基本介紹
- 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
簡介,分類及加熱原理,表面淬火,化學熱處理,接觸電阻加熱淬火,電解加熱淬火,熱處理新進展,雷射熱處理,電子束熱處理,常用熱處理設備,
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和感應加熱表面淬火。
分類及加熱原理
表面淬火
通過不同的熱源對工件進行快速加熱，當零件表層溫度達到臨界點以上（此時工件心部溫度處於臨界點以下）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、雷射加熱表面淬火、電子束表面淬火等。工業上套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溫，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、滲矽、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，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。
熱處理新進展
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，或者塗覆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。
常用熱處理設備
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沒備。主要沒備包括熱處理爐、熱處理加熱設備、冷卻沒備等。輔助沒備包括檢驗設備、校正沒備、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。溫度一般比加熱爐低，要求較嚴 格地控制爐溫和爐內氣氛。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; 根據工作溫度可分為高溫爐 （高於 1000℃）、中溫爐 （600～1000℃） 和低溫爐（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周期式作業爐、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、推桿式爐、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、冷卻設備
常用的冷卻沒備有水槽、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
常用的檢驗沒備有洛氏硬度汁、布氏餒度計、金相顯微鏡、物理性能測試儀、量具、無損探傷沒備等。
