表面熱處理

表面熱處理

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布,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

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布,以提高工件的耐磨性能和抗疲勞性能。

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。工具機、礦山機械等的齒輪經表面淬火後耐磨性明顯提高。汽車後半軸經高頻感應加熱淬火後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、雷射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,並產生大量的電阻熱,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工具機導軌的表面淬火,套用範圍不廣。

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。

雷射熱處理

雷射在熱處理中的套用研究始於70年代初,隨後即由試驗室研究階段進入生產套用階段。當經過聚焦的高能量密度 (10瓦/厘米)的雷射照射金屬表面時,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,因此在停止雷射照射時,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,則冷卻後可以獲得一層光滑的表面,這種操作稱為上光。雷射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,然後用雷射照射使其迅速熔化,形成耐磨或耐熱合金層。在需要耐熱的部位先鍍上一層鉻,然後用雷射使之迅速熔化,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年代開始研究和套用。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,其他特點與雷射相同。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。

套用學科: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)

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