感应加热表面淬火
作者:admin
发布日期:2020-01-02

       

  表面改性技术表面改性的概念: 采用某种工艺手段使材料表面获得与基体材料 不同的组织结构、性能的一种技术。 材料经表面改性处理后,既能发挥基体材料的 力学性能,又能使材料表面获得各种特殊性能。 8.1金属表面形变强化 一、表面形变强化原理 原理:通过机械手段(滚压、内挤压和喷丸等)在金属表面 产生压缩变形,使表面形成形变硬化层,此形变硬化层的深 度可达0.5mm~1.5mm。 形变硬化层中产生两种变化: (1)在组织结构上,亚晶粒极大地细化,位错密度增加,晶 格畸变度增大。 (2)形成了高的宏观残余压应力。 作用:提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度 (一)形变强化的主要方法1、滚压 主要有滚压、内挤压和喷丸 二、形变强化的主要方法及应用 利用高速弹丸强烈冲击零部件表面,使之产生形变硬化层并引进残余压应力。 广泛应用在弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零 部件,可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲 劳、抗微动磨损、耐点蚀能力。 (二)喷丸表面形变强化工艺及应用2、喷丸强化用的设备 按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。 1、喷丸材料 铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液体喷丸介质 黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸 有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸 (1)机械离心式喷丸机 功率小,生产效率高,喷丸质量稳定,但设备制造成本高。 适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。 (2)气动式喷丸机 适用于喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。 3、喷丸表面质量及影响因素(1)喷丸表层的塑性变形和组织变化 金属表面经喷丸后,表面产生大量凹坑形式的塑性变形,表层 位错密度大大增加,而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷 丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响,表层组织结构将 产生变化,由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。 如:渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后,这些残余奥 氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。 (2)弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响表面粗糙度随弹丸粒度的增加而增加。 (3)弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响 (4)喷丸表层的残余应力 喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变,其中 以不均匀的塑性变形最重要。 工件喷丸后,表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强 度、硬度关系密切。材料强度高,表层最大残余应力大,但压应力层深 度较浅。反之,强度低的材料表层残余应力较小,但压应力层深度较 在相同喷丸压力下,大直径弹丸产生的压应力较低,压应力层较深;小直径弹丸产生的表面压应力较高,压应力层较浅。 对零部件表面进行加热、冷却、改变表层组织和性能,不改变其表层成分的 热处理工艺。也称作表面淬火技术。 零件表面材料快速加热到相变临界点(AC3 亚共析钢)或者AC1 (过共析钢))以上而转 变为细小的奥氏体组织,心部材料仍保持在相变 临界点以下,保持原有组织。其后用快速冷却, 达到淬火目的,获得微细的马氏体组织,提高零 件的表面硬度和耐磨性,零件心部未发生相变。 感应加热表面淬火、脉冲表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火、浴炉加热 表面淬火、电解液加热表面淬火及表面保护加热 处理等。 8.2.1表面热处理技术 传统表面热处理技术二、几种新型的表面热处理技术 感应加热时,由于电磁感应和集肤效应,工件表面在极短时间内达到Ac3以上很高的温度,而工件心部仍处于相变点之下。中碳钢高 频淬火后,工件表面得到马氏体组织,往里是马氏体加铁素体加屈氏 体组织,心部为铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织。 升温速度快,保温时间极短。和一般淬火相比,淬火加热温度高,过热度大,奥氏体形核多,又不易长大,因此淬火后表面得到细小的 隐晶马氏体,故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高 2~3HRC。 感应加热表面淬火 工件的耐磨性比普通淬火高。这与奥氏体晶粒细化、表面硬度高以及表面压应力状态等因素有关。 由于加热速度快,无保温时间,工件一般不产生氧化和脱碳问题,又因工件内部未被加热,故工件淬火变形小。 生产率高,便于实现机械化和自动化;淬火层深度易于控制,适于批量生产形状简单的机器零件,因此得到广泛的应用。 缺点:设备费用昂贵,不适用于单件生产。 工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀,故在工件表面产生很大的残余压应力,因此淬火后表层产生很大的残余压应力,因此 可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。 当感应圈中通过一定频率交流电时,在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。将工件放入感应圈内,在交变磁 场作用下,工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的 感应电流。感应电流沿工件表面形成封闭回路,通常称之为 涡流。 此涡流能将电能变成热能,使工件加热。涡流在被加热工件中的分布由表面至心部呈指数规律衰减。因此涡流主要分布 在工件表面,工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表 面效应或集肤效应。 感应加热就是利用集肤效应,依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。当工件表面在感应圈内加热到相变温 度时,立即喷水或浸水冷却,实现表面淬火工艺。 感应电流透入深度:从电流密度最大的表面到电流值为表面的1/e(e=2.718)处的距离。 56. 386 硬化层深度:硬化层深度总小于感应电流透入深度超过失磁点的的电流透入深度称为热态电流透入深度 ),低于失磁点的电流透入深度称为冷态电流透入深度( )。对于钢 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 火前的原始组织也不同,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。 感应加热方式: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来实 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,也称为埋 油淬火法。 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。一般采用的回 火方式有炉中回火、自回火和感应加热回火。 按输出电流的频率工频 中频 高频 淬火前的原始组织应为调质态或正火态。 工件表面淬火后应进行低温回火以降低残余应力和脆性,并保持表面高硬 度和高耐磨性。 高频感应加热电流频率范围250~300kHz,淬硬层深度为0.5~2.0mm, 适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。 中频感应加热电流频率范围2500~8000Hz,淬硬层深度2~10mm,适 用于较大的轴和大中模数齿轮。 工频感应加热电流频率50Hz,淬硬层深度可达10~15mm,适用 大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮的表面淬火。 表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金结构钢,用以制造机床、汽车及拖拉机齿轮、轴等。也可以采用碳素工具钢和低合金工 具钢,用以制造量具、模具、锉刀等。 表面淬火前的预备热处理 预备热处理为表面淬火作准备,以获得最终的心部组织。 方法有调质和正火等。 表面淬火后的组织表层组织为回火马氏体,心部组织为回火索氏体(调质) 或铁素体加索氏体(正火)。 感应加热淬火注意事项 定义:利用氧-乙炔或其他可燃气体对零件表面加热,随 后淬火冷却的工艺。 特点:与感应加热表面淬火相比,具有设备简单,操作灵 活,适用钢种广泛。一般无氧化和脱碳、畸变小等优点。 常用于大尺寸和重量大的工件,尤其适用于批量少品 种多的零件或局部区域的表面淬火,如大型齿轮、轴、导 但加热温度不易控制,噪音大,劳动条件差,混合气体不够安全,不易获得薄的表面淬火层。 参数:加热面积、工件移动速度、加热温度时间 火焰加热表面淬火 常用材料:从机械制造的范围来分有45、55、40Cr、40CrV、42CrMo、42SiMn、50Mn、5CrMnMo 等。另外近年来我国研制成功专用的火焰加热空 冷淬硬冷作模具钢7CrSiMnMoV。 火焰表面淬火应用实例火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装 配工作,火焰表面淬火后模具即可投入使用,不必再拆卸 。因为除刃口部位表面淬硬以外,其余部位并未淬硬,仍 可进行钻孔等加工。这些优点对于像汽车覆盖件一类的大 型模具的制造是非常有利的,既节省了工时,又保证了模 具的精度。 近年来, 7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制成 功,使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主 导地位。 用高频脉冲感应加热进行淬火,使用20~30MHz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,然后自冷,这种方法也叫高频感应冲击淬 普通高频淬火冲击淬火 200kHz27.12MHz 功率密度 2*10 实用最短淬火时间0.1~5s 1~100ms 最低淬火深度 0.5mm 0.1mm 可淬火面积 如连续移动,无 限制 以每次冲击淬火带最大宽度3mm计,为10~100mm 常用范围10~100nH感应器的冷却方式 水冷感应器 截面积约5mm 的细线或薄板感应器每次冲击用压缩空气冷却时,无须用其他方法冷却 淬火方式 喷水 自冷,无须冷却剂 普通马氏体极其微细的针状马氏体 变形量 变形量较小 变形量极微,难以测出 用高频电流对材料表面同时进行感应加热和电阻加热实现表面淬火的方法。 优点: 工件表面电流更集中,密度更大,加热速度也更快,表面加热的功率 密度是感应加热的数倍。 高频电阻感应加热设备简单,操作方便。淬火可根据工件的形状和部 位进行设计,仿形性很好,可对复杂工件的局部表面实施淬火。 淬火时自己冷却。无需淬火介质,不需真空室,无需黑化处理。淬火 后工件基本不变形,无需回火。节能。 硬化带形状可随邻近 感应器导管的形状变化。 8.3金属表面化学热处理 概述1.1 什么是化学热处理 1.2 化学热处理的种类 化学热处理是将钢铁零件、工具或模 具置于含有某种化学元素的介质中加 热保温,使某种元素渗入钢铁表面, 然后以适当方式冷却,从而改变钢铁 表面的化学成分与组织结构,赋予钢 铁表面以新的物理、化学及机械性能。 化学热处理是将金属 的表面合金化与热处 理相结合的一种工艺 方法,它主要研究如 何从化学介质(渗剂) 中获得活性原子,活 性原子如何进入金属 表面,以及如何对金 属表面组织和性能产 生影响。 利用固体扩散,使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺,故化学热处理又叫做渗镀,表面合金化。 化学热处理的基本过程是:首先将工件置于含有渗入元素 的活性介质中,加热到一定温度,使渗入元素通过分解、吸附、 扩散渗入金属表层,从而改变了表层的成分、组织与性能。 提高金属表面强度、硬度和耐磨性。如渗氮可使金属表面硬度达到9501200HV;渗硼可使金属表面硬度达到 14002000HV等,因而工件表面具有极高的耐磨性。 提高金属的疲劳强度。如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变的比容变化,导致表层产生很大的残余应力,从而提 高疲劳强度。 使金属表面具有良好的抗粘性、抗咬合的能力和降低摩擦系数,如渗硫等。 形成化合物,如渗氮层中的相(Fe2-3 经过化学热处理后,金属材料表层、过渡层与心部在成分、组织和性能上有很大差别。 强化效果不仅与各层的性能有关,而且还与各层之间互相的 联系有关。如渗碳的表面层含碳量及其分布,渗碳层深度和 组织以及热处理后从表层到心部的硬度梯度等均可影响材料 渗碳后的性能。 粉末填充法膏剂涂覆法 电热旋流法 覆盖层扩散法 电解盐浴法水溶液电解法 固体法 液体法 气体法 等离子法 固体气体法 间接气体法 流动离子炉法 扩散镀层的形成步骤向基体金属 提供扩散元 素的原子 使这些原 子处于活 化状态 活化的原子 逐渐向基体 内部扩散 为了向基体金属提供 扩散元素的原子,可 以通过电镀、化学镀、 热浸、喷涂和粉末包 属原子与基体金属表面直接接触 扩散是各种原子在体系 中趋向均匀化的自发过 程。但为了使这种均匀 化加速,原子必须得到 足够的能量,需要加热。 从扩散的角度考虑,温 度越高扩散速度越快。 渗层金属的沉积如何向基体金属提供活性渗层金属原子? 目前大多利用金属氯化物在高温下发生置换反应与还原反应, 以获得大量活化的渗剂原子。 将基体金属M置于渗层金属B的氯化物BCl 蒸汽中,发生置换反应: BCl 金属M上形成活性的渗层金属B原子,随后扩散到基体金属M中去形成渗层。 问题:该置换反应能否发生? 如果能发生,有多少BCl 蒸汽能够转变为渗层原子B? 为了说明这个问题,需要考虑反应的平衡常数k 蒸汽转变为渗层金属B的百分数。当lg 蒸汽转变为镀层金属;当lg 蒸汽转变为镀层金属。从扩散工艺的经济价值来说,1%的转变是最低的要求。 如何计算平衡常数k? 将反应式 BCl lglg lg 计算。则有 20681lg 17809lg FeNi 16503lg Ni因此,Fe基上沉积Cr: CrCl Cr在1000C,平衡常数为 lg lgkFe lgkCr 0.66%;在Fe上沉积Cr是可行的,Ni基上沉积Cr: CrCl Cr在1000C,平衡常数为lg lgkNi lgkCr 9.310-5 ,所以在Ni基上难以沉积Cr。 发生还原BCl 2HCl反应H 2HCl,平衡常数02 9654lg 由此得lg 17.38%。可见加入还原剂H 渗层原子的扩散活化的渗剂原子能否向基体金属内部扩散与很多因素有关,其 中较重要的因素是原子尺寸。 在金属的点阵中,原子间的距离是0.4nm左右。因此, 只有尺寸较小的原子才可能从原子的间隙扩散入金属内部。 这类原子有碳、氢、氮和氧等。它们向金属内部移动受到的阻力较小,因此 扩散速度较快。 但是一种金属原子在另一种金属中的扩散,由于原子半径的数量级相同, 间隙扩散的可能性较小。一般认为,这种类型的扩散归因于金属内部 的缺陷(晶格中的空位)。渗剂金属原子进入空位,空位向相反 方向移动。 所以,如果扩散元素原子的直径比基体金属原子的直径大得 多,扩散元素的原子就无法进入基体金属的原子点阵中,即 使可能挤进,也会造成点阵畸变,使固溶体处于不稳定状态。 11Cr 一般认为,与基体金属原子直径之差约小于16%的金属元素,才有可能扩散入基体金属中。 可扩散进入钢材的元素 3.1渗铝层的形成方法 3.2 渗铝层的组分与结构 3.3 影响渗铝层厚度的因素 3.4 渗铝钢的特性 渗铝是本世纪发展起来的金属表面防护手段。它可以提高钢 铁、镍基和钴基高温合金的抗氧化性能,还能提高在含硫与含 氧化性介质中的耐蚀性。因此,渗铝工艺在冶金、石油、化工、 飞机、船舶、汽车、建筑、燃气轮机等方面得到了广泛的应用, 粉末法渗铝的主要工序被渗部件 表面净化 渗剂制备 装箱热扩散 处理 拆箱取出部件 并清洗表面 为了保证渗层质量,渗镀前必须将部件表面的污物清除 干净,因此应根据部件表面状态,相应地进行除油、酸洗、 喷砂或喷丸等处理。 钢铁部件上某些部位不需要渗铝时,可涂一层防渗剂。 表面清 净处理 催渗剂,常用氯化铵,它在加热时产生氨气与氯化氢,氯化氢可以促进活性铝原子生成。氨又进一步分解为氮和氢。它们可以保护箱内不 发生氧化性气体,防止工件和渗剂氧化。 几种曾使用的渗铝剂: 5070%铝-铁合金粉,2549%Al 510%铝粉,8595%Al 粉,2%氯化铵为了获得质量良好的渗铝层,可以适当降低铝-铁合金粉和铝粉的颗 粒度,并减少氯化铵的用量。 为了防止铝粉粘结在工件表面,可适当减少铝粉在渗剂中的比例。铝 粉含量低于15%时,效果较好。 工件装箱 渗铝时,先在渗箱底部铺一层渗铝 剂,然后放上已清洗干净的钢铁部 件,再盖上一层渗铝剂。渗箱加盖 后应通入氢气或氩气半小时以上, 以便赶净渗箱中的空气。 或Ar空气 升温。扩散温度一般控制在8001100C范围。扩散一段时间后,停止加热,让渗箱自然降温。 热扩散 处理 渗铝时发生的反应 NH HCl6HCl Fe+AlCl +[Al]反应的结果,在钢铁表面上析出了原子状态的活性[Al],并 立即扩散进入钢件的表层。 热扩散的时间视要求的渗层厚度和扩散温度条件而定。在氢气氛中于 900C渗铝6小时,一般可获得100m厚的渗铝层。 粉末法渗铝的主要工序被渗部件 表面净化 渗剂制备 拆箱取出部件并清洗表面 部件表面上的渗剂残渣清洗干净。 渗铝时,将工件放在渗箱的一端,在渗箱的另一端放置氯化铵、氧化铝和铝粉等混合物。把混合物加热到600C左右,将形成氯 化铝蒸汽。在高温下用氢气作载体,将氯化铝蒸汽送到加热至 9001000C的钢铁部件表面。 氯化铝蒸汽在高温下与基材金属发生还原和取代反应,在被渗 部件表面析出活性铝原子,扩散进入工件。 先在钢铁部件上热浸镀一层铝,然后再进行扩散处理,把纯铝层全部转化为合金层。 经过热扩散处理,可明显提高部件的耐热和耐蚀 性能。 也叫热浸渗铝,是将表面经过清洗的钢件浸入熔化的液态铝或铝合金中,保温一定时问,使表面附上一薄层铝或铝 合金,并与铁形成一薄层铝铁金属化合物(Fe ),然后进行扩散退火,以获得足够的含铝的α-Fe固溶体层深度。其 主要工艺过程: 表面清理 扩散退火液体渗铝 (1)表面清理:工件在渗铝前必须除油、酸洗,并用高压水冲洗。(2)助镀:为了保持工件表面的活性,以利于热浸时工件表面容 易吸收铝原子,应将工件放入助镀液中浸4~6min,然后烘干。 (3)热浸铝:将经过助镀的工件放入铝液中,铝液成分通常为工 业纯铝92%~94%和铁粉6%~8%。为提高铝液的流动性,可 加入硅3%,加入少量的锰、锌可改善铝液与工件的浸润性。铝 液温度控制在760~780,时间为10~30min。 (4)扩散退火:由于热浸温度较低,铝原子向工件内部的扩散极 微,因而铝层与基体结合不紧密,为了减少渗层的脆性:防止 剥落,增加渗层深度,渗铝后应在950~1050的线 渗铝层的组分与结构 3.3 影响渗铝层厚度的因素 3.4 渗铝钢的特性 粉末法渗铝时,若渗剂中含有较多的氯化铵,形成的渗层主要由FeAl 含Mn和Al较多的铁基合金,用料浆法渗铝形成的渗层具有多层结构。外层以FeAl Al。其余两层则为FeAl和Fe 或FeAl相;在下面,发现有Fe 用热镀法得到的镀层具有双层结构,上层几乎是纯铝,下层是合金层。合金层的组织与钢基体、铝液成分以及镀铝条件有密切关系。经过热 扩散处理,由于铁和铝互相扩散,镀层组织发生较大的变化。例如,热镀 铝后的10号钢,经过热扩散处理形成的渗层中,最外层是Fe 层;其下面是金属间化合物和铝在-铁中的固溶体的混合物,这一层较薄;再下面 是铝在-铁中的固溶体。 采用不同的基体材料和渗镀工艺,得到的渗层的组织和成 分是不同的。一般的规律是:外层为含铝量较高的相,靠 近钢基体的相含铁量较高;在两种相层之间有时还存在两 相的混合物层。 3.1渗铝层的形成方法 3.2 渗铝层的组分与结构 3.3 影响渗铝层厚度的因素 3.4 渗铝钢的特性 10080 60 40 20

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