钢的表面淬火技术优化方案

表面淬火是将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。按加热方法的不同，钢的表面淬火主要分为火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火、电接触加热表面淬火，以及近几年发展起来的激光加热表面淬火、电子束加热表面淬火等，下面介绍火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。

1）火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火示意图如图4－30所示，它是用一种可燃气体（如乙炔、煤气、天然气等）和氧气混合，通过特殊燃烧器的喷嘴，在工件表面移动加热至奥氏体区，立即喷水冷却，是表面淬硬的工艺操作。淬硬层深度一般为2～6mm。此方法简便，无需特殊设备，主要适用于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具及零件等，如轧钢机齿轮、轧辊，矿山机械的齿轮、轴，机床导轨和齿轮等。这种方法的优点有设备简单、成本低，不受体积限制，灵活性大。缺点是表面容易过热，受热不均，导致淬硬层硬度不均匀，淬硬层不容易控制，并且影响淬硬层质量的因素比较复杂。

图4－30　火焰加热表面淬火示意图

1—烧嘴；2—喷水管；3—加热层；4—工件；5—淬硬层

2）感应加热表面淬火

（1）感应加热的基本原理与工艺

感应加热表面淬火是利用通入交流电的加热感应器在工件上产生一定频率的感应电流，感应电流的“集肤效应”使工件表面层被快速加热到奥氏体区后，立即喷水冷却，工件表层获得一定深度的淬硬层。如图4－31所示，感应线圈中通入一定频率的交流电时，在其内部和周围即产生与电流频率相同的交变磁场。将工件置于感应线圈内时，工件就会产生频率相同、方向相反的感应电流，这种电流在工件内自成回路，成为涡流。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面密度大、而心部几乎为零，这种现象称为“集肤效应”。感应加热就是利用电磁感应和“集肤效应”，通过表面强大电流的热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。

图4－31　感应加热表面淬火

感应电流透入工件表层的深度与电流频率有关，频率越高，深度越小，加热层也就越薄。对于碳钢，淬硬层深度与电流频率存在以下关系式中：δ为淬硬层深度（mm）；f为电流频率（Hz）。

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可见，电流频率越大，淬硬层深度越薄。因此，通过改变交流电的频率，可以得到不同厚度的淬硬层，生产中一般根据工件尺寸大小及所需淬硬层的深度来选用感应加热的频率。根据电流频率的不同，可将感应加热表面淬火分为三类：

高频感应加热表面淬火：常用电流频率为80～1 000kHz，可获得表面淬硬层深度为0．5～2mm，主要用于中小模数齿轮和小尺寸轴类的表面淬火。

中频感应加热表面淬火：常用电流频率为2 500～8 000Hz，可获得表面淬硬层深度为3～6mm，主要用于要求淬硬层深度较大的零件，如发动机主轴、凸轮轴、大模数齿轮、较大尺寸的轴和钢轨表面的淬火。

工频感应加热表面淬火：常用电流频率为50Hz，可获得10～15mm以上的淬硬层深度，适用于大直径钢材的穿透加热及要求淬硬层深度很大的大工件的表面淬火。

感应加热速度快，一般不进行保温。为使先共析相充分溶解，感应加热表面淬火可采用较高的淬火加热温度。高频加热表面淬火比普通加热淬火温度高30～200℃。特别注意，工件在感应加热表面淬火之前需进行预备热处理，一般为调质或正火，以保证工件表面在淬火后获得均匀细小的马氏体和改善工件心部的硬度、强度和韧性以及切削加工性，并减小淬火变形；工件在感应加热表面淬火后还需进行低温回火（180～200℃），使表面获得回火马氏体，在保证表面高硬度的同时，降低内应力和脆性。生产中常采用“自回火”，即当淬火冷却至200℃时停止喷水，利用工件中的余热传到表面而达到回火的目的，这样既可省去回火工序，又可以减少淬火开裂的危险。

感应加热表面淬火的工件常选用中碳钢或中碳合金钢制造，常用的工艺路线为：锻造→退火或正火→粗加工→调质或正火→精加工→感应加热淬火→低温回火→精磨。

（2）感应加热表面淬火的特点

与普通加热淬火相比，感应加热主要有以下的特点：

①工件表面硬度高、脆性低。由于感应加热速度极快，一般只需几秒至几十秒，即可使工件达到淬火温度，相变温度升高，比普通加热淬火高几十度，使奥氏体的形核率大大增加，得到细小而均匀的奥氏体晶粒。淬火后可在表层获得极细马氏体或隐晶马氏体，使工件表层淬火温度比普通淬火温度高出2～3HRC，耐磨性高且具有较低的脆性。

②疲劳强度高。由于感应淬火时工件表面发生马氏体转变，产生体积膨胀而形成残余压应力，它能抵消循环载荷作用下产生的拉应力而显著提高工件的疲劳强度。

③工件表面质量好、变形小。因为加热速度快、保温时间极短，工件表面不易氧化、脱碳，而且由于工件内部没被加热，使淬火变形减小。

④工艺过程易于控制。加热温度、淬硬层深度等参数容易控制，生产率高，容易实现机械化和自动化操作，适用于大批量生产。

感应加热淬火的主要不足是设备较贵、复杂零件的感应器不宜制造，且不适用于单件生产。