復試鋼熱處理12特種

1第十二章

鋼的特種熱處理2感應加熱表面熱處理火焰加熱表面熱處理電接觸表面熱處理激光熱處理等12.1表面熱處理鋼的表面熱處理：是使零件表面獲得高的硬度和耐磨性，而心部仍然保持原來的優(yōu)良的韌性和塑性的一類熱處理方法。與化學熱處理不同的是，它不改變零件表面的化學成分，而是依靠零件表層迅速加熱到鋼的臨界點以上，并隨之淬冷來達到強化表面的目的。表面熱處理3感應加熱淬火與普通淬火相比，感應加熱表面淬火具有以下六方面的主要特點：加熱溫度高，升溫快工件表層易得到細小的隱晶M工件表層存在殘余壓應力感應加熱速度很快，因而過熱度大疲勞強度較高硬度比普通淬火提高2～3HRC，且脆性較低前三4工件表面質(zhì)量好生產(chǎn)效率高，淬硬深易控制易實現(xiàn)局部加熱和連續(xù)加熱加熱速度快，沒有保溫時間，工件不易氧化和脫碳，且由于內(nèi)部未被加熱，淬火變形小便于實現(xiàn)機械化和自動化后三設(shè)備費用昂貴，并要配備專門的淬火機床；加熱溫度不易測定和控制；設(shè)備維護、調(diào)整和使用要求較高技術(shù)水平等不足之處5感應線圈通以交流電時，就會在它的內(nèi)部和周圍產(chǎn)生與交流頻率相同的交變磁場。若把工件置于感應磁場中，則其內(nèi)部將產(chǎn)生感應電流并由于電阻的作用被加熱。（電磁感應）感應電流在工件表層密度最大，而心部幾乎為零，這種現(xiàn)象稱為集膚效應。（表面效應）㈠感應加熱的基本原理6電流頻率越高，感應電流透入深度越淺，加熱層也越薄。因此，通過頻率的選用可以得到不同工件所要求的淬硬層深度。電流透入工件表層的深度主要與電流頻率有關(guān)：

可以看出：7這時整個電流透入層的電流密度迅速降低，從而使表層加熱速度變緩，導致溫度沿斷面的分布在表層較為平緩，這樣既可以保證零件具有一定的淬硬層深，又不容易使表層過熱。電阻率越大，導磁率越小，則電流透入的深度越大室溫居里點/℃1000℃μ200～6001ρρ010ρ0δ20f-1/2600f-1/28感應加熱表面淬火示意圖9較大直徑零件的穿透加熱，大直徑零件如軋輥、火車輪等的表面淬火感應加熱表面淬火的分類淬硬層深度適用范圍電流頻率200～300KHz0.5～2.0mm中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類零件等高頻中頻工頻2500～800Hz2～10mm較大尺寸的軸和大中模數(shù)的齒輪等50Hz10～15mm10㈡

高頻感應加熱表面淬火后的組織和性能要弄清楚高頻感應加熱表面淬火后的組織，就必須首先了解高頻感應加熱時鋼的相變特點。①臨界溫度(Ac1和Ac3)升高，轉(zhuǎn)變在一個較寬的溫度范圍內(nèi)進行。加熱速度越快，臨界溫度升高越厲害。⑴

快速加熱時鋼的相變特點11②

奧氏體晶粒細?、?/p>

奧氏體成分不均勻，有時組織中還殘存第二相12⑵

高頻感應淬火后的組織13⑶

高頻感應淬火后零件的機械性能①

硬度經(jīng)高頻淬火后，表面硬度比普通淬火提高2～3HRC。表層存在較大的壓應力；M晶粒細??；高碳M在低碳M中彌散分布；較少的殘A。原因14②

疲勞強度高頻淬火可有效提高零件的疲勞強度，通常小零件可提高2～3倍，大零件可提高20～30％。這主要是淬硬層中馬氏體的比容比原始組織大，在零件表層形成很大的殘余壓應力所致。淬硬層過淺，張力區(qū)接近表面；淬硬層過深，使表面的壓應力下降。二者都不利于疲勞強度的提高。15③

其它機械性能綜上所述，高頻感應淬火后可以使零件獲得許多優(yōu)良的性能。㈢

高頻感應加熱表面淬火工藝的制訂為了滿足對零件組織和性能的要求，感應加熱表面淬火通常需要控制三個參數(shù)：加熱溫度、加熱速度和淬硬層深度。高頻感應淬火后，零件的靜強度如抗彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度皆有所提高，且隨淬硬層深度的增大而增大；而塑性和韌性的變化則完全相反。16生產(chǎn)上一般通過調(diào)控電參數(shù)來控制熱參數(shù)，從而保證感應加熱表面淬火的質(zhì)量。感應加熱表面淬火的上述三個工藝參數(shù)又與熱參數(shù)和電參數(shù)密切相關(guān)。加熱溫度加熱時間加熱速度等設(shè)備頻率工件單位表面功率單位表面功率取決于：陽極電壓、陽極電流、槽路電壓、柵極電流等。熱參數(shù)電參數(shù)17①加熱速度高頻感應加熱時，臨界溫度隨加熱速度變化而變化，因此加熱溫度的選擇必須考慮加熱速度的影響。⑴加熱溫度和加熱速度的確定加熱溫度是指工件的表面溫度，選擇時應考慮：加熱速度、表面的硬度要求、淬硬層要求的組織、原始組織。18②表面的硬度要求在一定的加熱速度下，在某一溫度范圍內(nèi)可以獲得最高的表面硬度。因此所選取的加熱溫度應該落在此溫度范圍內(nèi)。19③淬硬層要求的組織在一定的加熱速度下，在某一溫度范圍內(nèi)可獲得最理想的組織。一般最高硬度和最理想的組織所對應的加熱溫度是一致的。20④原始組織原始組織愈不均勻，加熱溫度應愈高，因此粗片狀P的加熱溫度應比細片狀P高，正火組織的加熱溫度應比調(diào)質(zhì)組織的高。⑵淬硬層深度和電流頻率的選擇然后根據(jù)淬硬層深度選取電流頻率f。15000/x2＜f＜25000/x2

（χ＝0.4～0.5δ）淬硬層深度的確定，應保證零件在允許磨損的深度內(nèi)具有足夠高的硬度和耐磨性。研究指出，淬硬層深度為零件半徑的10％左右時，可在靜強度、疲勞強度和塑性方面獲得最佳效果。21⑶單位表面功率和加熱時間的確定單位表面功率直接決定加熱速度，單位表面功率越大，加熱速度越大。一般認為，單位表面功率為0.3～1.5kW/cm2時較為合適。過大時加熱時間太短而不易操作和控制，過小時加熱時間太長而導致生產(chǎn)效率低、熱損失大且有可能使淬硬層過深。生產(chǎn)中實際采用的原則為：當電流頻率一定時，所要求的淬硬層愈深，則選用的單位表面功率就應愈小，而相應的加熱時間應愈長。22⑷高頻感應淬火的冷卻23⑸高頻感應淬火后的回火回火的目的：是減少內(nèi)應力，并達到所要求的機械性能?；鼗鸬墓に嚕号c普通淬火的回火一樣?；鼗鸬姆椒ǎ籂t中加熱回火、感應加熱回火、以及利用心部余熱進行的自回火等。感應加熱淬火的關(guān)鍵技術(shù)之一是感應器的設(shè)計。在實際生產(chǎn)中，處理的零件是千變?nèi)f化的，因此，必須有相應的感應器與之配套。24萬向節(jié)球內(nèi)孔曲軸齒輪25表面淬火一般適用于含碳0.4～0.5％的中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB等。這些鋼經(jīng)預先熱處理后再表面淬火，心部有較高的綜合機械性能，表面也有較高的硬度和耐磨性。另外，球墨鑄鐵也是適合于表面淬火的材料。㈣感應加熱適用的材料2612.2真空熱處理㈠

真空的基本知識真空就是指壓力比正常壓力?。簇搲海┑娜魏螝鈶B(tài)空間。若將熱處理的加熱和冷卻過程置于真空中進行，則稱為真空熱處理。真空通常分為四個級別：

低真空：133.3×(10~10-2)Pa;

中真空：133.3×(10-3~10-4)Pa;

高真空：133.3×(10-5~10-7)Pa;超高真空：133.3×10-8Pa以上。27㈡

真空熱處理的特異效果和伴生現(xiàn)象表面保護作用表面凈化作用脫脂作用脫氣作用元素的蒸發(fā)現(xiàn)象真空加熱油淬引起鋼件滲碳⑴

表面保護作用可有效防止氧化和脫碳28⑵

表面凈化作用當真空中的氧分壓小于氧化物的分解壓力時，不但可以防止氧化，還可以使金屬表面的氧化物發(fā)生分解去除而獲得光亮的表面。實際真空處理時，盡管爐內(nèi)氧分壓遠遠高于分解壓力，但仍然可以獲得光亮的表面。29⑶

脫脂作用當工件表面只存在輕度油污時，可以允許真空熱處理前免于進行專門的脫脂處理。⑷

脫氣作用在真空中，隨氣體分壓的降低，氣體在金屬中的溶解度將減小，即真空度越高，脫氣效果越好。⑸

元素的蒸發(fā)現(xiàn)象在真空加熱時，鋼或合金中某些蒸氣壓高的合金元素往往從表面蒸發(fā)而脫去的現(xiàn)象。結(jié)果影響性能并引起工件之間的粘連。30對于鋼，真空加熱時最易蒸發(fā)的元素是Cr和Mn。實踐證明，在漏氣率小于133.3×10-3L·Pa/s、真空度為1.333～13.33Pa的爐內(nèi)加熱，一般鋼件都不會發(fā)生明顯的氧化、脫碳和合金元素蒸發(fā)。31⑹

真空加熱油淬引起鋼件滲碳在高溫真空加熱時，對鋼件表面的凈化作用使得它處于活性狀態(tài)，當赤熱的工件與淬火油接觸后，在油蒸氣的包圍下便發(fā)生滲碳過程。㈢

真空熱處理的應用⑴

鋼的真空退火其主要目的之一就是要求處理后工件表面達到一定的光亮度。真空退火時鋼件的光亮度與真空度、退火溫度和出爐溫度有關(guān)。32真空度越高，處理后工件的光亮度越高；出爐溫度越高，光亮度越低。一般應控制在200℃以下。33⑵

鋼的真空淬火及回火蒸發(fā)量要小，不易引起爐內(nèi)污染蒸氣壓要低，不影響真空效果在真空中的冷卻性能要好，并在較大溫度范圍內(nèi)不受影響光亮性和熱穩(wěn)定性要好真空淬火最常用的冷卻介質(zhì)是真空淬火油。①真空淬火油真空淬火油應具備的特性34②真空淬火的光亮度和變形從提高真空淬火的光亮度來看，希望真空度較高，但真空度高又會降低淬火油的冷卻性能。為了兼顧光亮度和淬火油的冷卻性能，通常采用在低氣壓下加熱，在臨淬火前通入高純度的惰性氣體或氮氣以提高壓力，隨后進行淬火。真空淬火的變形一般要比普通淬火小，這與真空加熱速度緩慢所引起的熱應力小有關(guān)。③真空回火由于在600℃以下加熱緩慢，真空回火最好先進行排氣和升溫，而后立即通入惰性氣體，以進行強制對流傳熱，最后再冷卻。35⑶

鋼的真空滲碳①真空滲碳的特點滲碳時間顯著縮短：由于滲碳溫度由普通滲碳時的920～930℃提高到1030～1050℃，加之真空加熱時的表面凈化作用使表面處于活化狀態(tài)，故大大加速了滲碳過程；滲碳質(zhì)量好：滲碳層均勻，滲層中碳濃度梯度平緩，表面光潔，滲層深度易于精確控制，無反常組織和晶間氧化產(chǎn)生；作業(yè)條件好：基本上無污染，也無熱輻射。缺點：設(shè)備投資大、成本高、周期式生產(chǎn)的產(chǎn)量低。36②真空滲碳的工藝滲碳完畢后，通入氮氣冷卻到550～660℃，然后移入淬火室加熱并淬火。37⑷

真空熱處理后鋼的性能由于真空熱處理具有防止氧化、脫碳，并可脫氣等良好作用，因而對鋼件的機械性能帶來有益的影響。主要表現(xiàn)在使強度有所提高，特別是使疲勞壽命和耐磨性等與鋼件表面狀態(tài)有關(guān)的性能得到提高。38⑸

真空熱處理時應注意的問題由于真空加熱依靠輻射傳熱，考慮到輻射傳熱的直射特點，工件在爐內(nèi)的放置應盡量避免有“背陰”部分，以防止加熱不均；在真空輻射加熱升溫過程中，工件的溫度總是滯后于爐溫，故應視工件的大小適當增加保溫時間；注意防止真空加熱時合金元素的蒸發(fā)和真空油淬時工件表層的滲碳。3912.3形變熱處理形變熱處理：是將壓力加工與熱處理相結(jié)合，對金屬材料進行形變強化和相變強化的一種綜合強化工藝。形變熱處理不僅可以獲得由單一強化方法難以達到的良好的強韌化效果，而且還可以大大簡化工藝流程，從而帶來較大的經(jīng)濟效益。㈠

形變熱處理的分類與應用按順序（相變前、中、后形變）；按溫度（高溫、低溫形變）；按相變（珠光體、貝氏體、馬氏體和時效等）；40回火M的形變時效P溫加工P冷形變等溫形變淬火低溫形變等溫淬火低溫形變淬火高溫形變等溫淬火高溫形變正火（控制軋制）高溫形變淬火41㈡形變熱處理強韌化的機理鋼經(jīng)過形變熱處理后，能夠獲得良好的強韌性，是由其顯微組織和亞結(jié)構(gòu)的特點所決定的。形變熱處理強韌化的機理大致可以歸納為：顯微組織細化、位錯密度和亞結(jié)構(gòu)的變化以及碳化物的彌散強化作用。對于獲得M組織的形變熱處理：不論是高溫形變淬火或低溫形變淬火，均能使M顯著細化：形變?yōu)镸相變提供更多的形核率并阻止M片的長大。低溫形變的細化效果要好于高溫形變。⑴顯微組織細化42對于獲得P組織的形變熱處理：不論是形變等溫處理或等溫形變處理，均能得到極為細密的P。特別是后一工藝，使P中碳化物球化，并將F基體分割為許多等軸的亞晶粒。對于獲得B組織的形變熱處理：形變?yōu)锽相變提供更多的形核率并阻止F相的共格長大，最終使B組織顯著細化。對于獲得M、P、B組織的形變熱處理，顯微組織細化對強度的影響順序如下：

P細化＞B細化＞M細化43⑵位錯密度和亞結(jié)構(gòu)的變化對于獲得M組織的形變熱處理：形變時在A中產(chǎn)生的大量位錯被隨后形成的M繼承，因而使形變熱處理M的位錯密度比普通淬火M要高得多；形變淬火后的M中還存在比普通淬火M更多、更細微、由高密度位錯構(gòu)成的胞狀亞結(jié)構(gòu)。它們無疑對強度貢獻顯著。對于獲得P組織的形變熱處理：由于P轉(zhuǎn)變的擴散性，位錯對它基本上不存在任何強化作用。對于獲得B組織的形變熱處理：位錯密度對它的影響介于M和P之間。44⑶

碳化物的彌散強化作用形變時產(chǎn)生的高密度位錯為碳化物的形核提供了大量的有利部位，又加速了碳化物形成元素的置換擴散，同時在壓力下還使碳在A中的溶解度顯著下降，而碳化物在位錯上的沉淀會對位錯產(chǎn)生強烈的釘扎作用，導致在進一步形變時位錯的迅速增殖，從而又為碳化物提供更多的沉淀部位，如此往復不已，最后便在A中析出大量細小的碳化物。由于碳化物的析出是在A形變過程中發(fā)生的，與A轉(zhuǎn)變?yōu)楹畏N組織無關(guān)，因而碳化物對形變熱處理得到的M、P、B都具有相同的彌散強化效果。45㈢

影響形變熱處理強韌化效果的工藝因素形變熱處理的強韌化效果與采用何種形變熱處理方法密切相關(guān)。奧氏體在高溫下形變時將因位錯密度的增加而引起加工硬化，同時又因為形變過程中的動態(tài)回復和動態(tài)多邊化而引起軟化。這兩種強化和軟化的作用決定著形變熱處理的最終的強韌化效果。影響形變熱處理強韌化效果的因素主要有：形變溫度、形變量、形變后停留的時間等。46⑴形變溫度一般地，當形變量一定時，形變溫度愈低，強化效果愈好，但塑性和韌性卻有所下降。這是由于形變溫度越高，越有利于回復、多邊化甚至再結(jié)晶過程的發(fā)生和進行。⑵

形變量低溫形變淬火時，形變量越大，強化效果越顯著，但塑性有所下降。為獲得滿意的強化效果，通常要求大于60～70％。47⑶

形變后淬火前的停留時間低溫形變淬火時，隨著在略高于形變溫度下停留時間延長，塑性將不斷增高而強度略為下降。高溫形變淬火時，情況比較復雜，性能與停留時間不是單調(diào)變化的。停留時間的選取非常重要。4812.4鋼的時效鋼或者合金經(jīng)固溶處理后，其固溶體中的溶質(zhì)元素將處于過飽和狀態(tài)。時效就是金屬材料的性能隨時間而改變的現(xiàn)象。㈠時效過程的一般原理49如果在室溫或者某一高溫下溶質(zhì)原子仍具有一定的擴散能力，那么隨著時間的延續(xù)，過飽和固溶體中的溶質(zhì)元素將發(fā)生脫溶或析出，從而使鋼或者合金的性能發(fā)生變化。如果這一過程發(fā)生在室溫下，就稱為自然時效；如果這一過程發(fā)生在某一高溫下，就稱為人工時效。50溶質(zhì)元素在固溶體中應具有一定的固溶度，并隨溫度的下降而減少；經(jīng)高溫固溶處理后，溶質(zhì)元素處于過飽和狀態(tài)；在較低溫度下溶質(zhì)原子仍具有一定的擴散能力。時效過程的本質(zhì)，是一個由非平衡態(tài)向平衡態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。在這個過程中往往要經(jīng)歷幾個過渡階段。其一般規(guī)律：首先在過飽和固溶體中形成介穩(wěn)的偏聚狀態(tài)，如溶質(zhì)原子偏聚區(qū)(G-P區(qū))、柯氏氣團；然后形成介穩(wěn)的過渡相；最后形成穩(wěn)定的平衡相。時效發(fā)生的必備條件51既然G-P區(qū)、過渡相和平衡相是不同階段的產(chǎn)物，它們就應有各自的固溶度曲線。根據(jù)析出物的介穩(wěn)程度，將其固溶度曲線依次排列在亞平衡相圖上，與平衡相圖疊加就得到圖10-29。在整個時效過程中，其析出的順序一般總是：G-P區(qū)→介穩(wěn)過渡相(θ′′、θ′)→平衡相(θ)。且時效溫度越高，時效過程的階段數(shù)越少。

52㈡時效的影響因素時效溫度是影響時效過程的重要因素，它對時效機理、動力學、顯微組織、亞結(jié)構(gòu)和性能等產(chǎn)生顯著影響。時效時間也對時效過程產(chǎn)生影響，但只占次要地位。⑴時效溫度和時效時間53研究表明，淬火鋼中所含碳、氮等間隙原子在室溫下都具有一定的擴散能力，所以它們極容易在位錯等缺陷附近偏聚，形成柯氏氣團；如果時效溫度較高，還將以碳化物、氮化物的形式從固溶體中析出，上述過程均引起較大的強化效果。但隨著時效溫度的升高或時間的延續(xù)，時效過程將繼續(xù)發(fā)展，使碳化物、氮化物相發(fā)生聚集長大，從而導致強化效果弱化。一般鋼材在時效后，在強度、硬度提高的同時，總是引起塑性、韌性的下降。這是時效的不利方面。54⑵碳及合金元素在F中，固溶的C量越多，時效強化的效果越顯著，在C含量為0.025％左右時可獲得最大的時效強化效果，以后隨著C含量的增大，時效強化效果反而下降，當C含量達到0.6％時已基本上不產(chǎn)生時效現(xiàn)象。這是因為C含量增高，F(xiàn)量減少，而時效只在F中發(fā)生，因而時效效果越來越小。N的作用與C類似。當鋼中含Al時，它將與N結(jié)合生成AlN，軋后冷速快時將引起時效強化；當冷速較慢或者重新加熱退火，則AlN將充分析出，從而使F中N的過飽和度降低而大大降低對時效的敏感性。55⑶固溶處理后、時效前的冷變形除鋁外，當鋼中含有碳化物、氮化物形成元素時，如軋后緩冷，將同樣由于碳化物、氮化物的析出而降低對時效的敏感性。合金元素的存在，還直接影響碳、氮在鐵素體中的溶解度和擴散速度，從而影響碳和氮的時效效果。冷變形會使鋼中的位錯密度增大，更易于形成柯氏氣團，同時形變還能加速擴散，因而冷變形不僅加速時效過程，還可使時效后的硬度升