流磁场在工件内产生一定频率的感应电流(涡流涡流)，利用工件的电，利用工件的电阻而将工件加热。由于感应电流的集肤效应，靠近工件表面电阻而将工件加热。由于感应电流的集肤效应，靠近工件表面电流密度最大，而工件心部电流几乎为零，使工件表层被快速加流密度最大，而工件心部电流几乎为零，使工件表层被快速加热至奥氏体化，随后立即快速冷却，在工件表面获得一定深度热至奥氏体化，随后立即快速冷却，在工件表面获得一定深度的淬硬层，如的淬硬层，如图图6 -2所

5、示。所示。 按所用电流频率不同，感应淬火分三种按所用电流频率不同，感应淬火分三种:下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火(1)高频感应淬火。常用频率为高频感应淬火。常用频率为200300 Hz，淬硬层深度，淬硬层深度为为0. 52 mm，主要用于要求淬硬层较薄的中、小模数齿轮，主要用于要求淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸轴类零件等。和中、小尺寸轴类零件等。(2)中频感应淬火。常用频率为中频感应淬火。常用频率为2 5008 000 Hz，淬硬层，淬硬层深度为深度为210mm，主要用于大、中模数齿轮和较大直径轴类，主要用于大、中模数齿轮和较大直径轴类零件等。零件等。(3)工频感应淬火。电流

6、频率为工频感应淬火。电流频率为50 Hz,淬硬层深度为淬硬层深度为10 20 mm。主要用于大直径零件。主要用于大直径零件(如轧辊、火车车轮等如轧辊、火车车轮等)的表的表面淬火和大直径钢件的穿透加热。面淬火和大直径钢件的穿透加热。上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火6.2.2表面感应淬火的应用表面感应淬火的应用 电流透入工件表层的深度主要与电流频率有关，频率越高，电流透入工件表层的深度主要与电流频率有关，频率越高，透入层深度越小。对于碳钢，淬硬层深度与电流频率存在以下透入层深度越小。对于碳钢，淬硬层深度与电流频率存在以下关系关系式中，式中，为淬硬层深度为淬硬层深度(mm) ; f为

7、电流频率为电流频率(Hz) 。可见，电流频率越大，淬硬层深度越薄。因此，通过改变交流可见，电流频率越大，淬硬层深度越薄。因此，通过改变交流电的频率，可以得到不同厚度的淬硬层，生产中一般根据工件电的频率，可以得到不同厚度的淬硬层，生产中一般根据工件尺寸大小及所需淬硬层的深度来选用感应加热的频率。尺寸大小及所需淬硬层的深度来选用感应加热的频率。上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火 感应加热表面淬火一般适用于中碳钢和中碳低合金钢感应加热表面淬火一般适用于中碳钢和中碳低合金钢(含碳含碳量量0. 4 %0.5%)，如，如45 , 40Cr, 40MnB等，可使齿轮、等，可使齿轮、轴类零件的表

8、面硬化，提高耐磨性和疲劳强度。表面淬火零件一轴类零件的表面硬化，提高耐磨性和疲劳强度。表面淬火零件一般先通过调质或正火处理，使心部保持较高的综合力学性能，表般先通过调质或正火处理，使心部保持较高的综合力学性能，表层则通过表面淬火层则通过表面淬火+低温回火获得高硬度、高耐磨性。低温回火获得高硬度、高耐磨性。 一般感应加热淬火零件的加工工艺路线为一般感应加热淬火零件的加工工艺路线为:下料一锻造一退火下料一锻造一退火或正火一粗加工一调质一精加工一表面淬火一低温回火一或正火一粗加工一调质一精加工一表面淬火一低温回火一(粗磨粗磨一时效一精磨一时效一精磨)。 表面感应淬火的质量好，表层组织细密、硬度高、脆

9、性小、表面感应淬火的质量好，表层组织细密、硬度高、脆性小、疲劳强度高疲劳强度高;生产效率高、便于自动化，但设备较贵，不适于单生产效率高、便于自动化，但设备较贵，不适于单件和小批量生产。主要适用于轴类、齿轮类、工模具等零件，件和小批量生产。主要适用于轴类、齿轮类、工模具等零件，上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿山机械等上的大模数齿轮，花键轴、汽车半轴机车、冶金、矿山机械等上的大模数齿轮，花键轴、汽车半轴和机床主轴轴颈、凸轮轴、撞杆、钻杆、轧辊、火车轮等。和机床主

10、轴轴颈、凸轮轴、撞杆、钻杆、轧辊、火车轮等。上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火6.2.3淬透性淬透性1.淬透性与淬硬性的概念淬透性与淬硬性的概念钢的淬透性是指钢在淬火时能够获得马氏体组织的倾向钢的淬透性是指钢在淬火时能够获得马氏体组织的倾向(即钢即钢被淬透的能力被淬透的能力)，它是钢固有的一种属性。淬透性也叫可淬透，它是钢固有的一种属性。淬透性也叫可淬透性，它取决于钢的淬火临界冷却速度的大小。性，它取决于钢的淬火临界冷却速度的大小。淬硬性是指钢在正常的淬火条件下，所能达到的最高硬度。淬淬硬性是指钢在正常的淬火条件下，所能达到的最高硬度。淬硬性主要与钢中的碳含量有关，即淬火加热时固

11、溶于奥氏体中硬性主要与钢中的碳含量有关，即淬火加热时固溶于奥氏体中的含碳量。奥氏体中固溶的含碳量越高，淬火后马氏体的硬度的含碳量。奥氏体中固溶的含碳量越高，淬火后马氏体的硬度也越高。也越高。2.影响淬透性的因素影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷却速度钢的淬透性取决于临界冷却速度vK的大小的大小,C形曲线越右，形曲线越右，上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火 vK越小的钢淬透性越好。而影响越小的钢淬透性越好。而影响:、的基本因素是钢的化学成、的基本因素是钢的化学成分和奥氏体化条件。分和奥氏体化条件。(1)化学成分的影响。钢加热时溶于奥氏体中的碳和合金元素化学成分的影响。钢加热时溶

12、于奥氏体中的碳和合金元素(Co除外除外)越多，越多，C形曲线越向右移，淬透性就越好。因此，在形曲线越向右移，淬透性就越好。因此，在正常条件下，合金钢比碳钢好。在碳钢中，亚共析钢的淬透性正常条件下，合金钢比碳钢好。在碳钢中，亚共析钢的淬透性随含碳量的增加而增加，对于过共析钢，由于未溶渗碳体会降随含碳量的增加而增加，对于过共析钢，由于未溶渗碳体会降低奥氏体的稳定性，其淬透性则随含碳量的增加而降低。低奥氏体的稳定性，其淬透性则随含碳量的增加而降低。(2)奥氏体化条件的影响。奥氏体化温度越高，保温越充分，奥氏体化条件的影响。奥氏体化温度越高，保温越充分，则奥氏体晶粒越粗大、成分越均匀，因而过冷奥氏体越

13、稳定，则奥氏体晶粒越粗大、成分越均匀，因而过冷奥氏体越稳定，C形曲线越向右移，形曲线越向右移， vK越小，淬透性就越好。越小，淬透性就越好。上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火3.淬透性的测定方法淬透性的测定方法(1)断口检验法。它是根据试样断口呈现的状态来评定钢的淬断口检验法。它是根据试样断口呈现的状态来评定钢的淬透性。由于硬脆的淬硬层透性。由于硬脆的淬硬层(马氏体马氏体)和柔韧的未淬硬层和柔韧的未淬硬层(珠光体珠光体或贝氏体或贝氏体)在断口上有明显的区别，前者晶粒细致，呈绢状断在断口上有明显的区别，前者晶粒细致，呈绢状断口口;后者呈粗粒状断口，易于将淬硬层深度测出，故可根据断后

14、者呈粗粒状断口，易于将淬硬层深度测出，故可根据断口来评定钢的淬透性。此法主要适用于碳素工具钢，而低合金口来评定钢的淬透性。此法主要适用于碳素工具钢，而低合金工具钢也可参照使用，详见国标工具钢也可参照使用，详见国标GB 227-1963碳素工具碳素工具钢淬透性试验法钢淬透性试验法。(2) U形曲线法。形曲线法。U形曲线法采用长度为直径形曲线法采用长度为直径46倍的圆柱形倍的圆柱形试样，以保证在淬火时可使试样中部不直接受端部强烈冷却的试样，以保证在淬火时可使试样中部不直接受端部强烈冷却的影响。将一组不同直径的试样经奥氏体化后在一定的淬火介质影响。将一组不同直径的试样经奥氏体化后在一定的淬火介质(如

15、水、盐水、油如水、盐水、油)中冷却，然后从试样中部切开，经磨平后中冷却，然后从试样中部切开，经磨平后上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火 自试样表面向内每隔自试样表面向内每隔2mm的距离测定硬度值，并将所测结的距离测定硬度值，并将所测结果绘成硬度分布曲线。淬硬性的高低可用淬硬层深度果绘成硬度分布曲线。淬硬性的高低可用淬硬层深度h或或DH/D来表示来表示(D为试样直径为试样直径;DH为未淬硬层直径为未淬硬层直径)。 U形曲线法大多用于结构钢，其优点是直观、准确，与实际形曲线法大多用于结构钢，其优点是直观、准确，与实际淬火情况比较接近淬火情况比较接近;缺点是比较费时，不适合于大批量生产

16、。缺点是比较费时，不适合于大批量生产。 (3)临界直径法。将材料做成各种不同直径的一组圆柱体试临界直径法。将材料做成各种不同直径的一组圆柱体试样，按规定的条件淬火后，可找出其中截面中心恰好是含样，按规定的条件淬火后，可找出其中截面中心恰好是含50%马氏体组织的一根试样，该试样的直径称为临界淬透直马氏体组织的一根试样，该试样的直径称为临界淬透直径，以径，以D0表示，若小于此直径时均可被淬透，而大于此直径时表示，若小于此直径时均可被淬透，而大于此直径时不能被淬透。若钢材及淬火介质不同，不能被淬透。若钢材及淬火介质不同， D0也不同。显然，在也不同。显然，在同样条件下，同样条件下， D0越大，钢的淬

17、透性越好，如越大，钢的淬透性越好，如图图6-3所示。所示。上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火(4)末端淬透法。末端淬火法是国家标准规定的最常用的测定末端淬透法。末端淬火法是国家标准规定的最常用的测定淬透性的方法，如淬透性的方法，如图图6 -4所示，将所示，将25 x 100的标准试样奥的标准试样奥氏体化后，对末端喷水冷却。试样上距末端氏体化后，对末端喷水冷却。试样上距末端(水冷端水冷端)越远的部越远的部分，冷却速度越低，硬度也随之下降。分，冷却速度越低，硬度也随之下降。待试样冷却后，将试样两侧磨去待试样冷却后，将试样两侧磨去0. 2-0. 5 mm深度而获得两深度而获得两个平行的

18、平面，然后从水冷端开始每隔个平行的平面，然后从水冷端开始每隔1. 5 mm测量一个硬测量一个硬度值，即可得到试样沿轴向的硬度分布曲线，称作钢的淬透性度值，即可得到试样沿轴向的硬度分布曲线，称作钢的淬透性曲线。曲线。按按GB 225-63规定，钢的淬透性值可用规定，钢的淬透性值可用 表示，其中表示，其中 J表示末端淬透性，表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，表示至水冷端的距离，HRC为该处的硬为该处的硬上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火 度值。如度值。如 表示距水冷端表示距水冷端6mm处硬度为处硬度为40HRC； 表示距水冷端表示距水冷端1015mm处硬度为处硬度为36 HRC

19、; 表示距水冷端表示距水冷端10mm处硬度为处硬度为3036 HRC。4.淬透性的应用淬透性的应用钢的淬透性是选材和制订热处理工艺规程时的主要依据。钢的钢的淬透性是选材和制订热处理工艺规程时的主要依据。钢的淬透性好坏对热处理后的力学性能影响很大。淬透性好坏对热处理后的力学性能影响很大。(1)根据工件的工作条件确定对钢的淬透性的要求。根据工件的工作条件确定对钢的淬透性的要求。上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火例如，当工件整个截面被淬透时，回火后表面和心部组织与性例如，当工件整个截面被淬透时，回火后表面和心部组织与性能均匀一致，如能均匀一致，如图图6-5 (a)所示。否则工件表面和心

20、部组织不所示。否则工件表面和心部组织不同，回火后整个截面上硬度虽然近似一致，但未淬透部分的屈同，回火后整个截面上硬度虽然近似一致，但未淬透部分的屈服点和韧性却显著降低，如图服点和韧性却显著降低，如图6-5(b)、(c)所示。所示。对于承受负荷较大，要求具有整体均一力学性能的零件，如对于承受负荷较大，要求具有整体均一力学性能的零件，如联结螺栓、内燃机连杆、锻模等，应选用高淬透性钢，并要求联结螺栓、内燃机连杆、锻模等，应选用高淬透性钢，并要求全部淬透。全部淬透。对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，其表面受力大，对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，其表面受力大，心部受力小，则可选用淬透性较低的钢

21、，淬透层深度一般为工心部受力小，则可选用淬透性较低的钢，淬透层深度一般为工件半径或厚度的件半径或厚度的1/2或或1/3即可。即可。上一页 下一页返回6.2表面感应淬火表面感应淬火表面淬火用钢表面淬火用钢(表面淬火前要求调质的除外表面淬火前要求调质的除外)一般不要求高淬一般不要求高淬透性，因表面淬火加热时间短，只加热表面，与淬透性大小关透性，因表面淬火加热时间短，只加热表面，与淬透性大小关系不大。系不大。焊接件不应选择淬透性高的钢，否则容易在焊缝热影响区出焊接件不应选择淬透性高的钢，否则容易在焊缝热影响区出现淬火组织而导致脆性增加，产生裂纹。现淬火组织而导致脆性增加，产生裂纹。(2)在安排零件的加工工艺路线时，应考虑淬透性的影响。如在安排零件的加工工艺路线时，应考虑淬透性的影响。如对有效淬硬深度浅的大尺寸工件，应在粗加工后再调质，以免对有效淬硬深度浅的大尺寸工件，应在粗加工后再调质，以免把