钢表面淬火技术详解

表面淬火是将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的热处理方式。齿轮、凸轮、曲轴及各种轴类等零件在扭转、弯曲等交变载荷下工作，并承受摩擦和冲击，其表面要比心部承受更高的应力。因此，要求零件表面具有高的强度、硬度和耐磨性，要求心部具有一定的强度、足够的塑性和韧性。采用表面淬火工艺可以达到这种“表硬心韧”的性能要求。根据工件表面加热热源的不同，钢的表面淬火有很多种，如感应加热、火焰加热，激光加热、电子束加热等表面淬火工艺。这里仅介绍感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。

1.感应加热表面淬火

（1）感应加热表面淬火的原理及工艺

感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法，如图6.8所示。当感应圈中通过一定频率的交流电时，在其内、外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。若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内所通电流频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，故通常称为涡流。此涡流将电能转变成热能，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，涡流主要分布于工件表面，工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫作集肤效应或表面效应。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。感应圈用纯铜管制作，内通冷却水。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。

图6.8　感应加热表面淬火示意图

（a）原理；（b）涡流在被加热工件中的分布

电流透入深度δ（单位为mm）在工程上定义为涡流强度由表向内降低至I0/e（I0为表面处的涡流强度，e≈2.718）处的深度。钢在800～900℃范围内的电流透入深度δ热及在室温20℃时的电流透入深度δ冷与电流频率f（单位为Hz）有如下关系，即

δ热比δ冷大几十倍，可见当工件加热温度超过钢的磁性转变点A2时，电流透入深度将急剧增加。此外，感应电流频率越高，电流透入深度越小，工件加热层越薄。因此，感应加热透入工件表层的深度主要取决于电流频率。

生产上根据零件尺寸及硬化层深度的要求选择不同的电流频率。根据不同的电流频率，可将感应加热表面淬火分为以下3类。

1）高频感应加热表面淬火

其常用电流频率为80～1000kHz，可获得的表面硬化层深度为0.5～2mm。主要用于中、小模数齿轮和小轴的表面淬火。

2）中频感应加热表面淬火

其常用电流频率为2500～8000Hz，可获得3～6mm深的表面硬化层深度，主要用于要求淬硬层较深的零件，如发动机曲轴、凸轮轴、大模数齿轮、较大尺寸的轴和钢轨的表面淬火。

3）工频感应加热表面淬火

常用电流频率为50Hz，可获得10～15mm以上的表面硬化层深度，适用于大直径钢材的穿透加热及要求淬硬层深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。高频感应加热表面淬火比普通感应加热表面淬火温度高30～200℃。

感应加热表面淬火通常采用喷射冷却法，冷却速度可通过调节液体压力、温度及喷射时间来控制。

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。回火方式有炉中回火和自回火。炉中回火温度为150～180℃，时间为1～2h。自回火层控制喷射冷却时间，利用工件内部余热使表面进行回火。

为了保证工件表面淬火后的表面硬度和心部强度及韧性，一般选用中碳钢及中碳合金钢，其表面淬火前的原始组织应为调质态或正火态。(www.xing528.com)

（2）感应加热表面淬火的特点

①感应加热表面淬火时，由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间里达到Ac1线以上很高的温度，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+铁素体+托氏体组织，心部为铁素体+珠光体或回火索氏体原始组织。

②感应加热升温速度快，保温时间极短。与一般淬火相比，其淬火加热温度高，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。

③感应加热表面淬火后，工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表层产生很大的残留压应力，因此可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。

④感应加热表面淬火后，工件的耐磨性比普通淬火的高。这显然与奥氏体晶粒细化、表面硬度高及表面压应力状态等因素有关。

⑤感应加热淬火件的冲击韧度与淬硬层深度和心部原始组织有关。当同一钢种淬硬层深度相同时，原始组织为调质态，比正火态的冲击韧度高；当原始组织相同时，淬硬层深度增加，冲击韧度降低。

⑥感应加热表面淬火时，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。

⑦感应加热表面淬火的生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度又易于控制，适于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛应用。

感应加热表面淬火的缺点是设备费用昂贵，因此不适用于单件生产。

感应加热表面淬火通常采用中碳钢（如40、45、50钢）和中碳合金结构钢（如40Cr、40MnB钢），用以制造机床、汽车及拖拉机齿轮、轴等零件。很少采用淬透性高的Cr钢、Cr-Ni钢及Cr-Ni-Mo钢进行感应加热表面淬火。这些零件在表面淬火前一般采用正火或调质处理。感应加热表面淬火也可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。用铸铁制造机床导轨、曲轴、凸轮轴及齿轮等，采用高、中频表面淬火可显著提高其耐磨性及抗疲劳性能。目前国内外还广泛采用低淬透性钢进行高频感应加热表面淬火，用以解决中、小模数齿轮因整齿淬硬而使心部韧性变差的表面淬火问题。这类钢是在普通碳钢的基础上，通过调整Mn、Si、Cr、Ni的成分，尽量降低其含量，以减小淬透性，同时附加Ti、V或Al，在钢中形成未溶碳化物（TiC、VC）和氮化物（AlN），以进一步降低奥氏体的稳定性。

（3）感应加热表面淬火的应用举例

感应加热表面淬火一般适用于中碳钢和中碳低合金钢（ωC＝0.4%～0.5%），如45钢、40Cr、40MnB等，用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性和疲劳强度。表面淬火零件一般先通过调质或正火处理，使其心部保持较高的综合力学性能，表层则通过表面淬火+低温回火获得高硬度（大于50HRC）、高耐磨性。

一般感应加热表面淬火零件的加工工艺路线为下料→锻造→退火或正火→粗加工→调质→精加工→高频感应加热表面淬火→低温回火→（粗磨→时效→精磨）。

例如：某机床主轴选用40Cr铜制造，其加工工艺路线为下料→锻造成毛坯→退火或正火→粗加工→调质→精加工→高频感应加热表面淬火→低温回火→研磨→入库。

上例主轴在制造过程中有两道中间热处理工序，第一道工序为锻造之后的毛坯件退火（采用完全退火）或正火，目的是消除锻造应力，均匀成分，消除带状组织，细化晶粒，调整硬度，改善切削加工性能。第二道工序为精加工之前的调质热处理，它有两个重要目的：一是赋予主轴（整体）良好的综合力学性能；二是调整好表层组织，为感应加热表面淬火做好组织准备。感应加热表面淬火并低温回火属于最终热处理，赋予主轴轴颈部位（表层）的耐摩擦、耐磨损性能和高的接触疲劳强度。

2.火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是一种利用乙炔-氧气或煤气-氧气混合气体的燃烧火焰，将工件表面迅速加热到淬火温度，随后以浸水和喷水方式进行激冷，使工件表层转变为马氏体而其心部组织不变的工艺方式。图6.9为火焰加热表面淬火热处理示意图。

火焰加热表面淬火淬硬层的深度一般为1～6mm。火焰加热表面淬火的特点是设备简单、成本低、工件大小不受限制，但是淬火硬度和淬透性深度不易控制，常取决于操作工人的技术水平和熟练程度，生产效率低，只适合单件和小批量生产。

图6.9　火焰加热表面淬火热处理示意图