表面熱處理

對鋼件表面加熱的熱處理工藝

通過對鋼件表面的加熱、冷卻而改變表層力學性能的金屬熱處理工藝表面淬火是表面熱處理的主要內容,其目的是獲得高硬度的表面層和有利的內應力分佈,以提高工件的耐磨性能和抗疲勞性能。從大的方面分,表面熱處理分為兩大類:表面淬火、表面化學熱處理。常用的表面淬火方法有:火焰加熱表面淬火、接觸電熱表面淬火、感應加熱表面淬火等。常用的表面化學熱處理方法有:滲碳、滲氮碳氮共滲滲硼滲鉻、滲銅等。

正文


有些在工作時經受摩擦、表面容易磨損的零件,其表面應有抗磨損能力。有些工件在反覆彎曲的作用下工作,易產生疲勞斷裂,需要有抗疲勞能力,而抗疲勞能力又與零件的表面強度和內應力狀態有關。表面強度高,又存在壓縮內應力時,抗疲勞能力就強。機床、礦山機械等的齒輪經表面淬火后耐磨性明顯提高。汽車後半軸經高頻感應加熱淬火后的抗疲勞能力遠高於整體調質者。
最常用的表面熱處理工藝有感應加熱熱處理和火焰淬火,此外還有接觸電阻加熱淬火、電解加熱淬火、激光熱處理和電子束熱處理等。
接觸電阻加熱淬火
通過電極將小於 5伏的電壓加到工件上,在電極與工件接觸處流過很大的電流,併產生大量的電阻熱,使工件表面加熱到淬火溫度,然後把電極移去,熱量即傳入工件內部而表面迅速冷卻,即達到淬火目的。當處理長工件時,電極不斷向前移動,留在後面的部分不斷淬硬。這一方法的優點是設備簡單,操作方便,易於自動化,工件畸變極小,不需要回火,能顯著提高工件的耐磨性和抗擦傷能力,但淬硬層較薄(0.15~0.35毫米)。顯微組織和硬度均勻性較差。這種方法多用於鑄鐵做的機床導軌的表面淬火,應用範圍不廣。
電解加熱淬火
將工件置於酸、鹼或鹽類水溶液的電解液中,工件接陰極,電解槽接陽極。接通直流電后電解液被電解,在陽極上放出氧,在工件上放出氫。氫圍繞工件形成氣膜,成為一電阻體而產生熱量,將工件表面迅速加熱到淬火溫度,然後斷電,氣膜立即消失,電解液即成為淬冷介質,使工件表面迅速冷卻而淬硬。常用的電解液為含 5~18%碳酸鈉的水溶液。電解加熱方法簡單,處理時間短,加熱時間僅需5~10秒,生產率高,淬冷畸變小,適於小零件的大批量生產,已用於發動機排氣閥桿端部的表面淬火。
激光在熱處理中的應用研究始於70年代初,隨後即由試驗室研究階段進入生產應用階段。當經過聚焦的高能量密度 (10瓦/厘米)的激光照射金屬表面時,金屬表面在百分之幾秒甚至千分之幾秒內升高到淬火溫度。由於照射點升溫特別快,熱量來不及傳到周圍的金屬,因此在停止激光照射時,照射點周圍的金屬便起淬冷介質的作用而大量吸熱,使照射點迅速冷卻,得到極細的組織,具有很高的力學性能。如加熱溫度高至使金屬表面熔化,則冷卻后可以獲得一層光滑的表面,這種操作稱為上光。激光加熱也可用於局部合金化處理,即對工件易磨損或需要耐熱的部位先鍍一層耐磨或耐熱金屬,或者塗復一層含耐磨或耐熱金屬的塗料,然後用激光照射使其迅速熔化,形成耐磨或耐熱合金層。在需要耐熱的部位先鍍上一層鉻,然後用激光使之迅速熔化,形成硬的抗回火的含鉻耐熱表層,可以大大提高工件的使用壽命和耐熱性。
電子束熱處理
70年代開始研究和應用。早期用於薄鋼帶、鋼絲的連續退火,能量密度最高可達10瓦/厘米。電子束表面淬火除應在真空中進行外,其他特點與激光相同。當電子束轟擊金屬表面時,轟擊點被迅速加熱。電子束穿透材料的深度取決於加速電壓和材料密度。例如,150千瓦的電子束在鐵表面上的理論穿透深度大約為0.076毫米;在鋁表面上則可達 0.16毫米。電子束在很短時間內轟擊表面,表面溫度迅速升高,而基體仍保持冷態。當電子束停止轟擊時,熱量迅速向冷基體金屬傳導,從而使加熱表面自行淬火。為了有效地進行"自冷淬火",整個工件的體積和淬火表層的體積之間至少要保持5∶1的比例。表面溫度和淬透深度還與轟擊時間有關。電子束熱處理加熱速度快,奧氏體化的時間僅零點幾秒甚至更短,因而工件表面晶粒很細,硬度比一般熱處理高,並具有良好的力學性能。

定義


定義:僅對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的工藝。
應用學科:機械工程(一級學科);機械工程(2)_熱處理(二級學科);表面熱處理(三級學科)