1、 第三章 表面改性熱處理缺陷 預防及工藝制訂 掌握表面改性熱處理缺陷及預防措施；能夠制訂感應加熱表面淬火工藝；熟悉離子滲氮及其他化學熱處理知識。第三章 表面改性熱處理缺陷預防及工藝制訂第一節表面改性熱處理缺陷及預防措施一、火焰加熱淬火常見缺陷及解決辦法產生淬火裂紋的主要原因是由于原始組織不良、淬火溫度過高、加熱或冷卻速度太快、零件結構不合理等。解決辦法有進行預備熱處理，調整淬火加熱溫度，大型零件可先預熱，改變冷卻條件，改進零件設計，零件表面避免尖角、小孔等。產生軟點的原因是加熱不均勻或冷卻不夠充分；零件表面不清潔或零件表面有脫碳現象。2.軟點1.淬裂解決辦法是嚴格控制均勻加熱，保證水壓穩定，淬

2、火前清理零件表面等。主要原因是淬火溫度低，冷卻不充分。產生原因是噴嘴移動速度和噴嘴與工件距離不適合。二、感應加熱淬火常見缺陷及預防感應加熱淬火常見的缺陷有開裂、硬度過高或過低、硬度不均勻、硬化層過深或過淺等，其造成的原因也是各種各樣的，下面逐一進行分析。第一節表面改性熱處理缺陷及預防措施3.硬度不足4.有效硬化層太深或太淺(1)一般淬火出現裂紋的原因和防止方法圖3-1有孔的工件打入銅塞的方法第一節表面改性熱處理缺陷及預防措施1.淬火裂紋(2)冷卻過急、過緩且不均勻如果在Ms點附近冷卻速度過快，此時產生的相變應力處于塑性較低的低溫區域，工件變形困難，極易導致開裂。(3)材料選擇不當或零件設計不合

3、理應合理選材，嚴格控制鋼材的成分和雜質含量。(1)軸類零件或長條形零件軸類和長條形零件加熱層厚度不均時，會產生淬火翹曲或快冷一側凸起等變形。(2)齒輪圓柱齒輪的變形主要是內孔脹縮和齒形變化。第一節表面改性熱處理缺陷及預防措施2.淬火變形高頻感應加熱淬火后常出現硬度偏低、表面軟點和軟帶等缺陷。(1)加熱溫度不夠對于連續加熱法可采用增加感應圈高度或降低工件移動速度等方法提高加熱溫度。(2)冷卻不足使工件移動速度v為124mm/min，工件轉速n(r/min)與v的關系為n=60v。(3)表面脫碳只能報廢。第一節表面改性熱處理缺陷及預防措施3.硬度不足一、感應加熱的特點及在熱處理中的應用感應加熱與爐

4、內加熱的方式不同，工件的加熱不依靠外部熱源，而是依靠交變電流的電磁感應在工件上產生感應電流對工件本身進行加熱。由于感應加熱是基于集膚效應、鄰近效應和環流效應而使工件實現表面加熱的一種熱處理方式，所以它具有如下特點。1)由于高能的表面加熱實現了快速加熱(試驗測定，感應加熱時的加熱速度可高達每秒幾百度到幾千度)，從而導致淬火組織細，表面硬度高，表面應力為壓應力，提高了耐磨性、沖擊韌度、疲勞強度，并減少了缺口敏感性。第二節制訂感應加熱表面淬火工藝1.感應加熱的特點2)由于感應加熱表面淬火時加熱速度極快，僅改變工件表面組織而保持心部的原始組織，心部冷態金屬的高強度制約了表層淬火時所產生的變形，使工件的

5、熱處理變形小；另外由于加熱時間短，工件表面氧化、脫碳少。3)能在一定范圍內控制加熱深度，既可對工件表面進行加熱淬火，也可對工件進行穿透加熱；易于實現局部加熱，也易于實現連續加熱。4)熱效率高。5)便于流水線生產作業，實現機械化、自動化，適應現代化工業生產需要，提高生產效率。感應加熱最廣泛、最基本、最有效的應用是感應加熱表面淬火。(1)感應加熱表面淬火技術的新發展第二節制訂感應加熱表面淬火工藝2.感應加熱的應用1)超高頻感應加熱淬火：又稱超高頻沖擊淬火或超高頻脈沖淬火，是利用27.12MHz超高頻率極強的集膚效應，使0.050.5mm厚的零件表層在極短的時間內(1500ms)加熱至上千攝氏度，其

6、能量密度可達1001000W/mm2，僅次于激光和電子束，加熱速度為104106/s，加熱停止后表層主要靠自身散熱迅速冷卻，自身冷卻速度高達106/s，達到淬火目的。2)大功率高頻脈沖淬火：頻率一般為200300kHz(對于模數小于1的齒輪使用1000kHz)，振蕩功率為100kW以上。3)雙頻感應加熱淬火：對于凹凸不平的工件如齒輪等，當間距較小時，任何形狀的感應器都不能保持工件與感應器的施感導體之間的間隙一致。第二節制訂感應加熱表面淬火工藝4)超音頻感應加熱淬火：使用雙頻感應加熱淬火，雖然可以獲得均勻的硬化層；但設備復雜，成本也較高，所需功率也大，而且對于低淬透性鋼，高、中頻淬火都難以獲得凹

7、凸零部件均勻分布的硬化層。(2)感應加熱技術的其他應用1)局部淬火：對木工錘的頭部進行中頻感應局部淬火是一項較先進的工藝技術，目前這項技術已在自動生產線上實現了大批量生產。2)局部回火或局部退火：為配合切削加工改善加工工藝路線，常對淬火工件的某些部位進行感應加熱局部淬火或局部退火。3)長軸的熱處理：采用感應加熱對管材、棒材(如絲杠毛坯等)進行調質處理代替一般井式爐調質，具有工序少、周期快、質量好、省材料、省能源、效益高和易于實現機械化、自動化等優點。我國采用中頻感應加熱對250m長鋼軌進行軌面表面淬火是目前應用感應加熱淬火的最長工件之一。第二節制訂感應加熱表面淬火工藝4)滲碳件的感應加熱淬火：

8、對滲碳件進行感應加熱表面淬火，可以顯著減少淬火變形，而且還可以免除非滲碳表面的防護措施，省去繁瑣的鍍銅或其他防滲工序。5)感應加熱化學熱處理：應用感應加熱進行滲碳、滲氮等化學熱處理的新工藝已得到廣泛應用。二、感應加熱表面淬火工藝的制訂感應加熱表面淬火的加熱方法有同時加熱淬火法和連續加熱淬火法兩種。第二節制訂感應加熱表面淬火工藝2.加熱參數1.加熱方法(1)加熱溫度感應加熱時工件溫度連續上升，加熱速度較快，奧氏體轉變在較高溫度下進行，為使組織充分轉變，故加熱溫度應比普通加熱時高3050。表3-1鋼鐵件感應加熱表面淬火溫度(2)加熱時間加熱時間應根據零件的技術要求、材料、形狀、尺寸、電流頻率、比功

9、率及感應器效率等多種因素，結合多次試淬情況加以確定。第二節制訂感應加熱表面淬火工藝感應加熱淬火冷卻通常采用噴射冷卻、浸液冷卻及埋油冷卻（適用合金鋼）三種方法。感應加熱淬火后應及時回火，一般應在淬火后4h內進行。(1)爐中回火經浸液冷卻或連續加熱淬火的工件或薄壁件(直徑10mm或壁厚5mm)的零件，通常在爐中或油浴爐中進行回火。(2)自回火將感應加熱好的零件迅速冷卻，但不冷透，利用心部余熱對淬火表面“自行”加熱，達到回火目的。(3)感應加熱回火要求局部回火的工件或不能采用自回火的形狀簡單工件通常采用感應加熱回火。第二節制訂感應加熱表面淬火工藝4.回火3.冷卻方法及淬火介質調整電參數的目的是使高、

10、中頻電源處于諧振狀態工作，使設備發揮較高的效率。(1)高頻加熱電參數的調整首先在78kV的低電壓負載條件下，調整耦合、反饋手輪位置，使柵極電流與陽極電流之比為7，然后再將陽極電壓升到使用電壓，并進一步調整電參數，使槽路電壓達到所需值，匹配最佳。(2)中頻加熱電參數的調整根據零件大小、形狀、硬化區長短及感應器結構選擇合適的淬火變壓器匝比和適當的電容量，使其處于諧振狀態下工作。調試時首先根據感應線圈形狀、尺寸憑經驗選擇一種變壓器匝比，加入一定電容量，在低電壓時開始調試，使功率因數為容性09時，再逐漸升高電壓。第二節制訂感應加熱表面淬火工藝5.感應加熱電參數的調整一、離子滲氮離子滲氮是利用高壓電場在

11、稀薄的含氮氣體中引起的輝光放電，使氮滲入工件表面的工藝過程。離子滲氮的機理，目前還不十分清楚，仍處于研究、探索與發展之中。圖3-2離子滲氮原理圖a)陰極電位降b)表面反應機理第三節離子滲氮及其他化學熱處理知識1.離子滲氮的理論1)離子滲氮速度快，尤其淺層滲氮更為突出。2)熱效率高，節約能源、氣源。3)工序簡單，不需要預熱、淬火、回火及滲后的表面清理(如噴砂、酸洗)等工序，不需要滲氮的地方防護簡單。4)滲氮的氮、碳、氫等氣氛可調整控制，表面層的組織可以自由選擇。5)離子滲氮可使用氨氣，壓力很低，用量極少，所以污染低，勞動條件好。6)離子滲氮溫度可在低于400以下進行，工件畸變小；但準確測定工件溫

12、度較麻煩，不同零件同爐滲氮時各部位溫度難以均勻一致。7)應用范圍廣，目前德國可滲氮的零件長8m以上，質量達8t以上，小零件可以小到球形筆尖，設備功率達500kW以上。第三節離子滲氮及其他化學熱處理知識2.離子滲氮的主要特點8)由于設備較復雜，投資大，調整維修較困難，對操作人員的技術要求較高。(1)工藝準備1)待滲工件檢查：材質應與圖樣相符，保留適當磨削余量(一般0.05mm)，零件的表面粗糙度應低于Ra1.6m；用有機溶劑或合成洗滌劑清洗工件表面，除去油污，并在200300烘干。2)設備檢查：真空計、測溫儀表及熱電偶應定期校對，定期清洗真空泵，定期檢查壓升率；觀察窗玻璃，水冷管道、進氣和排氣管

13、，應使電能暢通無泄漏。3)工裝：根據工件形狀、尺寸、重量準備專用或通用吊具。(2)加熱溫度常用鋼材的離子滲氮溫度見表3-2。(3)保溫時間取決于零件材料及滲層深度要求。第三節離子滲氮及其他化學熱處理知識3.離子滲氮工藝表3-2常用鋼材的離子滲氮溫度(4)爐壓常用氣壓范圍保持在133670Pa低氣壓，強濺射使化合物層減薄，相增多，擴散層中脈狀氮化物減少。(5)流量與流速氨氣的流量與設備的功率有關，按表3-3選取。第三節離子滲氮及其他化學熱處理知識表3-3離子滲氮氨氣流量與設備功率關系(6)電壓與電流保溫階段電壓一般為400800V，輝光電流密度為0.55mA/cm2。(7)溫度均勻性同爐處理的工

14、件，滲氮表面的溫度與工藝要求溫度之差應控制在15內，當溫度均勻性超過該數值時，可采用調整氣壓，改用分解氨及氨氫混合氣，或調整分解率等方法，如果仍達不到要求，則應停爐，調整裝爐方式或加輔助陰極或輔助陽極。(8)冷卻保溫結束后即可停爐降溫，因爐內低真空，降溫不快，工件可隨爐冷卻。(9)出爐當工件冷卻至150以下時，便可向爐內放氣，然后開啟爐罩或爐蓋，取出工件送檢。第三節離子滲氮及其他化學熱處理知識二、離子滲碳與離子碳氮共滲離子滲碳（也稱等離子體滲碳）及離子碳氮共滲，和離子滲氮相似，是在壓力低于105Pa的滲碳氣或碳氮混合氣氛中，利用工件（陰極）與陽極間產生輝光放電進行滲碳或同時滲碳氮的工藝。離子滲

15、碳是目前滲碳領域較先進的工藝技術，是快速、優質、低能耗及無污染的新工藝。其基本原理同離子滲碳相似，只是共滲介質為甲醇+丙酮，同時通入氨氣。第三節離子滲氮及其他化學熱處理知識2.離子碳氮共滲1.離子滲碳三、離子滲金屬及其他元素在低真空下，利用輝光放電即低溫等離子體轟擊的方法，可使工件表面滲入金屬元素，如滲鉬、鋁、硅、硼、鎢、鈦等。1)向真空工作室有控制地適量通入欲滲元素的氯化物蒸發氣體，如離子滲鈦時通入TiCl4，離子滲硼時通入BCl3，離子滲硅時通入SiCl4蒸氣，通過調節蒸發器的溫度和蒸發面積控制輸入工作室的流量；同時，按一定比例向工作室通入工作氣體氫或氫與氬的混合氣。2)利用雙層輝光放電，

16、產生欲滲金屬元素的離子(如鉬、鎢等)轟擊工件表面，滲入工件內部。在離子擴滲爐通常的陰極與陽極之間，插入一個用欲滲元素金屬絲制成的柵極，柵極與陰極的電壓差為80200V，相對陽極而言它也是一個陰極。第三節離子滲氮及其他化學熱處理知識(1)外形尺寸(見圖3-3)圖3-3鋼鏜桿外形尺寸圖第四節表面改性熱處理訓練實例1.工件外形尺寸及技術要求(2)技術要求1)除了尺寸M602外進行滲氮處理。2)表面硬度大于或等于940HV。3)滲氮層深度大于或等于0.40mm。4)脆性小于或等于2級。調質粗加工去應力退火精加工滲氮處理機械加工。(1)調質處理、去應力退火處理其工藝參數見圖3-4。第四節表面改性熱處理訓

17、練實例3.熱處理過程2.工件加工工藝路線制訂及說明圖3-4鋼制鏜桿的調質處理、去應力退火工藝曲線第四節表面改性熱處理訓練實例圖3-538鋼鏜桿滲氮處理工藝曲線第四節表面改性熱處理訓練實例(2)滲氮處理采用氣體滲氮法，其工藝曲線見圖3-5。1)生產前的準備 檢查工件的材質、工藝技術要求。檢查工件外觀，表面應無碰傷、銹斑、油污和其他缺陷。 檢查所使用的滲氮設備本訓練中我們選擇RN1059井式氮化爐(有效工作區尺寸8002000mm)、電器、冷卻水路、氨氣管道及分析儀器是否正常。 在鏜桿上M602螺紋刷上KS2 防氮化涂料。2)滲氮處理操作 打開爐蓋，將工件和隨爐試塊吊掛于料筐上進爐，關閉、壓緊爐蓋

18、，見圖3-6。第四節表面改性熱處理訓練實例圖3-6鋼鏜桿滲氮處理裝爐示意圖1隨爐試塊2鏜桿第四節表面改性熱處理訓練實例 打開氨氣閥門向爐內通入大流量氨氣，打開爐蓋冷卻水閥門。 合上加熱電源開關，加熱升溫。按工藝要求設定各階段溫度，并定時(1520min/次)，測量氨分辨率以調節氨氣流量。注意升溫、均溫及降溫階段的氨分辨率小于15。 滲氮過程結束時，關閉加熱電源開關，工件隨爐冷至180200左右出爐空冷。關閉氨氣閥門和冷卻水閥門。(1)外觀工件外觀應呈銀灰色，無磕碰及剝落現象。(2)硬度采用維氏硬度計檢測隨爐試塊表面硬度。(3)滲氮層深度、脆性采用硬度法檢測滲氮層深度，檢測設備為維氏硬度計、金相顯微鏡。第四節表面改性熱處理訓練實例4.質量檢驗(1)工件外形尺寸工件外形尺寸如圖3-7所示。圖3-720鋼變速箱齒輪外形第四節表面改性熱處理訓練實例1.工件外形尺寸及技術要求(2)技術要求滲碳層深度為0.81.3