表面工程學(xué)-第四章

1、第四章 表面淬火和表面形變強化技術(shù) 在表面工程技術(shù)中，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)變來進行表面改性的工藝主要有兩類： 一、表面淬火與退火技術(shù) 二、表面形變強化技術(shù) 特點：特點：工藝簡單工藝簡單、效果顯著效果顯著、應(yīng)用廣泛應(yīng)用廣泛 （一）原理： 定義： 采用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到Ac3（對亞共析鋼）或者Ac1（對過共析鋼）之上，然后使其快速冷卻并發(fā)生馬氏體相變，形成表面強化層的工藝過程。 注意：凡是能通過整體淬火強化的金屬材料，原則上都可以進行表面淬火。 適用對象： 中碳鋼、球墨鑄鐵（C含量：0.35%1.20%） 一一 表面淬火技術(shù)表面淬火技術(shù) （二）技術(shù)特點：

2、一般而言，表面淬火時加熱速度和冷卻速度很快，使得它與普通淬火技術(shù)在相變過程及特征上有較大區(qū)別。具體表現(xiàn)有： 1、材料經(jīng)表面淬火后的硬度值比普通淬火后的要高 2、表面淬火處理之前常需要進行預(yù)先熱處理（調(diào)質(zhì)、正火、球化退火處理）（三）表面淬火層的組織與性能 ： 1. 表面淬火層的組織： 工件表面淬火以后的金相組織與加熱 溫度沿試樣橫截面有關(guān)，一般可分為淬硬 區(qū)、過渡區(qū)及心部組織三部分。如圖所示： 此外，表面淬火后的組織及其分布還 與鋼的成分、淬火工藝及其參數(shù)、工件尺 寸等因素有關(guān)。2. 表面淬火層的性能： 在正常情況下，表面淬火層的硬度一般比普通淬火工藝的高25HRC,淬火后工件的耐磨性也比普通淬

3、火要好。 此外，表面淬火還可以在零件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，抑制裂紋的萌生與擴展過程，因而能大幅提高軸類零件的疲勞強度并使其缺口敏感性下降。 （四）分類：感應(yīng)加熱淬火火焰淬火激光淬火電子束淬火電阻加熱淬火第一節(jié) 感應(yīng)加熱淬火技術(shù)一、感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的基本原理： u基本過程： 將工件放在有足夠功率輸出的感應(yīng)線圈中， 在高頻交流磁場的作用下，產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流，并由于集膚效應(yīng)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溫度Ac3或Accm之上，然后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使工件表面獲得馬氏體。如右圖所示：u基本原理： 吸收功率P 式中：R0 為工件圓柱的半徑（mm），I 為感應(yīng)器 中的電流（A） 為

4、被加熱材料的電阻率（m） 為磁導(dǎo)率（H/m）, 為使用的電流頻率（Hz） 注： 稱為吸收因子 電流導(dǎo)入深度fIRp212031025. 1f41003. 5ff21二、工藝流程：三 、技術(shù)特點： 感應(yīng)加熱淬火技術(shù)是應(yīng)用最廣泛最廣泛 的表面淬火技術(shù) 特點： (優(yōu)點)可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強度。 (缺點)1、設(shè)備成本較高； 2、尖角效應(yīng)：感應(yīng)加熱時，容易使零件的尖角棱邊處過熱； 3、一般只適合形狀簡單的零件。 改進：高頻感應(yīng)沖擊淬火高頻感應(yīng)沖擊淬火第二節(jié) 火焰加熱表面淬火技術(shù)一、基本原理： 將高溫火焰或燃燒著的熾熱氣體噴向工件表面，使其迅速加熱到淬火溫度，然后在一定淬火介質(zhì)中冷卻。

5、二、技術(shù)特點： 火焰加熱表面淬火技術(shù)是應(yīng)用歷史最長應(yīng)用歷史最長的表面淬火技術(shù)之一 (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)表面淬火。 (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。三、適用范圍： 主要用于單件、小批量生產(chǎn)及大型齒輪、軸、軋輥、導(dǎo)軌等四、組織特征：過渡區(qū)較寬第三節(jié) 激光淬火與電子束淬火技術(shù)一、激光淬火技術(shù)的原理及應(yīng)用：v 定義：（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，使其溫度迅速升高到相變點以上，當(dāng)激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)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) 注：依據(jù)激光

6、器的特點不同，激光淬火可分為CO2激光淬火激光淬火和YAG激光淬火激光淬火v 技術(shù)特點： （優(yōu)點） 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，加熱層深度和加熱軌跡易于控制(淬火部位可控)，無氧化、無污染，易于實現(xiàn)自動化。 （缺點） 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。v 組織與性能特征： 組織：激光淬硬區(qū)、過渡區(qū)、心部組織(基材) 特征：單道硬化區(qū)域小、硬度大幅度提高、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v 影響淬硬層性能的主要因素：(1)材料成分 通過影響材料的淬硬性和淬透性影響 激光淬硬層深度與硬度（示例如右圖所示）(2)激光

7、工藝參數(shù) 淬火層寬度： 光斑直徑D 淬硬層深度： HP/(Dv) （P激光功率 v掃描速度） 注：P/(Dv)稱為比能量比能量，物理意義為單位面積激光作用區(qū)注入的激光能量(3)表面預(yù)處理狀態(tài)表面組織準備： 通過調(diào)制處理等手段，獲得較 細的材料表面組織(細片狀珠光體、 回火馬氏體或奧氏體)表面“黑化”處理： 磷化法、氧化法、噴刷涂料法、 鍍膜法二、激光表面熔凝技術(shù)原理 定義： 采用激光束將基材表面加熱到熔化溫度以上，當(dāng)激光束移開后由于基材 內(nèi)部導(dǎo)熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻并凝固結(jié)晶的表面處理工藝。(液相淬 火法) 關(guān)鍵：使材料表面經(jīng)歷了一個快速熔化-凝固 過程 組織：（如右圖所示） 熔凝層(鑄

8、態(tài)組織) 相變硬化層 熱影響區(qū) 基材示例：激光熔凝處理后，T10鋼表面顯 微硬度沿深度方向的分布 性能特點(與激光淬火層相比 )： （優(yōu)點）總硬化層深度更深，硬度更高、耐磨性更好 （缺點）表面粗糙度較大，后續(xù)加工量大且加工難度高。 應(yīng)用范圍： 1.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。 2.對于一些特定成分的材料來說，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。 (激光上釉) 3.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)定義： 采用功率密度極高的激光束(107W/cm2以上)在極短時間內(nèi)(低于1ms)作用于金屬表面，使金屬表面發(fā)

9、生局部劇烈蒸發(fā)，產(chǎn)生高達105大氣壓的壓力，該壓力使金屬表面發(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顯著提高。特點： (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；(鋁合金) (缺點) 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(yīng)用 主要應(yīng)用于局部表面強化五、電子束淬火技術(shù)1.定義： 采用高能密度電子束對材料表面進行相變硬化的熱處理工藝2.特點： 與激光淬火類似，淬硬層深度更高，無氧化、無污染 （注：必須在真空環(huán)境下進行必須在真空環(huán)境下進行）3.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(yīng)用較少。第四節(jié) 電阻加熱表面淬火技術(shù)定義： 在工件中通

10、以低壓大電流，利用工件表面或緊靠工件表面的周圍介質(zhì)中形成高電阻而產(chǎn)生的熱效應(yīng)將工件表面快速加熱到相變溫度以上并淬火的工藝方法。種類： 電接觸加熱法 電解液加熱法特點： (優(yōu)點) 工藝簡單，設(shè)備費用低，工件變形小。 (缺點) 淬硬層薄，對形狀復(fù)雜、尺寸很大的工件不適用。 均為自淬火均為自淬火第五節(jié) 幾種典型表面淬火工藝的特點比較 感應(yīng)加熱淬火一直是應(yīng)用最為廣泛最為廣泛 的表面淬火工藝，而且激光淬火應(yīng)用越來越多。二 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)1受控噴丸技術(shù)原理定義： 是利用高速噴射的細小彈丸在 室溫下撞擊受噴工件的表面，使表 層材料在再結(jié)晶溫度之下 產(chǎn)生彈、塑性變形，并

11、呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，從而提高工件表面強度、疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕能力的表面工程技術(shù)。(噴丸強化技術(shù))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，同時使工件表面保留殘余壓應(yīng)力。工藝(設(shè)備)種類： 1.葉輪式（常在形狀簡單、批量較大的零件生產(chǎn)中使用） 2.壓縮空氣式（適合于表面形狀復(fù)雜和批量較小的生產(chǎn)條件） (干噴式和濕噴式)彈丸種類： 鑄鐵丸、鑄鋼丸、不銹鋼丸、鋼絲切割丸、 玻璃丸和陶瓷丸等。2受控噴丸對材料表面形貌與性能的影響(1)對材料表面硬度的影響： 表面硬度可大幅度提高，且硬化層深度最高 可達0.8mm (2)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。 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(yīng)力腐蝕能力的影響： 可大幅度提高疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕能力。3受控噴丸技術(shù)的典型應(yīng)用 主要應(yīng)用于那些需要改善疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕能力零件上（二） 表面滾壓