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表面熱處理

鎖定
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。 [1] 
中文名
表面熱處理
外文名
surface heat treatment
性    質
金屬熱處理工藝
特    點
不改變零件心部的組織和性能
學    科
金屬工藝
常用方式
表面淬火

表面熱處理簡介

通過對工件表層的加熱、冷卻、改變表層組織結構,獲得所需性能的金屬熱處理工藝。鋼件的表面熱處理,可獲得表面高硬度的馬氏體組織,而保留心部的韌性和塑性,提高工件的綜合機械性能。如對一些軸類、齒輪和承受變向負荷的零件,可通過表面熱處理,使表面具有較高的抗磨損能力,使工件整體的抗疲勞能力大大提高。表面熱處理最主要的內容是鋼鐵的表面淬火,可分為火焰表面淬火感應加熱表面淬火

表面熱處理分類及原理

表面淬火
通過不同的熱源對工件進行快速加熱,當零件表層温度達到臨界點以上(此時工件心部温度處於臨界點以下)時迅速予以冷卻,這樣工件表層得到了淬硬組織而心部仍保持原來的組織。為了達到只加熱工件表層的目的,要求所用熱源具有較高的能量密度。根據加熱方法不同,表面淬火可分為感應加熱(高頻、中頻、工頻)表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電子束表面淬火等。工業上應用最多的為感應加熱和火焰加熱表面淬火。
化學熱處理
將工件置於含有活性元素的介質中加熱和保温,使介質中的活性原子滲入工件表層或形成某種化合物的覆蓋層,以改變表層的組織和化學成分,從而使零件的表面具有特殊的機械或物理化學性能。通常在進行化學滲的前後均需採用其他合適的熱處理,以便最大限度地發揮滲層的潛力,並達到工件心部與表層在組織結構、性能等的最佳配合。根據滲入元素的不同 ,化學熱處理可分為滲碳滲氮滲硼滲硅滲硫滲鋁滲鉻滲鋅碳氮共滲、鋁鉻共滲等。
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温度,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牀導軌表面淬火,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。接通直流電後電解液被電解,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温度,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杆端部的表面淬火

表面熱處理進展

激光熱處理
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/釐米)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温度。由於照射點升温特別快,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。如加熱温度高至使金屬表面熔化,則冷卻後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,或者塗覆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/釐米。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,表面温度迅速升高,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。表面温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。

表面熱處理設備

根據熱處理的基本工藝過程,熱處理設備分為主要設備和輔助設備。主要設備包括熱處理爐、熱處理加熱設備、冷卻設備等。輔助設備包括檢驗設備、校正設備、清洗設備、淬火介質循環設備、防火除塵設備等。
1、熱處理爐
熱處理爐是熱處理的一種加熱設備。温度一般比加熱爐低,要求較嚴 格地控制爐温和爐內氣氛。由爐體、加熱裝置、機 械裝置和電氣設備等組成。根據能源不同可分為燃 料爐和電爐; 根據工作温度可分為高温爐 (高於 1000℃)、中温爐 (600~1000℃) 和低温爐(低於 600℃); 根據加熱介質不同可分為空氣爐、可控氣 氛爐、流動粒子爐、真空爐、輝光離子爐等; 根據 作業規程和機械化程度可分為週期式作業爐、半連 續作業爐和連續式作業爐; 根據工藝用途不同可分 為正火爐、退火爐、回火爐、淬火爐、滲碳爐、氮 化爐等;根據外形和爐膛形狀不同可分為箱式爐、 井式爐、台車式爐、推杆式爐、轉底式爐、振底式 爐、輸送帶式爐等; 根據專門化程度不同可分為通 用爐和專用爐。 [2] 
2、冷卻設備
常用的冷卻設備有水槽、油槽、浴爐、緩冷坑等。介質包括:自來水、鹽水、機油、硝酸鹽溶液等。
3、檢驗設備
常用的檢驗設備有洛氏硬度汁、布氏餒度計、金相顯微鏡、物理性能測試儀、量具、無損探傷設備等。
參考資料
  • 1.    何人葵,劉樹主編. 工程材料與熱處理. 北京:冶金工業出版社, 2015.07.
  • 2.    李兵,吳國興,曾亮華主編;何燕,李忠唐,徐如斌,保金鳳,郭繼東副主編;張洪興,陳道炯主審,金工實習,華中科技大學出版社,2015.09,第12頁