2022年钢高频淬火 .pdf

45 钢高频淬火性能研究学号：姓名：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 16 页 -45 钢高频淬火性能研究45钢经过调质处理后，有良好的综合性能，广泛应用于各种重要零件，如连杆，齿轮，轴类，不同的热处理工艺得到不同的工艺性能。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，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 钢高频感应淬火金相硬度名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 16 页 -目录第一章前言.错误！未定义书签。（一）感应加热淬火工艺概述.1（二）感应加热淬火技术特点.2（三）高频感应淬火技术的应用.-错误！未定义书签。（四）感应加热淬火技术的发展.错误！未定义书签。（五）感应淬火常见问题及原因.错误！未定义书签。（六）45 钢齿轮热处理.错误！未定义书签。第 2 章工艺方案制定与实验过程.错误！未定义书签。（一）工艺设定.错误！未定义书签。（二）实验过程.错误！未定义书签。（1）实验目的.错误！未定义书签。（2）实验材料.错误！未定义书签。第 3 章实验结果及分析.错误！未定义书签。（一)硬度分析.12（二）结论.错误！未定义书签。致谢.12 参考文献.错误！未定义书签。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 16 页 -1 第一章前言感应淬火是热处理的重要工艺之一，具有加热速度快，节约能源生产效率高，环保，易于操作等优点。对提高零件综合性能有重要影响。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。近几年来，国内感应淬火在提高产品质量，发挥材料生产成本，改善设备性能，增加淬火装置的容器，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等方面都有了提高。（一）感应加热淬火工艺概述感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热，工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电(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，到心部接近于零，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)加热淬硬层深度为 10-20mm，一般用于较大尺寸零件的透热，大直径零件（直径 300mm 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，到基体名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 16 页 -2 接近于零。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。（二）感应加热淬火技术的特点1、优点感应淬火技术可以有效地改善金属的表面性能（如硬度、耐磨性、抗腐蚀性、导热、导电性能等)，除此之外还具有以下优点：（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）环保其能耗与渗碳、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 16 页 -3 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。2、缺点感应淬火除上述优点之外，也因设备价格，存在固有的缺点（1）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，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。（2）成套装置投资费用高与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，维护技术及费用也比一般热处理设备高。（三）高频感应淬火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=0.40 0.50%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、纺织机械、建筑材料等领域外，还在以下领域得到应用。（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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 16 页 -4（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。（四）感应加热淬火技术的发展近几年来,国内外感应加热技术有了很大进展。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。（五）感应淬火常见问题及原因（1）开裂加热温度高、不均匀，冷却过快且不均匀；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）淬硬层深过深或过浅加热功率过高（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）硬度过高或过低名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 16 页 -5 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）表面局部烧熔感应器结构不合理；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。（六）45钢齿轮热处理45钢是优质碳素结构钢，齿轮是其中主要应用方向，对45钢进行合理的热处理能有效提高齿轮的力学性能，提高使用寿命。齿轮用于机械装置中功率的传递与速度的调节,在汽车、拖拉机、机床、起重机械等产品中不仅有重要的作用,而且用量相当大。齿轮工作时,通过齿面的接触传递动力,齿部承受很大的交变弯曲应力和接触应力,在相互啮合的齿面上会有强烈的摩擦,啮合不均匀时还会产生冲击力齿轮的主要损坏形式是齿部折断和齿面的过渡磨损齿轮。一般都需经过适当的热处理,以提高承载能力和延长使用寿命,齿轮在热处理后应满足下列性能要求:较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀)。齿面具有较高的硬度和耐磨性。齿轮心部具有足够的强度和韧性，即有足够好的综合性能。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。齿轮感应加热升温速度一般在 30 90/s,4 5齿轮的表面淬火加热温度选择 890 960 为宜,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,加热深度较浅。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。由于由于齿轮直径较大小,需要加热深度较浅。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 16 页 -6 第二章 工艺及实验过程（一）工艺设定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 钢调质（淬火加高温回火）预备热处理，然后进行高频感应加热淬火处理与回火处理。并测量试件经调质，感应淬火，回火后的硬度，最后观察试件感应加热淬火后的金相组织分析硬度，是否达到要求。（二）实验过程1、实验目的根据 45钢小齿轮性能要求，编制热处理工艺，对实验试样进行热处理，每步处理后拍金相组织照片打硬度，与预期结果对比，从中研究各工艺对材料性能的影响。2、实验材料45#钢，直径 8mm，长度 10mm，10mm，20mm，共三根。3、实验内容（1）对原始试样进行硬度测试，打五次硬度，结果为HRC 11、10、11、09、12 取硬度为 HRC 11；并拍金相照片（500 倍）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 16 页 -7（2）预备热处理：调质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。调质中，45钢的淬火温度在 830左右，保温时间为 15min。保温完成后立即投入油中进行淬火，此操作要迅速，以免试件发生正火，使硬度降低。45钢淬火后高温回火，加热温度通常为600，保温时间 2h，之后空冷。调制后金相组织名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 16 页 -8（3）高频淬火处理本实验研究的是齿轮（45钢）高频感应加热淬火热处理，通过检测试件截面硬度、金相组织等进行对比，以期获得45 钢齿轮优异的机械性能，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。用高频脉冲感应加热进行淬火,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,水冷。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。处理后拍金相照片，分析淬硬层和中间部位金相组织和硬度的不同。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 16 页 -9 金相照片边界处金相中间基体处金相组织（4）回火热处理名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 16 页 -10 将试件放入炉中，随炉加热，加热到150，保温一个小时。处理后拍金相组织，并测试不同部位硬度。边界处金相中间基体组织金相名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 16 页 -11 第三章实验结果及分析（一）硬度分析表一试样原始组织与调质处理后硬度比较（HRC）可见调制处理对碳钢硬度有一定的提高表二高频淬火硬度分布距边缘距离试件及时间0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0 3.0 4.0 6.0 高频淬火5s237.0 244.9 206.9 221.0 225.9 213.5 210.5 196.8 198.7 200.3 195.6 由此可见高频淬火明显提高了钢件表面硬度，使其可满足使用条件。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。热处理方式1 2 3 4 5 1 原始组织11 11 9 10 11 2 调质21 26 23 24 23 次 数(mm）)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 16 页 -12 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，前者机械化高，生产效率明显由于后者，降低了成本。所以对齿轮的高频感应热处理工艺可以作为实际生产的参考依据。最后进行挥霍处理，回火处理后试样硬度有所降低，大概为HRC40，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.mm，在允许的范围内。提高韧性塑性，不易脆断。（二）结论45 钢进行感应加热表面淬火后，截面边缘组织发生很大改善，由原来的铁素体和珠光体转变为针状马氏体。在 45 钢正火后，对其分别进行感应加热和调质热处理。发现在具有相同机械性能的条件下，前者以加热时间快、可局部处理、生产成本低、实际操作简单、可机械化等优点完全可以代替常规热处理工艺对车轴45 钢进行表面强化处理。致 谢经过三四周的忙碌，实验终于结束，在此，要感谢每一个帮助过我的人。首先,我要感谢的是我的导师刘健康老师，实验是在老师的多次指导下完成的。在实验过程中，刘老师尽量为创造实验条件，使在实验室里能到了充分的锻炼。耐心的给每一位同学讲解工艺中锁存爱的问题，教会了我很多有关感应加热表面淬火技术方面的知识。同时，也感谢我们的小组成员盒帮助我们操作炉子的同学。在做实验时，互相帮助，遇到问题协商解决，大大节约了解决问题的时间；在实验时间较长时，轮流值班看护实验仪器。总之，我要感谢每一个帮助我的人，有了他们才有了今天的结论。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 16 页 -13 参考文献1 沈庆通感应热处理技术发展六十年热处理/锻压/铸造 2010年 第 7期2 沈庆通，梁文林现在感应热处理技术 北京：机械工业出版社，2008：1-1143 姜江，彭其风表面淬火技术北京：化学工业出版社，2005：4-1014 夏立芳，金属热处理工艺.哈尔滨工业大学出版社。5 热处理手册（第一分册），机械工业出版社。6 潘邻，表面改性热处理技术与应用，机械工业出版社。7 潘健生 胡明娟，热处理工艺学，高等教育出版社。8 雷廷权 傅家琪，金属热处理工艺方法500 种，机械工业出版社。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 16 页 -