表面淬火

一种表面热处理工艺

仅使钢铁工件的表面得到淬火的一种表面热处理工艺。目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍具有较高的韧性。常用于轴类、齿轮类等零件。操作时利用快速加热的方法使工件表层奥氏体化，然后立即淬火使表层组织转变为马氏体，心部组织基本不变。表面淬火后一般进行低温回火。根据加热方法不同，可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等，其中以前两种方法应用最广。

定义

将工件表层快速加热，在热量尚未及大量传到内部的情况下，使表层达到淬火温度，迅即淬冷，获得预定淬火组织的淬火工艺。钢的表面淬火多用于要求耐磨、抗扭转、抗弯曲疲劳和接触疲劳的零部件。钢件表面淬火前一般经正火或调质处理。

淬火方法

加热用的能源通常有电磁感应加热，火焰加热，电接触加热及在电解液中加热;并可采用更高密度的能源，如电子束、激光、电弧等。能源提供的能量密度越高，则表面加热和淬硬层越薄。

电磁感应加热表面淬火

铁磁性物质的工件处在交变磁场中时，会因感应而在内部产生电流。这种电流在微小区域内形成回路，称之为涡流。涡流电流强度与交变磁场磁通变化率和工件材质有关。涡流在工件中仅集中在表层，有所谓“集肤效应”。表面电流最大，向内逐渐降低。电流值保持表面电流I0的1/e以上的厚度称为“电流透入深度”(e为自然对数的底)。钢铁材料在居里温度(磁性转变温度，中碳钢约为724℃)以上由于导磁率的突然变化，电流透入深度(△)急剧增大。当被加热材料与感应器条件相同时，△值取决于感应器中交变电流的频率(f)，对于钢铁材料，△≌500/(mm)。因此要根据淬火层厚度的要求选择电流频率。常用的感应加热用交流电源有3种：(1)高频。200～300kHz，采用电子管式高频振荡电源，淬硬层厚度一般为1～3mm。(2)中频。500～800Hz，采用中频发电机或可控硅变频装置电源，淬硬层厚度一般为6～8mm。(3)工频。一般工业频率50Hz，采用加热变压器电源，由工业电网供电，淬硬层厚度一般为10～20mm，其电流透入深度则可达50～70mm，适于大件的表面淬火。

如图1所示，电磁感应加热表面淬火通常是将工件置于一加热感应圈内，感应圈通入交变电流以形成交变磁场。感应圈多用铜管制成，可以是单圈或多圈的，管内通入冷却水防止工作时升温。加热和喷冷淬火可采用连续和断续两种方式，皆可在图1机构上实现。喷水圈设在加热器的下方，在连续式加热-喷冷时，工件在自旋转(使加热均匀)的同时向下移动，表面各部位依次加热和淬冷;在断续式加热-喷冷时，工件自旋转时位置不变，待一定面积被加热到淬火温度时，迅速下降并喷水冷却。

表面淬火时的加热温度取决于钢的成分(临界点)、原始组织和加热速度。加热速度一般在50～500℃/s之间，属快速加热。由于钢在快速加热时奥氏体形成的动力学的特点，在加热速度、加热温度、钢的原始组织和淬火后组织、性能几方面之间具有如图2所示的关系。Ⅱ区为最佳规范，既具有细晶粒，又具有高硬度。Ⅰ区加热不足，晶粒虽细小，但加热时奥氏体形成不充分，淬火硬度不足。Ⅲ区为加热过度，晶粒长大，硬度也因残留奥氏体较多而略有下降。

火焰加热表面淬火

将工件置于氧-乙炔(也可用天然气等)火焰中，表面快速加热至淬火温度后喷水淬冷。火焰温度一般为3000℃左右。本法设备简单，常用于小批、单件生产或零部件的维修。其设备包括：(1)喷嘴。氧-乙炔按一定比例混合，在相当高的压力下从喷嘴小孔喷出并被点燃。喷嘴的布置，一般按工件表面制成仿形状。(2)淬火机床。固定工件和喷嘴位置，并可控制工件(或喷嘴)的旋转和移动。(3)燃烧控制装置。保证氧-乙炔气有稳定的混合比和喷出压力。

电接触加热表面淬火

利用触头(铜或石墨材质)和工件的接触电阻，低电压、大电流，使触点温度迅速上升。将触点以一定速度移过工件表面，即可将表层加热至淬火温度，并在工件自身的冷却下淬硬。本法简易可行，适于大件的局部表面淬火。

电解液加热表面淬火

以工件作阴极，置于电解液中(常用5%～20%碳酸钠水溶液)，以电解槽为阳极，通入200～300V直流电。由于电解作用使阴极(工件)表面形成一层氢气膜。氢气膜具有大的电阻，温度迅速升高，并将工件表面加热到淬火温度。停电后电解液将工件淬冷。本法适用于大批量生产工件的局部表面淬火。

淬火件

各种表面淬火均采用快速加热，基本上无保温阶段，表面到达预定温度即喷冷。因而奥氏体形成时过热度大，初生晶粒细，奥氏体成分不均匀。如果加热和喷冷参数合适，则可在此种细晶状态下淬冷，这是正确的表面淬火可以做到的;但如果加热时间过长，温升过高，则表层将处于过热状态。以上是表面淬火层与一般淬火组织性能差异的来源。

组织

喷冷前，温度由表面向心部逐渐降低，大致可分为三区，即高于Ac3区，Ac1～Ac3区和低于Ac1区。淬火后组织分别为：1—细针状马氏体(M)，2—马氏体加铁素体(M+F)，3—原始组织(珠光体加铁素体(P+F)。45钢高频淬火后的组织和硬度沿纵深方向的分布如图3所示。靠近表面的1区，为细晶马氏体区;在过渡的2区中，马氏体量由外向内急剧减少，并可出现少量珠光体;在2～3区的交界处，未转变的珠光体量急剧增加，过渡到原始组织。

力学性能

高频感应表面淬火的表层(细马氏体区)硬度比一般淬火高出2～4HRC，这一强化作用是相当显著的。除上述组织因素外，薄层喷冷冷却效率高及淬火后表层的残余压应力也是导致硬度增高的重要因素。表层残余压应力的存在还可大幅度提高零部件的抗疲劳强度。

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