表面热处理

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简介
通过对工件表层的加热、冷却、改变表层组织结构，获得所需性能的金属热处理工艺。钢件的表面热处理，可获得表面高硬度的马氏体组织，而保留心部的韧性和塑性，提高工件的综合机械性能。如对一些轴类、齿轮和承受变向负荷的零件，可通过表面热处理，使表面具有较高的抗磨损能力，使工件整体的抗疲劳能力大大提高。表面热处理最主要的内容是钢铁的表面淬火，可分为火焰表面淬火和感应加热表面淬火。
分类及原理
表面淬火
通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。为了达到只加热工件表层的目的，要求所用热源具有较高的能量密度。根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。
化学热处理
将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层，以改变表层的组织和化学成分，从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理，以便最大限度地发挥渗层的潜力，并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。根据渗入元素的不同 ，化学热处理可分为渗碳 、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。
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。
进展
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 （10瓦/厘米）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10瓦/厘米。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。
设备
根据热处理的基本工艺过程，热处理设备分为主要设备和辅助设备。主要设备包括热处理炉、热处理加热设备、冷却设备等。辅助设备包括检验设备、校正设备、清洗设备、淬火介质循环设备、防火除尘设备等。
1、热处理炉
热处理炉是热处理的一种加热设备。温度一般比加热炉低，要求较严 格地控制炉温和炉内气氛。由炉体、加热装置、机 械装置和电气设备等组成。根据能源不同可分为燃 料炉和电炉; 根据工作温度可分为高温炉 （高于 1000℃）、中温炉 （600～1000℃） 和低温炉（低于 600℃）; 根据加热介质不同可分为空气炉、可控气 氛炉、流动粒子炉、真空炉、辉光离子炉等; 根据 作业规程和机械化程度可分为周期式作业炉、半连 续作业炉和连续式作业炉; 根据工艺用途不同可分 为正火炉、退火炉、回火炉、淬火炉、渗碳炉、氮 化炉等;根据外形和炉膛形状不同可分为箱式炉、 井式炉、台车式炉、推杆式炉、转底式炉、振底式 炉、输送带式炉等; 根据专门化程度不同可分为通 用炉和专用炉。 
2、冷却设备
常用的冷却设备有水槽、油槽、浴炉、缓冷坑等。介质包括：自来水、盐水、机油、硝酸盐溶液等。
3、检验设备
常用的检验设备有洛氏硬度汁、布氏馁度计、金相显微镜、物理性能测试仪、量具、无损探伤设备等。