4表面淬火和表面形變強化技術(shù)

1、4 表面淬火和表面形變強化技術(shù)表面淬火和表面形變強化技術(shù)教學目的和要求教學目的和要求 掌握表面淬火和表面形變強化技術(shù)的主要種類，工藝、掌握表面淬火和表面形變強化技術(shù)的主要種類，工藝、組織和性能特點。組織和性能特點。 重點：感應加熱淬火、激光淬火、噴丸強化技術(shù)重點：感應加熱淬火、激光淬火、噴丸強化技術(shù) 前言：前言： n表面淬火和表面形變強化技術(shù)是表面淬火和表面形變強化技術(shù)是不需要外加其它材料，主要依靠材不需要外加其它材料，主要依靠材料自身組織與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變料自身組織與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來進行表面改性的表面工程技術(shù)。來進行表面改性的表面工程技術(shù)。n工藝簡單、效果顯著、應用廣泛。工藝簡單、效果顯著、應用廣泛。4.

2、1 表面淬火技術(shù)的原理與特點表面淬火技術(shù)的原理與特點 一、表面淬火技術(shù)的原理與分類一、表面淬火技術(shù)的原理與分類n定義：用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到定義：用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到Ac3(對亞共析鋼對亞共析鋼)或者或者Ac1(對對過共析鋼過共析鋼)之上之上(奧氏體化奧氏體化)，然后使其快速冷卻并發(fā)生，然后使其快速冷卻并發(fā)生馬氏體馬氏體相變，形成表相變，形成表面強化層的工藝過程。面強化層的工藝過程。(Fe-Fe3C相圖相圖)n種類：感應加熱淬火、火焰淬火、激光淬火、電子束淬火等。種類：感應加熱淬火、火焰淬火、激光淬火、電子束淬火等。n適用對象：中碳鋼、球墨鑄鐵（適用對象：中碳鋼、球墨

3、鑄鐵（C含量：含量：0.351.20wt%）Fe-Fe3C相圖相圖二、表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別二、表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別 高加熱速度、高冷卻速度高加熱速度、高冷卻速度n晶粒細化、硬度提高晶粒細化、硬度提高 n顯微硬度顯微硬度微觀微觀分布不均勻分布不均勻 需預先熱處理需預先熱處理三、表面淬火層的組織與性能三、表面淬火層的組織與性能n組織：組織： 淬硬區(qū)、過渡區(qū)、心部組織淬硬區(qū)、過渡區(qū)、心部組織(基材基材) ( M、M+F/M+P、P/P+F)過渡區(qū)的寬窄對鋼的殘余應力分布有重要影響。過渡區(qū)的寬窄對鋼的殘余應力分布有重要影響。過渡區(qū)的寬窄主要決定于溫度梯度。提高加熱速過渡區(qū)的寬窄

4、主要決定于溫度梯度。提高加熱速度，可增大溫度梯度，顯著減少過渡區(qū)寬度。度，可增大溫度梯度，顯著減少過渡區(qū)寬度。表面淬火組織及其分布與鋼的成分、淬火工藝表面淬火組織及其分布與鋼的成分、淬火工藝及其參數(shù)、工件尺寸等因素有關(guān)。及其參數(shù)、工件尺寸等因素有關(guān)。n性能：性能： 高硬度、壓應力高硬度、壓應力4.2 感應加熱淬火技術(shù)感應加熱淬火技術(shù)一、感應加熱淬火技術(shù)的基本原理一、感應加熱淬火技術(shù)的基本原理 感應加熱淬火技術(shù)是應用感應加熱淬火技術(shù)是應用最最廣泛的表面淬火技術(shù)。廣泛的表面淬火技術(shù)。n基本過程基本過程(定義定義)： 工件在感應線圈中，在工件在感應線圈中，在高頻高頻交流磁場的作用下，交流磁場的作用下

5、，產(chǎn)生很大的感應電流，并因集膚效應而集中分布產(chǎn)生很大的感應電流，并因集膚效應而集中分布于工件表面，使受熱區(qū)迅速加熱到鋼的相變臨界于工件表面，使受熱區(qū)迅速加熱到鋼的相變臨界溫度溫度Ac3或或Acm之上之上(奧氏體化奧氏體化) ，然后在冷卻介質(zhì)，然后在冷卻介質(zhì)中中快速快速冷卻，使工件表層獲得冷卻，使工件表層獲得馬氏體馬氏體。n基本原理：基本原理： 表面吸收功率表面吸收功率P： (單匝線圈、高度為單匝線圈、高度為1cm的圓柱形工件的圓柱形工件) 工件表面不易過熱工件表面不易過熱 電流導入深度電流導入深度n淬硬層深度與頻率的關(guān)系：淬硬層深度與頻率的關(guān)系： 工頻工頻 10-15mm 中頻中頻 2-5mm

6、 高頻高頻 0.2-2mm深度增加深度增加頻率頻率降低降低n特點：特點： (優(yōu)點優(yōu)點)加熱迅速、熱效率高、過渡區(qū)較窄、淬火層壓應力大；加熱迅速、熱效率高、過渡區(qū)較窄、淬火層壓應力大； 可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強度?？纱蠓忍岣卟牧媳砻嬗捕?、耐磨性和疲勞強度。 (缺點缺點)設(shè)備成本較高；設(shè)備成本較高； 尖角效應；尖角效應； 一般只適合形狀簡單的零件。一般只適合形狀簡單的零件。n改進：改進： 高頻感應沖擊淬火高頻感應沖擊淬火n加熱方式：加熱方式： 連續(xù)加熱連續(xù)加熱(圖圖4-2) 同時加熱同時加熱三、感應加熱淬火工藝流程三、感應加熱淬火工藝流程回火溫度較低回火溫度較低自回火自回火4.3

7、 火焰加熱表面淬火技術(shù)火焰加熱表面淬火技術(shù) 火焰加熱表面淬火技術(shù)是火焰加熱表面淬火技術(shù)是應用歷史最長應用歷史最長的表面淬火技術(shù)之一。的表面淬火技術(shù)之一。n定義：定義： 將高溫將高溫火焰火焰或燃燒著的熾熱氣體噴向工件或燃燒著的熾熱氣體噴向工件表面表面，使其迅速加熱到淬火溫，使其迅速加熱到淬火溫度，然后在一定淬火介質(zhì)中冷卻。度，然后在一定淬火介質(zhì)中冷卻。n特點：特點： (優(yōu)點優(yōu)點)設(shè)備費用低，方法靈活，簡便易行，可對大型零件局部實現(xiàn)表面設(shè)備費用低，方法靈活，簡便易行，可對大型零件局部實現(xiàn)表面淬火。淬火。 (缺點缺點)生產(chǎn)效率低，淬硬層的均勻性較差，質(zhì)量控制比較困難。生產(chǎn)效率低，淬硬層的均勻性較差，

8、質(zhì)量控制比較困難。n組織特征：組織特征： 過渡區(qū)較寬。過渡區(qū)較寬。4.4 激光淬火與電子束淬火技術(shù)激光淬火與電子束淬火技術(shù)一、激光淬火技術(shù)的原理與應用一、激光淬火技術(shù)的原理與應用n定義：定義：(激光相變硬化激光相變硬化) 是利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高是利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高到相變點以上，當激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速到相變點以上，當激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，獲得淬硬層。導熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，獲得淬硬層。 (自激冷淬火、自淬火自激冷淬火、自淬

9、火)n組織與性能特征：組織與性能特征： 淬硬區(qū)、過渡區(qū)、心部組織淬硬區(qū)、過渡區(qū)、心部組織(基材基材) 單道硬化區(qū)域小單道硬化區(qū)域小 硬度大幅度提高、硬度大幅度提高、硬度分布不均勻硬度分布不均勻淬硬區(qū)淬硬區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)基材基材n影響淬硬層性能的主要因素：影響淬硬層性能的主要因素： (1)材料成分材料成分 淬硬性和淬透性淬硬性和淬透性 (2)激光工藝參數(shù)激光工藝參數(shù) 激光功率、光斑直徑、掃描速度激光功率、光斑直徑、掃描速度 淬火層寬度：光斑直徑淬火層寬度：光斑直徑D 淬硬層深度淬硬層深度H： HP/(Dv) P/(Dv)_比能量（比能量（J/cm2） (3)表面預處理狀態(tài)表面預處理狀態(tài) 表面組織準

10、備：較細的表面組織表面組織準備：較細的表面組織 (淬火態(tài)最優(yōu)，細淬火態(tài)最優(yōu)，細片狀珠光體、回火馬片狀珠光體、回火馬氏體或奧氏體次之，球狀珠光體較差。氏體或奧氏體次之，球狀珠光體較差。) 表面表面“黑化黑化”處理：磷化法、氧化法、噴刷涂料法處理：磷化法、氧化法、噴刷涂料法 圖片圖片P激光功率，激光功率，v掃描速度掃描速度n特點：特點： (1)優(yōu)點優(yōu)點 淬火硬度高淬火硬度高，能量密度高，加熱速度快，不需要淬火介質(zhì)，工件變形小，能量密度高，加熱速度快，不需要淬火介質(zhì)，工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡易于控制加熱層深度和加熱軌跡易于控制(淬火部位可控淬火部位可控)，無氧化、無污染，易于實，無氧化、無污

11、染，易于實現(xiàn)自動化?，F(xiàn)自動化。 (2)缺點缺點 硬度分布不均勻，硬度分布不均勻，單道激光淬火區(qū)域小，大面積淬火時容易產(chǎn)生回火軟帶。單道激光淬火區(qū)域小，大面積淬火時容易產(chǎn)生回火軟帶。設(shè)備成本高、生產(chǎn)成本較高（設(shè)備成本高、生產(chǎn)成本較高（能量轉(zhuǎn)換效率低能量轉(zhuǎn)換效率低）。）。淬硬區(qū)淬硬區(qū)二、激光表面熔凝技術(shù)原理二、激光表面熔凝技術(shù)原理n定義：定義： 采用激光束將基材表面加熱到采用激光束將基材表面加熱到熔化熔化溫度以上，當激光束移開后由于基材溫度以上，當激光束移開后由于基材內(nèi)部導熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻并內(nèi)部導熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻并凝固凝固結(jié)晶的表面處理工藝。結(jié)晶的表面處理工藝。 (液相淬火

12、法液相淬火法)n關(guān)鍵：關(guān)鍵： 使材料表面經(jīng)歷了一個使材料表面經(jīng)歷了一個快速快速熔化一凝固過程熔化一凝固過程n組織：組織： 熔凝層熔凝層(鑄態(tài)組織鑄態(tài)組織) 相變硬化層相變硬化層 熱影響區(qū)熱影響區(qū) 基材基材n性能特點性能特點(與激光淬火層相比與激光淬火層相比 )： 總總硬化層深度更深，硬度更高、耐磨性更好硬化層深度更深，硬度更高、耐磨性更好n缺點缺點： 表面粗糙度較大，后續(xù)加工量大表面粗糙度較大，后續(xù)加工量大且加工難度高且加工難度高。 激光熔凝處理特別適合于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的表面強化。激光熔凝處理特別適合于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的表面強化。n對于一些對于一些特定成分特定成分的材料來說，激光熔凝處理

13、可以得到非晶態(tài)層，的材料來說，激光熔凝處理可以得到非晶態(tài)層，使基材表面的耐磨性、耐蝕性大幅度提高。使基材表面的耐磨性、耐蝕性大幅度提高。 (激光上釉激光上釉) n激光熔凝技術(shù)還可以用來細化金屬材料的表面組織。激光熔凝技術(shù)還可以用來細化金屬材料的表面組織。三、激光沖擊淬火技術(shù)三、激光沖擊淬火技術(shù)n定義：定義： 采用功率密度采用功率密度極高極高的激光束的激光束(107W/cm2以上以上)在極短時間內(nèi)在極短時間內(nèi)(低于低于1ms)作用作用于金屬表面，使金屬表面發(fā)生局部劇烈于金屬表面，使金屬表面發(fā)生局部劇烈蒸發(fā)蒸發(fā)，產(chǎn)生高達，產(chǎn)生高達105atm的壓力，該壓的壓力，該壓力使金屬表面發(fā)生強烈的塑性變形，

14、形成高密度的位錯、孿晶，使材料表面力使金屬表面發(fā)生強烈的塑性變形，形成高密度的位錯、孿晶，使材料表面強度與硬度強度與硬度顯著提高顯著提高。n特點：特點： (優(yōu)點優(yōu)點)適合那些無法通過相變硬化進行表面強化的材料等。適合那些無法通過相變硬化進行表面強化的材料等。 (缺點缺點)所需要的能量密度過高，加工成本太高。所需要的能量密度過高，加工成本太高。四、激光淬火技術(shù)的工業(yè)應用四、激光淬火技術(shù)的工業(yè)應用主要應用于局部表面強化主要應用于局部表面強化。五、電子束淬火技術(shù)五、電子束淬火技術(shù)n定義：定義： 采用高能量密度電子束對材料表面進行相采用高能量密度電子束對材料表面進行相變硬化的熱處理工藝。變硬化的熱處理

15、工藝。 (其淬火原理與激光淬火的類似其淬火原理與激光淬火的類似)n特點：特點： 工件對電子束的吸收率高工件對電子束的吸收率高 淬硬層深度更高，無氧化、無污染淬硬層深度更高，無氧化、無污染 必須在真空環(huán)境下進行必須在真空環(huán)境下進行n電子束淬火技術(shù)逐步被激光淬火技術(shù)所電子束淬火技術(shù)逐步被激光淬火技術(shù)所取代，工業(yè)應用較少。取代，工業(yè)應用較少。電子束與激光束的特點比較：電子束與激光束的特點比較：4.5 電阻加熱表面淬火技術(shù)電阻加熱表面淬火技術(shù)n定義：定義： 在工件中通以在工件中通以低壓大電流低壓大電流，利用工件表面或緊靠工件表面的周圍介質(zhì)中形，利用工件表面或緊靠工件表面的周圍介質(zhì)中形成成高電阻高電阻而

16、產(chǎn)生的熱效應將工件表面快速加熱到相變溫度以上并淬火的工藝而產(chǎn)生的熱效應將工件表面快速加熱到相變溫度以上并淬火的工藝方法。方法。n種類：種類： 電接觸加熱法：電接觸加熱法：工業(yè)電經(jīng)變壓器降壓后加在工業(yè)電經(jīng)變壓器降壓后加在滾輪滾輪電極（紫銅）兩端，電流經(jīng)過壓電極（紫銅）兩端，電流經(jīng)過壓緊在工件表面的滾輪與工件形成回路，實現(xiàn)快速加熱，滾輪移去后即實現(xiàn)自激冷淬火。緊在工件表面的滾輪與工件形成回路，實現(xiàn)快速加熱，滾輪移去后即實現(xiàn)自激冷淬火。 電解液加熱法：電解液加熱法：將工件放入含有電解質(zhì)的電解槽中，在槽與工件之間通上直流電，將工件放入含有電解質(zhì)的電解槽中，在槽與工件之間通上直流電，電解液電離后在陽極上

17、析出氧氣，在電解液電離后在陽極上析出氧氣，在工件工件(陰極陰極)上析出氫氣，包圍住工件的氫氣膜電上析出氫氣，包圍住工件的氫氣膜電阻很高，當電流密度足夠高時，將使表面溫度急劇升高到相變溫度以上，斷電后就在阻很高，當電流密度足夠高時，將使表面溫度急劇升高到相變溫度以上，斷電后就在電解液中實現(xiàn)自行淬火。電解液中實現(xiàn)自行淬火。均為自淬火均為自淬火n特點：特點： (優(yōu)點優(yōu)點)工藝簡單，設(shè)備費用低，工藝簡單，設(shè)備費用低，工件變形小工件變形小。 (缺點缺點)淬硬層薄，對形狀復雜（淬硬層薄，對形狀復雜（電阻接觸加熱法電阻接觸加熱法）、尺寸很大（）、尺寸很大（電解液加電解液加熱法）熱法）的工件不適用。的工件不適

18、用。電解液加熱表面淬火原理圖電解液加熱表面淬火原理圖電接觸加熱表面淬火原理圖電接觸加熱表面淬火原理圖4.6 幾種典型表面淬火工藝的特點比較幾種典型表面淬火工藝的特點比較感應加熱淬火一直是應用最為廣泛的表面淬火工藝。感應加熱淬火一直是應用最為廣泛的表面淬火工藝。激光淬火應用越來越多。激光淬火應用越來越多。4.7 表面形變強化技術(shù)表面形變強化技術(shù)一、受控噴丸強化技術(shù)一、受控噴丸強化技術(shù)1受控噴丸技術(shù)原理受控噴丸技術(shù)原理n受控噴丸技術(shù)（定義）：受控噴丸技術(shù)（定義）： 利用高速噴射的細小彈丸在利用高速噴射的細小彈丸在室溫室溫下撞擊受噴工件的表面，使表層材料在下撞擊受噴工件的表面，使表層材料在再再結(jié)晶溫

19、度結(jié)晶溫度之下之下產(chǎn)生彈、塑性變形，并呈現(xiàn)較大的殘余產(chǎn)生彈、塑性變形，并呈現(xiàn)較大的殘余壓應力壓應力，從而提高工件，從而提高工件表面強度、表面強度、疲勞強疲勞強度度和和抗應力腐蝕抗應力腐蝕能力的表面工程技術(shù)。能力的表面工程技術(shù)。 (噴丸噴丸強化強化技術(shù)技術(shù))n基本原理：基本原理： 工件表面吸收高速運動彈丸的動能后產(chǎn)生塑性流變和加工硬化（工件表面吸收高速運動彈丸的動能后產(chǎn)生塑性流變和加工硬化（位錯與孿位錯與孿晶晶），同時使工件表面保留殘余），同時使工件表面保留殘余壓壓應力。應力。n工藝工藝(設(shè)備設(shè)備)種類：種類： 葉輪式（葉輪式（拋丸式拋丸式） 壓縮空氣式壓縮空氣式(干噴式和濕噴式干噴式和濕噴式)

20、 n彈丸種類：彈丸種類： 鑄鐵丸、鑄鋼丸、不銹鋼丸、鑄鐵丸、鑄鋼丸、不銹鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸等。鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸等。曲曲軸軸噴噴丸丸強強化化機機曲曲軸軸噴噴丸丸強強化化機機曲曲 軸軸 噴噴 丸丸 強強 化化 機機（拋（拋 丸丸 處處 理）理）噴砂與噴丸：噴砂與噴丸：n目的：目的：n處理后的表面形貌：處理后的表面形貌：n形變層深：形變層深：n噴料動能來源：噴料動能來源：n噴料種類及尺寸：噴料種類及尺寸：n自動化程度：自動化程度：2受控噴丸對材料表面形貌受控噴丸對材料表面形貌 與性能的影響與性能的影響 (1)對材料表面硬度的影響對材料表面硬度的影響 表面硬度可大幅度提高。表面硬度可大幅度提高。 (2)對表面粗糙度的影響對表面粗糙度的影響 表面粗糙度對其疲勞壽命影響很大，降低表面粗糙度可以增加零件的疲勞強度。表面粗糙度對其疲勞壽命影響很大，降低表面粗糙度可以增加零件的疲勞強度。 受控噴丸以后的表面痕跡沒有方向性，有利于增加零件的疲勞強度。受控噴丸以后的表面痕跡沒有方向性，有利于增加零件的疲勞強度。 (3)對疲勞壽命與抗應力腐蝕能力的影響對疲勞壽命與抗應力腐蝕能力的影響 可大幅度提高疲勞壽命和抗應力腐蝕能力。