表面改性技術(shù)課件

第八章表面改性技術(shù)表面改性定義：

采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材料的組織結(jié)構(gòu)、性能不同的一種技術(shù)。材料經(jīng)表面改性處理后，既能發(fā)揮基體材料的力學(xué)性能，又能使材料表面獲得各種特殊性能。1主要內(nèi)容金屬表面形變強(qiáng)化表面熱處理金屬表面化學(xué)熱處理離子束表面擴(kuò)滲處理高能束表面處理離子注入表面改性28.1金屬表面形變強(qiáng)化一、表面形變強(qiáng)化原理原理：通過機(jī)械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達(dá)0.5mm~1.5mm。形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化：（1）在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變度增大。（2）形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。作用：提高了金屬表面強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度32、噴丸

利用高速彈丸強(qiáng)烈沖擊零部件表面，使之產(chǎn)生形變硬化層并引進(jìn)殘余壓應(yīng)力。廣泛應(yīng)用在彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件，可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動(dòng)磨損、耐點(diǎn)蝕能力。5（二）噴丸表面形變強(qiáng)化工藝及應(yīng)用2、噴丸強(qiáng)化用的設(shè)備按驅(qū)動(dòng)彈丸的方式可分為機(jī)械離心式彈丸機(jī)和氣動(dòng)式彈丸機(jī)兩大類。1、噴丸材料鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液體噴丸介質(zhì)黑色金屬制件可以用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸有色金屬和不銹鋼件需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。模具表面處理常用二氧化硅液態(tài)噴丸（1）機(jī)械離心式噴丸機(jī)功率小，生產(chǎn)效率高，噴丸質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備制造成本高。適用于要求噴丸強(qiáng)度高、品種少批量大、形狀簡單尺寸較大的零部件。（2）氣動(dòng)式噴丸機(jī)適用于噴丸強(qiáng)度低、品種多、批量少、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件。63、噴丸表面質(zhì)量及影響因素（1）噴丸表層的塑性變形和組織變化金屬表面經(jīng)噴丸后，表面產(chǎn)生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯(cuò)密度大大增加，而且還會(huì)出現(xiàn)亞晶界和晶粒細(xì)化現(xiàn)象。噴丸后的零件如果受到交變載荷或溫度的影響，表層組織結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變化，由噴丸引起的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變。如：滲碳鋼表層存在大量殘余奧氏體。噴丸后，這些殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體而提高零件的疲勞強(qiáng)度。78.2表面熱處理定義對(duì)零部件表面進(jìn)行加熱、冷卻、改變表層組織和性能，不改變其表層成分的熱處理工藝。也稱作表面淬火技術(shù)。9表面淬火的原理

零件表面材料快速加熱到相變臨界點(diǎn)(AC3（亞共析鋼）或者AC1（過共析鋼）)以上而轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的奧氏體組織，心部材料仍保持在相變臨界點(diǎn)以下，保持原有組織。其后用快速冷卻，達(dá)到淬火目的，獲得微細(xì)的馬氏體組織，提高零件的表面硬度和耐磨性，零件心部未發(fā)生相變。10表面淬火工藝主要有：

感應(yīng)加熱表面淬火、脈沖表面淬火、火焰加熱表面淬火、接觸電阻加熱表面淬火、浴爐加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火及表面保護(hù)加熱處理等。11表1傳統(tǒng)表面處理技術(shù)13一、傳統(tǒng)表面熱處理技術(shù)感應(yīng)加熱表面淬火

1.感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)

2.感應(yīng)加熱表面淬火原理

3.感應(yīng)加熱表面淬火設(shè)備

4.感應(yīng)加熱表面淬火工藝

5.感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用火焰加熱表面淬火141.感應(yīng)加熱表面淬火特點(diǎn)

①

感應(yīng)加熱時(shí)，由于電磁感應(yīng)和集膚效應(yīng)，工件表面在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到Ac3以上很高的溫度，而工件心部仍處于相變點(diǎn)之下。中碳鋼高頻淬火后，工件表面得到馬氏體組織，往里是馬氏體加鐵素體加屈氏體組織，心部為鐵素體加珠光體或回火索氏體原始組織。

②

升溫速度快，保溫時(shí)間極短。和一般淬火相比，淬火加熱溫度高，過熱度大，奧氏體形核多，又不易長大，因此淬火后表面得到細(xì)小的隱晶馬氏體，故感應(yīng)加熱表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高2～3HRC。感應(yīng)加熱表面淬火152.感應(yīng)加熱表面淬火原理圖感應(yīng)加熱表面淬火原理圖17當(dāng)感應(yīng)圈中通過一定頻率交流電時(shí)，在其內(nèi)外將產(chǎn)生與電流變化頻率相同的交變磁場(chǎng)。將工件放入感應(yīng)圈內(nèi)，在交變磁場(chǎng)作用下，工件內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生與感應(yīng)圈頻率相同而方向相反的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流沿工件表面形成封閉回路，通常稱之為渦流。此渦流能將電能變成熱能，使工件加熱。渦流在被加熱工件中的分布由表面至心部呈指數(shù)規(guī)律衰減。因此渦流主要分布在工件表面，工件內(nèi)部幾乎沒有電流通過。這種現(xiàn)象叫做表面效應(yīng)或集膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱就是利用集膚效應(yīng)，依靠電流熱效應(yīng)把工件表面迅速加熱到淬火溫度的。當(dāng)工件表面在感應(yīng)圈內(nèi)加熱到相變溫度時(shí)，立即噴水或浸水冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火工藝。18圖感應(yīng)加熱表面淬火裝置示意圖193.感應(yīng)加熱溫度和方式的選擇淬火加熱溫度：一般高頻加熱淬火溫度可比普通加熱淬火溫度高30-200℃。加熱速度較快的，采用較高的溫度。淬火前的原始組織也不同，也可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整淬火加熱溫度。調(diào)質(zhì)處理的組織比正火的均勻，可采用較低的溫度。感應(yīng)加熱方式：一種稱同時(shí)加熱法，即對(duì)工件需淬火表面同時(shí)加熱，一般在設(shè)備功率足夠、生產(chǎn)批量比較大的情況下采用；另一種稱連續(xù)加熱法，即對(duì)工件需淬火部位中的一部分同時(shí)就愛熱，通過感應(yīng)器與工件之間的相對(duì)位移速度來實(shí)現(xiàn)。214.冷卻方式和冷卻介質(zhì)的選擇最常用的冷卻方式是噴射冷卻法和漫液冷卻法

噴射冷卻法即當(dāng)感應(yīng)加熱終了時(shí)把工件置于噴射器之中，向工件噴射淬火介質(zhì)進(jìn)行淬火冷卻。其冷卻速度可以通過調(diào)節(jié)液體壓力、溫度及噴射時(shí)間來控制。

漫液淬火法即當(dāng)工件加熱終了時(shí)，浸入淬火介質(zhì)中進(jìn)行冷卻。對(duì)細(xì)、薄工件或合金鋼齒輪，為減少變形、開裂、可將感應(yīng)器與工件同時(shí)放入油槽中加熱，斷電后冷卻，也稱為埋油淬火法。225.回火工藝感應(yīng)加熱淬火后一般只進(jìn)行低溫回火。其目的是為了降低殘余應(yīng)力和脆性，而又不致降低硬度。一般采用酶回火方式有爐中回火、自回火和感應(yīng)加熱回火。23①高頻感應(yīng)加熱電流頻率范圍250～300kHz，淬硬層深度為0.5～2.0mm，適用于中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類零件。②中頻感應(yīng)加熱電流頻率范圍2500～8000Hz，淬硬層深度2～10mm，適用于較大的軸和大中模數(shù)齒輪。③工頻感應(yīng)加熱電流頻率50Hz，淬硬層深度可達(dá)10～15mm，適用于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件如軋輥、火車車輪的表面淬火。6.感應(yīng)加熱表面淬火設(shè)備25圖感應(yīng)加熱淬火設(shè)備268.感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用①齒輪的表面淬火圖大型齒輪表面淬火298.感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用②軸類的表面淬火圖凸輪軸表面淬火308.感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用③機(jī)床導(dǎo)軌表面淬火圖機(jī)床導(dǎo)軌表面淬火31火焰加熱表面淬火定義：利用氧－乙炔或其他可燃?xì)怏w對(duì)零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。特點(diǎn)：與感應(yīng)加熱表面淬火相比，具有設(shè)備簡單，操作靈活，適用鋼種廣泛。一般無氧化和脫碳、畸變小等優(yōu)點(diǎn)。常用于大尺寸和重量大的工件，尤其適用于批量少品種多的零件或局部區(qū)域的表面淬火，如大型齒輪、軸、導(dǎo)軌等。但加熱溫度不易控制，噪音大，勞動(dòng)條件差，混合氣體不夠安全，不易獲得薄的表面淬火層。參數(shù)：加熱面積、工件移動(dòng)速度、加熱溫度時(shí)間32常用材料：從機(jī)械制造的范圍來分有45、55、40Cr、40CrV、42CrMo、42SiMn、50Mn、5CrMnMo等。另外近年來我國研制成功專用的火焰加熱空冷淬硬冷作模具鋼7CrSiMnMoV。33圖火焰加熱表面淬火示意圖34火焰表面淬火應(yīng)用實(shí)例

火焰表面淬火工藝可以在模具淬硬之前完成全部的裝配工作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因?yàn)槌锌诓课槐砻娲阌惨酝?，其余部位并未淬硬，仍可進(jìn)行鉆孔等加工。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于像汽車覆蓋件一類的大型模具的制造是非常有利的，既節(jié)省了工時(shí)，又保證了模具的精度。近年來，7CrSiMnMoV專用火焰淬火模具鋼的研制成功，使火焰表面淬火工藝在汽車覆蓋件的制造中占據(jù)了主導(dǎo)地位。3536二、幾種新型表面熱處理技術(shù)1.高頻脈沖感應(yīng)加熱表面淬火用高頻脈沖感應(yīng)加熱進(jìn)行淬火，使用20~30MHz的高頻脈沖，通過感應(yīng)圈在毫秒級(jí)極短時(shí)間內(nèi)使工件表面急速加熱到淬火溫度，然后自冷，這種方法也叫高頻感應(yīng)沖擊淬火。371.高頻脈沖感應(yīng)加熱表面淬火參數(shù)普通高頻淬火沖擊淬火頻率200kHz27.12MHz功率密度2*106W/m2（1~3）*108W/m2實(shí)用最短淬火時(shí)間0.1~5s1~100ms最低淬火深度0.5mm0.1mm可淬火面積如連續(xù)移動(dòng)，無限制以每次沖擊淬火帶最大寬度3mm計(jì)，為10~100mm2感應(yīng)器的感應(yīng)系數(shù)2~3μH常用范圍10~100nH感應(yīng)器的冷卻方式水冷感應(yīng)器截面積約5mm2的細(xì)線或薄板感應(yīng)器每次沖擊用壓縮空氣冷卻時(shí)，無須用其他方法冷卻淬火方式噴水自冷，無須冷卻劑組織普通馬氏體極其微細(xì)的針狀馬氏體變形量變形量較小變形量極微，難以測(cè)出表高頻脈沖感應(yīng)加熱淬火與普通高頻感應(yīng)加熱淬火的比較382.高頻電阻感應(yīng)加熱表面淬火用高頻電