不銹鋼感應(yīng)淬火與滲碳淬火

2019-03-0810:27:59已關(guān)閉評(píng)論

不銹鋼感應(yīng)加熱表面淬火

感應(yīng)加熱表面淬火處理在保證工件基體具有優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性、韌性的同時(shí)，提高了工件的表面硬度、耐磨性和抗疲勞性能。感應(yīng)加熱表面淬火在馬氏體不銹鋼制零件中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2Cr13、3Cr13、0Cr13Ni4Mo、0Cr17Ni4Cu4Nb等馬氏體不銹鋼和馬氏體沉淀硬化不銹鋼均可采用感應(yīng)加熱表面淬火。

一、感應(yīng)加熱原理

當(dāng)感應(yīng)圈中通過(guò)交變電流時(shí)，在其周圍和內(nèi)部(如感應(yīng)圈中的工件)就產(chǎn)生與電流變化頻率相同的交變磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)又使工件內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于金屬是導(dǎo)體，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)又會(huì)在工件內(nèi)部產(chǎn)生電流。這種電流的電路在工件內(nèi)部是閉合的，又稱之為渦流。渦流使工件產(chǎn)生大量的熱。對(duì)鋼鐵材料(鐵磁材料)來(lái)說(shuō)，除渦流的熱效應(yīng)外，還存在“磁滯現(xiàn)象”引起的熱效應(yīng)。

渦流有其特點(diǎn)，如表面效應(yīng)(集膚效應(yīng))使渦流會(huì)集中在表面一定深度，叫渦流透入深度，這個(gè)深度也稱電流透入深度δ，電流透入深度δ與交變電流頻率f、工件材料的電阻率ρ及導(dǎo)磁率μ有一定的關(guān)系

鋼鐵材料的電阻率ρ與溫度成正比，隨材料溫度的升高而增加，而磁導(dǎo)率μ在失磁點(diǎn)以下基本不變，但到失磁點(diǎn)時(shí)突然下降，約為1，因此，當(dāng)工件溫度達(dá)到失磁點(diǎn)時(shí)，渦流透入深度δ明顯增加。

無(wú)論是在失磁點(diǎn)以下的溫度還是在失磁點(diǎn)以上的溫度，渦流都集中在工件表層中，隨與表面距離的增大而急劇下降?？梢越频卣J(rèn)為，渦流只在δ的薄層中通過(guò)，層外沒(méi)有渦流。而渦流所產(chǎn)生的熱量與渦流強(qiáng)度的平方成正比，所以，自表面向里，由渦流產(chǎn)生的熱量下降更快、更明顯，甚至有人認(rèn)為，渦流產(chǎn)生熱量的85%以上集中在δ的厚度內(nèi)。

感應(yīng)渦流的特性決定了感應(yīng)加熱過(guò)程為透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱并存的加熱過(guò)程。

當(dāng)感應(yīng)圈內(nèi)的工件產(chǎn)生渦流的瞬間，渦流集中在工件的表面層，且表面最強(qiáng)，向里逐漸減弱，工件表面溫度開(kāi)始升高，當(dāng)表面溫度升高至失磁溫度時(shí)，加熱層被分為兩層，即最外層的失磁層和與其相連的未失磁層。由于失磁層的渦流強(qiáng)度顯著下降，使得最大渦流強(qiáng)度及加熱最強(qiáng)烈的地方轉(zhuǎn)移至兩層交界處，這時(shí)，該處溫度又快速上升，從而使加熱高溫層向內(nèi)移動(dòng)，這種因渦流強(qiáng)度向內(nèi)不斷移動(dòng)而引起工件加熱層向內(nèi)移動(dòng)的工件加熱方式稱“透入式加熱”。當(dāng)失磁高溫層厚度超過(guò)熱態(tài)電流透入深度δ后繼續(xù)加熱時(shí)，熱量總是在δ層中析出，促使該層溫度不斷升高。

在這種透入式加熱使工件表層溫度升高的同時(shí)，還存在正常的熱傳導(dǎo)過(guò)程，使加熱層的厚度不斷向里延伸，從而完成感應(yīng)加熱工件表面達(dá)到淬火溫度的全過(guò)程。

感應(yīng)加熱的表面加熱層是在失磁條件下進(jìn)行的，加熱很緩慢，而又是依靠渦流強(qiáng)度向內(nèi)移動(dòng)的方式傳遞熱量的，所以，表面過(guò)熱小。

二、鋼在感應(yīng)加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)

感應(yīng)加熱的一個(gè)重要特征是加熱速度快，而鋼的組織轉(zhuǎn)變與加熱速度有重要的關(guān)系，所以，鋼在感應(yīng)加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變有與普通加熱不同的特點(diǎn)。

1．感應(yīng)加熱時(shí)奧氏體形成的特點(diǎn)

有研究表明，由于感應(yīng)加熱速度快，鋼的相變點(diǎn)A_c1、A_c3、A_cm的溫度升高，即奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度升高，而且轉(zhuǎn)變的溫度范圍更寬廣。在加熱溫度相同的條件下，加熱速度越快，珠光體中的鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體后，組織中的滲碳體越難充分溶解。奧氏體中的成分不易均勻化。

在快速加熱條件下，由于轉(zhuǎn)變溫度升高，過(guò)熱度大，奧氏體的形核和長(zhǎng)大速度都會(huì)增加，但形核速度比長(zhǎng)大速度快得多，所以，奧氏體晶粒會(huì)更細(xì)一些。

2．馬氏體不銹鋼的感應(yīng)加熱特點(diǎn)

馬氏體不銹鋼成分中含有大量的鉻、鉬、鎳等合金元素，在平衡狀態(tài)下(如退火狀態(tài))，合金元素在鐵素體和碳化物中的分布不同。形成碳化物的元素，鉻、鉬等集中分布在碳化物中，不形成碳化物的元素，鎳等集中分布在鐵素體中，加熱形成奧氏體后，在原碳化物部分，形成碳化物元素濃度高，不形成碳化物元素濃度低。同時(shí)，合金元素在奧氏體中的擴(kuò)散速度比碳慢。所以，在感應(yīng)快速加熱時(shí)，要使奧氏體中的合金元素均勻化，應(yīng)提高加熱溫度。

馬氏體不銹鋼含合金元素多，奧氏體均勻化比碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼更困難。因此，感應(yīng)加熱前具備良好的原始組織尤為重要。鋼加熱奧氏體形核是在鐵素體和滲碳體的交界面處，所以，原始晶粒越細(xì)小，鐵素體與滲碳體的相界面越多，奧氏體形核越多，而且，合金元素原子擴(kuò)散距離也越短，奧氏體的形成和均勻化過(guò)程也就越快?？梢?jiàn)，細(xì)晶粒的原始組織對(duì)提高感應(yīng)加熱淬火的質(zhì)量很重要。特別是如果原始組織粗大，有帶狀組織、魏氏組織、大塊鐵素體等情況時(shí)，感應(yīng)加熱淬火容易產(chǎn)生過(guò)熱或淬火軟點(diǎn)、組織不均等缺陷。

因此，馬氏體不銹鋼感應(yīng)加熱淬火前應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

五、高頻感應(yīng)加熱淬火操作

1．感應(yīng)加熱設(shè)備

(1)加熱電源。不論感應(yīng)加熱電源是何種形式，其輸出功率及頻率必須要滿足工作要求，輸出電壓能控制在±2.5%范圍內(nèi)或輸出功率在±5%范圍內(nèi)。

(2)淬火機(jī)床。感應(yīng)加熱淬火機(jī)床在旋轉(zhuǎn)速度、升降速度及高度、工作臺(tái)面的跳動(dòng)等方面應(yīng)能滿足所處理工件的技術(shù)要求。通常軸心擺差不大于0.3mm，軸向移動(dòng)速度偏差＜5%，旋轉(zhuǎn)可調(diào)范圍20～120r/min。并符合JB/T 9201《鋼鐵件的感應(yīng)淬火回火處理》規(guī)定。

(3)時(shí)控裝置。感應(yīng)加熱電源或淬火機(jī)床應(yīng)根據(jù)需要裝有控制加熱、間歇、冷卻的裝置。

(4)淬火冷卻設(shè)備。淬火冷卻設(shè)備應(yīng)能滿足工件在連續(xù)淬火時(shí)的水壓(一般為0.12～0.2MPa)，流量應(yīng)滿足在同時(shí)淬火時(shí)的冷卻能力。

(5)回火設(shè)備。要求能自動(dòng)控溫和記錄，且有強(qiáng)制爐氣循環(huán)設(shè)施，保證爐溫均勻。

2．感應(yīng)器

淬火感應(yīng)器采用薄壁紫銅材料制造，力求保證加熱工件表面各處溫度盡可能均勻，連續(xù)淬火感應(yīng)器的噴水孔要均布，噴水孔直徑在φ0.8～φ1mm之間，噴水孔角度在35°～45°之間。噴水孔中心距一般在2～4mm之間。噴水孔總面積應(yīng)占有效圈內(nèi)表面總面積的12%～20%。

3．淬火件的預(yù)備處理及工藝規(guī)范

(1)感應(yīng)淬火零件應(yīng)經(jīng)過(guò)退火、正火或調(diào)質(zhì)預(yù)備處理，以使淬火前組織均勻，保證感應(yīng)加熱淬火后硬度均勻。常見(jiàn)馬氏體不銹鋼高頻淬火前的預(yù)處理參見(jiàn)表7－12。加熱前預(yù)留的磨余量依據(jù)感應(yīng)頻率不同而定，高頻感應(yīng)加熱，單邊留量不大于0.3～0.5mm。

(2)加熱方式的確定。根據(jù)工件形狀、加熱部位、加熱面積等條件確定加熱方法。

①同時(shí)加熱法。采用與被處理的零件淬火表面仿型的感應(yīng)器，對(duì)應(yīng)工件淬火部位加熱，之后再進(jìn)行冷卻(可以噴水冷卻，也可以放淬火劑槽中冷卻)。

在一定的頻率下，通過(guò)改變單位功率和加熱時(shí)間可獲得不同的硬化層。一般采用的最小設(shè)備比功率為0.4～4kW/cm²。

②連續(xù)加熱法。利用淬火機(jī)床使工件旋轉(zhuǎn)并向下移動(dòng)，工件經(jīng)過(guò)安裝在固定位置的感應(yīng)器，其表面被迅速加熱，加熱部位離開(kāi)感應(yīng)器時(shí)，同時(shí)被噴水冷卻。

連續(xù)加熱設(shè)備比功率一般最小為1.2kW/cm²，常用的移動(dòng)速度為1～10mm/s。

(3)感應(yīng)器選用。根據(jù)零件形狀、淬火部位、淬火面積、加熱方法來(lái)確定。

感應(yīng)器與零件之間的間隙應(yīng)力求小且均勻，以提高感應(yīng)器的加熱效率和加熱的均勻性。一般情況下，軸類件為1.5～3mm;齒輪模數(shù)小于或等于3時(shí)為2～5mm，大于3時(shí)為4～6mm;平面和孔類為1～2mm。

柱面全加熱時(shí)，感應(yīng)器高度比柱面高度小1～2mm，以減小尖角效應(yīng)。軸類局部同時(shí)加熱時(shí)，感應(yīng)器高度應(yīng)為加熱帶長(zhǎng)度的1.05～1.2倍。

(4)加熱溫度。采用高頻感應(yīng)加熱時(shí)，根據(jù)加熱速度、原始組織等情況，淬火溫度應(yīng)比爐中加熱淬火溫度高30～80℃，有時(shí)需要更高的溫度。常用不銹鋼感應(yīng)加熱淬火溫度見(jiàn)表7－12。

(5)加熱時(shí)間。連續(xù)加熱時(shí)，工件加熱表面上任一點(diǎn)的加熱時(shí)間相當(dāng)于該點(diǎn)進(jìn)入感應(yīng)圈到離開(kāi)感應(yīng)圈的時(shí)間，即通過(guò)感應(yīng)圈高度的時(shí)間。

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)加熱零件的具體情況，選擇感應(yīng)器高度、淬火機(jī)床升降速度、加熱設(shè)備功率等技術(shù)參數(shù)。

(6)參數(shù)的確定。選擇合理的電氣參數(shù)，是為了保證設(shè)備輸出功率及設(shè)備在高效率狀態(tài)下正常工作。通過(guò)調(diào)整陽(yáng)極電壓、反饋和耦合手輪，可以改變陽(yáng)極負(fù)載電壓和陽(yáng)極負(fù)載電流的大小，獲得需要輸出的功率。

當(dāng)調(diào)整耦合和反饋手輪時(shí)，若槽路電壓上升則表示輸出功率增加，槽路電壓越高，表示輸出功率越大;若槽路電壓不變或稍有下降，則表示已獲得最大輸出功率。

在最佳工作狀態(tài)，陽(yáng)流和柵流的比值K為定值。在使用設(shè)備GP－100的條件下，K= 5～8。為調(diào)整K值達(dá)最佳，需調(diào)節(jié)反饋和耦合手輪，調(diào)節(jié)方向及規(guī)律見(jiàn)表7－14。

表7－14　調(diào)整手輪時(shí)陽(yáng)流和柵流變化

(7)淬火冷卻。

①連續(xù)加熱淬火時(shí)采用噴射冷卻，此時(shí)應(yīng)保證水壓、噴水方式、水溫等符合工藝要求，以保證充分冷卻。

②同時(shí)加熱淬火時(shí)，根據(jù)工件形狀、材質(zhì)及淬火部位，可以采用噴射冷卻，也可采用浸液冷卻。

(8)淬火后回火。感應(yīng)加熱淬火后，根據(jù)材質(zhì)及硬度的要求，選用適當(dāng)?shù)臏囟然鼗?。采用加熱爐回火時(shí)，設(shè)備應(yīng)有可靠的控制系統(tǒng)和記錄裝置，最好有爐氣強(qiáng)制循環(huán)裝置。也允許采用自回火和感應(yīng)加熱回火。

4．感應(yīng)加熱淬火件的質(zhì)量控制與檢驗(yàn)

(1)外觀。淬火表面不允許有燒傷或熔化疤痕、裂紋。

(2)硬度。淬火表面應(yīng)達(dá)到技術(shù)要求的硬度，硬度檢驗(yàn)可根據(jù)零件大小和硬化層的深度，采用洛氏法(GB/T 230)、維氏法(GB/T 4340)或肖氏法(GB/T 4341)。大型工件也可以用銼刀檢測(cè)。表面硬度允許波動(dòng)范圍見(jiàn)表7－15～表7－17。

表7－15　洛氏硬度波動(dòng)范圍