第七章表面改性技術

1、第七章第七章 表面改性技術表面改性技術采用某種工藝手段使材料表面獲得與其基采用某種工藝手段使材料表面獲得與其基體材料的組織結構、性能不同的一種技術。體材料的組織結構、性能不同的一種技術。第一節(jié)第一節(jié) 金屬表面形變強化金屬表面形變強化表面形變強化是提高金屬材料疲勞強度的重要工藝措施之一表面形變強化是提高金屬材料疲勞強度的重要工藝措施之一 一、表面形變強化原理一、表面形變強化原理 基本原理是通過機械手段（滾壓、內擠壓和基本原理是通過機械手段（滾壓、內擠壓和噴丸等）在金屬表面產生壓縮變形，使表面形噴丸等）在金屬表面產生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達成形變硬化層，此形變硬化層的

2、深度可達0.5mm1.5mm。 在形變硬化層中產生兩種變化：在形變硬化層中產生兩種變化： 一是在組織結構上，亞晶粒極大地細化，一是在組織結構上，亞晶粒極大地細化，位錯密度增加，晶格畸變度增大；位錯密度增加，晶格畸變度增大； 二是形成了高的宏觀殘余壓應力。二是形成了高的宏觀殘余壓應力。 奧赫弗爾特理論奧赫弗爾特理論 奧赫弗爾特認為，噴丸的殘余應力的產奧赫弗爾特認為，噴丸的殘余應力的產生取決于兩個方面的機制：生取決于兩個方面的機制： 一方面由于大量彈丸壓人產生的切應力一方面由于大量彈丸壓人產生的切應力造成了表面塑性延伸；造成了表面塑性延伸； 另一方面，由于彈丸的沖擊產生的表面另一方面，由于彈丸的沖

3、擊產生的表面法向力引起了赫芝壓應力與亞表面應力法向力引起了赫芝壓應力與亞表面應力的結合。的結合。 在大多數(shù)材料中這兩種機制并存。在大多數(shù)材料中這兩種機制并存。 噴丸產生的殘余壓應力噴丸產生的殘余壓應力 經噴丸和滾壓經噴丸和滾壓后，金屬表面產生后，金屬表面產生的殘余壓應力的大的殘余壓應力的大小，不但與強化方小，不但與強化方法、工藝參數(shù)有關，法、工藝參數(shù)有關，還與材料的晶體類還與材料的晶體類型、強度水平以及型、強度水平以及材料在單調拉伸時材料在單調拉伸時的硬化率有關。的硬化率有關。 殘余壓應力殘余壓應力 具有高硬化率的面心立方晶體的鎳基或具有高硬化率的面心立方晶體的鎳基或鐵基奧氏體熱強合金，表面產

4、生的壓應鐵基奧氏體熱強合金，表面產生的壓應力高，可達材料自身屈服點的力高，可達材料自身屈服點的24倍。倍。 材料的硬化率越高，產生的殘余壓應力材料的硬化率越高，產生的殘余壓應力越大。越大。 一、表面強化方法一、表面強化方法有效地提高了金屬表面強度、耐應力腐蝕性能和疲勞強度。有效地提高了金屬表面強度、耐應力腐蝕性能和疲勞強度。 表面強化方法還可消除切削加工留下的刀痕；表面強化方法還可消除切削加工留下的刀痕； 表面形變強化手段還可能使表面粗糙度略有增表面形變強化手段還可能使表面粗糙度略有增加，但卻使切削加工的尖銳刀痕圓滑，因此可減加，但卻使切削加工的尖銳刀痕圓滑，因此可減輕由切削加工留下的尖銳刀痕

5、的不利影響。輕由切削加工留下的尖銳刀痕的不利影響。 這種表面形貌和表層組織結構產生的變化，有效這種表面形貌和表層組織結構產生的變化，有效地提高了金屬表面強度、耐應力腐蝕性能和疲勞地提高了金屬表面強度、耐應力腐蝕性能和疲勞強度。強度。二、表面形變強化的主要方法及應用二、表面形變強化的主要方法及應用 （一）表面形變強化的（一）表面形變強化的主要方法主要方法 1滾壓滾壓 目前，滾壓強化用的滾目前，滾壓強化用的滾輪、滾壓力大小等尚無輪、滾壓力大小等尚無標準。標準。 對于圓角、溝槽等可通對于圓角、溝槽等可通過滾壓獲得表層形變強過滾壓獲得表層形變強化，并能在表面產生約化，并能在表面產生約5mm深的殘余壓應

6、力，深的殘余壓應力，其分布如圖所示。其分布如圖所示。 2內擠壓內擠壓 內孔擠壓是使孔的內表面獲得形變強化內孔擠壓是使孔的內表面獲得形變強化的工藝措施，效果明顯的工藝措施，效果明顯 3噴丸噴丸 利用高速彈丸強烈沖擊零部件表面，使之利用高速彈丸強烈沖擊零部件表面，使之產生形變硬化層并引進殘余壓應力。產生形變硬化層并引進殘余壓應力。 噴丸強化已廣泛用于彈簧、齒輪、鏈條、噴丸強化已廣泛用于彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件；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、抗可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應力腐蝕疲勞。抗微動磨損、耐點蝕（孔應力腐蝕疲勞?？刮幽p、耐點蝕（孔

7、蝕）能力。蝕）能力。 三、噴丸表面形變強化工藝及應用三、噴丸表面形變強化工藝及應用 1噴丸材料噴丸材料 （1）鑄鐵彈丸鑄鐵彈丸：冷硬鑄鐵彈丸是最早使：冷硬鑄鐵彈丸是最早使用的金屬彈丸。用的金屬彈丸。 鑄鐵彈丸易于破碎，損耗較大，要及時分離排除破碎鑄鐵彈丸易于破碎，損耗較大，要及時分離排除破碎彈丸，否則會影響零部件的噴丸強化質量。目前這種彈丸，否則會影響零部件的噴丸強化質量。目前這種彈丸已很少使用彈丸已很少使用。 （2）鑄鋼彈丸鑄鋼彈丸：鑄鋼彈丸的品質與碳含：鑄鋼彈丸的品質與碳含量有很大關系。量有很大關系。 （3）鋼絲切割彈丸）鋼絲切割彈丸 彈簧鋼絲（或不銹鋼絲）切制成段制成。彈簧鋼絲（或不銹鋼

8、絲）切制成段制成。 鋼彈丸的組織最好為回火馬氏體或貝氏體。使用壽命鋼彈丸的組織最好為回火馬氏體或貝氏體。使用壽命比鑄鐵彈丸高比鑄鐵彈丸高 20倍左右。倍左右。 （4）玻璃彈丸）玻璃彈丸 近十幾年發(fā)展起來的新型噴丸材料，近十幾年發(fā)展起來的新型噴丸材料，已在國防工業(yè)和飛機制造業(yè)中獲得廣泛應已在國防工業(yè)和飛機制造業(yè)中獲得廣泛應用。用。 脆性較大脆性較大 。（5）陶瓷彈丸）陶瓷彈丸 彈丸硬度很高，但脆性較大。噴丸后表層彈丸硬度很高，但脆性較大。噴丸后表層可獲得較高的殘余應力?？色@得較高的殘余應力。 （6）聚合塑料彈丸）聚合塑料彈丸 是一種新型的噴丸介質，以聚合碳酸酯是一種新型的噴丸介質，以聚合碳酸酯為

9、原料，顆粒硬而耐磨，無粉塵，不污為原料，顆粒硬而耐磨，無粉塵，不污染環(huán)境，可連續(xù)使用，成本低，而且即染環(huán)境，可連續(xù)使用，成本低，而且即使有棱邊的新丸也不會損傷工件表面。使有棱邊的新丸也不會損傷工件表面。 常用于消除酚醛或金屬零件毛刺和耀眼常用于消除酚醛或金屬零件毛刺和耀眼光澤。光澤。 （7）液態(tài)噴丸介質）液態(tài)噴丸介質 包括二氧化硅顆粒和氧化鋁顆粒等。包括二氧化硅顆粒和氧化鋁顆粒等。 噴丸時用水混合二氧化硅顆粒，利用壓噴丸時用水混合二氧化硅顆粒，利用壓縮空氣噴射?？s空氣噴射。 注意：強化用的彈丸與清理、成型、校形注意：強化用的彈丸與清理、成型、校形用的彈丸不同，必須是圓球形，不能有棱用的彈丸不同

10、，必須是圓球形，不能有棱角毛刺，否則會損傷零件表面。角毛刺，否則會損傷零件表面。 一般來說，黑色金屬制件可以用鑄鐵丸、一般來說，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。鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。 有色金屬如鋁合金、鎂合金、鈦合金和不有色金屬如鋁合金、鎂合金、鈦合金和不銹鋼制件則需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶銹鋼制件則需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。瓷丸。 2噴丸強化用的設備噴丸強化用的設備 噴丸采用的專用設備，按驅動彈丸的方式噴丸采用的專用設備，按驅動彈丸的方式可分為：可分為： 機械離心式噴丸機和氣動式噴丸機兩大類。機械離心式噴丸機和氣動式噴丸機兩大類。 噴丸機又有

11、干噴和濕噴之分。噴丸機又有干噴和濕噴之分。 于噴式工作條件差，濕噴式是將彈丸混合于噴式工作條件差，濕噴式是將彈丸混合在液態(tài)中成懸浮狀，然后噴丸，因此工作在液態(tài)中成懸浮狀，然后噴丸，因此工作條件有所改善。條件有所改善。 （1）機械離心式噴丸機）機械離心式噴丸機 機械離心式噴丸機又稱葉輪式噴丸機或拋丸機。機械離心式噴丸機又稱葉輪式噴丸機或拋丸機。 工作時，彈丸由高速旋轉的葉片和葉輪離心力加工作時，彈丸由高速旋轉的葉片和葉輪離心力加速拋出。速拋出。 彈丸離開葉輪的切向速度為彈丸離開葉輪的切向速度為45ms75ms。這種噴丸機功率小，生產效率高，噴丸質量穩(wěn)定，這種噴丸機功率小，生產效率高，噴丸質量穩(wěn)定

12、，但設備制造成本較高。但設備制造成本較高。 主要適用于要求噴丸強度高、品種少批量大、形主要適用于要求噴丸強度高、品種少批量大、形狀簡單尺寸較大的零部件。狀簡單尺寸較大的零部件。 （2）氣動式噴丸機）氣動式噴丸機 氣動式噴丸機以壓縮空氣驅動彈丸達到高速度后撞氣動式噴丸機以壓縮空氣驅動彈丸達到高速度后撞擊工件的受噴表面。擊工件的受噴表面。 這種噴丸機工作室內可以安置多個噴嘴，因其方位這種噴丸機工作室內可以安置多個噴嘴，因其方位調整方便，能最大限度地適應受噴零件的幾何形狀。調整方便，能最大限度地適應受噴零件的幾何形狀。 而且可通過調節(jié)壓縮空氣的壓力來控制噴丸強度，而且可通過調節(jié)壓縮空氣的壓力來控制噴

13、丸強度，操作靈活，一臺噴九機可噴多個零件。操作靈活，一臺噴九機可噴多個零件。 適用于要求噴丸強度低、品種多、批量少、形狀復適用于要求噴丸強度低、品種多、批量少、形狀復雜、尺寸較小的零部件。它的缺點是功耗大，生產雜、尺寸較小的零部件。它的缺點是功耗大，生產效率低。效率低。 氣動式噴丸機根據(jù)彈丸進人噴嘴的方式又氣動式噴丸機根據(jù)彈丸進人噴嘴的方式又可分為：可分為： 吸人式、重力式和直接加壓式三種。吸人式、重力式和直接加壓式三種。 吸入式噴丸機結構簡單，多使用密度較小吸入式噴丸機結構簡單，多使用密度較小的玻璃彈丸或小尺寸金屬彈丸，適用于工的玻璃彈丸或小尺寸金屬彈丸，適用于工件尺寸較小、數(shù)量較少、彈丸大

14、小經常變件尺寸較小、數(shù)量較少、彈丸大小經常變化的場合，如實驗室等?；膱龊?，如實驗室等。 重力式噴丸機結構比吸人式復雜，適用于重力式噴丸機結構比吸人式復雜，適用于密度和直徑較大的金屬彈丸。密度和直徑較大的金屬彈丸。 3噴丸強化工藝參數(shù)的確定噴丸強化工藝參數(shù)的確定 合適的噴丸強化工藝參數(shù)要通過：合適的噴丸強化工藝參數(shù)要通過： 噴丸強度試驗和表面覆蓋率試驗來確定。噴丸強度試驗和表面覆蓋率試驗來確定。 噴丸強度試驗噴丸強度試驗 弧高度弧高度弧高度與時間的關系弧高度與時間的關系 在對試片進行單在對試片進行單面噴丸時，初期的面噴丸時，初期的弧高度變化速率快，弧高度變化速率快，隨后變化趨緩，當隨后變化趨緩

15、，當表面的彈丸坑占據(jù)表面的彈丸坑占據(jù)整個表面（即全覆整個表面（即全覆蓋率）之后，弧高蓋率）之后，弧高度無明顯變化，這度無明顯變化，這時的弧高度達到了時的弧高度達到了飽和值。飽和值。 噴丸強度噴丸強度 當弧高度當弧高度f達到飽和值，試片表面達到全達到飽和值，試片表面達到全覆蓋率時，以此弧高度覆蓋率時，以此弧高度f定義為噴丸強度。定義為噴丸強度。 噴丸強度的表示方法是噴丸強度的表示方法是0.25C或或fc=0.25，字母或腳碼代表試片種類，數(shù)字表示弧字母或腳碼代表試片種類，數(shù)字表示弧高度值（單位為高度值（單位為mm）。）。 （2）表面覆蓋率試驗）表面覆蓋率試驗 噴丸強化后表面彈丸坑占有的面積與總噴

16、丸強化后表面彈丸坑占有的面積與總面積的比值稱為表面覆蓋率。面積的比值稱為表面覆蓋率。 一般認為，噴丸強化零件要求表面覆蓋一般認為，噴丸強化零件要求表面覆蓋率達到表面積的率達到表面積的100即全面覆蓋時，才即全面覆蓋時，才能有效地改善疲勞性能和抗應力腐蝕性能有效地改善疲勞性能和抗應力腐蝕性能。能。（3）選定噴丸強化工藝參數(shù)）選定噴丸強化工藝參數(shù) 金屬材料的疲勞強度和抗應力腐蝕性能金屬材料的疲勞強度和抗應力腐蝕性能并不隨噴丸強度的增加而直線提高，而并不隨噴丸強度的增加而直線提高，而是存在一個最佳噴丸強度，它由試驗確是存在一個最佳噴丸強度，它由試驗確定。定。 4噴丸表面質量及影響因素噴丸表面質量及影

17、響因素 (1) 噴丸表層的塑性變形和組織變化。噴丸表層的塑性變形和組織變化。 金屬的塑性變形來源于晶面滑移、孿生、金屬的塑性變形來源于晶面滑移、孿生、晶界滑動、擴散性蠕變等晶體運動，其晶界滑動、擴散性蠕變等晶體運動，其中晶面間滑移最重要。晶面間滑移是通中晶面間滑移最重要。晶面間滑移是通過晶體內位錯運動而實現(xiàn)的。過晶體內位錯運動而實現(xiàn)的。噴丸表層的組織變化噴丸表層的組織變化 金屬表面經噴丸后，表面產生大量凹坑形式的塑性金屬表面經噴丸后，表面產生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯密度大大增加。而且還會出現(xiàn)亞晶變形，表層位錯密度大大增加。而且還會出現(xiàn)亞晶界和晶粒細化現(xiàn)象。界和晶粒細化現(xiàn)象。 噴丸后的零

18、件如果受到交變載荷或溫度的影響，表噴丸后的零件如果受到交變載荷或溫度的影響，表層組織結構將產生變化，由噴丸引起的不穩(wěn)定結構層組織結構將產生變化，由噴丸引起的不穩(wěn)定結構向穩(wěn)定態(tài)轉變。向穩(wěn)定態(tài)轉變。例如，滲碳鋼表層存在大量殘余奧氏體，噴丸時，這些殘余奧氏體可能例如，滲碳鋼表層存在大量殘余奧氏體，噴丸時，這些殘余奧氏體可能轉變成馬氏體而提高零件的疲勞強度；轉變成馬氏體而提高零件的疲勞強度；奧氏體不銹鋼特別是鎳含量偏低的不銹鋼噴丸后，表層中部分奧氏體轉奧氏體不銹鋼特別是鎳含量偏低的不銹鋼噴丸后，表層中部分奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，從而形成有利于電化學反應的雙相組織，使不銹鋼的抗腐變?yōu)轳R氏體，從而形成有利于電

19、化學反應的雙相組織，使不銹鋼的抗腐蝕能力下降。蝕能力下降。（2）彈丸粒度對噴丸表面粗糙）彈丸粒度對噴丸表面粗糙度的影響度的影響 （3）彈丸硬度對噴丸表面形貌的影響）彈丸硬度對噴丸表面形貌的影響 （4）彈丸形狀對噴丸表面形貌的影響）彈丸形狀對噴丸表面形貌的影響 球形彈丸高速噴射工件表面后，將留下球形彈丸高速噴射工件表面后，將留下直徑小于彈丸直徑的半球形凹坑，被噴直徑小于彈丸直徑的半球形凹坑，被噴面的理想外形應是大量球坑的包絡面。面的理想外形應是大量球坑的包絡面。 這種表面形貌能消除前道工序殘留的痕這種表面形貌能消除前道工序殘留的痕跡，使外表美觀。同時，凹坑起儲油作跡，使外表美觀。同時，凹坑起儲油

20、作用，可以減少摩擦，提高耐磨性。用，可以減少摩擦，提高耐磨性。 （5）噴丸表層的殘余應力）噴丸表層的殘余應力 噴丸處理能改善零件表層的應力分布。噴丸處理能改善零件表層的應力分布。 噴丸后的殘余應力來源于表層不均勻的塑性噴丸后的殘余應力來源于表層不均勻的塑性變形和金屬的相變，其中以不均勻的塑性變變形和金屬的相變，其中以不均勻的塑性變形最重要。形最重要。 工件噴丸后，表層塑性變形量和由此導致的工件噴丸后，表層塑性變形量和由此導致的殘余應力與受噴材料的強度、硬度關系密切。殘余應力與受噴材料的強度、硬度關系密切。殘余壓應力殘余壓應力 材料強度高，表層最大殘余壓應力就相材料強度高，表層最大殘余壓應力就相

21、應增大。應增大。 但在相同噴丸條件下，強度和硬度高的但在相同噴丸條件下，強度和硬度高的材料，壓應力層深度較淺；硬度低的材材料，壓應力層深度較淺；硬度低的材料產生的壓應力層則較深。料產生的壓應力層則較深。 滲碳鋼經噴丸后的殘余壓應力滲碳鋼經噴丸后的殘余壓應力 常用的滲碳鋼經噴丸后，表層的殘留奧常用的滲碳鋼經噴丸后，表層的殘留奧氏體有相當大的一部分將轉變成馬氏體，氏體有相當大的一部分將轉變成馬氏體，因相變時體積膨脹而產生壓應力，從而因相變時體積膨脹而產生壓應力，從而使得表層殘余應力場向著更大的壓應力使得表層殘余應力場向著更大的壓應力方向變化。方向變化。 在相同噴丸壓力下：在相同噴丸壓力下： 大直徑

22、彈丸噴丸后的壓應力較低，壓應大直徑彈丸噴丸后的壓應力較低，壓應力層較深；力層較深； 小直徑彈丸噴丸后表面壓應力較高，壓小直徑彈丸噴丸后表面壓應力較高，壓應力層較淺，且壓應力值隨深度下降很應力層較淺，且壓應力值隨深度下降很快?？?。 對于表面有凹坑、凸臺。劃痕等缺陷或對于表面有凹坑、凸臺。劃痕等缺陷或表面脫碳的工件，通常選用較大的彈丸，表面脫碳的工件，通常選用較大的彈丸，以獲得較深的壓應力層，使表面缺陷造以獲得較深的壓應力層，使表面缺陷造成的應力集中減小到最低程度。成的應力集中減小到最低程度。 噴丸硬度的影響噴丸硬度的影響 表表66為不同彈丸材料對殘余應力的影為不同彈丸材料對殘余應力的影響?？梢园l(fā)

23、現(xiàn)，由于陶瓷丸和鑄鐵丸硬響?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于陶瓷丸和鑄鐵丸硬度較高，噴丸后殘余應力也較高。度較高，噴丸后殘余應力也較高。 噴丸速度對表層殘余應力有明噴丸速度對表層殘余應力有明顯影響顯影響 試驗表明，當彈丸粒度和硬度不變，提試驗表明，當彈丸粒度和硬度不變，提高壓縮空氣的壓力和噴射速度，不僅增高壓縮空氣的壓力和噴射速度，不僅增大了受噴表面壓應力，而且有利于增加大了受噴表面壓應力，而且有利于增加變形層的深度，變形層的深度， （6）不同表面處理后的表面殘）不同表面處理后的表面殘余應力的比較余應力的比較 不同表面處理后的表面殘余應力及疲勞不同表面處理后的表面殘余應力及疲勞極限如表極限如表68所示。表面滾壓

24、強化可獲所示。表面滾壓強化可獲得最高的殘余應力。經噴九或滾壓后，得最高的殘余應力。經噴九或滾壓后，疲勞極限也明顯提高。疲勞極限也明顯提高。 6噴丸強化的效果檢驗噴丸強化的效果檢驗 弧高度試驗不僅是確定噴丸強度的試驗方法，弧高度試驗不僅是確定噴丸強度的試驗方法，同時又是控制和檢驗噴九質量的方法。同時又是控制和檢驗噴九質量的方法。 在生產過程中，將弧高度試片與零件一起進在生產過程中，將弧高度試片與零件一起進行噴丸，然后測量試片的弧高度行噴丸，然后測量試片的弧高度f.如如f值符合值符合生產工藝中規(guī)定的范圍，則表明零件的噴丸生產工藝中規(guī)定的范圍，則表明零件的噴丸強度合格。這是控制和檢驗噴九強化質量的強

25、度合格。這是控制和檢驗噴九強化質量的基本方法?；痉椒?。 弧高度試片給出的噴丸強度，是金屬材弧高度試片給出的噴丸強度，是金屬材料的表面強化層深度和殘余應力分布的料的表面強化層深度和殘余應力分布的綜合值。綜合值。 若需了解表面強化層的深度、組織結構若需了解表面強化層的深度、組織結構和殘余應力分布情況，還應進行組織結和殘余應力分布情況，還應進行組織結構分析和殘余應力測定等一系列檢驗。構分析和殘余應力測定等一系列檢驗。 7噴丸強化的應用實例噴丸強化的應用實例 1） CrWMn鋼制線切割沖模的噴丸強化鋼制線切割沖模的噴丸強化 模具在電火花切割后，不經噴丸研磨加工、回火直接裝配使用時，模具在電火花切割后

26、，不經噴丸研磨加工、回火直接裝配使用時，常易出現(xiàn)崩刃、折斷、碎裂現(xiàn)象。即使不出現(xiàn)這些現(xiàn)象，使用壽命也常易出現(xiàn)崩刃、折斷、碎裂現(xiàn)象。即使不出現(xiàn)這些現(xiàn)象，使用壽命也不高。其原因是熱處理產生的拉應力和線切割所產生的熱拉應力疊加不高。其原因是熱處理產生的拉應力和線切割所產生的熱拉應力疊加在一起，容易達到材料的強度極限而產生裂紋。采用回火、研磨、噴在一起，容易達到材料的強度極限而產生裂紋。采用回火、研磨、噴丸和回火處理，可有效地去除白硬層和改善切割層的硬度與應力分布丸和回火處理，可有效地去除白硬層和改善切割層的硬度與應力分布狀態(tài)。用研磨方法也可除去白硬層，但不能改善應力區(qū)的應力分布狀狀態(tài)。用研磨方法也可

27、除去白硬層，但不能改善應力區(qū)的應力分布狀態(tài)，因此，不能根本解決模具的裂紋和崩刃。對線切割模具的白硬層態(tài)，因此，不能根本解決模具的裂紋和崩刃。對線切割模具的白硬層施以噴丸和（施以噴丸和（120160）/（610）h的時效處理，則可成倍地提高的時效處理，則可成倍地提高模具壽命。模具壽命。 某廠的某廠的CrWMn鋼制線切割沖模的刃磨壽鋼制線切割沖模的刃磨壽命在直接使用時為命在直接使用時為10700次；次；160/2h回火后，回火后，壽命為壽命為11180次；研磨除去白硬層后使用時壽次；研磨除去白硬層后使用時壽命為命為4860次；研磨除去白硬層再次；研磨除去白硬層再160/2h回火回火時壽命為時壽命為

28、7450次；磨削去除白硬層后壽命為次；磨削去除白硬層后壽命為28743次；噴丸強化后，再進行次；噴丸強化后，再進行160/2h回火回火處理，模具壽命達到處理，模具壽命達到220000次。次。 2 2）噴丸強化改善）噴丸強化改善Cr12Cr12鋼制線切割落料模性能鋼制線切割落料模性能 Cr12鋼制洗衣機電動機定、轉子落料模，在經淬火、回鋼制洗衣機電動機定、轉子落料模，在經淬火、回火處理和線切割加工后直接使用時，堂呈折斷失效，平均使火處理和線切割加工后直接使用時，堂呈折斷失效，平均使用壽命只有用壽命只有3萬余次。改用在電火花加工后增加一道噴丸強萬余次。改用在電火花加工后增加一道噴丸強化處理工藝后，

29、改善線切割落料模變質層的性能，使用壽命化處理工藝后，改善線切割落料模變質層的性能，使用壽命可提高可提高10萬沖次。萬沖次。 此外，噴丸強化可使模具表層產生冷作硬化，改善表層此外，噴丸強化可使模具表層產生冷作硬化，改善表層的應力狀態(tài)和表面粗糙度，有效去除電火花加工時形成的表的應力狀態(tài)和表面粗糙度，有效去除電火花加工時形成的表面軟化層，提高模具的疲勞強度、沖擊磨損、應力腐蝕等使面軟化層，提高模具的疲勞強度、沖擊磨損、應力腐蝕等使用性能，可應用于冷沖模、冷鐓模、熱鍛模和落料模等模具用性能，可應用于冷沖模、冷鐓模、熱鍛模和落料模等模具以提高其疲勞性能。噴丸可使模具的使用壽命得到顯著提高。以提高其疲勞性

30、能。噴丸可使模具的使用壽命得到顯著提高。 第二節(jié)第二節(jié) 表面淬火表面淬火熱處理知識熱處理知識 熱處理的本質熱處理的本質：通過改：通過改變組織達到改善金屬的變組織達到改善金屬的機械性能。機械性能。 熱處理的熱處理的4個工藝參數(shù)個工藝參數(shù)：加熱速度、加熱溫度、加熱速度、加熱溫度、保溫時間、冷卻速度。保溫時間、冷卻速度。 熱處理的熱處理的4種工藝種工藝：退火、正火、淬火、回火。退火、正火、淬火、回火。一、表面淬火技術的原理和特點一、表面淬火技術的原理和特點1 表面淬火原理表面淬火原理 用特殊的加熱方式將鋼表面快速用特殊的加熱方式將鋼表面快速加熱到加熱到Ac3（亞共析鋼）或（亞共析鋼）或Ac1（過共（

31、過共析鋼）以上，隨后快速冷卻，使鋼鐵析鋼）以上，隨后快速冷卻，使鋼鐵表層發(fā)生馬氏體相變，生成硬化層。表層發(fā)生馬氏體相變，生成硬化層。2 表面淬火的分類表面淬火的分類 一般按加熱源的名稱分類一般按加熱源的名稱分類火焰表面淬火火焰表面淬火 高頻感應表面淬火高頻感應表面淬火 等離子弧表面淬火等離子弧表面淬火 激光表面淬火激光表面淬火 電阻表面淬火電阻表面淬火 3 適合表面淬火的金屬材料適合表面淬火的金屬材料 一般用于處理中碳調一般用于處理中碳調質鋼和球墨鑄鐵。質鋼和球墨鑄鐵。表 41 常用表面淬火常用鋼及鑄鐵牌號 類 別 鋼 號 應 用 碳素結構鋼 35, 40, 45, 50 小模數(shù)、輕載齒輪及軸

32、類零件 40Cr, 45MnB 中等模數(shù)、 輕載齒輪和高強度傳動軸 30CrMo, 42CrMo,42SiMn 模數(shù)較大、負載較大的齒輪與軸類 合金結構鋼 5CrMnMo, 5CrNiMo 負荷大的零件 灰口鑄鐵 機床導軌、氣缸套 鑄 鐵 球墨鑄鐵, 合金球墨鑄鐵 曲軸、機床主軸、凸輪軸 二、表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別二、表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別 加熱速度越快，奧氏體晶粒越細、硬度越高。加熱速度越快，奧氏體晶粒越細、硬度越高。 提高加熱速度將使提高加熱速度將使Ac3與與Acm線上移，可線上移，可以防止過熱。以防止過熱?？焖偌訜崾箠W氏體成分不均勻，易形成貧快速加熱使奧氏體成分不均勻，易形成貧碳的奧

33、氏體，合金元素也難實現(xiàn)成分均勻碳的奧氏體，合金元素也難實現(xiàn)成分均勻化化（1） 奧氏體中未溶碳化物和高碳偏聚區(qū)奧氏體中未溶碳化物和高碳偏聚區(qū)的存在將促進過冷奧氏體分解，使奧氏體的存在將促進過冷奧氏體分解，使奧氏體轉變孕育期縮短轉變孕育期縮短.（2） 亞共析鋼中原鐵素體領域形成低碳亞共析鋼中原鐵素體領域形成低碳奧氏體，原珠光體領域形成高碳奧氏體。奧氏體，原珠光體領域形成高碳奧氏體。兩種奧氏體在淬火后分別得到低碳馬氏體兩種奧氏體在淬火后分別得到低碳馬氏體及高碳馬氏體及高碳馬氏體。 快速加熱淬火后的回火溫度一般應比普快速加熱淬火后的回火溫度一般應比普通回火溫度略低。通回火溫度略低。三、感應加熱淬火技術

34、三、感應加熱淬火技術 一、感應加熱淬火基一、感應加熱淬火基本原理本原理 鐵制零件在高頻交變磁場鐵制零件在高頻交變磁場中，鐵的內部將產生很大的感中，鐵的內部將產生很大的感應電流。電流在金屬體內自行應電流。電流在金屬體內自行閉合，稱為渦流。由于工件阻閉合，稱為渦流。由于工件阻抗很小，渦流很大。受集膚效抗很小，渦流很大。受集膚效應的影響，越靠近工件表面電應的影響，越靠近工件表面電流越大。感應電流快速將零件流越大。感應電流快速將零件的表面加熱到的表面加熱到Ac3或或Acm以上，以上，快速冷卻后即可在零件表層獲快速冷卻后即可在零件表層獲得馬氏體組織。得馬氏體組織。 感應加熱頻率越高，淬硬層越感應加熱頻率

35、越高，淬硬層越淺，但加熱速度越快。淺，但加熱速度越快。感應加熱表面淬火工藝流程感應加熱表面淬火工藝流程 以齒輪加工為例以齒輪加工為例 鍛打毛坯鍛打毛坯正火處理正火處理(220HB)粗加工粗加工調質調質處理（處理（250HB）精加工（滾齒）精加工（滾齒）感應加感應加熱淬火熱淬火回火（回火（55HRC）磨削磨削齒輪高頻淬火齒輪高頻淬火感應加熱的優(yōu)缺點感應加熱的優(yōu)缺點 熱效率高、加熱時間短；熱效率高、加熱時間短； 工件表面氧化、脫碳比較輕，變形??；工件表面氧化、脫碳比較輕，變形??； 比普通熱處理具有更優(yōu)異的機械性能；比普通熱處理具有更優(yōu)異的機械性能； 設備易于實現(xiàn)機械化自動生產，生產效率高；設備易于

36、實現(xiàn)機械化自動生產，生產效率高； 零件棱邊易過熱，形狀復雜的零件難以保證零件棱邊易過熱，形狀復雜的零件難以保證溫度均勻；溫度均勻； 設備投資較大。設備投資較大。高頻感應加熱裝置（電子管式）高頻感應加熱裝置（電子管式）晶體管式高頻感應加熱設備晶體管式高頻感應加熱設備晶體管式高頻感應加熱示例晶體管式高頻感應加熱示例感應加熱淬火新技術感應加熱淬火新技術 超高頻感應加熱淬火超高頻感應加熱淬火 利用利用27.12MHz超高頻率的極強的趨膚效超高頻率的極強的趨膚效應使應使0.05mm 0.5mm的零件表層在極短的時的零件表層在極短的時間內加熱，然后靠自身迅速冷卻，達到淬火間內加熱，然后靠自身迅速冷卻，達到

37、淬火目的。目的。 特點：變形量較小，不必回火。主要用于特點：變形量較小，不必回火。主要用于小、薄的零件，可明顯提高質量，降低成本。小、薄的零件，可明顯提高質量，降低成本。技術參數(shù) 普通高頻淬火 超高頻沖擊淬火 頻 率 (200 300) kHz 27.12 MHz 功率密度 200 W/cm2 (10-30) kW/cm2 加熱時間 (0.1 5) s (1 500) ms 硬化層深度 (0.5 2.5) mm (0.05 0.5) mm 工件冷卻 噴水或其他冷卻 自身冷卻 淬火層組織 正常馬氏體組織 極細針狀馬氏體 畸 變 不可避免 極小 2 雙頻感應加熱淬火雙頻感應加熱淬火 對于凹凸不平的

38、工件可采用兩種對于凹凸不平的工件可采用兩種頻率交替加熱，較高頻率加熱時，頻率交替加熱，較高頻率加熱時，凸出部位溫度較高；較低頻率加熱凸出部位溫度較高；較低頻率加熱時，低凹部位溫度較高。這樣可達時，低凹部位溫度較高。這樣可達到均勻硬化的目的。到均勻硬化的目的。 3 超音頻感應加熱淬火超音頻感應加熱淬火 采用采用20kHz 50kHz的頻率（超的頻率（超音頻波）感應加熱淬火可解決凹凸音頻波）感應加熱淬火可解決凹凸不平工件表面淬硬層不均勻的問題。不平工件表面淬硬層不均勻的問題。感應加熱淬火示例感應加熱淬火示例Die HardeningInduction hardening of forming to

39、ol (Volvo)Die HardeningDie HardeningDie HardeningFinal result.Die HardeningDie HardeningDie Hardening四、火焰加熱表面淬火四、火焰加熱表面淬火 用火焰將工件表面用火焰將工件表面快速加熱到快速加熱到Ac3或或Acm以上，然后用以上，然后用水快速冷卻，以在水快速冷卻，以在表層獲得馬氏體組表層獲得馬氏體組織?？棥? 火焰加熱的特點火焰加熱的特點 分分焰心焰心1、內焰、內焰2和外焰和外焰3三個區(qū)。三個區(qū)。 內焰溫度最高。內焰溫度最高。 有較大的溫度梯度。有較大的溫度梯度。 （根據(jù)氧與乙炔的比例不（根據(jù)氧

40、與乙炔的比例不同，氧乙炔焰還可分為同，氧乙炔焰還可分為氧化焰、還原焰、中性焰氧化焰、還原焰、中性焰三種）三種）2 火焰加熱淬火用燃料火焰加熱淬火用燃料要有較高的發(fā)熱值，來源容易，價格低廉，貯存和使用安全可靠，污染小。要有較高的發(fā)熱值，來源容易，價格低廉，貯存和使用安全可靠，污染小。表 4 10 常 用 火 焰 加 熱 表 面 淬 火 用 燃 料 特 性 火 焰 溫 度 燃 料 名 稱 發(fā) 熱 值 kcal/m3 氧 助 燃 空 氣 助 燃 氧 與 燃 料 氣 體 積 比 空 氣 與 燃 料 氣 體 體 積 比 乙 炔 天 然 氣 (甲 烷 ) 丙 烷 城 市 煤 氣 煤 油 12754 890

41、0 2435 2670 8010 * 3100 2700 2640 2540 2300 2320 1875 1925 1985 1.0 1.75 4.0 * 2.0 9.0 25.0 * 3 火焰加熱淬火方法火焰加熱淬火方法 要求要求加熱均勻加熱均勻（1） 旋轉法旋轉法：火焰噴嘴或工件：火焰噴嘴或工件旋轉。旋轉。 適合中小型工件。適合中小型工件。 （2） 推進法推進法：工件和火焰噴嘴做相對移動。：工件和火焰噴嘴做相對移動。 適合導軌、大齒輪等工件；適合導軌、大齒輪等工件； （3） 聯(lián)合法聯(lián)合法(旋轉推旋轉推進法進法)： 使火焰噴嘴及冷卻使火焰噴嘴及冷卻裝置沿著轉動的工件裝置沿著轉動的工件作相對

42、移動。作相對移動。 適合長軸類工件。適合長軸類工件。4 影響火焰表面淬火硬化層的工藝因素影響火焰表面淬火硬化層的工藝因素 單位時間消耗的燃氣越多，加熱速度越快。 火焰停留的時間越長，表面溫度越高。 火焰停留時間越長淬硬層越厚。 淬硬層深度還和鋼的淬透性、工件比表面積大小有關。5 火焰加熱表面淬火的優(yōu)缺點火焰加熱表面淬火的優(yōu)缺點 硬化層較厚，硬度梯度較平緩，耐磨性好；硬化層較厚，硬度梯度較平緩，耐磨性好；投資少，簡單易行，處理費用低；投資少，簡單易行，處理費用低； 大小零件均可處理，能實現(xiàn)自動化操作；大小零件均可處理，能實現(xiàn)自動化操作； 溫度均勻性差，難以控溫，質量波動大。溫度均勻性差，難以控溫

43、，質量波動大。 因有軟帶的問題，只能進行因有軟帶的問題，只能進行局部淬火局部淬火。5 等離子弧加熱表面淬火技術等離子弧加熱表面淬火技術直流等離子弧示意圖直流等離子弧示意圖直流等離子弧功率大、電弧溫度高、弧焰流速快、能量集中。直流等離子弧功率大、電弧溫度高、弧焰流速快、能量集中。等離子弧溫度等離子弧溫度弧焰流速弧焰流速多功能等離子弧加熱設備多功能等離子弧加熱設備 等離子弧淬火技術在等離子弧淬火技術在80年代后開始獲得應用，如處理年代后開始獲得應用，如處理缸套、曲軸等。缸套、曲軸等。6 激光表面淬火激光表面淬火激光淬火過程激光淬火過程將將104105W/cm2高功高功率密度的激光束作用在率密度的激

44、光束作用在工件表面，以工件表面，以105106/s的加熱速度將工的加熱速度將工件表面迅速升溫至相變件表面迅速升溫至相變點以上，然后依靠冷態(tài)點以上，然后依靠冷態(tài)基體以基體以105/s的速度自的速度自冷淬火。冷淬火。2 激光淬火設備激光淬火設備3 材料表面預處理材料表面預處理 （1）與基體力學性能有關的熱處理：被處理）與基體力學性能有關的熱處理：被處理金屬的原始組織對激光淬硬層的硬度和深度都金屬的原始組織對激光淬硬層的硬度和深度都有影響。有影響。 （2） 提高零件表面激光吸收率的提高零件表面激光吸收率的黑化處理黑化處理：80的激光被平整金屬表面反射，黑化處理的激光被平整金屬表面反射，黑化處理可以增加激光吸收率。