第四章表面淬火和表面形變強(qiáng)化

1、第四章 表面淬火和表面形變強(qiáng)化 熱處理的4種工藝：退火、正火、淬火、回火。熱處理知識（復(fù)習(xí)） 熱處理的本質(zhì)：通過改變組織達(dá)到改善金屬的機(jī)械性能。 熱處理的4個工藝參數(shù)：加熱速度、加熱溫度、保溫時間、冷卻速度。 一、表面淬火技術(shù)的原理1 表面淬火 用特殊的加熱方式將鋼表面快速加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）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。第一節(jié) 表面淬火技術(shù)的原理與特點(diǎn)2 表面淬火的分類一般按加熱源的名稱分類?；鹧姹砻娲慊?高頻感應(yīng)表面淬火 等離子弧表面淬火 激光表面淬火 電阻表面淬火 一般用于處理中碳調(diào)質(zhì)鋼和球墨鑄鐵。3 適合表面淬火的金屬材料 加熱速度越

2、快，奧氏體晶粒越細(xì)、硬度越高。二、表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別 (1) 提高加熱速度將使Ac3與Acm線上移，可以防止過熱。 快速加熱使奧氏體成分不均勻，易形成貧碳的奧氏體，合金元素也難實(shí)現(xiàn)成分均勻化。 （1） 奧氏體中未溶碳化物和高碳偏聚區(qū)的存在將促進(jìn)過冷奧氏體分解，使奧氏體轉(zhuǎn)變孕育期縮短，C曲線向左移動。表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別 (2) 不均勻奧氏體在冷卻過程對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有很大影響：（2） 亞共析鋼中原鐵素體領(lǐng)域形成低碳奧氏體，原珠光體領(lǐng)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及高碳馬氏體。1 表面淬火層的組織和硬度分布 表面淬火層分為：（1） 淬硬區(qū) （完全相變區(qū)

3、 ）（2） 過渡區(qū) （部分相變區(qū) ）（3） 心部區(qū) （無相變區(qū) ）三、表面淬火層的組織和性能 45鋼的淬硬區(qū)組織為馬氏體；過渡區(qū)組織為馬氏體鐵素體；心部組織為珠光體鐵素體。 硬化層的厚度可用金相法和硬度法測定。 表面淬火層的組織和硬度分布硬度法測定硬化層的厚度金相法測定硬化層的厚度（1） 表面硬度：經(jīng)高頻加熱淬火的工件其表面硬度比普通淬火高25個HRC。這是由于表面淬火晶粒細(xì)化和高的殘余壓應(yīng)力。2 表面淬火層的性能（1）（2） 耐磨性：高頻淬火件的耐磨性比普通淬火要高。這是由于淬硬層中馬氏體晶粒極為細(xì)小，碳化物高度彌散，淬硬層硬度和強(qiáng)度都比較高。（3） 疲勞強(qiáng)度：高頻淬火可顯著提高零件的疲勞強(qiáng)

4、度。這是由于表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力可以抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，使其缺口敏感性下降。表面淬火層的性能（2）一、感應(yīng)加熱淬火基本原理 鐵制零件在高頻交變磁場中，鐵的內(nèi)部將產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流。電流在金屬體內(nèi)自行閉合，稱為渦流。由于工件阻抗很小，渦流很大。受集膚效應(yīng)的影響，越靠近工件表面電流越大。感應(yīng)電流快速將零件的表面加熱到Ac3或Acm以上，快速冷卻后即可在零件表層獲得馬氏體組織。 第二節(jié) 感應(yīng)加熱淬火技術(shù) 在理想狀態(tài)下，單匝感應(yīng)圈加熱1厘米高的柱形工件表面吸收功率P 式中 R0工件直徑mm；I感應(yīng)圈內(nèi)電流A；鋼的電阻率；磁導(dǎo)率；f頻率。 (f)1/2為吸收因子。 電流（渦流）導(dǎo)入深度與 、f的關(guān)系是 m

5、m 感應(yīng)加熱頻率f越高，淬硬層越淺，但加熱速度越快。一、感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的基本原理（1）感應(yīng)加熱頻率與淬硬層的關(guān)系 磁導(dǎo)率和電阻率又與工件的溫度有關(guān)，在Ac1以上(770)磁導(dǎo)率幾乎降至為零。這樣鋼中電流導(dǎo)入深度可簡化為 20時： mm 800時： mm 所以溫度越高，加熱速度越慢，避免了表面過熱。 圖43 鋼的磁導(dǎo)率、電阻率與加熱溫度的關(guān)系感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的基本原理（3）以齒輪加工為例鍛打毛坯正火處理(220HB)粗加工調(diào)質(zhì)處理（250HB）精加工（滾齒）感應(yīng)加熱淬火回火（55HRC）磨削二、 感應(yīng)加熱表面淬火工藝流程齒輪高頻淬火 熱效率高、加熱時間短； 工件表面氧化、脫碳比較輕，變形??；

6、比普通熱處理具有更優(yōu)異的機(jī)械性能； 設(shè)備易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高； 零件棱邊易過熱，形狀復(fù)雜的零件難以保證溫度均勻； 設(shè)備投資較大。三、感應(yīng)加熱的優(yōu)缺點(diǎn)高頻感應(yīng)加熱裝置（電子管式）電子管式高頻感應(yīng)加熱電路圖晶體管式高頻感應(yīng)加熱設(shè)備晶體管式高頻感應(yīng)加熱示例 超高頻感應(yīng)加熱淬火 利用超高頻率的極強(qiáng)的趨膚效應(yīng)使的零件表層在極短的時間內(nèi)加熱，然后靠自身迅速冷卻，達(dá)到淬火目的。 特點(diǎn)：變形量較小，不必回火。主要用于小、薄的零件。四、感應(yīng)加熱淬火新技術(shù)（1）2 雙頻感應(yīng)加熱淬火 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，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(dá)

7、到均勻硬化的目的。感應(yīng)加熱淬火新技術(shù)（2）3 超音頻感應(yīng)加熱淬火 采用20kHz 50kHz的頻率（超音頻波）感應(yīng)加熱淬火可解決凹凸不平工件表面淬硬層不均勻的問題。感應(yīng)加熱淬火示例Die HardeningInduction hardening of forming tool (Volvo)Die HardeningFinal result.Die HardeningDie Hardening第三節(jié) 火焰表面加熱淬火技術(shù) (flame surface hardening) 用火焰將工件表面快速加熱到Ac3或Acm以上，然后用水快速冷卻，以在表層獲得馬氏體組織。 分焰心1、內(nèi)焰2和外焰3三個區(qū)。

8、 內(nèi)焰溫度最高。 有較大的溫度梯度。（根據(jù)氧與乙炔的比例不同，氧乙炔焰還可分為氧化焰、還原焰、中性焰三種）1 火焰加熱的特點(diǎn) 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。2 火焰加熱淬火用燃料（1） 旋轉(zhuǎn)法：火焰噴嘴或工件旋轉(zhuǎn)?；鹧婕訜岽慊鸱椒榱耸构ぜ砻婕訜峋鶆?可采取如下方法：（2） 推進(jìn)法：工件和火焰噴嘴做相對移動。（3） 聯(lián)合法(旋轉(zhuǎn)推進(jìn)法)：使火焰噴嘴及冷卻裝置沿著轉(zhuǎn)動的工件作相對移動。 單位時間消耗的燃?xì)庠蕉?，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(guān)。4 影響火焰表面淬火

9、硬化層的工藝因素 硬化層較厚，硬度梯度較平緩，耐磨性好；5 火焰加熱表面淬火的優(yōu)缺點(diǎn) 投資少，簡單易行，處理費(fèi)用低； 大小零件均可處理，能實(shí)現(xiàn)自動化操作； 溫度均勻性差，難以控溫，質(zhì)量波動大。 因有軟帶的問題，只能進(jìn)行局部淬火。表面淬火中的軟帶問題特大軸承表面淬火的軟帶問題 利用高能束（激光束、電子束、等離子束）在被處理工件表面的能量轉(zhuǎn)換加熱工件，使其快速加熱到Ac3或Acm相變溫度以上，然后利用自身快速冷卻，在材料表面獲得硬化層。第四節(jié) 高能束表面淬火技術(shù)激光淬火過程：將104105W/cm2高功率密度的激光束作用在工件表面，以105106/s的加熱速度將工件表面迅速升溫至相變點(diǎn)以上，然后依

10、靠冷態(tài)基體以105/s的速度自冷淬火。一、 激光表面淬火2 激光淬火設(shè)備工業(yè)上常用的激光發(fā)生器有橫流CO2和YG兩種。（1）與基體力學(xué)性能有關(guān)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有影響。3 材料表面預(yù)處理（2） 提高零件表面激光吸收率的黑化處理：80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。 黑化處理的方法有：涂碳素墨汁、磷化處理、氧化處理或激光專用黑色涂料。相變硬化層的深度H與工藝參數(shù)的關(guān)系為：4 激光淬火的工藝參數(shù) 激光淬火適用范圍：硬化層深度，寬度，表面硬化效率8085mm2/min，一般激光表面淬火功率為16kw/cm2。 激光淬火主要工藝參數(shù)有激光功率

11、P、光斑直徑D和掃描速度v。（1） 激光淬火組織相變硬化區(qū)：極細(xì)的馬氏體；過渡區(qū)：為復(fù)雜的多相組織；基體：原始的基體組織。5 激光淬硬層的組織和性能圖47 45鋼表面激光淬火 區(qū)橫截面金相組織激光淬硬層的硬度 因極快速的加熱和冷卻，致使激光淬硬層的硬度比常規(guī)淬火高1520。淬硬層的硬度與和鋼的淬硬性有關(guān)。圖48 45鋼激光淬火區(qū)顯微 硬度與淬硬層深度的關(guān)系（3） 激光淬硬層的耐磨性 淬硬層組織細(xì)化，硬度比常規(guī)淬火高1520，耐磨性提高110倍。 能精確控制硬化層深度，工件變形小，表面無氧化脫碳。 只要激光能照射到的部位都可實(shí)現(xiàn)表面硬化處理。 加熱速度快、自動化程度、生產(chǎn)效率高。 需對工件表面進(jìn)

12、行預(yù)處理，以增加工件吸收激光的能力。 設(shè)備較貴。6 激光淬火的特點(diǎn)四、 激光表面淬火技術(shù)在汽車制造行業(yè)中的應(yīng)用激光表面淬火實(shí)例 激光束將基材表面快速加熱到熔化溫度以上，由基材內(nèi)部傳熱冷卻而使熔化層表面快速冷凝結(jié)晶的表面處理工藝技術(shù)。 工件橫截面沿深度方向的組織依次為：熔凝層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材。熔凝層為鑄態(tài)組織（也可能出現(xiàn)非晶態(tài)組織）。二、激光表面熔凝技術(shù)（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(qiáng)化，熔凝層為碳含量很高的白口鑄鐵，顯微硬度可以高達(dá)10001100HV，耐磨性非常優(yōu)越。激光表面熔凝技術(shù)（2） 激光熔凝層比激光淬火層的硬化層深，硬度高，耐磨性更好。缺點(diǎn)是基材表

13、面的粗糙度較大，需精加工后才能使用。 類似于激光表面淬火技術(shù)。工件對電子束的吸收能力大于激光束，所以淬硬層深度高于激光淬火。電子束淬火必須在真空環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)備投入大，還要防止x射線輻射，所以應(yīng)用范圍受到限制。四、電子束表面淬火 （略）補(bǔ)充內(nèi)容： 等離子弧加熱表面淬火技術(shù)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。等離子弧溫度弧焰流速1 直流熱等離子弧轉(zhuǎn)移?。杭訜嵝矢撸Ｓ糜诘入x子焊接和切割。非轉(zhuǎn)移?。汗ぜ唤与?，加熱效率低，常用于等離子噴涂、等離子弧表面淬火；聯(lián)合?。弘娀》€(wěn)定，常用于等離子噴焊。2 直流等離子弧分類 利用等離子弧將工件快速加熱到Ac3或Acm相

14、變溫度以上，然后靠基體本身冷卻（小功率）或邊加熱邊用水冷卻（大功率）淬火。 3 等離子弧加熱表面淬火4 多功能等離子弧加熱設(shè)備 加熱速度快，處理效率高； 處理表面無氧化，質(zhì)量高； 不適合整個平面硬化處理； 比激光淬火裝置投資少（約8萬元/套）。4 等離子弧加熱表面淬火特點(diǎn) 等離子弧淬火技術(shù)在80年代后開始獲得應(yīng)用，如處理缸套、曲軸等。5 等離子束加熱表面淬火的應(yīng)用河南滎陽炬龍電氣青島海納等離子科技公司1 電阻加熱表面淬火技術(shù)：（1）電接觸加熱法：電極工件之間通低壓大電流，利用電流產(chǎn)生電阻熱加熱工件表面，然后用水冷卻淬火。如機(jī)床導(dǎo)軌表面硬化處理。第五節(jié) 電阻加熱表面淬火技術(shù)（1） 利用電接觸界面

15、之間低壓大電流產(chǎn)生的電阻熱快速加熱到相變溫度以上并淬火的工藝方法。（2）電解液加熱法：工件（陰極）置入電解質(zhì)液（陽極）中，在電解作用下工件表面與電解質(zhì)之間形成一層電阻較大的氫氣膜，當(dāng)電流流過時將工件表面快速加熱，然后斷電，讓工件在電解質(zhì)中淬火。電阻加熱表面淬火技術(shù)（2） 電阻加熱表面淬火技術(shù)特點(diǎn)：工藝簡單，設(shè)備費(fèi)用低，工件變形小。但不易處理形狀復(fù)雜的工件。第六節(jié) 幾種典型表面淬火工藝的特點(diǎn)比較一、 噴丸強(qiáng)化技術(shù)1 噴丸強(qiáng)化技術(shù)原理 小彈丸高速射向金屬工件表面，使金屬表層發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生大量的位錯和較大的殘余壓應(yīng)力，從而提高金屬表面的硬度、強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力。第七節(jié) 表面形變強(qiáng)化

16、技術(shù)噴丸強(qiáng)化層深度一般在之間。（1） 葉輪拋丸式：利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的離心力將彈丸高速射向工件。 適合處理形狀簡單、批量較大的工件。2 噴丸強(qiáng)化方法（2） 壓縮空氣式：利用壓縮空氣將彈丸噴向工件，彈丸的飛行速度取決于壓縮空氣的壓力。噴丸有干噴和濕噴兩種。 常用彈丸材料有鑄鐵、不銹鋼、鋼絲、玻璃、陶瓷等，選擇時主要考慮被處理工件材料的硬度、表面粗糙度、強(qiáng)化深度、殘余應(yīng)力等。3 噴丸材料（1）噴丸增加金屬表面的粗糙度。4 噴丸強(qiáng)化對表面形貌和性能的影響（1）（2）硬化層的深度： 彈丸越硬或彈丸動能越大，硬化層越深，硬化效果越好。噴丸強(qiáng)化對表面形貌和性能的影響（2）（3）疲勞強(qiáng)度：噴丸后在金屬表層生成數(shù)百兆帕的殘余壓應(yīng)力，有利于提高金屬的疲勞強(qiáng)度。 汽車板簧噴丸強(qiáng)化處理后可延長壽命5倍。 滲碳齒輪噴丸處理后可提高使用壽命4倍。 20CrMnTi鋼滲碳淬火回火后進(jìn)行噴丸處理，殘余壓應(yīng)力為880Mpa，壽命從55萬次提高到150180萬次； 40CrNiMo鋼調(diào)質(zhì)后再經(jīng)噴丸處