表面淬火定義

將工件表層快速加熱，在熱量尚未及大量傳到內(nèi)部的情況下，使表層達(dá)到淬火溫度，迅即淬冷，獲得預(yù)定淬火組織的淬火工藝。鋼的表面淬火多用于要求耐磨、抗扭轉(zhuǎn)、抗彎曲疲勞和接觸疲勞的零部件。鋼件表面淬火前一般經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理。

加熱用的能源通常有電磁感應(yīng)加熱，火焰加熱，電接觸加熱及在電解液中加熱;并可采用更高密度的能源，如電子束、激光、電弧等。能源提供的能量密度越高，則表面加熱和淬硬層越薄。

電磁感應(yīng)加熱表面淬火

鐵磁性物質(zhì)的工件處在交變磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)因感應(yīng)而在內(nèi)部產(chǎn)生電流。這種電流在微小區(qū)域內(nèi)形成回路，稱之為渦流。渦流電流強(qiáng)度與交變磁場(chǎng)磁通變化率和工件材質(zhì)有關(guān)。渦流在工件中僅集中在表層，有所謂“集膚效應(yīng)”。表面電流最大，向內(nèi)逐漸降低。電流值保持表面電流I₀的1/e以上的厚度稱為“電流透入深度”(e為自然對(duì)數(shù)的底)。鋼鐵材料在居里溫度(磁性轉(zhuǎn)變溫度，中碳鋼約為724℃)以上由于導(dǎo)磁率的突然變化，電流透入深度(△)急劇增大。當(dāng)被加熱材料與感應(yīng)器條件相同時(shí)，△值取決于感應(yīng)器中交變電流的頻率(f)，對(duì)于鋼鐵材料，△≌500/(mm)。因此要根據(jù)淬火層厚度的要求選擇電流頻率。常用的感應(yīng)加熱用交流電源有3種：(1)高頻。200～300kHz，采用電子管式高頻振蕩電源，淬硬層厚度一般為1～3mm。(2)中頻。500～800Hz，采用中頻發(fā)電機(jī)或可控硅變頻裝置電源，淬硬層厚度一般為6～8mm。(3)工頻。一般工業(yè)頻率50Hz，采用加熱變壓器電源，由工業(yè)電網(wǎng)供電，淬硬層厚度一般為10～20mm，其電流透入深度則可達(dá)50～70mm，適于大件的表面淬火。

如圖1所示，電磁感應(yīng)加熱表面淬火通常是將工件置于一加熱感應(yīng)圈內(nèi)，感應(yīng)圈通入交變電流以形成交變磁場(chǎng)。感應(yīng)圈多用銅管制成，可以是單圈或多圈的，管內(nèi)通入冷卻水防止工作時(shí)升溫。加熱和噴冷淬火可采用連續(xù)和斷續(xù)兩種方式，皆可在圖1機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。噴水圈設(shè)在加熱器的下方，在連續(xù)式加熱-噴冷時(shí)，工件在自旋轉(zhuǎn)(使加熱均勻)的同時(shí)向下移動(dòng)，表面各部位依次加熱和淬冷;在斷續(xù)式加熱-噴冷時(shí)，工件自旋轉(zhuǎn)時(shí)位置不變，待一定面積被加熱到淬火溫度時(shí)，迅速下降并噴水冷卻。

表面淬火時(shí)的加熱溫度取決于鋼的成分(臨界點(diǎn))、原始組織和加熱速度。加熱速度一般在50～500℃/s之間，屬快速加熱。由于鋼在快速加熱時(shí)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，在加熱速度、加熱溫度、鋼的原始組織和淬火后組織、性能幾方面之間具有如圖2所示的關(guān)系。Ⅱ區(qū)為最佳規(guī)范，既具有細(xì)晶粒，又具有高硬度。Ⅰ區(qū)加熱不足，晶粒雖細(xì)小，但加熱時(shí)奧氏體形成不充分，淬火硬度不足。Ⅲ區(qū)為加熱過度，晶粒長(zhǎng)大，硬度也因殘留奧氏體較多而略有下降。

火焰加熱表面淬火

將工件置于氧-乙炔(也可用天然氣等)火焰中，表面快速加熱至淬火溫度后噴水淬冷。火焰溫度一般為3000℃左右。本法設(shè)備簡(jiǎn)單，常用于小批、單件生產(chǎn)或零部件的維修。其設(shè)備包括：(1)噴嘴。氧-乙炔按一定比例混合，在相當(dāng)高的壓力下從噴嘴小孔噴出并被點(diǎn)燃。噴嘴的布置，一般按工件表面制成仿形狀。(2)淬火機(jī)床。固定工件和噴嘴位置，并可控制工件(或噴嘴)的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。(3)燃燒控制裝置。保證氧-乙炔氣有穩(wěn)定的混合比和噴出壓力。

電接觸加熱表面淬火

利用觸頭(銅或石墨材質(zhì))和工件的接觸電阻，低電壓、大電流，使觸點(diǎn)溫度迅速上升。將觸點(diǎn)以一定速度移過工件表面，即可將表層加熱至淬火溫度，并在工件自身的冷卻下淬硬。本法簡(jiǎn)易可行，適于大件的局部表面淬火。

電解液加熱表面淬火

以工件作陰極，置于電解液中(常用5%～20%碳酸鈉水溶液)，以電解槽為陽(yáng)極，通入200～300V直流電。由于電解作用使陰極(工件)表面形成一層氫氣膜。氫氣膜具有大的電阻，溫度迅速升高，并將工件表面加熱到淬火溫度。停電后電解液將工件淬冷。本法適用于大批量生產(chǎn)工件的局部表面淬火。

各種表面淬火均采用快速加熱，基本上無(wú)保溫階段，表面到達(dá)預(yù)定溫度即噴冷。因而奧氏體形成時(shí)過熱度大，初生晶粒細(xì)，奧氏體成分不均勻。如果加熱和噴冷參數(shù)合適，則可在此種細(xì)晶狀態(tài)下淬冷，這是正確的表面淬火可以做到的;但如果加熱時(shí)間過長(zhǎng)，溫升過高，則表層將處于過熱狀態(tài)。以上是表面淬火層與一般淬火組織性能差異的來(lái)源。

表面淬火組織

噴冷前，溫度由表面向心部逐漸降低，大致可分為三區(qū)，即高于A_c3區(qū)，A_c1～A_c3區(qū)和低于A_c1區(qū)。淬火后組織分別為：1—細(xì)針狀馬氏體(M)，2—馬氏體加鐵素體(M F)，3—原始組織(珠光體加鐵素體(P F)。45鋼高頻淬火后的組織和硬度沿縱深方向的分布如圖3所示。靠近表面的1區(qū)，為細(xì)晶馬氏體區(qū);在過渡的2區(qū)中，馬氏體量由外向內(nèi)急劇減少，并可出現(xiàn)少量珠光體;在2～3區(qū)的交界處，未轉(zhuǎn)變的珠光體量急劇增加，過渡到原始組織。

表面淬火力學(xué)性能

高頻感應(yīng)表面淬火的表層(細(xì)馬氏體區(qū))硬度比一般淬火高出2～4HRC，這一強(qiáng)化作用是相當(dāng)顯著的。除上述組織因素外，薄層噴冷冷卻效率高及淬火后表層的殘余壓應(yīng)力也是導(dǎo)致硬度增高的重要因素。表層殘余壓應(yīng)力的存在還可大幅度提高零部件的抗疲勞強(qiáng)度。

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常見的表面淬火方法有高頻淬火（對(duì)小尺寸齒輪）和火焰淬火（對(duì)大尺寸齒輪）兩種。表面淬火的淬硬層包括齒根底部時(shí)，其效果最好。表面淬火常用材料為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.35%~0.5%的鋼材，齒面硬度可達(dá)45~55HRC。2100433B

滲氮感應(yīng)表面淬火是在工件滲氮后進(jìn)行感應(yīng)表面淬火的熱處理工藝。這一復(fù)合熱處理工藝可得到比單項(xiàng)熱處理后更高的表面硬度、更大的硬化層深度，具有抗蝕、抗疲勞、抗中溫軟化的綜合性能。

例如。φ25.4mm的鋼試件調(diào)質(zhì)處理后分別進(jìn)行如下處理：滲氮，滲氮工藝為530℃、9h，氨分解率25%~35% 530℃、Sh,氨分解率65%~75% 530℃、46h，氨分解率25%~35%；感應(yīng)表面淬火，工藝為300kHz、15kw,850~920℃加熱2.3~2.7s,水淬；滲氮感應(yīng)表面淬火復(fù)合處理。

經(jīng)不同規(guī)程處理后，試件的硬化層深度及表面硬度如圖1所示。