钢铁材料的表面淬火

2021-07-20 15:46
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概述


定义

表面淬火是指被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上,然后迅速冷却,在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。


对于钢铁材料而言,表面淬火是指用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上,随后快速冷却,使钢铁表层发生马氏体相变,生成硬化层。


目的

表面有一定深度的M组织,心部仍保持淬火前的组织状态。


分类

根据表面能量的形式不同,分为:

(1)感应加热表面淬火

以电磁感应原理在工件表面产生电流密度很高的涡流来加热工件表面的淬火方法。


(2)火焰淬火

用温度极高的可燃气体火焰直接加热工件表面的表面淬火方法。


(3)电接触加热表面淬火

当低电压大电流的电极引入工件并与之接触,以电极与工件表面的接触电阻发热来加热工件表面的淬火方法。


(4)电解液加热表面淬火

工件作为一个电极(阴极)插入电解液中,利用阴极效应来加热工件表面的淬火方法。


(5)激光加热表面淬火

利用聚焦后的激光束作为热源照射在待处理工件表面,使其需要硬化部位温度瞬间急剧上升而形成奥氏体,随后经快速冷却获得晶粒细小的马氏体或其他组织的淬硬层过程的热处理加工技术。


(6)电子束加热表面淬火

电子束在很短时间内轰击表面,表面温度迅速升高,而基体仍保持冷态。当电子束停止轰击时,热量迅速向冷基体金属传导,从而使加热表面并自行淬火。


(7)等离子束加热表面淬火

采用高能量密度的等离子束为热源,形成超音速射流,扫描金属表面,使其以极快的速度达到奥氏体化温度,热源随即移开,热量立即向工件深处和未加热部分传导,被加热的工件局部表层迅速冷却,该区域的奥氏体便转变成马氏体并被强化,硬度大幅度提高。

应用

一般用于处理中碳调质钢和球墨铸铁。

常用表面淬火常用钢及铸铁牌号

类别

钢    号

应    用

碳素结构钢

35, 40, 45, 50

小模数、轻载齿轮及轴类零件


合金结构钢

40Cr, 45MnB

中等模数、轻载齿轮和高强度传动轴

30CrMo, 42CrMo,42SiMn

模数较大、负载较大的齿轮与轴类

5CrMnMo, 5CrNiMo

负荷大的零件

铸铁

灰口铸铁

机床导轨、气缸套

球墨铸铁, 合金球墨铸铁

曲轴、机床主轴、凸轮轴


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表面淬火原理


钢在非平衡加热时的相变特点

(1)在一定的加热速度范围内,临界点随加热速度的增加而提高。

钢的非平衡加热状态图

加热速度对珠光体向奥氏体转变温度范围的影响

(2)奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大

快速加热时,钢种、原始组织对奥氏体成分的均匀性有很大影响。对热传导系数小,碳化物粗大且溶解困难的高合金钢采用快速加热是有困难的。


(3)提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒

①过热度大→奥氏体晶核不仅在铁素体/碳化物相界面上形成,而且也可能在铁素体的亚晶界上形成,因此使奥氏体的成核率增大;

②加热时间极短→奥氏体晶粒来不及长大;


(4)快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响

快速加热使奥氏体成分不均匀及晶粒细化,降低了过冷奥氏体的稳定性,使C曲线左移。对于亚共析钢,相当于原F区出现低碳M,原P区出现高碳M。


表面淬火的组织与性能

金相组织


表面淬火的金相组织与钢种、淬火前的原始组织、淬火加热时沿截面温度的分布有关。


原始组织为退火状态的共析钢

自表面向心部:M区(包括残余奥氏体)、M+P区和P区。

共析钢表面淬火沿截面温度分布及淬火后金相组织


原始组织为正火状态的45钢

在淬火烈度很大的淬火介质中冷却时,从表面到中心:M、M+F、M+F+P、P+F

图片

45钢表面淬火沿截面温度分布及淬火后的金相组织


原始组织为调质状态的45钢

由于S回为粒状渗碳化均匀分布在铁素体基体上的均匀组织,因此表面淬火后不会出现碳浓度大体积不均匀性所造成的淬火组织的不均匀。

当淬火加热温度高于原调质回火温度而低于临界点时,将发生进一步回火现象,硬度降低。

原始组织为调质状态45钢表面淬火后沿截面硬度

                                                       

性能


(1)表面硬度

快速加热,激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。影响因素包括奥氏体成分不均匀性、奥氏体晶粒及亚结构细化。

      

各种加热速度下表面硬度与淬火温度的关系

(CrWMn钢)


(2)耐磨性

工件表面淬火后的耐磨性要比普通淬火的高。其影响因素为奥氏体晶粒细化、奥氏体成分的不均匀、表面硬度较高、表面压应力状态。

高频淬火与普通淬火试样耐磨性的比较

(摩擦载荷1471N)


(3)疲劳强度

表面淬火可显著地提高零件的抗疲劳性能,以及降低疲劳试验时的缺口敏感性。


表面淬火淬硬层深度及分布

对工件承载能力的影响


(1)表面淬火硬化层与工件负载时应力分布的匹配

传动轴,承受扭矩,截面上剪切应力分布如右图所示。

表面强化与承载应力匹配示意图

1.截面为圆形的工件负载时的应力分布情况

2.表面淬火较浅时,沿表面向内部的应力承载能力曲线

3.表面淬火较深时,沿表面向内部的应力承载能力曲线


(2)表面淬硬层深度与工件内残余应力的关系

表面淬火时截面上残余应力的分布如右图。

表面强化与承载应力匹配示意图

硬化层深度与残余应力的关系:在工件直径一定的情况下,随着硬化层深度的增厚,表面残余压应力先增大,达到一定值后,若再继续增厚硬化层深度,表面残余压应力反而减小。

不同钢材硬化层深度与残余压应力的关系

1—45号钢;

2—18Cr2Ni4W;

3—40CrMnMo;

4—40CrNiMo.


残余应力与沿淬火层深度的硬度分布的关系:与M层的深度、过渡区的宽度及工件截面尺寸之间的比例有关。马氏体过渡区过小时,表面压应力大、紧靠过渡区的拉应力峰值也大。易产生残余变形甚至破坏;过渡区过大则虽然拉应力峰值降低且向工件内部移动,但表面压应力也减小,表面性能下降。

残余应力与马氏体过渡区宽度的关系


残余应力与钢中含碳量有关:C↑→M比容↑→组织应力越显著→残余压应力↑。对于高频表面淬火而言,中、小尺寸零件淬硬层深度为工件半径的10~20%;过渡区的宽度为淬硬层深度的25~30%。


(3)硬化层分布对工件承载能力的影响

当工件进行局部表面淬火时,存在着淬火区段与非淬火区段间的过渡问题。

局部表面淬火工件表面的硬度和残余应力分布

轴径表面淬火后淬硬层及应力分布

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感应加热淬火

概述


感应加热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,继之快速冷却,以获得M组织的工艺。

图片

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按所用电流频率的不同,可分为:

1) 高频感应加热表面淬火:电流频率为100~500kHz,最常用频率为200~300kHz,可获淬硬层浓度为0.5~2.0mm,主要适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸轴类零件的表面淬火。

2) 中频感应加热表面淬火:电流频率为500~10000Hz,最常用频率为2500~8000Hz。可获淬硬层深度为3~5mm。主要用于要求淬硬层较深的较大尺寸的轴类零件及大中模数齿轮的表面淬火。

3)工频感应加热表面淬火:电流频率为50Hz,不需要变频设备。可获得淬硬层深度为10~15mm。适用于轧辊、火车车轮等大直径零件的表面淬火。


与普通加热淬火相比:

1) 由于感应加热速度极快,钢的奥氏体化温度明显升高,奥氏体化时间显著缩短,即奥氏体化是短时间内在一个很宽的温度范围内完成的。

2) 由于感应加热时间短、过热度大,使得奥氏体形核多,且不易长大,因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体,硬度比普通淬火的高2-3HRC,韧性也明显提高。

3) 表面淬火后,不仅工件表层强度高,而且由于马氏体转变产生的体积膨胀,在工件表层造成了有利的残余压应力,从而有效提高了工件的疲劳强度并降低缺口敏感性。

4) 感应加热速度快、时间短,工件一般不会发生氧化和脱碳;同时由于芯部未被加热,淬火变形小。

5) 感应加热表面淬火的生产效率高,便于实际机械化和自动化;但因设备费用昂贵,不宜用于单件生产。


感应加热淬火一般用于中碳和中碳低合金结构钢,如45、40Cr、40MnB等。


感应加热物理过程

工件截面内最大密度的涡流由表面向心部逐渐推移,同时自表面向心部依次加热。这种加热方式称为透入式加热

继续加热时,电能只在热态电流透入层范围内变成热量,此层的温度继续升高。与此同时,由于热传导的作用,热量向工件内部传递,加热层厚度增厚,这时工件内部的加热和普通加热相同,称为传导式加热

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两种加热方式零件截面温度变化曲线


透入式加热与传导式加热相比有如下特点:

1)表面的温度超过A2点以后,最大密度的涡流移向内层,表层加热速度开始变慢,不易过热,而传导式加热随着加热时间的延长,表面继续加热容易过热;

2)加热迅速,热损失小,热效率高;

3)热量分布较陡,淬火后过渡层较窄,使表面压应力提高。

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高频加热时工件表面涡流密度与温度的变化


感应加热表面淬火工艺

感应加热表面淬火是借助调整设备的电参数来控制热参数,达到保证表面淬火质量。热参数包括感应加热温度、加热时间、加热速度等,电参数包括设备频率、零件单位表面功率、阳极电压、阳极电流、槽路电压、栅极电流等;


(1)确定感应加热表面淬火工艺参数的依据

钢种的选择

①得到坚硬耐磨的表面层→选择中碳钢或高碳钢;②得到既有坚硬表面,又保证心部的强度和韧性→合金钢,且要经过预先热处理获得细小碳化物分布在铁素体基体上的组织;③与传统热处理用钢相比,在同样条件下,可采用合金量较低的钢种;


含碳量:

①决定感应加热表面淬火用钢硬度的主要因素;②代替渗碳钢时,由于表面硬度要求高,应选择含碳量较高的钢种(0.50~0.60%);③为了提高调质零件的耐磨性,最合适的含碳量为0.40~0.50%。

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碳含量对淬火硬度的影响


预先热处理和感应加热表面淬火前的原始组织:

①原始组织为弥散细小的碳化物颗粒均匀分布在铁素体基体上的组织,在感应加热时,可以在较低的温度较快地转变为A,短时实现A均匀化。用这种原始组织的钢制成零件,可获得硬化层薄而硬度高的表面层和心部良好的综合力学性能。

②用正火预先热处理得到具有细珠光体及少量铁素体组织的中碳钢也可获得较好的结果,但比回火索氏体的心部力学性能差一些。

③用铸造、锻造、热轧或用退火预先热处理得到的粗片珠光体及铁素体或珠光体及大块铁素体的中碳钢,经感应快速加热表面淬火后心部的力学性能较差。

④粗粒的球化体组织或大块状铁素体组织,对感应加热表面淬火有不利的影响。

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40钢高频淬火温度与加热速度、晶粒大小和淬火硬度的关系

a—细小的原始组织,b—粗大的原始组织;

II—晶粒与硬度最佳规范,I、Ⅲ—允许规范


表面硬度:

对于不同材料在不同条件下工作的零件,有不同要求。


硬化层深度:

图纸上所规定的硬化层深度,是保证零件较好力学性能而确定的,实际上还应控制感应加热表面淬火后过渡层大小和分布。(硬化层是指从表面全部M到半M的这段距离;过渡层是指半M到出现原始组织的这段距离;)

过渡层呈现拉应力状态,若过宽,会使表层压应力减小,导致疲劳强度降低。过渡层一般为硬化层深度的25~30%。


硬化区部位:

为了使零件淬火后的过渡层内不出现应力集中、淬火变形开裂,应对硬化层深度和硬化区部位作合理的规定。


变形—中空圆柱或环形零件的变形:

硬化层深度小于0.35×(外环直径-内环直径)时,变形规律:淬外圆,外径胀大;淬内圆,内径缩小。

硬化层深度大于0.1×(圆柱外径或外环直径-圆柱内径或内环直径)时,变形规律:淬外圆,外径增大而内径缩小;淬内圆,内径缩小而外径胀大。



(2)感应加热表面淬火工艺参数的确定

根据零件尺寸及硬化层深度的要求,合理选择设备。


①设备频率的选择:

主要根据硬化层深度来选择,设备确定后,频率就不能任意调节,电流频率的透入深度是不能根据硬化层深度的要求来随意选择的。要实现透入式加热,电流的频率的选择范围为:150/δ2 < f < 2500/δ2

当硬化层深度已知,就可以找到电流最佳频率。实践证明,硬化层深度为电流热透入深度的一半时,可以得到电流最佳频率:fbest = 600/δ2


硬化层深度

电流频率/Hz

mm

最高

最佳

最低

1

250000

60000

15000

2

100000

25000

7000

3

30000

7000

1500

4

15000

4000

1000

6

8000

1500

500

10

2500

500

150


当要求硬化层深度大于现有设备频率所能达到的电流透入深度时,在保证表面不过热的条件下,采用的方法:

降低零件单位表面的输入功率,延长加热时间;

增大零件与感应器之间的间隙,延长加热时间;或同时加热时采用间断加热法,以增加热传导时间;

零件在感应加热前,在感应器中进行预热;

连续加热时,采用双匝或多匝感应器;

采用较小单位表面功率,延长加热时间;

零件尺寸大,而设备功率不足时,应采用连续顺序加热淬火,使感应器加热的表面积尽量减小,以提高单位表面功率,并同时采取预热措施;


②比功率的选择:

比功率指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率;在频率一定时,比功率愈大,加热速度愈快;当比功率一定时,频率愈高,电流进入愈浅,加热速度愈快。比功率的选择主要取决于频率和要求的硬化层深度。在频率一定时,硬化层较浅的,选用较大比功率(透入式加热);在层深相同情况下,设备频率较低的可选用较大比功率。


(3)淬火加热温度和方式的选择

感应加热淬火温度的选择与加热速度和淬火前原始组织有关。

采用较高的淬火加热温度,一般高频加热淬火温度可比普通加热淬火温度高30~200℃。加热速度较快的,采用较高的温度;淬火前的原始组织不同,也可适当地调整淬火加热温度。调质处理的组织比正火的均匀,可采用较低的温度。

部分钢种感应加热表面淬火温度、组织

(点击可放大)

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加热方式包括同时加热法和连续加热法

同时加热法:对工件需淬火表面同时加热,一般在设备功率足够、生产批量比较大的情况下采用。

连续加热法:对工件需淬火部位中的一部分同时加热,通过感应器与工件之间的相对运动,把已加热部位逐渐移到冷却位置冷却,待加热部位移至感应器中加热,如此连续进行,直至需硬化的全部部位淬火完毕。


冷却方式包括喷射冷却法和浸液淬火法

喷射冷却法指当感应加热终了时把工件置于喷射器之中,向工件喷射淬火介质进行淬火冷却。浸液淬火法指工件加热终了时,浸入淬火介质中进行冷却。

对细、薄工件或合金钢齿轮,为减少变形、开裂,可将感应器与工件同时放入油槽中加热,断电后冷却,这种方法称为埋油淬火法。


淬火介质包括水、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯醇水溶液、乳化液和油。

水可用于喷射冷却适用于低淬透性钢制作的形状简单的零件。

聚乙烯醇水溶液用于喷射冷却,其冷却能力随浓度增大而降低,通常使用的浓度为0.05~0.30%;若浓度0.3%,则使用温度最好为32~43℃,不宜低于15℃。

乳化液(3%)用于喷射冷却,低合金钢制作的的零件,形状复杂的碳钢制作的零件,用来防止这些零件开裂;

油用于合金钢的浸液冷却。使用时,必须具有良好的通风和灭火条件;也可用于喷射冷却。采用埋油淬火时,一般在油中设有喷油装置或油搅拌器,对油进行强制冷却。


(4)回火工艺

一般采用低温回火,以降低残余应力和脆性,而又不致降低硬度。

回火方式一般有炉中回火、自回火、感应加热回火。自回火指当淬火后尚未完全冷却,利用在工件内残留的热量进行回火。

炉中回火温度150~180℃,时间1~2小时。

自回火温度比炉中回火要高80℃左右,自回火时间短。


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感应加热表面淬火自行回火时的表面温度变化曲线


感应加热回火是为了降低过渡层的拉应力。热源种类选择中频或工频加热回火,保证加热层的深度比硬化层深一些。感应加热回火比炉中回火加热时间短,显微组织中碳化物弥散度大→钢件耐磨性高,冲击韧性较好。加热速度一般小于15~20℃/s。


4

火焰加热表面淬火


概述

火焰加热表面淬火是用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热,使其奥氏体化并淬火的工艺。


火焰加热表面淬火的优点:设备简单、使用方便、成本低;不受工件体积大小的限制,可灵活移动使用;淬火后表面清洁,无氧化、脱碳现象,变形也小。

火焰加热表面淬火的缺点:表面容易过热;较难得到小于2mm的淬硬层深度,只适用于火焰喷射方便的表层上;采用的混合气体有爆炸危险。


火焰加热淬火方法

(1)同时加热淬火

同时加热淬火将淬火工件表面一次同时加热到淬火温度,然后喷水或浸入淬火介质中冷却。

同时加热淬火属于较小面积的表面淬火,适用大量生产,便于实现自动化。


(2)旋架淬火法

旋架淬火法是将工件在加热和冷却过程中旋转,可使工件加热均匀。

旋转淬火法适用于圆柱形或圆盘形工件的表面淬火。


(3)摆动淬火法

摆动淬火法是指靠喷嘴在工件上面来回摆动,以扩大加热面积,当欲加热部分表面均匀达到加热温度时,采用和同时加热法一样的方法冷却。

摆动淬火法适用于较大面积、淬硬层深度较深的表面淬火。


(4)推进淬火法

推进淬火法是指喷嘴连续沿工件表面欲淬火部位向前推进加热,喷水器随后跟着喷水冷却淬火。

推进淬火法适用于导轨、机床床身的滑动槽等淬火。


(5)旋转连续淬火法

旋转连续淬火法是指旋转淬火与推进淬火法的组合。

旋转连续淬火法适用于轴类零件的表面淬火。


(6)周边连续淬火法

旋转连续淬火法是指火焰喷嘴和喷水器沿着淬火工件的周边作曲线运动来加热工件周边和冷却。

旋转连续淬火法的特点是开始加热淬火区与最终淬火加热区相遇时要产生软带。


火焰加热淬火工艺的特点
  • 规定淬硬层深度的火焰淬火,工件表面加热温度应比普通淬火温度高20-30℃。

  • 因加热速度快,工件最好先进行正火或调质处理,获得细片P

  • 加热深度较大时,应进行预热防止工件开裂。

  • 喷嘴与工件的距离应保持在热效率最高的区域,一般为还原区顶端距工件表面2-3mm。

  • 喷嘴移动速度越过慢,工件表面会过热,淬火后硬度下降。

  • 与喷嘴移动速度越快、燃气流量越小,淬硬层深度越薄。

  • 加热停止与喷水冷却的时间间隔为5-6s为宜。

  • 连续加热淬火时,控制火焰喷嘴与喷水孔间的距离为10-15mm内。

  • 手动火焰淬火,可将工件投入水或油中冷却,适用于不需要急冷的合金钢或碳钢小件。若要求急冷,可在喷嘴上加工喷射孔喷射冷却介质连续冷却。

  • 旋转法可在冷却圈进行喷射冷却介质。

  • 火焰淬火后进行炉中回火或自回火。炉中回火温度180-220℃,保温时间1-2h。


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激光表面淬火


激光表面淬火将将104~105W/cm2高功率密度的激光束作用在工件表面,以105~106℃/s的加热速度将工件表面迅速升温至相变点以上,然后依靠冷态基体以105℃/s的速度自冷淬火。

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原理

激光淬火技术是利用聚焦后的激光束进射到钢铁材料表面,使其温度迅速升高到相变点以上,当激光移开后,由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用,使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下,进而实现工件的表面相变硬化。如大型轧辊表面激光熔凝淬火的最大淬硬层深度可以达到2毫米以上。具有加热速度快、所得组织细密、淬硬性高、不变形等特点,并且技术适用性广,不受感应器制作难度的限制。


特点

激光淬火和工厂现有的中高频淬火、渗碳淬火相比,有以下特点:

第一,功率密度高、加热速度极快,零件变形极小。

第二,可以对形状复杂零件进行处理或局部处理,也可根据需要在同一零件的不同部位进行不同的处理。

第三,通用性强。

第四,对于某些淬火温度较高的不锈钢零件,其淬火温度和熔点温度很接近,在使用感应器进行产品局部表面淬火时很容易烧伤夹角或不规则部位,导致零件报废,而激光表面淬火则不受此限。

第五,激光淬火冷却速度快。

第六,表面淬硬层组织细,硬度高,耐磨性好,能满足淬硬层深度较浅(一般在0.3~2.0mm)表面淬火产品。


适用范围

硬化层深度≤0.75mm,宽度<1.2mm,表面硬化效率80~85mm2/min,一般激光表面淬火功率为1~6KW/cm2


工艺参数及其相互关系

激光表面淬火是一个错综复杂的快速加热、快速冷却的淬火过程。激光淬硬层的尺寸参数(淬硬层宽度、淬硬层深度、表面粗糙度)和性能参数(表面硬度、耐磨性、组织变化)取决于激光功率密度(激光功率、光斑尺寸)、扫描速度、材料的特性(成分、原始状态)和材料表面预处理情况等,同时也与被处理零件的几何形状和尺寸以及激光作用区的热力学性质有关。


另外,还应考虑各参数值的选择范围,D不能过大,V不能过小,以免冷却速度过低,不能实现马氏体转变。反之,当激光输出功率过大时,容易造成表面熔化,影响表面的几何形状。

扫描方式

激光淬火的扫描方式有圆形或矩形光斑的窄带扫描和线形光斑的宽带扫描。

激光淬硬层的组织和性能

激光淬火组织分为相变硬化区、过渡区和基体。

相变硬化区是极细的马氏体;过渡区为复杂的多相组织;基体为原始的基体组织。

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45钢表面激光淬火区横截面金相组织


激光淬硬层的硬度:

将激光表面淬火过的试样,沿扫描中心带切开,制备金相试样。用显微硬度计进行硬度测试(载荷:200gf,保载时间10s)。

因极快速的加热和冷却,致使激光淬硬层的硬度比常规淬火高15%~20%。淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关。

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45钢激光淬火区显微硬度与淬硬层深度的关系

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低碳钢的显微硬度与含碳量之间的关系

1-激光淬火;2-常规淬火;3-非强化状态

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不同金属材料在激光表面硬化后的硬度分布

激光淬火的特点
  • 淬硬层组织细化,硬度比常规淬火高15%~20%,耐磨性提高1~10倍。

  • 能精确控制硬化层深度,工件变形小,表面无氧化脱碳。

  • 可以进行局部选择性淬火,只要激光能照射到的部位都可实现表面硬化处理。(可以按任何复杂的几何图形进行局部选择性加热淬火,而不影响邻近部位的组织和光洁度。对一些拐角、狭窄的沟槽、齿条、齿轮、深孔、盲孔表面等用光学传导系统和反射镜可以很方便地进行加热淬火)

  • 加热速度快、自动化程度、生产效率高、几乎无变形。

  • 需对工件表面进行预处理,以增加工件吸收激光的能力。

  • 设备较贵。

  • 加热速度快,淬火不用冷却剂


6

电子束加热表面淬火


电子束加热表面淬火通过电子流轰击金属表面,电子流和金属中的原子碰撞来传递能量进行加热。电子束在很短时间内轰击表面,表面温度迅速升高,而基体仍保持冷态。当电子束停止轰击时,热量迅速向冷基体金属传导,从而使加热表面自行淬火。


电子束加热表面淬火的特点

  • 加热效率高,消耗能量最小的;

  • 需要有一定真空度;

  • 加热工件表面不需特殊处理;

  • 可控性则较激光差;


电子束加热表面淬火采用两个方向的电子束扫描,并且对电子束的束斑和功率密度也进行了改变,在加热的初始阶段,采用大功率密度,小束斑直径,以获得高功率密度的加热;在加热后期,采用小功率密度,大束斑直径,减少功率,获得一定深度范围内较高的温度的加热层,提高淬硬层深度。

电子束表面淬火的加热和冷却示意图

Ta—奥氏体化温度;T0—初始温度;Ms—马氏体转变温度


钢铁材料经电子束加热表面淬火和常规淬火得到的硬度的对比,可见硬度值提高3~4个HRC。电子束淬火的表面的组织结构为表层的硬化层和硬化层与心部之间的回火区域。硬化层为加热温度高于Ac3的区域,快速冷却后转变成马氏体组织,其组织形态为低碳的板条马氏体或细针状马氏体加均匀分布的碳化物。在回火区域的结构取决于电子束硬化前的热处理,由于温度低于相变点,可能使基体组织产生回复或再结晶,也可能含有铁素体晶粒;在电子束重叠的区域也可以产生回火现象,这对提高硬化层的质量有利。电子束表面淬火的硬化层深度一般在几微米至几毫米,由于表面硬度的提高,电子束表面淬火后的钢材的摩擦性能可以得到大幅度的提高,也可以使疲劳性能获得改善。

电子束表面淬火(HE)和常规淬火(H)的硬度对比

电子束表面淬火适用于低碳钢、合金结构钢、轴承钢和工具钢,另外白口铁和灰铸铁也可以采用该技术处理。将电子束表面淬火技术与离子渗氮技术结合起来可以进一步提高表面硬度和耐磨性。

根据材料渗氮后进行电子束淬火前后的表面层的显微硬度分布和耐磨性曲线,可以看出硬化层中显微硬度得到大幅度提高,高硬度区域明显加深,耐磨性提高一倍。


离子渗氮后经电子束表面淬火前后的硬度和耐磨性对比


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等离子束表面淬火

等离子表面淬火是应用等离子束将金属材料表面加热到相变点以上,随着材料自身的冷却,奥氏体转变成马氏体,在表面形成由超细化马氏体组成的硬化带,具有比常规淬火更高的表面硬度和强化效应。同时硬化层内残留有相当大的压应力,从而增加了表面的疲劳强度。


利用这一特点对零件表面实施等离子淬火,则可以提高材料的耐磨性和抗疲劳性能。而且,由于等离子表面淬火速度快,进入工件内部的热量少,由此带来的热畸变小(畸变量为高频淬火的 1/3~1/10)。因此,可以减少后道工序(矫正或磨制)的工作量,降低工件的制造成本。此外该工艺为自冷却方式,是一种清洁卫生的热处理方法。


研究表明,利用等离子表面淬火对铸铁、碳钢、合金钢的典型零件的处理,都能显著提高其使用性能和延长使用寿命,如内燃机的气缸套和摇臂件、汽车挂车无芯滚道、喷塑机丝杠、工模具、机床导轨、换热器生产线的轧辊等零件,均取得了良好的应用效果。

近年来在等离子表面淬火领域中取得了一些新的进展,其中较为突出的是对淬火用等离子束流截面功率密度分布的研究和在等离子束扫描淬火的同时进行多元共渗合金化。


对高温高速摩擦磨损机制的研究表明,单纯的表面淬火所获得的铁碳马氏体在高温高速摩擦条件下,会产生瞬间表面微凸起接触点高温退火软化,加大摩擦系数,降低抗磨损性能与配副性能,导致了表面淬火后虽然硬度提高接近两倍,但耐磨损寿命却提高不到一倍的结果。然而合金马氏体却具有高的回火抗力,亦即具有高的红硬性,在表面瞬间摩擦高温下,接触点不发生软化,同时异类合金元素具有抗粘着磨损特性,可在增强自身耐磨性的同时,降低摩擦系数,提高配副性能,因此表面合金元素共渗加淬火强化是抗高温高速磨损及降低摩擦系数的最为合理有效的途径,而借助等离子束流快速扫描同时完成表面合金元素的渗入与淬火,是这类摩擦副零件微变形优质高效低成本表面强化的有价值的实用技术,该技术已在内燃机气缸套中大面积推广使用,收到了很好的效果。


等离子束表面淬火的特点

1)制备简单、投资少。等离子体束枪发生装置主要包括产生电弧放电的电源和产生等离子体束的发射枪,其投资不到激光发生器的1/3。

2)激光束加热前被加热工件表面需要进行黑化处理,电子束加热表面淬火需要在真空室内进行,而等离子体束加热无需黑化处理,也不用在真空室内进行。

3)可以处理异形截面工件。由于等离子体束枪可以任意移动,探入工件内部,加热工件内表面,如内圆柱面、沟槽等表面,而这些表面如用激光束加热,需要加设一种激光反射装置,而电子束则无法加热。

4)等离子体束加热可以在惰性气体保护下进行,因而无氧化脱碳作用。如果用反应气体作载气,例如氮气,还可以在淬火加热同时掺杂氮元素,在表面形成氮化物,进一步提高淬硬层的硬度和耐磨性。

5)加热速度快,处理效率高。

6)处理表面无氧化,质量高。

7)不适合整个平面硬化处理。


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