感应淬火与渗碳淬火
钢的表面热处理
第八章钢的表面热处理知识要点：表面热处理的目的、分类；常用的表面热处理工艺（感应加热表面淬火和渗碳）；了解表面热处理的典型零件。
一、表面热处理的目的1．提高零件的表面性能，具有高硬度、高耐磨和高的疲劳强度。
→保证高精度2．使零件心部具有足够高的塑性和韧性。
→防止脆性断裂。
“表硬心韧”二、表面热处理的分类及工艺特点主要有两大类：表面淬火和化学热处理。
（一）表面淬火1．工艺：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达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。
工艺特点：（1）不改变工件表面化学成分，只改变表面组织和性能；（2）表面与心部的成分一致，组织不同。
2．所用材料一般多用中碳钢、中碳合金钢，也有用工具钢、球墨铸铁等。
典型零件:如用40、45钢制作的机床齿轮齿面的强化、主轴轴颈处的硬化等。
3．常用表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火。
（1）感应加热表面淬火原理：通以一定频率交变电流的感应线圈，产生的交变磁场在工件内产生一定频率的感应电流（涡流），利用工件的电阻而将工件加热；由于感应电流的集肤效应，使工件表层被快速加热至奥氏体化，随后立即快速冷却，在工件表面获得一定深度的淬硬层。
感应线圈→交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表层加热，快冷→淬硬层。
工件淬硬层的深度与频率有关：A. 0.2～2mm，高频感应加热（100—500KHz），适用于中小型齿轮、轴等零件；B．2～10mm，中频感应加热（0.5—10KHz），大中型齿轮、轴；C．〉10—15mm，工频感应加热（50Hz），用于大型轴、轧辊等零件。
特点：淬火质量好，表层组织细密、硬度高、脆性小、疲劳强度高；生产频率高、便于自动化，但设备较贵，不适于单件和小批量生产。
应用：主要零件类型是轴类、齿轮类、工模具，最常见的有：齿轮，如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿山机械等上的大模数齿轮。
渗碳淬火+感应淬火工艺案例
渗碳淬火+感应淬火工艺案例1.概述十字轴是十字形万向接轴的重要零部件（见图1），其材料常选用15CrNi4MoA 钢，最终热处理工艺为渗碳淬火，因材料Ni含量（质量分数）高达4%～4.5%，Ni和Fe能无限固溶，扩大奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，会降低马氏体转变结束温度Mf点至室温以下，淬火后还会保留相当数量的残留奥氏体，加之渗碳后，渗碳层奥氏体碳浓度很高，达到0.7%～0.9%，碳含量高也会使残留奥氏体量增加。
因此，其淬火后组织中有大量残留奥氏体（见图2），奥氏体是一种硬度很低的相，会导致硬度降低，使十字轴渗碳淬火后硬度只能达到55HRC左右。
十字轴的轴颈直接与轴承滚子装配使用，而轴承滚子的硬度通常都在60HRC以上，由于十字轴硬度偏低，常导致十字轴被高硬度的轴承滚子快速磨损，发生表面剥落失效。
图1 十字轴结构图2 15CrNi4MoA钢残留奥氏体为提高十字轴的渗碳淬火硬度，常用方法是在渗碳淬火后增加一道深冷处理工序，使残留奥氏体继续转变成马氏体，减少残留奥氏体量，增加马氏体量，从而提高硬度。
但深冷处理成本较高，深冷时间较长，因此本文从另一个方向进行探索研究，将渗碳淬火后的十字轴进行感应淬火，分析渗碳淬火加感应淬火工艺对硬度、金相组织、淬硬层硬度梯度的影响，并讨论该工艺的应用方向，为该类零件的热处理工艺提供另一种参考方法。
2. 试验材料及方法试验选用十字轴材料为15CrNi4MoA钢，其化学成分如表1所示。
生产工艺流程：锻造→正火、回火→粗车→探伤→半精车→渗碳→淬火、回火→感应淬火→精车。
十字轴渗碳淬火工艺如图3所示。
表1 试验15CrNi4MoA钢化学成分（质量分数）（%）图3 十字轴渗碳淬火工艺十字轴经渗碳淬火后，在其中一个轴颈上进行感应淬火，采用套圈连续加热的方式进行，由于十字轴渗碳淬火加低温回火后，其表面组织为高碳回火马氏体，组织应力较大，在这种状态下进行二次淬火，容易出现淬火裂纹，为了解决此问题，感应淬火采用自冷的方式进行冷却。
常见汽车级机床用零件机加热处理工艺路线
一、齿轮1.渗碳及碳氮共渗齿轮的工艺流程毛坯成型→预备热处理→切削加工→渗碳（碳、氮共渗）、淬火及回火→（喷丸）→精加工2.感应加热和火焰加热淬火齿轮用钢及制造工艺流程配料→锻造→正火→粗加工→精加工→感应或火焰加热淬火→回火→珩磨或直接使用→调质→3.高频预热和随后的高频淬火工艺流程锻坯→正火→粗车→高频预热→精车（内孔、端面、外圆）滚齿、剃齿→高频淬火→回火→珩齿二、滚动轴承1.套圈工艺流程棒料→锻制→正火→球化退火车削加工→去应力退火→淬火→冷处理→低温回火→粗棒料→钢管退火磨→补加回火→精磨→成品2.滚动体工艺流程（1）冷冲及半热冲钢球钢丝或条钢退火→冷冲或半热冲→低温退火→锉削加工→软磨→淬火→冷处理→低温回火→粗磨→补加回火→精磨→成品（2）热冲及模锻钢球棒料→热冲或模锻→球化退火→锉削加工→软磨→淬火→冷处理→低温回火→粗磨→补加回火→精磨→成品（3）滚子滚针钢丝或条钢（退火）→冷冲、冷轧或车削→淬火→冷处理→低温回火→粗磨→附加回火→精磨→成品三、弹簧1.板簧的工艺流程切割→弯制主片卷耳→加热→弯曲→余热淬火→回火→喷丸→检查→装配→试验验收2.热卷螺旋弹簧工艺流程下料→锻尖→加热→卷簧及校正→淬火→回火→喷丸→磨端面→试验验收3.冷卷螺旋弹簧工艺流程下料→锻尖→加热→卷簧及校正→去应力回火→淬火→回火→喷丸→磨端面→试验验收四、汽车、拖拉机零件的热处理1.铸铁活塞环的工艺流程（1）单体铸造→机加工→消除应力退火→半精加工→表面处理→精加工→成品（2）简体铸造→机加工→热定型→内外圆加工→表面处理→精加工→成品2.活塞销的工艺流程棒料→粗车外圆→渗碳→钻内孔→淬火、回火→精加工→成品棒料→退火→冷挤压→渗碳→淬火、回火→精加工→成品热轧管→粗车外圆→渗碳→淬火、回火→精加工→成品冷拔管→下料→渗碳→淬火、回火→精加工→成品3.连杆的工艺流程锻造→调质→酸洗→硬度和表面检验→探伤→校正→精压→机加工→成品4.渗碳钢气门挺杆的工艺流程棒料→热镦→机加工成型→渗碳→淬火、回火→精加工→磷化→成品5.合金铸铁气门挺杆的工艺流程合金铸铁整体铸造（间接端部冷激）→机械加工→淬火、回火→精加工→表面处理→成品合金铸铁整体铸造（端部冷激）→机械加工→消除应力退火→精加工→表面处理→成品钢制杆体→堆焊端部（冷激）→回火→精加工→成品钢制杆体→对焊→热处理→精加工→表面处理→成品6.马氏体型耐热钢排气阀的工艺流程马氏体耐热钢棒料→锻造成型→调质→校直→机加工→尾部淬火→抛光→成品7.半马氏体半奥氏体型耐热钢（Gr13Ni7Si2）排气阀的工艺流程棒料→顶锻→精压→热处理→精加工→成品8.奥氏体耐热钢排气阀的工艺流程棒料→顶锻→精压→阀面和尾部堆焊耐热合金→热处理→杆部滚压或软氮化→精加工→成品9.半轴调质的工艺流程合金结构钢棒料→锻造成形→正火或退火→机械加工→调质→校直→精加工→成品10.半轴的表面淬火的工艺流程棒料→锻造成形→预先热处理→校直→机械加工→表面淬火→校直→精加工→成品11.柱塞副和喷油嘴偶件的工艺流程热扎退火棒料→自动机加工成型→热处理→精加工→时效→成品12.拖拉机履带板（1）40SiMn2履带板的热处理热轧成形→下料→机加工→热处理→成品（2）ZGMn13履带板的热处理铸造成型→热处理→成品五、金属切削机床零件的热处理1.机床导轨（1）MM7125平面磨床立柱镶钢导轨锻造→正火→机加工→消除应力退火→机加工→淬火→回火→磨（2）M9025工具曲线磨床镶钢导轨锻造→退火→机加工→淬火→回火→磨（3）S788轴承磨床镶钢导轨机加工→消除应力退火→机加工→渗碳→淬火→回火→磨→时效（4）MZ208轴承磨床镶钢导轨锻造→退火→机加工→消除应力退火→机加工→淬火→冰冷处理→回火→磨→时效2.机床主轴（1）CA6104车窗主轴（45钢）下料→粗加工→正火→机加工→高频淬火→回火→磨（2）T68、T611镗床的镗杆及MGB132磨床的主轴（35CrMoAlA钢）下料→粗车→调质→精车→消除应力处理→粗磨→渗氮→粗磨（3）SGC630精密丝杠车床主轴（12CrNi3A）锻造→正火→机加工→渗碳→正火→校直→消除应力→机加工→头部淬火→颈部淬火→回火→磨→时效（4）X62W万能升降台铣床主轴（球墨铸铁QT60-2）铸造→机加工→淬火→回火（5）M1040无心磨床主轴（球墨铸铁QT60-2）铸造→机加工→正火→机加工3.丝杠（1）7级或7级精度一下的一般丝杠（45钢）下料→正火或调质→校直→消除应力处理→机加工（2）6级或6级以上精密不淬硬丝杠（T10或T12钢）球化退火→机加工→消除应力处理→机加工→时效→精加工（3）中大型精密淬硬丝杠（CrWMn）锻造→球化退火→机加工→消除应力→机加工→消除应力→机加工→淬火、回火→冰冷处理→回火→探伤→机加工→时效→精加工→时效→精加工（4）中小型精密淬硬丝杠（9Mn2V）锻造→球化退火→机加工→消除应力→机加工→淬硬淬火→回火→冰冷处理→回火、探伤→机加工→时效→精加工→时效→精加工（5）滚珠丝杠（GCr15，GCr15SiMn）4.弹簧卡头（1）卧式多轴自动车床夹料卡头（9SiCr）锻造→退火→机加工→淬火→回火→机加工→磨开口→胀大定型（2）卧式多轴自动车床送料卡头（T8A钢）锻造→退火→机加工→淬火→回火→磨（3）仪表机床小型专用卡头（60Si2）退火→机加工→淬火→回火→磨（4）磨阀辨机床专用卡头（65Mn）锻造→正火→高温→回火→机加工→淬火→回火→机加工5.摩擦片（1）X62W万能升降台铣床摩擦片（A3）机加工→渗碳→淬火→回火→机加工→回火（2）DLMO电磁离合器摩擦片（65Mn）冲片→淬火→回火→磨（3）电磁离合器摩擦片（6SiMnV）锻造→退火→切片→淬火→回火→磨6.FW250万能分度头主轴（45）锻造→正火→机加工→淬火→回火→机加工7.万能分度头蜗杆（20Cr）正火→机加工→渗碳→机加工→淬火→回火→机加工8.三爪卡盘卡爪（45）正火→机加工→淬火→回火→高频淬火→回火→法蓝→磨加工9.三爪卡盘丝（45）锻造→正火→机加工→淬火→回火→法蓝→磨六、活塞1.20CrMnMo钢制活塞的热处理锻造→正火→检验→机加工→渗碳→检验→正火→淬火→清洗→回火→检验→喷砂→磨削2.钒钢活塞的热处理下料→锻造→检验→预先淬火→球化退火→检验→机加工→淬火→回火→检验→磨削七、凿岩机钎尾锻造→退火→检验→渗碳→检验→淬火→回火→清洗→检验→磨削。
sdf同步双频淬火工艺
同步双频淬火工艺（SDF）是一种感应淬火技术，在一个感应线圈上同时产生中频和高频电流，在工件表面形成感应漩涡电流，使工件表面在极短的时间内迅速加热，然后急速冷却，以在工件表面获取轮廓硬化层。
这种工艺特别适合处理具有复杂轮廓的零部件，如模数6以下的齿轮、蜗杆、准双曲面齿轮轴、汽车转向装置、汽车CV接头和驱动轴，以及直径大小不一的孔断面等。
经过同步双频感应加热技术处理过的工件，硬化层特别均匀。
美国的波音公司使用SDF感应淬火技术代替原有的渗碳淬火工艺，部分工件热处理后，类似磨齿的工序将不需要进行。
宝马、大众、奥迪、BOSCH、西门子等都使用了该项技术，国内也有企业在使用。
以上内容仅供参考，建议咨询专业人士获取更多信息。
各种淬火方法及其适用范围
各种淬火方法及其适用范围1. 第一种淬火方法是通过快速冷却金属材料以增加硬度和强度。
2. 水淬是一种常见的淬火方法，适用于中碳钢和高碳钢。
3. 油淬是另一种常见的淬火方法，适用于低合金钢和不锈钢。
4. 空气淬火适用于部分合金钢和精密零件，用以减少内部应力。
5. 盐浴淬火适用于高温合金钢和不锈钢，效果好且工艺复杂。
6. 固体表面淬火适用于需要局部提高硬度的工件，如齿轮或轴承。
7. 坩埚淬火适用于大型工件，能够在淬火中保持均匀的温度。
8. 悬浸淬火适用于金属丝和细小零件的表面硬化处理。
9. 感应淬火适用于需要精确控制加热和冷却的工件，如汽车零件和机械零件。
10. 激光淬火适用于需要局部加热的工件，效果快速且精准。
11. 火焰淬火适用于大型铸件或焊接接头的局部淬火。
12. 淬火渗碳适用于提高工件表面硬度和耐磨性，如齿轮和轴承。
13. 离子淬火适用于细小和复杂零件的表面强化处理。
14. 表面淬火适用于需要提高表面硬度的工件，如刀具和模具。
15. 淬火退火适用于同一工件先淬火后退火，以调整其组织和性能。
16. 淬火油是一种常用的冷却介质，适用于大多数碳钢和合金钢。
17. 淬火盐适用于提高淬火速度和表面质量，常用于碳化钢和合金钢。
18. 淬火水适用于快速冷却要求不高的低碳钢和中碳钢。
19. 淬火气体适用于需要精确控制冷却速度和保护表面的工件。
20. 淬火溶液适用于对淬火速度和表面质量要求高的合金钢和不锈钢。
21. 淬火工艺可根据工件材料和要求的硬度而定。
22. 淬火过程需要考虑工件的形状和尺寸，以保证其均匀性和质量。
23. 不同淬火方法对工件的影响有所不同，需根据具体情况选择合适的方法。
24. 淬火是金属热处理的重要环节，直接影响工件的使用性能。
25. 正确的淬火方法可以提高工件的硬度和强度，延长其使用寿命。
26. 淬火过程中要严格控制冷却速度和温度，以避免产生裂纹和变形。
27. 淬火后通常需要进行回火处理，以消除内部应力和提高韧性。
机床主要零件选材及热处理与热处理技术要求表示方法
一、机床主要零件选材及热处理摘录（仅供参考）
2、导轨
3、丝杠
注：热处理技术要求系指丝杠螺纹部分。
软丝杠的方头和轴颈一般需C42或G48。
注：（1）、表中的齿根最大弯曲应力及齿面最大接触应力按GB3480和GB10062规定计算；
（2）、齿轮的有效渗碳硬化层和渗氮层深度分别见附表4-1和附表4-2。
附表4-1：齿轮的有效渗碳硬化层深度(mm)
5、蜗轮副(蜗杆及蜗轮)
说明：经渗碳的蜗杆，其有效渗碳硬化层深度见附表5-1。
7、齿条
齿条可参照齿轮选择材料和制定热处理技术要求。
工作频繁的齿条应采用硬化措施。
细长齿条宜采用渗氮处理（或氮碳共渗或硫氮碳共渗处理）。
精度低的齿条可采用整体淬火。
工作不频繁或受力不大的齿条可以不采用硬化措施，其中要求调质的齿条宜用易切削非调钢YF40MnV或YF45MnV。
8、箱体
箱体一般采用灰铸铁制造，并经高温时效处理。
主轴箱等要求较高的箱体宜用HT300或HT350，一般箱体采用HT200或HT250。
要求刚度高受力大的箱体可采用球墨铸铁QT600-3制造。
单件小批量生产的箱体可采用45钢或Q235钢焊接结构。
这些箱体亦须进行高温时效处理。
说明：本资料是根据1993年北京机床研究所材料部编写的《《机床八类主要零件选材及热处理》整理而成。
其中，省去了一些解释文字。
二、机床行业热处理技术要求表示方法
注：冷卷弹簧的定形、消除应力处理可用“Hh”表示。
感应淬火替代渗碳淬火
感应淬火最早得到应用是为了提高零件表面硬度，以满足耐磨性的要求。
经过几十年的发展，感应淬火已经发展成为应用范围最为广泛的热处理技术，在汽车、铁路、船舶、工程机械、机床以及军工等行业形成了完善的技术和质量体系。
感应淬火替代渗碳淬火是其推广应用的一个重要领域，基于其突出的经济性和较高的技术指标，受到业界的重视。
对于两者的比较，在以下几个方面进行分析。
经济性先进的技术是用最低的成本获得满足需求的性能，经济性是技术应用首先考虑的因素。
1.设备投资感应淬火设备的投资是比较小的。
如中等规格齿轮的淬火设备，一条齿轮连续炉渗碳线投资约800万元，加上淬火压床、吊具等辅助设备合计约1500万元。
按照相同的产能对比，需要2台感应淬火机床，每套自动淬火机床的价格约100万元，仅仅是渗碳设备的10%～20%。
与多用炉相比，1套感应淬火机床的产能至少与3台多用炉相当，其投资相当于多用炉（包括辅助系统）的50%。
设备的占地面积和安装方面也是费用支出的重要部分。
渗碳设备占地面积大，对厂房的水、电、气要求较高，造成生产厂房需要较大的投资，安装费用也较高。
感应淬火设备占地面积小，安装简便，费用要少很多。
2.生产运行费用和生产节拍感应淬火生产运行费用低，也是其具有推广价值的重要指标。
统计显示，感应淬火的能耗为渗碳淬火的20%左右，淬火介质的消耗为30%左右，设备维护和消耗备件的费用为20%左右，生产三废的排放也非常低。
感应淬火为快速加热，加热时间为几秒到几十秒，生产节拍非常快。
对于降低人工成本、降低在制品率有优势。
3.热处理零件用材料发达国家的感应淬火用材料有一个专门的系列，但专用材料不表示高成本，只是为达到更好的效果而做的调整。
感应淬火选材范围是最广泛的，并且由于其特有的优异性能可以选用低成本的材料替代价格较高的渗碳材料。
渗碳处理的温度高、时间长，需要特别注意控制其晶粒长大，所以渗碳用钢中必须含有一定含量的细化晶粒合金元素。
4.热处理后的加工在渗碳淬火的实践中，往往在后续的磨削工序出现渗碳层被磨掉的问题，其原因就是渗碳层相对较浅，热处理变形后偏磨。
中频感应淬火工艺参数对渗碳泵筒基体硬度的影响
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第 ３ ７卷 第 ６ 期 ・ 术 学
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中频感 应淬 火工艺 参数对渗碳泵筒基体硬 度的影 响
李红莉 ， 孙 博
抽油 泵筒 是抽 油泵 中重要且难 以加工 的零 件之一 。抽油 泵筒与表面硬化的柱塞组成一对摩擦副 ，要保证 柱塞转动 和 往复运动无 阻卡 、 损均匀 ， 磨 更好地 适应深抽 ， 抽油泵筒 应有 足够的强度 、 刚度 和疲劳强度 ， 内表面还要 有高 的耐磨性 。 其 为了满足以上性能要求 ， 对抽油泵筒 实施 了渗碳 、 中频 淬火 ＋ 低温 回火 的热处理 工艺 。 通过 多次 实验 方法 ， 找到 了适合基体
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扭力轴花键感应淬火与渗碳淬火的工艺实践分析
感应淬火与渗碳淬火同属表面硬化工艺，早在50年代，兵器部541工厂研究院坦克扭力轴即指出“感应淬火的成本为渗碳淬火的1/3，其后又提出：高频电流淬火工艺具有加热时间短、零件氧化皮少、变形小、工作环境洁净、可以在线生产等一系列优点。
”
然而，时至今日，渗碳淬火工艺在中小模数齿轮等领域，仍广泛应用于生产。
其原由是渗碳零件表面碳浓度高，耐磨性更优、工夹具简单和中、小零件批量装炉方便等多种因素。
感应淬火需要专用的感应器，工装、管理费用等相对高些，一汽研究所下属公司曾对连杆大头内孔渗碳与感应淬火的单件总成本作精细的对比，渗碳件材料加39道工序的加工费为14.73分，而感应淬火件28道工序相对费用为12.73分。
单件成本相差2分。
感应淬火对复杂形状的工件仿轮廓淬火具有难度，小内孔、不通孔的底面、卡盘爪的阶梯面、活塞的沟槽、曲面件等部位，不如渗碳工艺简便，因此，在选择表面硬化工艺时，应从工装、材料、工序数、产品寿命等作具体分析再确定，不能仅从节能一点来选取。
渗碳与感应淬火在工艺与装备研发上，近年来均有很大的进展。
感应淬火工艺具有优势的项目可列举如下：
1.深层渗碳方面
齿轮的渗碳层深与其模数有关，常选用的层深为（0.15～0.20）m。
对中、小模数齿轮，此值在0.2～1.0mm，一般渗碳工艺即可达到，但对大模数齿轮，如m=80的齿轮（见图1）和m=63齿条等，其层深要求常≥4mm，如采用渗碳，则必须深层渗碳，仅渗碳周期即不低于100h，更不论齿条长度几十米对设备装炉的要求了，而感应淬火是单齿扫描淬火，从电源容量与升降机构方面考虑，要简单得多。
国外另一实例是冶金设备的内孔，用感应淬火代深层渗碳。
2.畸变小方面
渗碳齿轮由于是整体加热，时间长、温度高，所以淬火后畸变大，有些齿轮则需压模淬火才解决问题，因此，它的周期长、耗电大、成本高，感应淬火相对有利，国内已有企业成功地将渗碳内齿圈改为感应淬火用于生产的实例。
但迄今也还有料浆泵缸套等零件仍采用渗碳淬火（渗层2.75～3.0mm）。
3.大零件、长零件感应淬火得天独厚
当今风电发展迅猛，风电机的迥转支承需要在滚道进行淬火，感应淬火无疑是最佳工艺，机床导轨面、石油管、铁道钢轨等的热处理，均已证明感应淬火具有得天独厚的优势。
4.低淬透性钢感应淬火代渗碳齿轮淬火
前苏联发明的低淬透性钢感应淬火，早在该国载货车上及轴承等方面应用，它从限制钢材淬透性方面使齿轮得到仿齿形淬硬层及规定硬度的心部，现在低淬钢的品种还在增加，除58钢以外，又扩大到60ПП、80ПП等牌号，具有较大经济效益。