鋼的表面淬火
0845562139 楊賽偉
（08冶金1班）
1 前言
某些機器零件在複雜應力條件下工作時，表面和心部承受不同的應力狀態，往往要求零件表面和心部具有不同的效能，為此，除了鋼的退火和正火，淬火與回火這些整體熱處理外，還發展了表面熱處理技術，其中包括只改變工件表面層組織的表面淬火工藝。
2 表面淬火的原理
表面淬火是將工件快速加熱到淬火溫度，然後迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織的熱處理方法。齒輪，凸輪，曲軸及各種軸類等零件在扭曲，彎曲等交變載荷下工作，並承受摩擦和衝擊，其表面要比心部承受更高的應力。因此，零件的表面要求具有較高的強度，硬度和耐磨性，要求心部具有一定的強度，足夠的塑性和韌性。
採用表面淬火工藝可以達到這種表硬心韌的效能要求。根據工件表面加熱源的不同，鋼的表面淬火有很多種，例如感應加熱，火焰加熱，雷射加熱，電子束加熱等表面淬火工藝。本**主要討論感應加熱表面淬火。
感應加熱表面淬火是利用電磁感應原理，在工件表面產生密度很高的感應電流，並使之迅速加熱到奧氏體狀態，隨後快速冷卻獲得馬氏體組織的淬火方法，如圖1所示。
圖1當感應圈中通過一定頻率交流電時，在其內外將產生與電流變化頻率相同而方向相反的感應電流。由於感應電流沿工件表面形成封閉迴路，故通常稱為渦流。此渦流將電能變成熱能，使工件加熱。
渦流在被加熱工件中的分布由表面至心部呈指數規律衰減。因此，渦流注意分布於工件表面，工件內部幾乎沒有電流通過。這種現象稱作集膚效應或表面效應。
感應加熱就是利用集膚效應，依靠電流熱效應把工件表面迅速加熱到淬火溫度。感應圈用純銅管制做，內通冷卻水。當工件表面在感應圈內加熱到相變溫度時，立即噴水或浸水冷卻，實現表面淬火工藝。
由於感應加熱速度快，一般不進行保溫，為使先共析相充分溶解，感應加熱表面淬火可採用較高的淬火加熱溫度。感應加熱表面淬火比普通加熱淬火溫度高30~200℃。普通加熱淬火溫度的選擇是以能得到均勻細小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火後得到細小的馬氏體組織。
它的選擇主要根據鋼的臨界點確定，下圖（圖2）為碳鋼在加熱或冷卻時各臨界點的位置
圖2亞共析鋼（碳含量＜0.77%）通常加熱至ac3以上30~50℃；共析鋼，過共析鋼（碳含量＞0.77%）加熱至ac1以上30~50℃。
所以，在進行感應加熱時，亞共析鋼（碳含量＜0.77%）通常加熱至ac3以上60~250℃；共析鋼，過共析鋼（碳含量＞0.77%）加熱至ac1以上60~250℃。
除了感應加熱表面淬火，還可以用火焰表面加熱淬火，它適於中碳鋼35、45鋼和中碳合金結構鋼40cr及65mn、灰口鑄鐵、合金鑄鐵的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤氣-氧混合氣燃燒的火焰噴射快速加熱工件。工件表面達到淬火溫度後，立即噴水冷卻。
淬硬層深度為2～6mm，否則會引起工件表面嚴重過熱及變形開裂。
3 感應加熱表面淬火的組織特點分析
感應加熱時，由於電磁感應和集膚效應，工件表面在極短時間裡達到ac3以上很高的溫度，而工件心部仍處於相變之下。中碳鋼高頻淬火之後，工件表面得到馬氏體組織，往裡是馬氏體加鐵素體加托氏體，心部組織為鐵素體加珠光體或回火索氏體原始組織。
工件表面（圖3）和過渡區(圖4)的金相組織如下圖所示：
圖3細小馬氏體圖4馬氏體加鐵素體
圖3是40cr鋼淬火區細小馬氏體，圖4是過渡區馬氏體和未溶解鐵素體的混合組織。由圖中可以發現經高頻淬火後，工件表面晶粒得到細化。因為這種方法能量密度高，速度更快，時間更短，所以細化組織的效果比普通高頻加熱淬火效果更加明顯。
而且。由於感應加熱公升溫速度快，保溫時間短，淬火溫度高，導致奧氏體形核多，又不容易長大。因此，淬火後表面得到細小的影隱晶馬氏體，所以表面硬度比一般淬火的高2~3hrc。
工件在冷卻過程中，鋼中各種組織的比體積是不同的，從奧氏體→珠光體→貝氏體→馬氏體，比體積逐漸增大。因此，鋼淬火時由奧氏體轉變為馬氏體將造成顯著的體積膨脹，但工件表層強度高，故在工件表層產生很大的殘餘壓應力，因此可以顯著提高其疲勞強度並降低缺口敏感性。晶粒細化，表面硬度高以及表面壓應力使工件的耐磨性也得到顯著提高。
工件心部（圖5）的組織如下：
鐵素體加珠光體圖5回火索氏體
從圖中可以看出心部組織為鐵素體加珠光體或回火索氏體原始組織。感應加熱淬火時，加熱速度快，無保溫時間，工件心部未被加熱，故工件淬火變形小。感應加熱淬火後工件的衝擊韌度與淬硬層深度和心部原始組織有關。
同一鋼種淬硬層深度相同時，原始組織衝擊韌度高的便衝擊韌度高；原始組織相同時，淬硬層深度增加，衝擊韌度降低。此外，感應加熱淬火的生產率高，便於實現機械化和自動化，淬火層深度又易於控制，適於批量生產形狀簡單的機器零件。
4 表面淬火的應用
感應加熱淬火通常採用中碳鋼和中碳合金結構鋼，用以製造工具機，汽車及拖拉機齒輪，軸等零件。也可以採用碳素工具鋼和低合金工具鋼，用於製造量具，模具，銼刀等。目前國內外還廣泛採用低淬透性鋼進行高頻感應加熱淬火（電流頻率80~1000khz,這裡不做討論），用於解決中，小模數齒輪因整齒淬硬而使心部韌性變差的表面淬火問題。
注釋：隱晶馬氏體片狀馬氏體的最大尺寸取決於原始奧氏體晶粒大小，奧氏體晶粒越大，則馬氏體片越大，當最大尺寸的馬氏體片小到光學顯微鏡無法分辨時，便稱為隱晶馬氏體。在生產中正常淬火得到的馬氏體，一般都是隱晶馬氏體。
馬氏體的形成一般為從奧氏體的乙個邊界到對面的邊界，因此原奧氏體顆粒大小決定了淬火後馬氏體的大小，但是可以通過改變加熱溫度和冷卻條件，使先生成的鐵素體把奧氏體從中隔離開來，這樣也可形成隱晶馬氏體。
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