零读杂谈（热处理 十八）

zerowing

抽些空，继续写写。新环境挺好，有8爷在，有彭老、LIAO大等老人在，大家也讨论热烈。挺好。最近挺忙，估计还要再忙一个来月。还是抽空写写吧。

读书：《金属材料及热处理》　陆大纮　许晋堃　合编
　　　人民铁道出版社

　　　杂谈十八

钢的表面热处理

实际设计应用中的很多零部件，其工作状态的应力和疲劳源多数在零件的外表面。比如弯扭组合的轴，除去阶梯轴台肩位置的过渡位置的集中区以外，轴的外表面本身也是高应力区。此外，对于齿轮、花键、轴承等常用零件来说，工作表面对耐磨，抗压也有高的要求。因此，为了针对上述各种工作需求，通常需要采取一定的处理手段来提高零件表面的硬度。除去镀层这类新增材料的处理方法外，常用的处理手段就是钢的表面热处理。

表面热处理大致分为两类：

A。以改变表层组织为目的，而不改变表层化学成分的热处理，称为表面淬火。

B。以改变表层化学成分为目的热处理，称为化学热处理。比如渗碳，氮化等。

钢的表面淬火

类似于正常的淬火处理，表面热处理也是通过快速加热使工件表面极快速的达到淬火温度，不等热量传达到零件心部就立即冷却的热处理工艺。经过这种处理，工件表层淬成高硬度的马氏体组织，而心部仍保持原来韧性。

由于要求表面性能，表面淬火要求工件的含碳量应大于0.3%，一般都是用于中碳钢或中碳和金钢，如40，45，40Cr,45Cr,42CrMo,50Mn等。

表面淬火形成的马氏体组织，不仅可使零件表层硬而耐磨，而且由于淬火造成了表层中的压应力，也提高了疲劳强度。

表面淬火根据加热方式不同，分为感应加热，火焰加热和接触电加热等几种。

一．感应表面淬火。

感应表面淬火是利用高、中频率（大件表面淬火工频亦可）的感应电流，在集肤效应下，使零件表面迅速加热，然后迅速淬火的一种热处理方法。这种方法易于控制，生产率很高，是目前最广泛应用的表面热处理。

感应表面淬火的基本原理：

当工件放在感应器内，感应器中一般通入中频或高频交流电（500~300KHz），以产生交变磁场，于是工件中就感应产生同频率的涡流。在集肤效应的作用下，大量的感应电流集中在工件的表层，在几秒之内可是工件表层升温800~1000Ｃ，而芯部温度仍接近室温。当表面温度达到淬火温度Ac3以上时，通过向工件表面喷出冷却液或迅速浸入淬火液中，以实现表层组织的淬火处理，形成细针状马氏体组织。参考下图。

根据集肤效应，趋肤深度与工件材料的电阻率、材料的绝对磁导率以及感应电流频率相关，具体关系如下：

根据电流频率不同，感应加热分为三类。

1． 高频加热。频率大于10KHz。适用于 淬硬层深度在0.5~2.5mm的零件。

2． 中频加热。频率在500~10KHz之间。其中，2500Hz的中频设备适用于淬硬层深度1.3~5.5mm的零件。

3． 工频加热。即频率为常用频率50Hz。适用于大型工件的表面淬火。淬硬层深度为10~20mm左右。

表面感应淬火的优点：

    1. 加热速度快，工件表面不易氧化、脱碳。

2. 中心部分无组织变化，因此零件变形比普通淬火小。

3. 因加热快，奥氏体晶粒不易长大，淬火组织较细，因此机械性能好。硬度比普通淬火高出HRC2~3度。疲劳极限也较高。

4. 生产效率高，适用于大量生产，也便于自动化操作，在流水线作业中有较好的应用。

表面感应淬火的缺点：

    1. 感应表面淬火一般用于中碳钢，表层中无二次渗碳体，耐磨性不如渗碳钢的高碳表层。

2. 设备较贵，参数调整复杂。

二．火焰淬火

火焰淬火时一种用乙炔——氧火焰（最高温度3100Ｃ）或煤气——氧火焰(最高温度2000Ｃ)将工件表面高速加热，并随后喷水淬火的表面淬火方法。加热层的温度和深度通过调节火焰喷嘴移动速度、喷嘴与工件距离、喷嘴与冷却水的距离来控制。淬火层深度可达2~8mm。适用于大型工件。参考下图。

火焰淬火的设备简单，投资少。但控制比较困难，质量不如感应淬火，表面易过热，硬度不匀，容易变形与产生裂纹等。目前只有少数应用。

三．接触电加热淬火

接触电加热淬火是用变压器产生低压大电流，通过铜质圆片状滚轮在零件表面滚动，使表面有大电流通过，并靠接触电阻来加热表面，随后由工件本身的迅速散热使表面接触的带状地区淬硬。在一些复杂形状的内部淬火零件中有应用。主要缺点是淬硬带之间有低硬度带。参考下图。

此外还有一些新的表面淬火处理方法，比如激光表面淬火等。这里不再详述。

机小妖

谢谢零侠，这会看着顺畅多了！

苍狼大地

零侠大赞。。。
我也借你的地盘贴一点自己的笔记，有些点不是很清晰，期待和各位大神一起探讨。
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1. 表面硬化的优缺点：
          — 工艺不当，容易发生硬化层剥离，内氧化，是零件失效的一个原因。
          — 硬化层深度不够，最大应力点处于硬化层和非硬化层的交界软弱部位，成为疲劳裂纹的起点。
          — 裂纹在内部发生（鱼眼状态），外部看不见，极其危险（重要的零部件，必须重点考虑。如何进行探伤？）
          — 剥离和鱼眼是表面硬化的主要缺陷。
          — 纯粹拉伸应力的表面硬化，可能产生相反的效果。表面硬化，只有表面层强度上升，在拉应力作用下，心部强度较低的部位发生破坏，导致整体破坏。解决措施：整体硬化。
          — 表面硬化多用于承受弯曲和扭转载荷的工况。

2. 表面热处理基体硬度：
          — 表面硬化零件强度：取决于硬化层硬度，深度和残余应力。
                   ☆ 硬度：随硬化层含碳量升高而升高。eg. 渗碳淬火（0.8% Wc）高于高频淬火（0.4%Wc）硬。
                   ☆ 深度：取决于加热的深度和加热层的淬透性。硬化层过浅，不能承受外来压力，导致裂纹和剥离。
                   ☆ 残余应力：一般为压应力，大小随基体含碳量变化。基体含碳量越低，基体硬度越低，表面残余压应力越大，表面不易产生疲劳裂纹。
          — 基体硬度和硬化层硬度相互配合，以抵抗外力。
                   ☆ 基体应有足够硬度和强度，否则容易在薄弱环节失效。
                   ☆ 同时对硬度梯度要求较高，八爷曾经谈过美国的齿轮轴的硬化层硬度过渡非常好，不会有明显的硬度突变，硬度突变会形成应力集中。
          — 过去采用含碳量＜0.2%的渗碳钢，但由于基体软弱，可能产生零件失效。趋势：适当提高基体的含碳量，使基体具有一定的强度。
          — 基体的硬度根据使用条件确定：
                   ☆ 渗碳零件：如考虑淬火变形和硬化层的残留压应力，取低碳而软较好。在渗碳淬火的情况下，整体加热并整体淬火。基体含碳量＜0.1%，淬火变形小；含碳量 0.15~0.2%，淬火变形加大。
                   ☆ 若基体的强度不够，同时形状尺寸受限，则通过提高心部含碳量提高强度和硬度。
          — 表面硬化零件的心部强韧性很重要，控制心部硬度。
                   ☆ 含碳量较高的零件在表面硬化前最好调质处理，使基体为索氏体，硬度HRC20~30。
                   ☆ 如果心部硬度能达到HRC20~30，则尽可能选用含碳量较低的材料。

苍狼大地

3. 高频淬火件预先处理
          — 高频淬火和电炉缓慢加热不同：由于加热速度快，珠光体向奥氏体的相变和碳化物的固溶扩散不同。A1和A3相变向高温移动，需要提高奥氏体化温度。温度的偏移程度和预处理后的组织有关。
          — 球状珠光体（淬火回火后组织）比片状珠光体（退火后组织）更快地转变为奥氏体，容易得到更均匀的奥氏体。
          — 间隔细的片状珠光体（正火）比间隔粗的珠光体（退火）反应更快。
          — 球状细珠光体（屈氏体）比球状粗珠光体（索氏体）好。
          — 调质能得到更深的硬化层，奥氏体转变温度也更低。
                   ※ 为什么？奥氏体转变温度会变化，机理？
          — 高频淬火若要降低奥氏体化的温度，并增加硬化层深度，预处理中调质最好，正火次之，退火最次。
                   ※ 降低奥氏体化温度有什么好处？除了节能，对性能是否会产生影响？
          — 锻件的高频热处理
                   ☆ 目前采用锻造后未经处理的零件直接高频淬火。由于锻造时晶粒已经非常粗大（甚至是过热组织魏氏体），淬火硬度和深度较难满足要求。
                   ☆ 在工艺上控制锻造温度和终锻温度，获得正火效果，不额外加高频淬火预处理，取得节能效果。

4. 高频感应淬火：
          — 特点：加热速度快，不易脱碳，淬硬层深
          — 组织：
                   ☆ 淬硬层：马氏体；
                   ☆ 过渡层：马氏体+回火索氏体；
                   ☆ 基体：回火索氏体。
          — 原因：
                   ☆ 集肤效应，导致工件表面局部加热（范围几毫米内），表面温度上升，奥氏体化，冷却时形成马氏体。
                   ☆ 心部未达到临界温度，保持回火索氏体组织。
                   ☆ 过渡区：马氏体和淬硬层一样，回火索氏体则由于冷却时发生自回火而产生。

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哈哈，不错，表面硬化，核心是几点，一个是把表面弄硬了，硬化层有个厚度，再一个就是硬化梯度，

单说弄硬了，其实就不简单，马氏体有各种形态，对应形态，寿命不同，而梯度控制，就更是高技术了，其实这些东西，许多书里有谈论，关键还是耐心念书，

苍狼清风笑

可以再具体谈一淡谈吗？比如45#钢

zerowing

苍狼大地 发表于 2016-7-31 13:24
3. 高频淬火件预先处理
          — 高频淬火和电炉缓慢加热不同：由于加热速度快，珠光体向奥氏体的相变 ...

大侠讲得挺好，有”拆台“的味道。哈哈。开个玩笑。讲得挺有针对性的。昨天匆忙写完就去睡了。有些关于表面感应淬火的内容也没有写，略过去了。8爷的回复点到了很多关键的部分。
其实，讲硬化，是一个很广泛的东西，或者说硬化本身这件事不能单一而论。提高硬度，可能的工艺有很多，机理不同，最终产生的结果便不同。比如以细化晶粒为基础的硬化，不仅硬度提高，而且自身的韧性也随之提高，其机理在晶格位错上，仅按照书上的总结来记就不合适。此外，一些高铬镍合金钢，本身硬度也很高，调质后硬度已经在45以上，但并非马氏体基体。最近用的鬼子的锰钢，也是类似的情况。因此不能单一而论。

还是说一般的表面硬化。
以表面产生渗碳体、二次渗碳体或者其他硬化氮化物、硼化物的硬化措施，甚至也包括镀硬铬、镀镍等，都如同8爷早前提到的那些一样，需要一个硬度梯度的支撑。而这些不同的硬化层基体组织，本身的性能又是各不相同的。就是8爷回复的那个硬化形态不同，本身寿命就不一样。比如透镜马氏体，硬度很高，但本身存在高应力的位错区，虽然耐磨，抗挤压能力高，但是本身呈脆性态，缺口敏感性高，如果使用不当，反而会加速疲劳。但板条马则不同，这个之前的帖子有专门提，这里就不再重复了。此外，网状渗碳体硬度最高，作为耐磨层效果最好。但是脆性比透镜马还是大。所以，个人更倾向于以组织形式来区分各硬化措施的优劣，而不是单纯宽泛的总结问题。

说那个梯度层，实话，至今理解的很粗浅，最近主要在读一些其他方面的基本理论性东西，还没去深挖。但是个人理解，梯度的根本意义在于交变应力影响下，分层组织之间的一个变形协调性问题。这个变形协调时，或者说连续深度的变形曲线处处可导时，整个材料的硬度梯度变是合理的。在协调下，高硬层不会因为变形骤变产生分层，以致脆性断裂，也就是所说的韧性层支撑。对于不同的工况和实际运行情况，梯度层的要求不同。同时，硬度梯度的变化率也可能需要变化。这个变化情况跟零件本身的形状也有关系，都不是单一的。

再回答下大侠的问题。

调质能得到更深的硬化层，奥氏体转变温度也更低。
                   ※ 为什么？奥氏体转变温度会变化，机理？

这个要理解奥氏体化的意义。奥氏体化是形成铁原子晶格变化同时碳原子游离均布的过程，是一种扩散过程。调质处理后，会形成细小的珠光体组织，形态上很均匀，因此再次奥氏体化时，碳原子需要移动的距离小，因此，在奥氏体化时，不需要过大的温度差即可满足奥氏体化扩散的能量需求。同样的，如果奥氏体化前的组织分布不均匀，则需要奥氏体化的时间更长，温度更高，或者说需要的能量更多。

高频淬火若要降低奥氏体化的温度，并增加硬化层深度，预处理中调质最好，正火次之，退火最次。
                   ※ 降低奥氏体化温度有什么好处？除了节能，对性能是否会产生影响？

降低奥氏体化温度，一个是能量需求小，另一个也表示加热时间可以缩短，降低晶粒长大的可能。晶粒越细小，最终产物的机械性能一般越好。

大概说这些吧。有不对的地方，还望诸位社友斧正。

苍狼大地

我的只是照书做的笔记，对东西的理解没有到最基础的地方，很多时候一只能死记硬背。我也知道自己的问题所在，最基础的材料方面不行，一到晶粒组织这些微观的时候就歇菜，必须把这块给补上去以后才能真正理解热处理。
听你这么一聊理解深度加深了一层，哈哈，还是整对了地方，这种台要多拆，哈哈。。。
声明：这不是拆台，这是添砖加瓦，抛砖引玉。
          这不是拆台，这是添砖加瓦，抛砖引玉。
          这不是拆台，这是添砖加瓦，抛砖引玉。

立心

谢谢零侠，盼下文半年了