第10章钢表面热处理课件.ppt

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1、第第10章章 表面热处理及热处理表面热处理及热处理新工艺新工艺n n 在生产中，很多机器零件，如曲轴、齿轮、凸轮、机在生产中，很多机器零件，如曲轴、齿轮、凸轮、机在生产中，很多机器零件，如曲轴、齿轮、凸轮、机在生产中，很多机器零件，如曲轴、齿轮、凸轮、机床导轨等，是在冲击载荷和强烈的摩擦条件下工作的，要床导轨等，是在冲击载荷和强烈的摩擦条件下工作的，要床导轨等，是在冲击载荷和强烈的摩擦条件下工作的，要床导轨等，是在冲击载荷和强烈的摩擦条件下工作的，要求表面层坚硬耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部则要求有求表面层坚硬耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部则要求有求表面层坚硬耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部则要

2、求有求表面层坚硬耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部则要求有足够的塑性和韧性。显然，采用整体热处理是难以达到上足够的塑性和韧性。显然，采用整体热处理是难以达到上足够的塑性和韧性。显然，采用整体热处理是难以达到上足够的塑性和韧性。显然，采用整体热处理是难以达到上述要求的，这时可通过对工作表面采取强化热处理述要求的，这时可通过对工作表面采取强化热处理述要求的，这时可通过对工作表面采取强化热处理述要求的，这时可通过对工作表面采取强化热处理 。心部：硬度低，韧性高表面：硬度高，耐磨表面热处理工艺表面热处理工艺 将零件表面迅速加热到临界点以上将零件表面迅速加热到临界点以上(心心部温度仍处于临界点以下部温度仍处

3、于临界点以下)，并随之淬冷来，并随之淬冷来达到强化表面的目的。达到强化表面的目的。感应淬火(高频、中频、低频)激光热处理火焰淬火接触电阻加热淬火盐浴淬火电火花表面硬化电子束淬火分类10.1 高频感应淬火高频感应淬火n n定义：感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件定义：感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件定义：感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件定义：感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷却，以获得马氏体组织的工艺。

4、却，以获得马氏体组织的工艺。却，以获得马氏体组织的工艺。却，以获得马氏体组织的工艺。感应加热的基本原理及特点n n主要依据：电磁感应，集肤效应主要依据：电磁感应，集肤效应主要依据：电磁感应，集肤效应主要依据：电磁感应，集肤效应 和热传导和热传导和热传导和热传导 n n主要依据：电磁感应，主要依据：电磁感应，主要依据：电磁感应，主要依据：电磁感应，集肤效应和热传导集肤效应和热传导集肤效应和热传导集肤效应和热传导 n将工件放在通有交变电将工件放在通有交变电流的感应圈内，感应圈流的感应圈内，感应圈周围的交变磁场会使工周围的交变磁场会使工件产生感应电流，这个件产生感应电流，这个电流在工件内自成回路，电

5、流在工件内自成回路，称为称为涡流涡流。n工件上产生的感应电流工件上产生的感应电流在工件截面上的分布是在工件截面上的分布是不均匀的，在工件表面不均匀的，在工件表面电流密度最大，心部几电流密度最大，心部几乎没有电流通过，这种乎没有电流通过，这种现象称为现象称为集肤效应集肤效应。零件感应加热时，其感应电流在零件中的分布从表零件感应加热时，其感应电流在零件中的分布从表零件感应加热时，其感应电流在零件中的分布从表零件感应加热时，其感应电流在零件中的分布从表面向中心呈指数衰减，可表示为：面向中心呈指数衰减，可表示为：面向中心呈指数衰减，可表示为：面向中心呈指数衰减，可表示为：n n 当电流当电流(涡流涡流

6、)强度从表面向内部降低到表强度从表面向内部降低到表面到电流（涡流）强度的面到电流（涡流）强度的0.368(0.368(即即I I0 0e)e)时，时，则该处到表面的距离称为则该处到表面的距离称为电流透入深度。电流透入深度。n n 电流透入深度的大小与金属的电阻率电流透入深度的大小与金属的电阻率(r)(r)、磁导率（磁导率（m m）和电流频率）和电流频率(f)(f)有关，关系式为有关，关系式为n n电阻率随着温度的升高而增大，而磁导率随着电阻率随着温度的升高而增大，而磁导率随着温度的升高而降低。温度的升高而降低。电流透入工件表面层的深度为：=(冷态20)=(热态800)=(热态800)电流频率越

7、大，淬硬层深度越薄p主要用于主要用于中碳钢和中碳合金结构钢制造的齿轮和轴类零件中碳钢和中碳合金结构钢制造的齿轮和轴类零件，它，它们经正火或调质（预先热处理）后再表面淬火，心部具有良好的们经正火或调质（预先热处理）后再表面淬火，心部具有良好的综合力学性能，而表面具有较高的硬度和耐磨性。综合力学性能，而表面具有较高的硬度和耐磨性。p用用高碳钢制造的、承受较小冲击或交变载荷的工具和量具高碳钢制造的、承受较小冲击或交变载荷的工具和量具，也，也可采用表面淬火。可采用表面淬火。感应加热表面淬火的应用感应加热表面淬火的应用(1)加热速度快，时间短，热效率高加热速度快，时间短，热效率高(2)淬火组织细小，淬火

8、硬度比普通淬火高淬火组织细小，淬火硬度比普通淬火高23HRC(3)变形小，氧化脱碳少变形小，氧化脱碳少(4)具有良好的冲击韧性、疲劳强度及耐磨性，表面具有良好的冲击韧性、疲劳强度及耐磨性，表面还存在有利的压应力还存在有利的压应力(5)工艺过程易于控制，易于实现机械化和自动化工艺过程易于控制，易于实现机械化和自动化感应淬火的特点高频感应加热时钢的相变特点(1)奥氏体转变的临界温度升高奥氏体转变的临界温度升高(2)奥氏体晶粒较细奥氏体晶粒较细(3)奥氏体成分不均匀奥氏体成分不均匀高频感应淬火后的组织 感应淬火的预备热处理常为调质和正火感应淬火的预备热处理常为调质和正火n n第第第第I I层层层层

9、淬硬层淬硬层淬硬层淬硬层 温度温度温度温度Ac3,Ac3,组织组织组织组织 M M n n第第第第IIII层层层层 过渡层过渡层过渡层过渡层 温度在温度在温度在温度在Ac1Ac1Ac3Ac3之间，之间，之间，之间，组织组织组织组织 MM未溶未溶未溶未溶F Fn n第第第第IIIIII层层层层 心部原始组织心部原始组织心部原始组织心部原始组织 温度温度温度温度 Ac1 Ac145#预备热处理正火预备热处理正火预备热处理为退火态的过共析钢预备热处理为退火态的过共析钢预备热处理为退火态的过共析钢预备热处理为退火态的过共析钢高频感应淬火后，高频感应淬火后，高频感应淬火后，高频感应淬火后，表层组织：表层

10、组织：表层组织：表层组织：马氏体马氏体马氏体马氏体+碳化物碳化物碳化物碳化物+一定量的残留奥氏体一定量的残留奥氏体一定量的残留奥氏体一定量的残留奥氏体过渡过渡过渡过渡层组织：层组织：层组织：层组织：马氏体马氏体马氏体马氏体+碳化物碳化物碳化物碳化物+少量托氏体少量托氏体少量托氏体少量托氏体(或索氏体或索氏体或索氏体或索氏体)心心心心部组织：部组织：部组织：部组织：珠光体珠光体珠光体珠光体+碳化物碳化物碳化物碳化物 高频感应淬火后工件的力学性能 (1)(1)表面硬度比普通淬火高表面硬度比普通淬火高表面硬度比普通淬火高表面硬度比普通淬火高2 23HRC3HRC，耐磨性高，耐磨性高，耐磨性高，耐磨性

11、高 原因：原因：原因：原因：高频表面淬火后在零件表层造成压应力；高频表面淬火后在零件表层造成压应力；高频表面淬火后在零件表层造成压应力；高频表面淬火后在零件表层造成压应力；淬火组织为细隐晶淬火组织为细隐晶淬火组织为细隐晶淬火组织为细隐晶MM，加热速度快，过热度大，形核，加热速度快，过热度大，形核，加热速度快，过热度大，形核，加热速度快，过热度大，形核率高，又不易长大；率高，又不易长大；率高，又不易长大；率高，又不易长大；从不均匀奥氏体中产生的马氏体组织中，残余奥氏体从不均匀奥氏体中产生的马氏体组织中，残余奥氏体从不均匀奥氏体中产生的马氏体组织中，残余奥氏体从不均匀奥氏体中产生的马氏体组织中，残

12、余奥氏体数量减少；数量减少；数量减少；数量减少；高频淬火后的组织中有两种不同形态的高频淬火后的组织中有两种不同形态的高频淬火后的组织中有两种不同形态的高频淬火后的组织中有两种不同形态的MM，高碳，高碳，高碳，高碳MM分分分分散在低碳散在低碳散在低碳散在低碳MM中对低碳中对低碳中对低碳中对低碳MM起弥散强化作用。起弥散强化作用。起弥散强化作用。起弥散强化作用。中碳钢经高频感应淬火后中碳钢经高频感应淬火后中碳钢经高频感应淬火后中碳钢经高频感应淬火后表面硬度接近于渗碳钢淬火表面硬度接近于渗碳钢淬火表面硬度接近于渗碳钢淬火表面硬度接近于渗碳钢淬火的硬度的硬度的硬度的硬度，但它的，但它的，但它的，但它的

13、耐磨性仍不如渗碳钢耐磨性仍不如渗碳钢耐磨性仍不如渗碳钢耐磨性仍不如渗碳钢，这是由于渗碳，这是由于渗碳，这是由于渗碳，这是由于渗碳钢表面碳化物数量较多的缘故。钢表面碳化物数量较多的缘故。钢表面碳化物数量较多的缘故。钢表面碳化物数量较多的缘故。(2)(2)有效提高零件的弯曲及扭转疲劳强度有效提高零件的弯曲及扭转疲劳强度有效提高零件的弯曲及扭转疲劳强度有效提高零件的弯曲及扭转疲劳强度 小尺寸疲劳强度小尺寸疲劳强度小尺寸疲劳强度小尺寸疲劳强度 2323倍，大件倍，大件倍，大件倍，大件 2030%2030%寿命寿命寿命寿命 几十倍；几十倍；几十倍；几十倍；40MnB40MnB汽车半轴由整体调质改为汽车半

14、轴由整体调质改为汽车半轴由整体调质改为汽车半轴由整体调质改为 调质高频淬火，寿命提高调质高频淬火，寿命提高调质高频淬火，寿命提高调质高频淬火，寿命提高2020多倍。多倍。多倍。多倍。原因：表面压应力状态，阻碍裂纹扩展。原因：表面压应力状态，阻碍裂纹扩展。原因：表面压应力状态，阻碍裂纹扩展。原因：表面压应力状态，阻碍裂纹扩展。存在最佳淬硬层深度：存在最佳淬硬层深度：存在最佳淬硬层深度：存在最佳淬硬层深度：淬硬层深度开始增大时，残余压应力增大，疲淬硬层深度开始增大时，残余压应力增大，疲淬硬层深度开始增大时，残余压应力增大，疲淬硬层深度开始增大时，残余压应力增大，疲劳强度也相应提高；疲劳强度出现极大

15、值后，随着劳强度也相应提高；疲劳强度出现极大值后，随着劳强度也相应提高；疲劳强度出现极大值后，随着劳强度也相应提高；疲劳强度出现极大值后，随着硬化层深度继续增大，残余压应力又开始降低，疲硬化层深度继续增大，残余压应力又开始降低，疲硬化层深度继续增大，残余压应力又开始降低，疲硬化层深度继续增大，残余压应力又开始降低，疲劳强度也随之降低。劳强度也随之降低。劳强度也随之降低。劳强度也随之降低。通常通常通常通常10102020D D。(3)(3)提高冲击韧性，抗弯强度和扭转强度提高冲击韧性，抗弯强度和扭转强度提高冲击韧性，抗弯强度和扭转强度提高冲击韧性，抗弯强度和扭转强度 高频感应淬火工艺(1)(1)

16、表面淬火前必须进行预备热处理表面淬火前必须进行预备热处理表面淬火前必须进行预备热处理表面淬火前必须进行预备热处理 调质处理，得到回火索氏体调质处理，得到回火索氏体调质处理，得到回火索氏体调质处理，得到回火索氏体 正火正火正火正火 细化了组织细化了组织细化了组织细化了组织(2)(2)淬火加热温度及方式的选择淬火加热温度及方式的选择淬火加热温度及方式的选择淬火加热温度及方式的选择加热温度的确定加热温度的确定加热温度的确定加热温度的确定uu 相同化学成分时，一般均比缓慢加热时温度要高。相同化学成分时，一般均比缓慢加热时温度要高。相同化学成分时，一般均比缓慢加热时温度要高。相同化学成分时，一般均比缓慢

17、加热时温度要高。uu 加热速度越快，在每一温度下碳原子扩散的时间越短，加热速度越快，在每一温度下碳原子扩散的时间越短，加热速度越快，在每一温度下碳原子扩散的时间越短，加热速度越快，在每一温度下碳原子扩散的时间越短，因而奥氏体形成温度范围升高、变宽；因而奥氏体形成温度范围升高、变宽；因而奥氏体形成温度范围升高、变宽；因而奥氏体形成温度范围升高、变宽；uu 原始组织越粗，碳需要扩散的距离愈远，则淬火温度原始组织越粗，碳需要扩散的距离愈远，则淬火温度原始组织越粗，碳需要扩散的距离愈远，则淬火温度原始组织越粗，碳需要扩散的距离愈远，则淬火温度应提高应提高应提高应提高uu 调质组织的加热温度应比正火组织

18、的低。调质组织的加热温度应比正火组织的低。调质组织的加热温度应比正火组织的低。调质组织的加热温度应比正火组织的低。根据材料的化学成分、工件表面的硬度要求及淬根据材料的化学成分、工件表面的硬度要求及淬根据材料的化学成分、工件表面的硬度要求及淬根据材料的化学成分、工件表面的硬度要求及淬硬层的组织要求，加热速度和原始组织硬层的组织要求，加热速度和原始组织硬层的组织要求，加热速度和原始组织硬层的组织要求，加热速度和原始组织 加热方式加热方式加热方式加热方式uu 同时加热法同时加热法同时加热法同时加热法 将工件需淬硬的表面同时加热到淬火温度，并通过感应器的喷射孔喷射冷却剂使工件加热表面冷却的淬火方法，称

19、为同时加热淬火法。在特殊情况下也可将工件取下放入淬火槽(水或油槽)内冷却。优点：生产效率高；优点：生产效率高；优点：生产效率高；优点：生产效率高；缺点：加热面积有限。缺点：加热面积有限。缺点：加热面积有限。缺点：加热面积有限。当工件淬硬面积小于设备允许的最大加热面积时，可采用此法。同时加热淬火法u 连续加热淬火法连续加热淬火法连续加热淬火法连续加热淬火法 工件按一定的速度相对于感应器移动，依次进行工件按一定的速度相对于感应器移动，依次进行加热和冷却，喷水可以由感应器喷出，也可由附加喷加热和冷却，喷水可以由感应器喷出，也可由附加喷水圈喷出，这种边加热边淬火的方法称为连续加热淬水圈喷出，这种边加热

20、边淬火的方法称为连续加热淬火法。火法。此法可用较小功率处理较大的淬硬面积。当工件此法可用较小功率处理较大的淬硬面积。当工件淬硬面积大、设备功率不足时，可采用此法。淬硬面积大、设备功率不足时，可采用此法。连续加热淬火法(a)无附加喷水圈；(b)有附加喷水圈(3)(3)(3)(3)电流频率及单位表面功率的选择电流频率及单位表面功率的选择电流频率及单位表面功率的选择电流频率及单位表面功率的选择 电流频率越高，电流透入深度越浅，淬硬层深度也电流频率越高，电流透入深度越浅，淬硬层深度也电流频率越高，电流透入深度越浅，淬硬层深度也电流频率越高，电流透入深度越浅，淬硬层深度也越浅；越浅；越浅；越浅；当工件尺

21、寸一定时，单位表面功率越大，加热速度当工件尺寸一定时，单位表面功率越大，加热速度当工件尺寸一定时，单位表面功率越大，加热速度当工件尺寸一定时，单位表面功率越大，加热速度越快，工件表面达到预定的加热温度所需的时间缩短。越快，工件表面达到预定的加热温度所需的时间缩短。越快，工件表面达到预定的加热温度所需的时间缩短。越快，工件表面达到预定的加热温度所需的时间缩短。(4)(4)(4)(4)高频感应淬火后的冷却高频感应淬火后的冷却高频感应淬火后的冷却高频感应淬火后的冷却 喷射冷却喷射冷却喷射冷却喷射冷却 炉内回火：炉内回火：将感应加热表面淬火后的工件装入回火炉内进行将感应加热表面淬火后的工件装入回火炉内

22、进行回火。回火。180180180180200200200200 C C C C，电阻炉，电阻炉，电阻炉，电阻炉 自行回火：自行回火：淬火冷却时控制喷射或浸液的时间，使淬硬层淬火冷却时控制喷射或浸液的时间，使淬硬层内部的余热迅速传到工件表面，当工件表面温度回内部的余热迅速传到工件表面，当工件表面温度回升到一定值时即可达到回火的目的。升到一定值时即可达到回火的目的。工件冷至工件冷至工件冷至工件冷至200200200200 C C C C，停止喷水，利用余热，停止喷水，利用余热，停止喷水，利用余热，停止喷水，利用余热 感应回火：回火感应器感应回火：回火感应器(5)(5)(5)(5)高频感应淬火后的

23、回火高频感应淬火后的回火高频感应淬火后的回火高频感应淬火后的回火 感应加热表面淬火与自行回火过程中的温度变化曲线表面淬火零件的硬度与不同回火规范的关系炉内回火；感应回火；自行回火表面淬火适用材料 碳的质量分数为碳的质量分数为碳的质量分数为碳的质量分数为0.4%0.5%0.4%0.5%0.4%0.5%0.4%0.5%中碳钢和球墨铸铁中碳钢和球墨铸铁 碳的质量分数低于碳的质量分数低于碳的质量分数低于碳的质量分数低于0.35%0.35%0.35%0.35%的钢很少采用表面淬火的钢很少采用表面淬火的钢很少采用表面淬火的钢很少采用表面淬火 含碳量过高的钢表面淬火主要用于承受较小的冲击和交含碳量过高的钢表面淬火主要用于承受较小的冲击和交含碳量过高的钢表面淬火主要用于承受较小的冲击和交含碳量过高的钢表面淬火主要用于承受较小的冲击和交变载荷下工作的工具、量具及高冷硬轧辊等变载荷下工作的工具、量具及高冷硬轧辊等变载荷下工作的工具、量具及高冷硬轧辊等变载荷下工作的工具、量具及高冷硬轧辊等