第十一章 钢的表面淬火

第一节 感应加热表面淬火 (1)
第二节 火焰加热表面淬火 (2)
第三节 激光热处理 (3)
第十一章 钢的表面淬火
概念：表面淬火是采用快速加热的方法使工件表面奥氏体化，然后快冷获得表层淬火组织的一种热处理工艺。

关键：使零件表面迅速加热到淬火温度，当热量尚未充分传到工件内部时就急冷，使表面获得高硬度高耐磨性的马氏体组织，而心部仍是塑性韧性较好的调质或正火的原始组织。

预先热处理：工件表面淬火前要进行预先热处理(调质或正火)，以保证心部的性能要求和为表面淬火作好组织准备。

出现原因：很多承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，其表面要比心部承受更高的应力。

因此，要求零件表面应具有高的强度、硬度和耐磨性，而心部在保持一定强度、硬度的条件下，应具有足够的塑性和韧性。

显然，采用表面淬火的热处理工艺，能使工件达到这种表硬心韧的性能要求。

种类：表面淬火是表面强化的方法之一，由于其具有工艺简单、生产率高、热处理缺陷少等优点，因而在工业生产中获得了广泛的应用。

根据加热方法的不同，表面淬火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及激光加热表面淬火等。

其中应用最广泛的是感应加热与火焰加热表面淬火方法。

与化学热处理区别：钢的表面淬火是仅对钢件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺，不改变表面的化学成分，而是依靠表面加热淬火达到表面强化的目的。

第一节 感应加热表面淬火
一、感应加热的基本原理
利用电磁感应，使工件表面产生很高的感应电流，将工件表层迅速加热。

图11-1是感应加热表面淬火示意图。

将工件放入(用铜管制成的)感应圈内，向感应圈中通以一定频率的交流电，其周围即产生交变磁场，则工件(导体)会感应产生同频率的感应电流。

由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，故通常称为涡流。

这是感应加热的主要热源。

涡流在工件中的分布是不均匀的，由表面到心部呈指数规律衰减。

因此，涡流主要集中在工件表层，内部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。

由于工件本身的阻抗使电能转变成热能而迅速加热表层，几秒钟内就可上升到800℃以上，而心部仍接近室温，当表层温度升高至淬火温度时，立即喷液冷却使工件表面淬火。

二、种类
感应电流透入工件表层的深度主要取决于电流频率，电流频率越高，电流透入深度越浅，则工件表层被加热的厚度越薄，即淬透深度越浅。

感应电流透入工件表层的深度δ(mm)与电流频率f(Hz)之间有如下关系：
)20( f
2020℃冷态=δ )(800 f 500
800℃热态=
δ δ800远大于δ20，这是因为钢被加热到磁性转变点以上温度时，失去磁性，磁导率急剧下降，导致电流透入深度急剧增加。

根据所用电流频率的不同，感应加热表面淬火可分为三类：
1、高频感应加热表面淬火 最常用电流频率为200~300kHz ，可获淬硬层深度为0.5~2.0mm ，主要适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸轴类零
件。

2、中频感应加热表面淬火电流频率为500~10000Hz，最常用频率为1~8kHz。

可获得淬硬层深度为3~5mm。

主要用于曲轴、凸轮轴和大中模数齿轮。

3、工频感应加热表面淬火电流频率为50Hz，不需要变频设备。

可获得淬硬层深度为10~15mm适用于冷轧辊、火车车轮等。

三、特点
与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火有以下主要特点：
1、感应加热速度极快，一般不进行加热保温，为保证奥氏体质量，感应加热表面淬火可采用较高的淬火加热温度，一般可比普通淬火温度高100~200℃。

2、由于感应加热速度极快，钢的奥氏体化温度明显升高，奥氏体化时间显著缩短，仅为几秒或十几秒。

3、感应加热表面淬火通常采用喷射介质冷却。

工件经表面淬火后，一般应在180~200℃进行回火，以降低残余应力和脆性。

4、由于感应加热时间短、过热度大，使奥氏体形核多，且不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，硬度比普通淬火高HRC2~3，韧性也明显提高。

5、表面淬火后，不仅工件表层强度高，而且由于马氏体转变产生的体积膨胀，在工件表面造成了有利的残余压应力，从而有效地提高了工件的疲劳强度并降低了缺口敏感性。

6、感应加热速度快、时间短，工件一般不会发生氧化和脱碳；同时由于心部未被加热，淬火变形小。

7、生产效率高，便于实现机械化和自动化；但因设备费用昂贵，不宜用于单件生产。

四、主要应用的钢种
主要适用于中碳和中碳低合金结构钢，如40、45、40Cr、40MnB等。

这类钢经表面淬火后，既可以保证工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，又可以保证心部的强韧性。

通常，工件在表面淬火前都要进行一次调质处理或正火处理。

感应加热也可用于高碳工具钢和低合金工具钢的表面淬火。

第二节火焰加热表面淬火
一、概念
火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等混合气体的火焰直接加热工件表面，当达到奥氏体化要求时立即喷水冷却，以获得要求的表面硬度和淬硬深度的一种表面淬火方法。

图11-2是火焰加热表面淬火的示意图。

二、淬硬深度的改变
通过调节烧嘴与工件表面及喷水管间的距离，改变烧嘴与工件间的相对移动速度，可以获得不同深度的淬硬层。

火焰加热表面淬火的淬硬深度一般为2~6mm。

三、应用
火焰加热表面淬火常用于中碳钢和中碳低合金结构钢零件。

若含碳量过低，则淬火后硬度较低；若碳及合金元素的含量过高，则易在工件表面产生淬火裂纹。

火焰加热表面淬火法也可用于某些铸铁件的表面淬火。

四、与感应加热表面淬火的比较
火焰加热表面淬火具有设备简单、成本低、灵活性大等优点，可满足单件或小批量生产的大型零件局部表面淬火的需要。

但火焰加热表面淬火
较易引起过热，淬火质量难以控制，因此限制了它在机械制造工业中的广泛应用。

若能采用各种有效形式的火焰淬火机床，则可稳定并改善零件的火焰加热表面淬火质量。

第三节激光热处理
激光是一种亮度极高、单色性和方向性极强的光源。

利用激光加热金属表面进行热处理，始于70年代。

一、原理
激光由激光器产生，激光器主要由激活媒质、激发装置和光学谐振腔组成。

热处理用的激光源通常是CO2激光器。

作为激活媒质的受到外界激发后(光或电激发)，经过光学谐振形成光振荡形成激光。

当激光照射到金属表面时，将其能量传输给金属表面变成热能加热金属。

激光加热与一般加热方式不同，它是以激光束扫描的方式进行，通过控制扫描速度和功率密度则可控制工件表面温度和加热深度。

一般是当功率密度大时，加热时间短，淬硬层浅。

反之，则淬硬层深。

用激光加热表面时，为了使表面不受损伤(过热或烧伤)，表面温度一般不应超过1200℃，并规定最大淬硬层深度是从表面向内到900℃处。

激光具有较强的反射能力，吸收率仅为10%左右，为了提高表面吸收率，在激光热处理前需对零件表面进行黑化处理，如氧化、磷化、涂石墨等。

二、特点
加热速度极快，在十分之几秒到千分之几秒范围内就可使工件表面达到淬火温度，且不用淬火介质，靠自自冷淬火。

激光淬火能获得极细的马氏体组织，淬火应力及变形极小，且无污染，易实现自动化。

其缺点是激光器价格昂贵，生产成本高。

图11-1连续感应加热表面淬火示意图
图11-2 感应加热表面淬
火(一次加热淬火、同时加
热淬火)示意图
图11-3火焰加热表面淬火示意图。