电阻加热淬火技术的优化方法

图4-2 接触电阻加热工件时工件和电极中的温度分布

Ⅰ—完全淬火层 Ⅱ—不完全淬火层 Ⅲ—未淬火层

接触电阻加热的原理是利用焦耳-楞次定律（Q=I²Rt）实现的。一个与工件接触的电极将电流传递给工件，此电流为通过变压器降压的低压交变电流，电流密度很大。电极一般采用导电性很好的铜材（或碳棒）制作，通电时它本身的温升并不大，但工件则因具有较大的电阻而被迅速加热。考虑到电极与工件的接触部位的温度应是相等的，接触电阻加热工件时工件和电极中的温度分布如图4-2所示。电极—工件界面的温度一般不超过500°C，但工件次表层的温度急剧升高，并在一定距离内超过临界点，温度经过极大点后开始连续下降，直至心部温度。当电极离开后，工件表层进行自激冷却淬火。因此，在温度高于Ac₃的区域Ⅰ为完全淬火层，处于Ac₁～Ac₃之间的Ⅱ区为不完全淬火层，温度低于Ac₁的Ⅲ区为未淬火层。由此也可以看出，在接触电阻加热淬火过程中，工件表面会出现一层非常薄的未淬火层和不完全淬火层，这也是该处理方法与其他表面淬火方法的最大区别。

接触电阻加热淬火能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄（约为0.15～0.30mm），金相组织及硬度的均匀性较差，目前多用于铸铁机床导轨的表面淬火，也可用于缸套、曲轴、工模具等工件的表面硬化。图4-3所示为机床导轨接触电阻加热淬火装置。用于表面淬火的铜滚轮（见图4-3b）刻有S形、锯齿形或鱼鳞形花纹，它将决定被淬火表面的硬化带形状分布，使用时一般用压缩空气进行冷却。该系统中铜滚轮直径为φ50～φ60mm，轮周花纹宽度为0.8～1.0mm，移动速度为2～3m/min，变压器二次侧开路电压小于5V（负载电压为0.5～0.6V），电流为400～600A，滚轮上的压力为40～60N。导轨淬火后，表层下可获得深度为0.2～0.25mm的隐晶马氏体和少量莱氏体及残留奥氏体。

图4-3 机床导轨接触电阻加热淬火装置

a）加热原理 b）铜滚轮 c）行星差动示导轨加热淬火机

1—铜滚轮 2—柔性导线 3—接变压器的导线 4—风门 5—行星减速器 6—绝缘垫 7—电木座

长期以来，用于冶金、建材等行业的钢质冷、热切锯片普遍存在使用寿命较低的问题，而采用特殊的镀、渗、气相沉积及镶嵌硬质合金等方法，虽然效果不错，但工艺复杂，推广难度大。采用接触电阻加热这一简单的方法，可有效地提高锯片的使用寿命。如65Mn热轧钢制成的直径为φ200mm、厚度为3mm的圆锯片，首先采用常规的整体热处理工艺处理，基体硬度达到47～49HRC；接着在变压器工作端电压为30V、电流为250A的条件下接触电阻加热1～2s，然后自激冷却淬火，获得晶粒细小的混合型马氏体硬化层组织。经接触电阻加热淬火的齿尖具有很高的硬度（可达64HRC），其硬度分布如图4-4所示（在硬化层与基体交界处有一软带）；采用同样工艺处理的65Mn试样与GCr15淬火试样在MM-200磨损试验机上进行磨损试验，经接触电阻加热淬火的65Mn试样的耐磨性大幅度提高（见图4-5）。通过实际使用考核，接触电阻加热淬火的锯片的寿命比普通锯片提高30倍。(www.xing528.com)

图4-4 接触电阻加热淬火锯片齿顶硬度分布

1—接触电阻加热淬火 2—常规淬火

图4-5 磨损试验磨损量对比曲线

1—接触电阻加热淬火 2—常规淬火

近年来，接触电阻加热淬火技术开始在一些简单的模具上应用，特别是服役一段时间后的模具，其性能出现劣化，而再进行整体热处理以改善其性能将会非常困难。此时，采用接触电阻加热后自冷却淬火，可恢复模具表面的性能，如采用滚轮接触带宽度为5mm、相对运动速度为0.55m/min、回路中电流控制为1000A的工艺参数，对5CrNiMo钢进行氮气保护下的接触电阻加热淬火，材料的表面硬度可达517HV。

在接触电阻加热淬火之前，需淬火面应进行精加工，表面粗糙度Ra在1.6μm以下。淬火后工件表面会产生一层极薄的熔融突起和氧化皮，可用油石磨光。