金属材料表面硬化的三大方法及其应用范围

设计中常常需要对金属材料表面进行硬化处理以提高耐磨性、耐蚀性、耐热性和疲劳强度。常用的表面硬化方法有:渗碳淬火、氮化、表面淬火等。

1、渗碳处理

在渗碳炉中将低碳钢表面碳含量增至规定范围然后进行淬火,使表面硬度达到HRc56~62,然后低温回火以消除应力和稳定组织。渗碳采用的是专用渗碳钢,如20Cr、20CrMnTi、320CrNiMo、20Cr2Mn2Mo、17Cr2Ni2Mo等,设计时可根据工件尺寸和心部强度要求来选择材料和渗碳层深度;不应过度使用材料和加大渗碳层深,否则将造成生产成本增加。通常情况下,有效截面尺寸小于50mm的零件,可选用20、20Cr;有效截面尺寸50~150且重量小于50kg的工件,可选用20CrMnTi;有效截面大于200mm,或心部强度要求大于1000MPa的零件可选用17Cr2Ni2Mo。

渗碳层深的选择要根据实际需要进行设计,以节约成本。层深的增加意味着渗碳时间的延长,齿轮一般是根据经验公式来设计层深,现在,轧机齿轮基本上都采用17Cr2Ni2Mo渗碳淬火工艺,从而废弃了传统的表面淬火工艺。

2、氮化处理

原则上讲任何钢种都可以进行氮化处理。但是最常用的氮化钢是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)、38CrMoAl(HV>700)。

氮化是在氮化炉中进行,因此变形小。氮化后一般可不加工。氮化硬度要根据材质而定。需要注意的是设计时应尽可能采用整体氮化处理,因为氮化层本身对使用来说只有益处,没必要加工处理掉。

对必须进行局部氮化的零件需要做局部保护,氮化后去掉或加工掉保护层,但是如此一来,需要额外的工作很多,增加了制造的复杂性和成本。此外,氮化前必须进行调质处理,以提高心部的机械性能,为氮化做组织准备。

氮化工艺最大的特点是热处理变形小,硬化层浅,特别适用于与调质工艺相结合提高零件的疲劳强度、表面耐磨性、耐蚀性和改善零件的摩擦状态,防止胶合。适用于在周期载荷下工作的零件,比如轴等。

3、表面淬火

是成本最低的表面硬化处理方法,工艺简单而灵活,适合局部处理,特别适合于提高耐磨性的场合。由于只加热表面层,心部强度保持着表淬前的状态。表面淬火一般工艺是高频感应加热、中频感应加热或火焰加热,喷水冷却,然后进行低温回火。表面淬火后零件表面将产生很大的残余压应力,因而使材料的疲劳强度大大提高。但需要注意的是,表淬区域的起始点和终结点处于残余拉应力状态下,此处的疲劳强度因此大大降低。设计时要考虑残余拉应力不可留在齿根处、轴的过渡圆角处等零件应力集中部位,以免工作应力与残余拉应力叠加造成零件裂纹或断裂。细轴类和薄板类零件本身容易变形,表淬时由于加工应力的释放与表淬应力的不平衡会产生很大变形,而淬硬后的零件矫形时容易发生断裂。因此,设计时应考虑表淬应力的平衡问题。比如将薄板类工件设计成双面对称淬火是一种有效解决表淬变形的方法。表淬前零件需要进行调质处理,一是提高心部强度,另一方面可以减少淬火变形和裂纹倾向。

在机械产品的设计工作中,合理选择零件的材料,并采取适当的工艺方法使之能够满足结构要求和使用需要,这是一项非常重要但确常常被设计师们忽视的工作内容,而对于制造厂来讲,产品制造的工艺性和经济性对其生存与发展确是至关重要的问题,因此必须引起设计师的高度重视。

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