熱處理工(高級)第三章課件

1、 第三章 表面改性熱處理缺陷 預(yù)防及工藝制訂 掌握表面改性熱處理缺陷及預(yù)防措施；能夠制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝；熟悉離子滲氮及其他化學(xué)熱處理知識。第三章 表面改性熱處理缺陷預(yù)防及工藝制訂第一節(jié)表面改性熱處理缺陷及預(yù)防措施一、火焰加熱淬火常見缺陷及解決辦法產(chǎn)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(jié)構(gòu)不合理等。解決辦法有進(jìn)行預(yù)備熱處理，調(diào)整淬火加熱溫度，大型零件可先預(yù)熱，改變冷卻條件，改進(jìn)零件設(shè)計(jì)，零件表面避免尖角、小孔等。產(chǎn)生軟點(diǎn)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(xiàn)象。2.軟點(diǎn)1.淬裂解決辦法是嚴(yán)格控制均勻加熱，保證水壓穩(wěn)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(chǎn)生原因是噴嘴移動速度和噴嘴與工件距離不適合。二、感應(yīng)加熱淬火常見缺陷及預(yù)防感應(yīng)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(jìn)行分析。第一節(jié)表面改性熱處理缺陷及預(yù)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(xiàn)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(jié)表面改性熱處理缺陷及預(yù)防措施1.淬火裂紋(2)冷卻過急、過緩且不均勻如果在Ms點(diǎn)附近冷卻速度過快，此時產(chǎn)生的相變應(yīng)力處于塑性較低的低溫區(qū)域，工件變形困難，極易導(dǎo)致開裂。(3)材料選擇不當(dāng)或零件設(shè)計(jì)不合

3、理應(yīng)合理選材，嚴(yán)格控制鋼材的成分和雜質(zhì)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(chǎn)生淬火翹曲或快冷一側(cè)凸起等變形。(2)齒輪圓柱齒輪的變形主要是內(nèi)孔脹縮和齒形變化。第一節(jié)表面改性熱處理缺陷及預(yù)防措施2.淬火變形高頻感應(yīng)加熱淬火后常出現(xiàn)硬度偏低、表面軟點(diǎn)和軟帶等缺陷。(1)加熱溫度不夠?qū)τ谶B續(xù)加熱法可采用增加感應(yīng)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(zhuǎn)速n(r/min)與v的關(guān)系為n=60v。(3)表面脫碳只能報(bào)廢。第一節(jié)表面改性熱處理缺陷及預(yù)防措施3.硬度不足一、感應(yīng)加熱的特點(diǎn)及在熱處理中的應(yīng)用感應(yīng)加熱與爐

4、內(nèi)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(yīng)在工件上產(chǎn)生感應(yīng)電流對工件本身進(jìn)行加熱。由于感應(yīng)加熱是基于集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和環(huán)流效應(yīng)而使工件實(shí)現(xiàn)表面加熱的一種熱處理方式，所以它具有如下特點(diǎn)。1)由于高能的表面加熱實(shí)現(xiàn)了快速加熱(試驗(yàn)測定，感應(yīng)加熱時的加熱速度可高達(dá)每秒幾百度到幾千度)，從而導(dǎo)致淬火組織細(xì)，表面硬度高，表面應(yīng)力為壓應(yīng)力，提高了耐磨性、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度，并減少了缺口敏感性。第二節(jié)制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝1.感應(yīng)加熱的特點(diǎn)2)由于感應(yīng)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(tài)金屬的高強(qiáng)度制約了表層淬火時所產(chǎn)生的變形，使工件的

5、熱處理變形??；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(nèi)控制加熱深度，既可對工件表面進(jìn)行加熱淬火，也可對工件進(jìn)行穿透加熱；易于實(shí)現(xiàn)局部加熱，也易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)加熱。4)熱效率高。5)便于流水線生產(chǎn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化，適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)需要，提高生產(chǎn)效率。感應(yīng)加熱最廣泛、最基本、最有效的應(yīng)用是感應(yīng)加熱表面淬火。(1)感應(yīng)加熱表面淬火技術(shù)的新發(fā)展第二節(jié)制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝2.感應(yīng)加熱的應(yīng)用1)超高頻感應(yīng)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(qiáng)的集膚效應(yīng)，使0.050.5mm厚的零件表層在極短的時間內(nèi)(1500ms)加熱至上千攝氏度，其

6、能量密度可達(dá)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(dá)106/s，達(dá)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(shù)小于1的齒輪使用1000kHz)，振蕩功率為100kW以上。3)雙頻感應(yīng)加熱淬火：對于凹凸不平的工件如齒輪等，當(dāng)間距較小時，任何形狀的感應(yīng)器都不能保持工件與感應(yīng)器的施感導(dǎo)體之間的間隙一致。第二節(jié)制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝4)超音頻感應(yīng)加熱淬火：使用雙頻感應(yīng)加熱淬火，雖然可以獲得均勻的硬化層；但設(shè)備復(fù)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(yīng)加熱技術(shù)的其他應(yīng)用1)局部淬火：對木工錘的頭部進(jìn)行中頻感應(yīng)局部淬火是一項(xiàng)較先進(jìn)的工藝技術(shù)，目前這項(xiàng)技術(shù)已在自動生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)。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(jìn)行感應(yīng)加熱局部淬火或局部退火。3)長軸的熱處理：采用感應(yīng)加熱對管材、棒材(如絲杠毛坯等)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理代替一般井式爐調(diào)質(zhì)，具有工序少、周期快、質(zhì)量好、省材料、省能源、效益高和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化等優(yōu)點(diǎn)。我國采用中頻感應(yīng)加熱對250m長鋼軌進(jìn)行軌面表面淬火是目前應(yīng)用感應(yīng)加熱淬火的最長工件之一。第二節(jié)制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝4)滲碳件的感應(yīng)加熱淬火：

8、對滲碳件進(jìn)行感應(yīng)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(hù)措施，省去繁瑣的鍍銅或其他防滲工序。5)感應(yīng)加熱化學(xué)熱處理：應(yīng)用感應(yīng)加熱進(jìn)行滲碳、滲氮等化學(xué)熱處理的新工藝已得到廣泛應(yīng)用。二、感應(yīng)加熱表面淬火工藝的制訂感應(yīng)加熱表面淬火的加熱方法有同時加熱淬火法和連續(xù)加熱淬火法兩種。第二節(jié)制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝2.加熱參數(shù)1.加熱方法(1)加熱溫度感應(yīng)加熱時工件溫度連續(xù)上升，加熱速度較快，奧氏體轉(zhuǎn)變在較高溫度下進(jìn)行，為使組織充分轉(zhuǎn)變，故加熱溫度應(yīng)比普通加熱時高3050。表3-1鋼鐵件感應(yīng)加熱表面淬火溫度(2)加熱時間加熱時間應(yīng)根據(jù)零件的技術(shù)要求、材料、形狀、尺寸、電流頻率、比功

9、率及感應(yīng)器效率等多種因素，結(jié)合多次試淬情況加以確定。第二節(jié)制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝感應(yīng)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(yīng)加熱淬火后應(yīng)及時回火，一般應(yīng)在淬火后4h內(nèi)進(jìn)行。(1)爐中回火經(jīng)浸液冷卻或連續(xù)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(jìn)行回火。(2)自回火將感應(yīng)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(dá)到回火目的。(3)感應(yīng)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(yīng)加熱回火。第二節(jié)制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝4.回火3.冷卻方法及淬火介質(zhì)調(diào)整電參數(shù)的目的是使高、

10、中頻電源處于諧振狀態(tài)工作，使設(shè)備發(fā)揮較高的效率。(1)高頻加熱電參數(shù)的調(diào)整首先在78kV的低電壓負(fù)載條件下，調(diào)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(jìn)一步調(diào)整電參數(shù)，使槽路電壓達(dá)到所需值，匹配最佳。(2)中頻加熱電參數(shù)的調(diào)整根據(jù)零件大小、形狀、硬化區(qū)長短及感應(yīng)器結(jié)構(gòu)選擇合適的淬火變壓器匝比和適當(dāng)?shù)碾娙萘浚蛊涮幱谥C振狀態(tài)下工作。調(diào)試時首先根據(jù)感應(yīng)線圈形狀、尺寸憑經(jīng)驗(yàn)選擇一種變壓器匝比，加入一定電容量，在低電壓時開始調(diào)試，使功率因數(shù)為容性09時，再逐漸升高電壓。第二節(jié)制訂感應(yīng)加熱表面淬火工藝5.感應(yīng)加熱電參數(shù)的調(diào)整一、離子滲氮離子滲氮是利用高壓電場在

11、稀薄的含氮?dú)怏w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(jī)理，目前還不十分清楚，仍處于研究、探索與發(fā)展之中。圖3-2離子滲氮原理圖a)陰極電位降b)表面反應(yīng)機(jī)理第三節(jié)離子滲氮及其他化學(xué)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(jié)約能源、氣源。3)工序簡單，不需要預(yù)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(hù)簡單。4)滲氮的氮、碳、氫等氣氛可調(diào)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(jìn)行，工件畸變??；但準(zhǔn)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(yīng)用范圍廣，目前德國可滲氮的零件長8m以上，質(zhì)量達(dá)8t以上，小零件可以小到球形筆尖，設(shè)備功率達(dá)500kW以上。第三節(jié)離子滲氮及其他化學(xué)熱處理知識2.離子滲氮的主要特點(diǎn)8)由于設(shè)備較復(fù)雜，投資大，調(diào)整維修較困難，對操作人員的技術(shù)要求較高。(1)工藝準(zhǔn)備1)待滲工件檢查：材質(zhì)應(yīng)與圖樣相符，保留適當(dāng)磨削余量(一般0.05mm)，零件的表面粗糙度應(yīng)低于Ra1.6m；用有機(jī)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(shè)備檢查：真空計(jì)、測溫儀表及熱電偶應(yīng)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(jìn)氣和排氣管

13、，應(yīng)使電能暢通無泄漏。3)工裝：根據(jù)工件形狀、尺寸、重量準(zhǔn)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(jié)離子滲氮及其他化學(xué)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(qiáng)濺射使化合物層減薄，相增多，擴(kuò)散層中脈狀氮化物減少。(5)流量與流速氨氣的流量與設(shè)備的功率有關(guān)，按表3-3選取。第三節(jié)離子滲氮及其他化學(xué)熱處理知識表3-3離子滲氮氨氣流量與設(shè)備功率關(guān)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(yīng)控制在15內(nèi)，當(dāng)溫度均勻性超過該數(shù)值時，可采用調(diào)整氣壓，改用分解氨及氨氫混合氣，或調(diào)整分解率等方法，如果仍達(dá)不到要求，則應(yīng)停爐，調(diào)整裝爐方式或加輔助陰極或輔助陽極。(8)冷卻保溫結(jié)束后即可停爐降溫，因爐內(nèi)低真空，降溫不快，工件可隨爐冷卻。(9)出爐當(dāng)工件冷卻至150以下時，便可向爐內(nèi)放氣，然后開啟爐罩或爐蓋，取出工件送檢。第三節(jié)離子滲氮及其他化學(xué)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?xì)饣蛱嫉旌蠚夥罩?，利用工件（陰極）與陽極間產(chǎn)生輝光放電進(jìn)行滲碳或同時滲碳氮的工藝。離子滲

15、碳是目前滲碳領(lǐng)域較先進(jìn)的工藝技術(shù)，是快速、優(yōu)質(zhì)、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(zhì)為甲醇+丙酮，同時通入氨氣。第三節(jié)離子滲氮及其他化學(xué)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(fā)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(diào)節(jié)蒸發(fā)器的溫度和蒸發(fā)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(chǎn)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(nèi)部。在離子擴(kuò)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(jié)離子滲氮及其他化學(xué)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(jié)表面改性熱處理訓(xùn)練實(shí)例1.工件外形尺寸及技術(shù)要求(2)技術(shù)要求1)除了尺寸M602外進(jìn)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(diào)質(zhì)粗加工去應(yīng)力退火精加工滲氮處理機(jī)械加工。(1)調(diào)質(zhì)處理、去應(yīng)力退火處理其工藝參數(shù)見圖3-4。第四節(jié)表面改性熱處理訓(xùn)

17、練實(shí)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(diào)質(zhì)處理、去應(yīng)力退火工藝曲線第四節(jié)表面改性熱處理訓(xùn)練實(shí)例圖3-538鋼鏜桿滲氮處理工藝曲線第四節(jié)表面改性熱處理訓(xùn)練實(shí)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(chǎn)前的準(zhǔn)備 檢查工件的材質(zhì)、工藝技術(shù)要求。檢查工件外觀，表面應(yīng)無碰傷、銹斑、油污和其他缺陷。 檢查所使用的滲氮設(shè)備本訓(xùn)練中我們選擇RN1059井式氮化爐(有效工作區(qū)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(jìn)爐，關(guān)閉、壓緊爐蓋

18、，見圖3-6。第四節(jié)表面改性熱處理訓(xùn)練實(shí)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(jié)表面改性熱處理訓(xùn)練實(shí)例 打開氨氣閥門向爐內(nèi)通入大流量氨氣，打開爐蓋冷卻水閥門。 合上加熱電源開關(guān)，加熱升溫。按工藝要求設(shè)定各階段溫度，并定時(1520min/次)，測量氨分辨率以調(diào)節(jié)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(jié)束時，關(guān)閉加熱電源開關(guān)，工件隨爐冷至180200左右出爐空冷。關(guān)閉氨氣閥門和冷卻水閥門。(1)外觀工件外觀應(yīng)呈銀灰色，無磕碰及剝落現(xiàn)象。(2)硬度采用維氏硬度計(jì)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(shè)備為維氏硬度計(jì)、金相顯微鏡。第四節(jié)表面改性熱處理訓(xùn)練實(shí)例4.質(zhì)量檢驗(yàn)(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(jié)表面改性熱處理訓(xùn)練實(shí)例1.工件外形尺寸及技術(shù)要求(2)技術(shù)要求滲碳層深度為0.81.3