浅析钢件表面热处理技术

通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。

 

    有些在工作时经受摩擦、表面容易磨损的零件，其表面应有抗磨损能力。有些工件在反复弯曲的作用下工作，易产生疲劳断裂，需要有抗疲劳能力，而抗疲劳能力又与零件的表面强度和内应力状态有关。表面强度高，又存在压缩内应力时，抗疲劳能力就强。机床、矿山机械等的齿轮经表面淬火后耐磨性明显提高。汽车后半轴经高频感应加热淬火后的抗疲劳能力远高于整体调质者。

 

    最常用的表面热处理工艺有感应加热热处理和火焰淬火，此外还有接触电阻加热淬火、电解加热淬火、激光热处理和电子束热处理等。

 

    接触电阻加热淬火通过电极将小于5伏的电压加到工件上,在电极与工件接触处流过很大的电流,并产生大量的电阻热,使工件表面加热到淬火温度,然后把电极移去,热量即传入工件内部而表面迅速冷却,即达到淬火目的。当处理长工件时,电极不断向前移动,留在后面的部分不断淬硬。这一方法的优点是设备简单，操作方便，易于自动化,工件畸变极小,不需要回火，能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄（0.15～0.35毫米）。显微组织和硬度均匀性较差。这种方法多用于铸铁做的机床导轨的表面淬火，应用范围不广。

 

    电解加热淬火将工件置于酸、碱或盐类水溶液的电解液中，工件接阴极，电解槽接阳极。接通直流电后电解液被电解，在阳极上放出氧，在工件上放出氢。氢围绕工件形成气膜，成为一电阻体而产生热量，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后断电,气膜立即消失,电解液即成为淬冷介质，使工件表面迅速冷却而淬硬。常用的电解液为含5～18％碳酸钠的水溶液。电解加热方法简单，处理时间短，加热时间仅需5～10秒,生产率高，淬冷畸变小，适于小零件的大批量生产，已用于发动机排气阀杆端部的表面淬火。

 

    激光热处理激光在热处理中的应用研究始于70年代初，随后即由试验室研究阶段进入生产应用阶段。当经过聚焦的高能量密度(106瓦／厘米2)的激光照射金属表面时，金属表面在百分之几秒甚至千分之几秒内升高到淬火温度。由于照射点升温特别快，热量来不及传到周围的金属，因此在停止激光照射时，照射点周围的金属便起淬冷介质的作用而大量吸热，使照射点迅速冷却，得到极细的组织，具有很高的力学性能。如加热温度高至使金属表面熔化，则冷却后可以获得一层光滑的表面，这种操作称为上光。激光加热也可用于局部合金化处理，即对工件易磨损或需要耐热的部位先镀一层耐磨或耐热金属，或者涂覆一层含耐磨或耐热金属的涂料，然后用激光照射使其迅速熔化，形成耐磨或耐热合金层。在需要耐热的部位先镀上一层铬，然后用激光使之迅速熔化，形成硬的抗回火的含铬耐热表层，可以大大提高工件的使用寿命和耐热性。

 

    电子束热处理70年代开始研究和应用。早期用于薄钢带、钢丝的连续退火,能量密度最高可达108瓦／厘米2。电子束表面淬火除应在真空中进行外,其他特点与激光相同。当电子束轰击金属表面时，轰击点被迅速加热。电子束穿透材料的深度取决于加速电压和材料密度。例如,150千瓦的电子束在铁表面上的理论穿透深度大约为0.076毫米；在铝表面上则可达0.16毫米。

 

电子束在很短时间内轰击表面，表面温度迅速升高，而基体仍保持冷态。当电子束停止轰击时，热量迅速向冷基体金属传导，从而使加热表面自行淬火。为了有效地进行自冷淬火，整个工件的体积和淬火表层的体积之间至少要保持5∶1的比例。表面温度和淬透深度还与轰击时间有关。电子束热处理加热速度快，奥氏体化的时间仅零点几秒甚至更短，因而工件表面晶粒很细，硬度比一般热处理高，并具有良好的力学性能。