表面熱處理的方法(常用的表面熱處理方法有)

1.常用的表面熱處理方法有

通過對鋼件表面的加熱、冷卻而改變表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。

表面淬火是表面熱處理的主要內(nèi)容，其目的是獲得高硬度的表面層和有利的內(nèi)應(yīng)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(xué)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(yīng)加熱表面淬火等。常用的表面化學(xué)熱處理方法有：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鉻、滲銅等。

表面淬火 通過不同的熱源對工件進(jìn)行快速加熱，當(dāng)零件表層溫度達(dá)到臨界點(diǎn)以上（此時(shí)工件心部溫度處于臨界點(diǎn)以下）時(shí)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(dá)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(jù)加熱方法不同，表面淬火可分為感應(yīng)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(yè)上應(yīng)用最多的為感應(yīng)加熱和火焰加熱表面淬火。

化學(xué)熱處理 將工件置于含有活性元素的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)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(xué)成分，從而使零件的表面具有特殊的機(jī)械或物理化學(xué)性能。通常在進(jìn)行化學(xué)滲的前后均需采用其他合適的熱處理，以便最大限度地發(fā)揮滲層的潛力，并達(dá)到工件心部與表層在組織結(jié)構(gòu)、性能等的最佳配合。

根據(jù)滲入元素的不同 ，化學(xué)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。 最常用的表面熱處理工藝有感應(yīng)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 通過電極將小于 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，并產(chǎn)生大量的電阻熱，使工件表面加熱到淬火溫度，然后把電極移去，熱量即傳入工件內(nèi)部而表面迅速冷卻，即達(dá)到淬火目的。當(dāng)處理長工件時(shí)，電極不斷向前移動(dòng)，留在后面的部分不斷淬硬。

這一方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，操作方便，易于自動(dòng)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?。?.15~0.35毫米）。顯微組織和硬度均勻性較差。

這種方法多用于鑄鐵做的機(jī)床導(dǎo)軌的表面淬火，應(yīng)用范圍不廣。電解加熱淬火 將工件置于酸、堿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(chǎn)生熱量，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，然后斷電，氣膜立即消失，電解液即成為淬冷介質(zhì)，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(shí)間短，加熱時(shí)間僅需5~10秒，生產(chǎn)率高，淬冷畸變小，適于小零件的大批量生產(chǎn)，已用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥桿端部的表面淬火。

激光熱處理 激光在熱處理中的應(yīng)用研究始于70年代初，隨后即由試驗(yàn)室研究階段進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用階段。當(dāng)經(jīng)過聚焦的高能量密度 （10瓦/厘米）的激光照射金屬表面時(shí)，金屬表面在百分之幾秒甚至千分之幾秒內(nèi)升高到淬火溫度。

由于照射點(diǎn)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(shí)，照射點(diǎn)周圍的金屬便起淬冷介質(zhì)的作用而大量吸熱，使照射點(diǎn)迅速冷卻，得到極細(xì)的組織，具有很高的力學(xué)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。

激光加熱也可用于局部合金化處理，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，或者涂覆一層含耐磨或耐熱金屬的涂料，然后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，然后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(yīng)用。早期用于薄鋼帶、鋼絲的連續(xù)退火，能量密度最高可達(dá)10瓦/厘米。

電子束表面淬火除應(yīng)在真空中進(jìn)行外，其他特點(diǎn)與激光相同。當(dāng)電子束轟擊金屬表面時(shí)，轟擊點(diǎn)被迅速加熱。

電子束穿透材料的深度取決于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(dá) 0.16毫米。

電子束在很短時(shí)間內(nèi)轟擊表面，表面溫度迅速升高，而基體仍保持冷態(tài)。當(dāng)電子束停止轟擊時(shí)，熱量迅速向冷基體金屬傳導(dǎo)，從而使加熱表面自行淬火。

為了有效地進(jìn)行"自冷淬火"，整個(gè)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(shí)間有關(guān)。

電子束熱處理加熱速度快，奧氏體化的時(shí)間僅零點(diǎn)幾秒甚至更短，因而工件表面晶粒很細(xì)，硬度比一般熱處理高，并具有良好的力學(xué)性能。

2.表面淬火都有哪些方式方法

表面淬火僅使鋼鐵工件的表面得到淬火的一種表面熱處理工藝。目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而心部仍具有較高的韌性。常用于軸類、齒輪類等零件。操作時(shí)利用快速加熱的方法使工件表層奧氏體化，然后立即淬火使表層組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，心部組織基本不變。表面淬火后一般進(jìn)行低溫回火。根據(jù)加熱方法不同，可分為感應(yīng)加熱表面淬火、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等，其中以前兩種方法應(yīng)用最廣。

加熱用的能源通常有電磁感應(yīng)加熱，火焰加熱，電接觸加熱及在電解液中加熱；并可采用更高密度的能源，如電子束、激光、電弧等。能源提供的能量密度越高，則表面加熱和淬硬層越薄。

1、電磁感應(yīng)加熱表面淬火

鐵磁性物質(zhì)的工件處在交變磁場中時(shí)，會(huì)因感應(yīng)而在內(nèi)部產(chǎn)生電流。這種電流在微小區(qū)域內(nèi)形成回路，稱之為渦流。渦流電流強(qiáng)度與交變磁場磁通變化率和工件材質(zhì)有關(guān)。渦流在工件中僅集中在表層，有所謂“集膚效應(yīng)”。表面電流最大，向內(nèi)逐漸降低。電流值保持表面電流I0的1/e以上的厚度稱為“電流透入深度”（e為自然對數(shù)的底）。鋼鐵材料在居里溫度（磁性轉(zhuǎn)變溫度，中碳鋼約為724℃）以上由于導(dǎo)磁率的突然變化，電流透入深度（△）急劇增大。當(dāng)被加熱材料與感應(yīng)器條件相同時(shí)，△值取決于感應(yīng)器中交變電流的頻率（f），對于鋼鐵材料，△≌500/(mm)。因此要根據(jù)淬火層厚度的要求選擇電流頻率。常用的感應(yīng)加熱用交流電源有3種：（1）高頻。200~300kHz，采用電子管式高頻振蕩電源，淬硬層厚度一般為1~3mm。(2)中頻。500~800Hz，采用中頻發(fā)電機(jī)或可控硅變頻裝置電源，淬硬層厚度一般為6~8mm。(3)工頻。一般工業(yè)頻率50Hz，采用加熱變壓器電源，由工業(yè)電網(wǎng)供電，淬硬層厚度一般為10~20mm，其電流透入深度則可達(dá)50~70mm，適于大件的表面淬火。

電磁感應(yīng)加熱表面淬火通常是將工件置于一加熱感應(yīng)圈內(nèi)，感應(yīng)圈通入交變電流以形成交變磁場。感應(yīng)圈多用銅管制成，可以是單圈或多圈的，管內(nèi)通入冷卻水防止工作時(shí)升溫。加熱和噴冷淬火可采用連續(xù)和斷續(xù)兩種方式，皆可在圖1機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。噴水圈設(shè)在加熱器的下方，在連續(xù)式加熱-噴冷時(shí)，工件在自旋轉(zhuǎn)（使加熱均勻）的同時(shí)向下移動(dòng)，表面各部位依次加熱和淬冷；在斷續(xù)式加熱-噴冷時(shí)，工件自旋轉(zhuǎn)時(shí)位置不變，待一定面積被加熱到淬火溫度時(shí)，迅速下降并噴水冷卻。

表面淬火時(shí)的加熱溫度取決于鋼的成分（臨界點(diǎn)）、原始組織和加熱速度。加熱速度一般在50~500℃/s之間，屬快速加熱。由于鋼在快速加熱時(shí)奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，在加熱速度、加熱溫度、鋼的原始組織和淬火后組織、性能幾方面之間具有如圖2所示的關(guān)系。Ⅱ區(qū)為最佳規(guī)范，既具有細(xì)晶粒，又具有高硬度。Ⅰ區(qū)加熱不足，晶粒雖細(xì)小，但加熱時(shí)奧氏體形成不充分，淬火硬度不足。Ⅲ區(qū)為加熱過度，晶粒長大，硬度也因殘留奧氏體較多而略有下降。

2、火焰加熱表面淬火

將工件置于氧-乙炔（也可用天然氣等）火焰中，表面快速加熱至淬火溫度后噴水淬冷。火焰溫度一般為3000℃左右。本法設(shè)備簡單，常用于小批、單件生產(chǎn)或零部件的維修。其設(shè)備包括：（1）噴嘴。氧-乙炔按一定比例混合，在相當(dāng)高的壓力下從噴嘴小孔噴出并被點(diǎn)燃。噴嘴的布置，一般按工件表面制成仿形狀。（2）淬火機(jī)床。固定工件和噴嘴位置，并可控制工件（或噴嘴）的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。（3）燃燒控制裝置。保證氧-乙炔氣有穩(wěn)定的混合比和噴出壓力。

3、電接觸加熱表面淬火

利用觸頭（銅或石墨材質(zhì)）和工件的接觸電阻，低電壓、大電流，使觸點(diǎn)溫度迅速上升。將觸點(diǎn)以一定速度移過工件表面，即可將表層加熱至淬火溫度，并在工件自身的冷卻下淬硬。本法簡易可行，適于大件的局部表面淬火。

4、電解液加熱表面淬火

以工件作陰極，置于電解液中（常用5%~20%碳酸鈉水溶液），以電解槽為陽極，通入200~300V直流電。由于電解作用使陰極（工件）表面形成一層氫氣膜。氫氣膜具有大的電阻，溫度迅速升高，并將工件表面加熱到淬火溫度。停電后電解液將工件淬冷。本法適用于大批量生產(chǎn)工件的局部表面淬火。

3.常用的熱處理方法有哪幾種

1.退火 操作方法：將鋼件加熱到Ac3+30~50度或Ac1+30~50度或Ac1以下的溫度（可以查閱有關(guān)資料）后，一般隨爐溫緩慢冷卻。

目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工與壓力加工性能；2.細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能，為下一步工序做準(zhǔn)備；3.消除冷、熱加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 應(yīng)用要點(diǎn)：1.適用于合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼的鍛件、焊接件以及供應(yīng)狀態(tài)不合格的原材料；2.一般在毛坯狀態(tài)進(jìn)行退火 。

2.正火 操作方法：將鋼件加熱到Ac3或Accm 以上30~50度，保溫后以稍大于退火的冷卻速度冷卻。 目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工與壓力加工性能；2.細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能，為下一步工序做準(zhǔn)備；3.消除冷、熱加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

應(yīng)用要點(diǎn)：正火通常作為鍛件、焊接件以及滲碳零件的預(yù)先熱處理工序。對于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金鋼件，也可作為最后熱處理。

對于一般中、高合金鋼，空冷可導(dǎo)致完全或局部淬火，因此不能作為最后熱處理工序。 3.淬火 操作方法：將鋼件加熱到相變溫度Ac3或Ac1以上，保溫一段時(shí)間，然后在水、硝鹽、油、或空氣中快速冷卻。

目的：淬火一般是為了得到高硬度的馬氏體組織，有時(shí)對某些高合金鋼（如不銹鋼、耐磨鋼）淬火時(shí)，則是為了得到單一均勻的奧氏體組織，以提高耐磨性和耐蝕性。 應(yīng)用要點(diǎn)：1.一般用于含碳量大于百分之零點(diǎn)三的碳鋼和合金鋼；2.淬火能充分發(fā)揮鋼的強(qiáng)度和耐磨性潛力，但同時(shí)會(huì)造成很大的內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的塑性和沖擊韌度，故要進(jìn)行回火以得到較好的綜合力學(xué)性能。

4.回火 操作方法：將淬火后的鋼件重新加熱到Ac1以下某一溫度，經(jīng)保溫后，于空氣或油、熱水、水中冷卻。 目的：1.降低或消除淬火后的內(nèi)應(yīng)力，減少工件的變形和開裂；2.調(diào)整硬度，提高塑性和韌性，獲得工作所要求的力學(xué)性能；3.穩(wěn)定工件尺寸。

應(yīng)用要點(diǎn)：1.保持鋼在淬火后的高硬度和耐磨性時(shí)用低溫回火；在保持一定韌度的條件下提高鋼的彈性和屈服強(qiáng)度時(shí)用中溫回火；以保持高的沖擊韌度和塑性為主，又有足夠的強(qiáng)度時(shí)用高溫回火；2.一般鋼盡量避免在230~280度、不銹鋼在400~450度之間回火，因?yàn)檫@時(shí)會(huì)產(chǎn)生一次回火脆性。 5.調(diào)質(zhì) 操作方法：淬火后高溫回火稱調(diào)質(zhì)，即將鋼件加熱到比淬火時(shí)高10~20度的溫度，保溫后進(jìn)行淬火，然后在400~720度的溫度下進(jìn)行回火。

目的：1.改善切削加工性能，提高加工表面光潔程度；2.減小淬火時(shí)的變形和開裂；3.獲得良好的綜合力學(xué)性能。 應(yīng)用要點(diǎn)：1.適用于淬透性較高的合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和高速鋼；2. 不僅可以作為各種較為重要結(jié)構(gòu)的最后熱處理，而且還可以作為某些緊密零件，如絲杠等的預(yù)先熱處理，以減小變形。

6.時(shí)效 操作方法：將鋼件加熱到80~200度，保溫5~20小時(shí)或更長時(shí)間，然后隨爐取出在空氣中冷卻。 目的：1. 穩(wěn)定鋼件淬火后的組織，減小存放或使用期間的變形；2.減輕淬火以及磨削加工后的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定形狀和尺寸。

應(yīng)用要點(diǎn)：1. 適用于經(jīng)淬火后的各鋼種；2.常用于要求形狀不再發(fā)生變化的緊密工件，如緊密絲杠、測量工具、床身機(jī)箱等。 7.冷處理 操作方法：將淬火后的鋼件，在低溫介質(zhì)（如干冰、液氮）中冷卻到-60~-80度或更低，溫度均勻一致后取出均溫到室溫。

目的：1.使淬火鋼件內(nèi)的殘余奧氏體全部或大部轉(zhuǎn)換為馬氏體，從而提高鋼件的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和疲勞極限；2. 穩(wěn)定鋼的組織 ，以穩(wěn)定鋼件的形狀和尺寸。 應(yīng)用要點(diǎn)：1.鋼件淬火后應(yīng)立即進(jìn)行冷處理，然后再經(jīng)低溫回火，以消除低溫冷卻時(shí)的內(nèi)應(yīng)力；2.冷處理主要適用于合金鋼制的緊密刀具、量具和緊密零件。

8.火焰加熱表面淬火 操作方法：用氧-乙炔混合氣體燃燒的火焰，噴射到鋼件表面上，快速加熱，當(dāng)達(dá)到淬火溫度后立即噴水冷卻。 目的：提高鋼件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，心部仍保持韌性狀態(tài)。

應(yīng)用要點(diǎn)：1.多用于中碳鋼制件，一般淬透層深度為2~6mm;2.適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型工件和需要局部淬火的工件。 9.感應(yīng)加熱表面淬火 操作方法：將鋼件放入感應(yīng)器中，使鋼件表層產(chǎn)生感應(yīng)電流，在極短的時(shí)間內(nèi)加熱到淬火溫度，然后噴水冷卻。

目的：提高鋼件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，心部保持韌性狀態(tài)。 應(yīng)用要點(diǎn)：1.多用于中碳鋼和中堂合金結(jié)構(gòu)鋼制件；2. 由于肌膚效應(yīng)，高頻感應(yīng)淬火淬透層一般為1~2mm，中頻淬火一般為3~5mm，高頻淬火一般大于10mm. 10.滲碳 操作方法：將鋼件放入滲碳介質(zhì)中，加熱至900~950度并保溫，使鋼件便面獲得一定濃度和深度的滲碳層。

目的：提高鋼件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，心部仍然保持韌性狀態(tài)。 應(yīng)用要點(diǎn)：1.用于含碳量為0.15%~0.25%的低碳鋼和低合金鋼制件，一般滲碳層深度為0.5~2.5mm;2.滲碳后必須進(jìn)行淬火，使表面得到馬氏體，才能實(shí)現(xiàn)滲碳的目的。

11.氮化 操作方法：利用在5..~600度時(shí)氨氣分解出來的活性氮原子，使鋼件表面被氮飽和，形成氮化層。 目的：提高鋼件表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及抗蝕能力。

應(yīng)用要點(diǎn)：多用于含有鋁、鉻、鉬等合金元素的中碳。