表面淬火方法
作者:admin
发布日期:2020-01-02

       

  表面淬火方法一:感应加热表面淬火 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,继之快速冷却,以获得马氏体组织的工艺。 分类:分为高频淬火,中频淬火,和高频脉冲淬火即微感应淬火三类。 1:感应加热基本原理: (1)感应加热的物理基础; 当工件放在通有交变电流的感应圈中,在交变电流所产生的交变磁场作用 下将产生感应电动势。电流透人深度随着工件材料的电阻串的增加而增加,随 工件材料的导磁串及电流频率的增加而减小。 钢的电阻率随着加热温度的升高而增大,在800-900时,各类钢的电阻 率基本相等,通常把20时的电流透人深度称为冷态电流透人深度,而把 800时的电流透入深度。称为热态电流透人深度。 (2)感应加热的物理过程 感应加热开始时,工件处于室温,电流透入深度很小,仅在此薄层内进行 加热。表面温度升高,薄层有-定深度,且温度超过磁性转变点(或转变成奥氏 体)时,此薄层变为顺磁体,交变电流产生的磁力线移向与之毗连的内侧铁磁体 处,涡流移向内侧铁磁体处,由于表面电流密度下降,而在紧靠顺磁体层的铁 磁体处,电流密度剧增,此处迅速被加热,温度也很快升高。此时工件截面内 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 热方式称为透人式加热、当变成顺磁体的高温层的厚度超过热态电流进入的深 度后,涡流不再向内部推移,而按着热态特性分布,继续加热时,电能只在热 态电流透人层范围内变成热量,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。 透入式加热较传导式加热有如下特点: (a)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; (b)加热迅速,热损失小,热效率高; (c)热量分布较陡,淬火后过渡层较窄,使表面压应力提高, 2.感应加热表面淬火工艺 (1)根据零件尺寸及硬化层深度的要求,合理选择设备。 (a)设备频率的选择 主要根据硬化层深度来选择.一般若采用透入式加热,但所选用频率不宜过 低,否则需用相当大的比功率才能获得所要求的硬化层深度,且无功损耗太大. 当现有设备频率满足不了上述条件时,可采用下述弥补办法:在感应加热前预热, 以增加硬化层厚度,调整比功率或感应器与工件间的间隙等。 (b)比功率的选择 比功率是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。因为工件上真正获得的比功串很难测定,故常用设备 比功率来表示.设备比功串为设备输出功率与零件同时被加热的面积比,在实际 生产中,比功率还要结合工件尺寸大小、加热方式、以及试淬后的组织、硬度 及硬化层分布等作最后的调整。 (2)淬火加热温度和方式的选择 感应加热淬火温度与加热速度和淬火前原始组织有关。由于感应加热速度 快,奥氏体转变在较高温度下进行,奥氏体起始晶粒较细,且一般不进行保温, 为了在加热过程中能使先共析铁素体时亚共析钢)等游离的第二相充分溶解,这 些都允许并要求感应加热表面淬火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。 当综合考虑表面淬火前的原始组织和加热速度的影响时,每种钢都有最佳 加热规范,这可参见有关手册。常用感应加热有两种方式: 一种称同时加热法,即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; 另一种称连续加热法,即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.如果工件是较长的圆柱形,为了 使加热均匀,还可使工件绕其本身轴线旋转。一般在单件、小批量生产中,轴 类、杆类及尺寸较大的平面加热,采用连续加热法。通常借控制加热时间来控 制加热温度.在用同时加热法时,控制一次加热时间。在大批量生产条件下可用 设备上的时间继电器自动控制。在连续加热条件下,通过控制工件与感应圈相 对位移速度来实现。 (请观看视频演示) (3)冷却方式和冷却介质的选择 最常用的冷却方式是喷射冷却法和漫液冷却法。喷射冷却法即当感应加热 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。其冷却速 度可以通过调节液体压力、温度及喷射时间来控制.漫液淬火法即当工件加热终 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. 常用的淬火介质有水、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯醇水溶液,乳化液和油.聚 乙烯醇水溶液的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。聚乙烯醇在淬火时 于工件表面形成薄膜,从而降低水的冷速,在使用中应不断补充,以保持其要 求浓度。 (4)回火工艺 感应加热淬火后一般只进行低温回火。其目的是为了降低残余应力和脆性, 而又不致降低硬度。一般采用酶回火方式有炉中回火、自回火和感应加热回代. 炉中回火温度一般为150~180,时间为1~2 小时,自回火就是当淬火后尚未 完全冷却,利用在工件内残留的热量进行回火.由于自回火时间短,在婆到同样 硬度条件下回火温度比炉中回火要高80左右.自回火不仅简化了工艺,而且 对防止高碳钢及某些高合金钢产生淬火裂纹也很有效。自回火的主要缺点是工 艺不易掌握,消除淬火应力不如炉中回火.用感应加热回火时,为了降低过渡层 的拉应力,加热层的深度应比硬化层深一些,故常用中频或工频加热回火。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,因此得到的 钢件耐磨性高,冲击韧性较好,而且容易按排在流水线上。感应加热回火要求 加热速度小于15~20/S。高频脉冲加热粹火与普通高频淬火主要区别在于高 频电能是以一瞬间的脉冲形式输入工件,需淬火的工件在毫秒时间范围内几乎 可以加热到熔化温度,并通过自冷却进行粹火。 3.感应器设计简介 感应器是将高频电流转化为高频磁场对工件实行感应加热的能量转换器。 它直接影响工件加热淬火的质量和设备的效率。良好的感应圈应能保证工件有 符合要求的均匀分布的硬化层,高的电效率,足够的机械强度,以及容易制造 和操作方便。 感应器中的电流密度大,故所用材料的电阻率必须尽可能小.一般感应器材 料采用电解铜,通常是用紫铜管制成。在要求极高的情况下,例如脉冲淬火, 感应器由银制成。有的感应器用紫铜制成,但外表面镀银。感应圈卡上导磁体 后增大了内侧的电感,所以改变了电流分布,使高频电流沿着电感较小的缺口 部位通过.感应加热时为了避免引起相邻部位的加热,可以采用屏蔽的方法。磁 阻较工件小,逸散的磁力线优先通过磁短路环而达到屏蔽目的. (查看flash 播放) 二,火焰加热表面淬火 1:定义: 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 的工艺称为火焰表面淬火。火焰淬火必须供给表面的热量大于自表面传给心部 及散失的热量,以便达到所谓蓄热效应,才有可能实现表面淬火。 2:特点: 火焰加热表面淬火的优点是:(1)设备简单、使用方便、成本低;(2)不受工 件体积大小的限制,可灵活移动使用;(3)淬火后表面清洁,无氧化、脱碳现象, 变形也小。 其缺点是:(1):表面容易过热;(2)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;(3)所采用的混合气体有爆炸危险。 3:火焰的结构及其特性 火焰淬火可用下列混合气体作为燃料:(1)煤气和氧气(1:0.6);(2)天然气和 氧气(1:1.2 至1:2.3);(3)丙烷和氧气(1:4-1:5);(4)乙炔和氧气(1:1~1:1.5)。 不同混合气体所能达到的火焰温度不同,最高为氧,乙炔焰,可达3100,最 低为氧、丙烷氧、丙烷焰,可达2650.通常用氧、乙炔焰,简称氧炔焰。乙 炔和氧气的比例不同,火焰的温度不同。乙炔与氧气的比例不同,火焰的性质 也不同,可分为还原焰、中性焰或氧化焰。火焰分三区:焰心、还原区及全然区。 其中还原区温度最高(一般距焰心顶端2-3mm 处温度达最高值),应尽量利用这 个高温区加热工件。 三、其它表面淬火法 1.电解液加热表面淬火 将工件放入盛有5-15%碳酸钠水溶液的电解槽中,工件为阴极,电解槽为 阳极,两极间加一定直流电压,使电解淬电解,在阳极上放出氧气,阴极工件 上析出氢气.包围工件的氢气膜使工件与电解液隔开,氢气膜具有很大电阻,当 有很大电流通过时,将产生大量的热,达到很高的温度,工件浸入电解液部分 迅速被加热,当工件表面被加热到淬火温度时,停止送电,氢气膜立即破裂, 包围工件的电解液使工件迅速冷却淬火。电压在150-300V 之间调整,加热时间 由试验确定。电解液加热淬火工艺简单,生产率高,变形小,可纳入生产流水 线,如内燃机阀杆的顶端粹火等。但对形状复杂,尺寸较大的工件不宜采用。 (请观看视频演示) 2.电接触加热表面淬火 借一特制的可移动的电极与工件表面接触,并通以低电压大电流,借接触 电阻加热工件表面而淬火的方法称为电接触加热表面淬火。加热后可以水冷, 也可以利用工件本身向未加热部位传热冷却淬火. 3.激光和电子束加热表面淬火 激光和电子束加热表面淬火是70 年代初发展起来的两种新技术。由于它们 加热上的一些显著特点,为金属的表面热处理带来了一些新的概念和特点. (1)激光热处理的基本原理 激光是一种亮度极高,单色性和方向性极强的光源。激光加热和一般加热 方式不同,它是利用激光束由点到线,由线到面地以扫描方式来实现。常用扫 描方式有两种:一种是以轻微散焦的激光束进行横扫描,它可以单程扫描,也可 以交叠扫描,另一种是用尖锐聚焦的激光束进行往复摆动扫描,表面淬火时最 主要的是控制表面温度和加热深度,因而用激光扫描加热时关键是控制扫描速 度和功率密度。如果扫描速度太慢,温度可能迅速上升到超过材料的熔点;如果 功率密度太小,材料又得不到足够的热量,以致达不到淬火所需要的相变温度, 或者停留时间过长,加热深度过深,以致不能自行冷却淬火。 由于激光加热是一种光辐射加热,因而工件表面吸收热量除与光的强度有 关外,还和工件表面黑度有关。一般工件表面光洁度很高,反射串很大,吸收 串几乎为零。为了提高吸收率,通常都要对表面进行黑化处理,即在欲加热部 位涂上一层对光束有高吸收能力的薄膜涂料。常用涂料有磷酸锌盐膜,磷酸锰 盐膜、碳黑、氧化铁粉等,但以磷酸盐膜为最好。 (2)激光热处理的特点、发展和应用 激光热处理的特点如下: (a)加热速度快,淬火不用冷却剂。因为激光具有很高的能量密度,故可使 金属表面在百分之几甚至千分之几秒内升高到所需淬火温度。由于升温快加热 集中,因而停止照射时可以把热量迅速传至周围未被加热金属,被加热处可以 迅速冷却,达到自行淬火的效果。由于加热速度极快,故可以得到超细晶粒。 (b)可以进行局部的选择性淬火。由于激光具有高的方向性和相干性,可控 性能特别好,它可用光屏系统传播和聚焦.因此,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。 (c)几乎没有变形。 由于激光热处理有上述特点,现在已由实验室研究阶段进入生产应用阶段, 在美国已在汽车工业中应用。例如汽车上可锻铸铁转向器壳体内壁用激光淬火 可得宽1.5~2.5mm,深0.25mm 的硬化带,耐磨性可增加10 倍。用15 台CO,连 续激光热处理设备,每天可处理该种壳体30000 个。又如用10kW002 激光器处 理4140H 结构钢轴,淬火深度为0.25mm,硬度为HRC55。其它如曲轴颈圆弧处 的局部淬火,阀座、阀门杆等均可采用激光热处理。可以预料,今后的激光热 处理将会进一步发展。 (3)电子束加热表面淬火 电子束加热是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。由于电子束在很短的时间内以密集的能量轰击表面,表面温 度迅速升高,而其它部位仍保持冷态。当电子束停止轰击时,热量快速向冷基 体金属传播,使加热表面自行淬火,电子束加热表面时,表面温度和淬透深度 除和电子束能量大小有关外,还和轰击时间有关:轰击时间长,温度就高,加热 深度也增加。 电子束可以聚焦和转动,因而有与激光相同的加热特性。激光加热和电子 束加热相比较,电子束加热效率高,消耗能量是所有表面加热中最小的,而激 光加热的电效率低,成本较高,仅优于渗碳。大功率激光器维护也比较复杂, 但除了激光器本身外,无特殊要求,而电子束系统需要有一定真空度。电子束 加热工件表面不需特殊处理,而激光加热工件表面要进行黑化处理。激光具有 极高的可控性能,可精确地瞄准加热部位,电子束的可控性则较激光差。由此 可见,电子束加热热处理和激光热处理将成为在工业上应用中竞争的对手。

  一 感应加热表面淬火定义 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,继之快速冷却,以获得马氏体组织的工艺。分类 分为高频淬火,中频淬火,和高频脉冲淬火即微感应淬火三类。1 感应加热基本原理 1 感应加热的物理基础 当工件放在通有交变电流的感应圈中,在交变电流所产生的交变磁场作用下将产生感应电动势。电流透人深度随着工件材料的电阻串的增加而增加,随工件材料的导磁串及电流频率的增

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