表面工程學第四章-表面淬火和表面形變強化技術(shù)

1、表面工程學第四章 表面淬火和表面形變強化技術(shù)在表面工程技術(shù)中，不需要外加其他材料，主要靠自身組織與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來進行表面改性的工藝主要有兩類：一類是表面淬火與退火技術(shù)，另一類是表面形變強化技術(shù)。特點工藝簡單、效果顯著，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。分類前 言第一節(jié)：表面淬火技術(shù)的原理和特點1.1 表面淬火技術(shù)的原理與方法原 理將表面快速加熱至Ac3（亞共析鋼）或者Ac1（過共析鋼）之上，然后快冷，發(fā)生馬氏體相變，形成強化層。方 法感應加熱；火焰；激光；電子束特 點0.35%1.20%C的中、高碳鋼及基體中相當于中碳鋼的鑄鐵均可進行表面淬火（50HRC）但中碳鋼與球墨鑄鐵是最宜表面淬火的材料；獲得不同硬

2、化層深度及分布，充分發(fā)揮表淬的優(yōu)點。低淬透性鋼通過提高碳的質(zhì)量分數(shù)來提高鋼的強度和耐磨性，通過降低合金元素的含量來降低鋼材的淬透性。其硬化層深度可控制在1.52.5mm范圍內(nèi)。限制淬透性鋼加入Ti阻礙奧氏體長大，并適當增加淬透合金，在尺寸為4060mm的工件上可以得到57mm的均勻硬化層。1.2 表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別表面淬火加熱、冷卻速度很快，與普淬在相變及特征存在區(qū)別：1） 快熱使Ac3,ACcm,但使Ac1有限；快熱使奧氏體晶粒細化，加熱很快甚至使鋼產(chǎn)生無擴散奧氏體相變；冷速比普淬也快，所以，硬度比普淬要高，與方法有關(guān)。2）快熱使?jié)BC體難充分溶解，形成A成分相當不均勻，包括未溶

3、C化物，高C偏聚區(qū)（原珠光體）和貧C區(qū)（原鐵素體） 促使A分解，縮短A的孕育期，隨后淬火形成低C馬氏體和高C馬氏體區(qū)域，造成顯微硬度不均勻。因此，表面淬火前，需預先熱處理（調(diào)質(zhì)，正火，球化退火），使碳化物或自由鐵素體均勻、細小分布，以便有利于快速加熱時奧氏體的均勻化。1.3 表面淬火層的組織與性能組織一般可分為淬火區(qū)、過渡區(qū)、及心部組織；性能大于普淬25HRC,主要是因為晶粒和精細結(jié)構(gòu)的細化，以及冷卻快等原因。此外，表面壓應力有效抑制裂紋的萌生與擴展過程，因此可提高疲勞強度。右圖是45鋼和T8鋼在表面淬火后組織和硬度的分布：第I區(qū)，溫度高于Ac3，淬火后得到全部馬氏體，稱全淬硬層第II區(qū)，溫度

4、在Ac3Ac1之間，淬火后得到馬氏體加自由鐵素體，稱為過渡層第III區(qū)，加熱溫度低于Ac1，為原始組織圖中曲線1的過渡區(qū)在相同溫度下大于曲線2的過渡區(qū)寬度。過渡區(qū)的寬窄對鋼的殘余應力分布有重要影響，其寬窄程度主要取決于溫度梯度。提高加熱速度，可增大溫度梯度，顯著減少過渡區(qū)寬度。第二節(jié)：感應加熱淬火技術(shù)2.1 基本原理高頻磁場感應電流集膚效應電流密度(電阻)加熱使受熱區(qū)快速升溫至Ac3,Acm之上。感應加熱的工藝參數(shù)選擇：線圈形狀與工件形狀有關(guān)；功率與淬硬深度有關(guān)；例：使用單匝感應圈，高度1cm的圓柱形工件所吸收的功率P可以用下式來計算：P=1.2510-3R0I2(f)1/2R0工件半徑；I感

5、應器中電流；-加熱材料電阻率；-磁導率；f電流頻率；電流導入深度：=5.03 104/f磁導率隨溫度升高至一定值后急劇降低，對應的加熱速度也迅速緩慢下來。表面不易過熱。2.2 感應加熱淬火工藝流程局限:1.設(shè)備成本高；2.尖角過熱效應；3.復雜零件難保獲得均勻淬火層第三節(jié)：火焰加熱表面淬火技術(shù)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，稱為火焰加熱表面淬火法。燃料煤氣、碳氫化合物參數(shù)加熱面積、工件移動速度、加熱溫度時間缺點生產(chǎn)效率低、淬硬層均勻程度差、質(zhì)量控制困難，用于小批量、單件生產(chǎn)4.1、激光淬火的原理和應用45鋼表面激光淬火橫截面金相組織利

6、用聚焦后的激光束照射到材料表面，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，獲得淬硬層第四節(jié)：激光淬火與電子束淬火技術(shù)影響淬硬層性能的主要因素（1）材料成分通過淬硬性、淬透性來影響淬硬層深度和硬度（2）工藝參數(shù)淬火層的寬度取決于光斑直徑D淬硬深度h由激光功率(P)、光斑直徑（D）和掃描速度(V)共同決定，主要關(guān)系為：hP/(DV)（3）表面預處理狀態(tài)a. 表面組織準備，即通過調(diào)質(zhì)處理等手段使材料表面具有較細的表面組織，以保證淬火時組織與性能的均勻、穩(wěn)定。b. 表面“黑化”處理,以提高對激光束的吸收率。磷化法；碳素法；氧化

7、物涂層4.2 激光表面熔凝技術(shù)原理原 理采用激光束將表面快速加熱至熔點溫度以上，由基材迅速導熱冷卻，使表面熔化層快速冷卻并凝固結(jié)晶。與淬火的差別：表面經(jīng)歷了快速熔化凝固過程，獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。組織特點：包括：熔化區(qū)；相變硬化區(qū)；熱影響區(qū)；基體；特 點缺 點硬度高；淬層深，耐磨性好；表面粗糙，后續(xù)加工困難特別適合于灰鐵和球鐵的表面強化因為在熔凝過程中可以使石墨與鐵基體混合，形成碳含量很高的白口鐵，顯微硬度可以高達HV10001100，耐磨性特別優(yōu)越。 功能密度極高的激光束在極短時間內(nèi)使金屬表面局部劇烈蒸發(fā)，發(fā)生強烈塑性變形，形成高密度位錯、孿晶，提高硬度與強度。4.3 激光激光沖擊淬火技術(shù)

8、原 理優(yōu)點缺 點適合無法通過相變硬化進行表面強化的材料所需能量密度過高，加工成本太高汽車缸套內(nèi)璧激光熱處理.4.4 激光淬火技術(shù)的工業(yè)應用4.5 電子束淬火技術(shù)電子束淬火技術(shù)是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。原 理動能熱能特 點缺 點工件對電子束的吸收率一般比對激光束的吸收率要大得多，淬硬層深度也高于激光束淬火。必須在真空環(huán)境下進行，限制了其使用范圍。第五節(jié)：電阻加熱表面淬火技術(shù)原 理低壓大電流，表面高電阻產(chǎn)生熱效應，快速加熱至相變溫度以上并淬火方 法特 點缺 點1.金屬導體相互接觸，形成高接觸電阻，通過滾輪電極實現(xiàn)快速加熱；2.電解液加熱表面電解液電離，在工件上析氫，形

9、成氫氣膜電阻高，當電流密度很高時，使表面溫度急劇上升。工藝簡單，設(shè)備費用低，工件變形小。淬硬層薄、對形狀復雜、尺寸很大的工件不宜采用。表4-2列出了感應加熱淬火、火焰加熱表面淬火、激光淬火、電子束淬火、電阻加熱表面淬火、沖擊淬火的工藝特點。據(jù)報道，迄今為止，感應加熱淬火一直是應用最為廣泛的表面淬火工藝。激光淬火不僅基本取代了電子束淬火的位置，也正在越來越多的領(lǐng)域中取代感應加熱淬火。第六節(jié) 幾種典型表面淬火工藝的特點比較第七節(jié)：表面形變強化技術(shù)7.1、受控噴丸強化原 理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)晶溫度下產(chǎn)生彈、塑性變形和殘余壓應力，從而提高工件表面強度、疲

10、勞強度和抗應力腐蝕能力的表面工程技術(shù)。噴丸機有葉輪式與壓縮空氣式兩大類葉輪式噴丸機中彈丸流的位置與速度都不易改變，常用于形狀簡單、批量較大的零件。壓縮空氣式噴丸機依靠調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力來改變彈丸的速度，適用于表面形狀復雜、批量較小的零件。噴丸過程還可以采用濕噴方式，即將彈丸與液體混合，形成懸浮液后噴向工件。濕噴的表面粗糙度比干噴低。受控噴丸對材料表面形貌與性能的影響1）對硬度的影響彈丸強度或動能越大，則變形層深度越大；彈丸硬度越高，噴丸層深度越深；被噴零件的硬度越高，則噴丸強化層越淺。2）對表面粗糙度的影響受控噴丸以后的零件表面痕跡不同于切削加工表面，痕跡沒有方向性，有利于增加零件的疲勞強度。表面粗糙度與噴丸粒子的直徑有關(guān)。3）對疲勞壽命與抗應力腐蝕的影響噴丸后工件表面可以產(chǎn)生數(shù)百MPa的壓應力，從而可以大幅度提高材料的疲勞壽命和抗應