材料科學(xué)與工程專業(yè)《金屬熱處理原理及工藝》-第十一章-表面熱處理課件

第十一章表面熱處理一、表面淬火二、少無氧化熱處理三、離子注入四、電子束處理1精選課件ppt一、表面淬火什么是表面淬火表面淬火有何特點表面淬火主要解決哪些問題表面淬火的發(fā)展表面－心部不同性能要求，高效率生產(chǎn)不改變表面化學(xué)成分，只改變表面組織2精選課件ppt?要點：用快速加熱法，使零件表面層很快地達到淬火溫度（A化），在熱量傳至內(nèi)部之前，立即冷卻使表面層淬硬。?材料：中碳鋼及中碳合金鋼，如40、45、40Cr。感應(yīng)加熱?分類（加熱方法）激光加熱火焰加熱一、表面淬火3精選課件ppt（一）感應(yīng)加熱表面淬火1、感應(yīng)加熱原理*感應(yīng)電流---渦流*集膚效應(yīng)*電流透入深度(δ)與電流頻率(f)的關(guān)系:利用電磁感應(yīng)原理集膚效應(yīng)示意圖感應(yīng)加熱表面淬火示意圖零件處于交變磁場（感應(yīng)線圈產(chǎn)生）中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），從而產(chǎn)生熱量（零件阻抗通電流產(chǎn)生的熱量）使零件被加熱，隨后冷卻淬火。一、表面淬火4精選課件pptρ—工件電阻率μ——工件的相對導(dǎo)磁率f——電流頻率可見：1）f愈高，δ越小，淬硬層深度越淺。2）ρ愈大，μ愈小，δ越大。5精選課件ppt2、分類（按電源頻率）工頻：50Hz，功率密度0.1～100W/cm2；中頻：＜10kHz，功率密度＜5W/cm2；高頻、超高頻：20～1000kHz，功率密度2～10W/cm2；一般地：淬火硬化層厚度隨感應(yīng)加熱器頻率↗而↘；但感應(yīng)電流隨感應(yīng)加熱器頻率↗而↗，即表面加熱熱效率高（易過熱）。應(yīng)根據(jù)工件尺寸和要求的淬硬層深度選擇合理的電流頻率。δ=10～15mmδ>2mmδ=0.5～2mm6精選課件ppt3、高頻感應(yīng)加熱表面淬火后的組織和性能快速加熱時鋼的相變特點

1）臨界溫度升高，轉(zhuǎn)變在較寬的溫度范圍內(nèi)完成

2）奧氏體晶粒較細

3）奧氏體成分不均勻高頻感應(yīng)淬火后的組織

M→M+F→原始組織高頻感應(yīng)淬火后的性能

硬度比普通淬火高2～3HRC

疲勞強度提高強度提高

7精選課件ppt4、感應(yīng)加熱淬火主要工藝因素

預(yù)處理：表面淬火前，須對零件進行正火或調(diào)質(zhì)處理，以保證零件心部具有良好的綜合性能。硬化層深度的確定：抗磨損：1～6.5mm抗疲勞：2～12mm感應(yīng)加熱淬火溫度由于感應(yīng)加熱速度快，但組織轉(zhuǎn)變又具有熱滯后，為使組織轉(zhuǎn)變充分，所以感應(yīng)加熱溫度應(yīng)比常規(guī)加熱溫度提高30～50℃。加熱比功率（單位面積加熱功率W/cm2）比功率大，加熱熔化充分、相對晶粒較大。因此：大加熱比功率：原始組織較細、硬化層較深、移動式連續(xù)加熱；小加熱比功率：原始組織較粗、零件形狀復(fù)雜、同時加熱。8精選課件ppt感應(yīng)器（感應(yīng)線圈）感應(yīng)器一般為中空、內(nèi)通冷卻介質(zhì)的純銅管制造而成。（加熱方式、感應(yīng)器形狀、應(yīng)用狀況等P133圖4—8）

后處理：表面淬火后，一般要對零件進行低溫（160～200℃）回火處理，以降低淬火應(yīng)力和脆性。

冷卻：水，油，有機溶液噴射冷卻，浸淬9精選課件ppt5、工藝特點加熱速度快，熱效率高達60%以上，生產(chǎn)率高；產(chǎn)品質(zhì)量高，工件變形小，不易氧化及脫碳；易實現(xiàn)批量產(chǎn)品的機械化和自動化，清潔無污染。設(shè)備投資大,不適于復(fù)雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。10精選課件ppt6、感應(yīng)加熱淬火舉例45鋼曲軸的熱處理工藝。調(diào)質(zhì)處理：淬火加高溫回火淬火加熱溫度810～830℃，回火加熱溫度560℃，獲得回火索氏體組織感應(yīng)加熱淬火：淬火加熱溫度830～870℃，噴水冷卻

Ac3Ac1T/℃HRC距表面距離淬硬層深度M+FMS回50％M點11精選課件ppt（二）火焰加熱表面淬火使用火焰燃燒器和冷卻噴頭實現(xiàn)對金屬零件進行表面加熱淬火的熱處理工藝過程。燃燒氣體：煤氣、甲烷氣、丙烷氣、乙炔氣、氫氣等；冷卻介質(zhì)：水、油、合成水溶液等。一、表面淬火12精選課件ppt工藝特點：簡單靈活加熱速度慢，冷卻速度也慢。在工件內(nèi)部儲存較多的熱量，硬化層較深，不易淬裂，淬火硬度不高。適用于中碳鋼（調(diào)質(zhì)鋼、工具鋼、模具鋼等）和鑄鐵零件表面淬火；適用于大型零件，不適用于薄壁零件。加熱溫度不易控制、工件表面易過熱、淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定。13精選課件ppt火焰加熱方式固定加熱旋轉(zhuǎn)加熱連續(xù)加熱

火焰加熱應(yīng)用趨勢帶壓力的火焰加熱，提高加熱速度；帶保護氣氛的加熱，減少氧化和脫碳；發(fā)展各種火焰噴涂和噴焊技術(shù)14精選課件ppt（三）電接觸加熱表面淬火工藝介紹利用觸頭（銅滾輪或碳棒）和工件之間形成電回路，在低電壓大電流的作用下，利用電極與工件之間的接觸電阻使工件表面局部加熱，并靠工件其它未被加熱部位傳導(dǎo)進行自冷卻的工藝。講義P142圖4-16工藝特點顯著提高工件表面耐磨和抗擦傷能力；淬硬層薄，形成局部硬質(zhì)點，屬于局部表面淬火；淬火后無須任何精加工，尺寸精度高，適用于精密加工后零件表面淬火。應(yīng)用機床導(dǎo)軌、工模具、汽缸套等。一、表面淬火15精選課件ppt16精選課件ppt二、激光熱處理激光知識何為激光：受輻射的光放大而產(chǎn)生的光。具有單色性好、光亮度高、輻射方向性強等特點。激光的主要應(yīng)用：(材料學(xué)科領(lǐng)域）

激光熱處理激光焊接激光快速成型激光切割激光檢測

視頻（激光淬火）17精選課件ppt激光熱處理加熱設(shè)備組成

透射式工件平面發(fā)射鏡控制系統(tǒng)工作平臺工件和激光束的相對位置。工件反射式球面鏡平面發(fā)射鏡激光發(fā)射器

導(dǎo)光系統(tǒng)

18精選課件pptM+ArM+F+ArS回1、激光表面淬火

一束高能激光束照射到金屬表面，使金屬表面局部溫度迅速上升到奧氏體相變溫度以上，激光束移開后，靠工件未被加熱部位自冷卻淬火的工藝過程。

調(diào)質(zhì)熱處理后表面激光淬火19精選課件ppt激光表面淬火性能硬度，碳鋼提高10％，鑄鐵提高1～2倍耐磨性提高近20倍殘余壓應(yīng)力高激光表面淬火特點快速加熱，快速冷卻處理層與基體結(jié)合強度高零件變形極小加工柔性好需吸光涂層20精選課件ppt相對前面而言,如果提高激光功率、減少光斑直徑、降低掃描速度時，工件表面薄層被熔化——激光表面熔化淬火。作用：（1）細化晶粒一般情況下能使降低9/10，硬度提高30%以上（2）消除表面夾雜對于鑄件粗大數(shù)枝晶常伴氧化物、硫化物、金屬化合物、氣孔等夾雜，激光表面重熔使雜質(zhì)釋放出來，同時表面細化（3）提高鑄鐵耐磨性為提高灰口鑄鐵和球墨鑄鐵耐磨性，采用激光表面熔化淬火，獲得表面熔化區(qū)白口，組織為樹枝馬氏體+殘余奧氏體、樹枝間馬氏體+萊氏體+滲碳體；相變區(qū)馬氏體+殘余奧氏體+石墨；過渡區(qū)隱針形馬氏體+殘余奧氏體+石墨+未熔滲碳體2激光表面熔化淬火21精選課件ppt激光熱處理應(yīng)用應(yīng)用于缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、活塞環(huán)等；如大連機車車輛廠、西安內(nèi)燃機廠、北京內(nèi)燃機廠、首都汽車公司、長春一汽、多個激光加工中心等。例：38CrNi3MoV炮管內(nèi)膛的激光熱處理。22精選課件ppt3激光表面合金化把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式添加到基體金屬表面，通過激光加熱使其（預(yù)涂層）與基體表面共熔而混合，形成表面特種合金層。合金粉末的添加方法：（1）預(yù)沉積法：預(yù)先在涂上一層合金涂膜層，然后用激光重熔。如粉末涂刷、熱噴涂、真空鍍、電鍍、化學(xué)鍍、預(yù)置薄板或金屬箔等。（2）共沉積法：在激光照射同時將合金粉末送入。23精選課件ppt激光表面合金化應(yīng)用（1）鐵基金屬將Cr、Ni等金屬在碳鋼表面激光合金化，在金屬表面形成表面鈍化膜；Mo在金屬表面形成減摩膜（2）有色金屬將Ni金屬表面激光合金化Au，電接觸點；Ti金屬表面激光合金化Pd,降低Ti金屬在還原酸中腐蝕速率；Cu表面激光合金化Cr，形成氧化膜；Al金屬表面激光合金化Si,提高表面硬度（3）金屬硅化物將Pt、Pd、Ni等合金化到Si表面，形成金屬觸點24精選課件ppt4激光表面熔覆在金屬基體表面上預(yù)涂一層金屬、合金或陶瓷粉末，在進行激光重熔時，控制能量輸入?yún)?shù)，使添加層熔化并使基體表面層微熔，從而達到一外加的熔覆層。（1）自溶合金粉末（Ni、Fe、Co、Cu基）（2）陶瓷粉末（碳化鎢、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鉻、氮化硼等）（3）熔覆基體——碳鋼和有色金屬25精選課件ppt5激光表面非晶化（激光上釉）利用激光手段在金屬表面上制得一非晶層。

非晶態(tài)與晶體相比，強度、韌性、硬度、導(dǎo)磁、耐腐蝕性均獲得明顯提高。如對Fe-P-Si合金，2.1%C-12%Cr合金激光處理獲得非晶層,但不是所有金屬都能獲得非晶體.美國F-15戰(zhàn)斗機的F100型發(fā)動機渦輪盤激光制備非晶層，使其重量減少50%。26精選課件ppt6激光表面納米化利用激光束照射金屬表面，獲得納米組織，或形成表面納米覆層。此項工作屬國際前沿科研項目，目前正在進行科學(xué)研究。7激光退火對于半導(dǎo)體材料（硅片、砷化鎵），當(dāng)某種工藝（如離子注入出現(xiàn)晶格缺陷，失去電子活性），激光退火可以消除缺陷，使晶體結(jié)構(gòu)有序化。美國的半導(dǎo)體太陽能生產(chǎn)線均采用此項工藝。8激光沖擊硬化利用107W/mm2以上高功率密度脈沖激光照射金屬表面，使金屬表面劇烈氣化，形成的沖擊波（104Mpa）反作用表面使其硬化。27精選課件ppt一）真空熱處理1、金屬在真空中的加熱2、金屬在真空中的冷卻3、真空熱處理工藝真空退火真空淬火及回火真空滲碳4、真空熱處理后鋼的機械性能5、真空熱處理時應(yīng)注意的問題三、少無氧化熱處理減少鋼的氧化燒損、減少鋼的脫碳的熱處理工藝。28精選課件ppt減少鋼的氧化燒損、減少鋼的脫碳的熱處理工藝。鋼在幾種氣氛中的氧化和脫碳空氣：氧化：Fe+O2FeOFe2O3Fe3O4脫碳：C+O2CO2CO-CO2：

氧化—還原：3Fe+4CO2Fe3O4+CO

脫碳—增碳：

C+CO22CO

Fe3C+CO2Fe+2CO

三、少無氧化熱處理二）可控氣氛熱處理不可控29精選課件ppt

H2-H2O：

氧化—還原：Fe+H2OFeO+H2

脫碳—增碳：

Fe3C+H2O

3Fe+CO+H2

H2-CH4：

脫碳—增碳：C+2H2CH4

Fe3C+2H23Fe+CH4

30精選課件ppt

Fe3O4+H2Fe+H2O還原Fe3O4+

H2

Fe+

H2O氧化Fe3O4+COFe+CO2還原

Fe3O4+COFe+CO2氧化

T2

T1T/℃A-A’B-B’氣體比例可控氣氛無氧化加熱原理一般燃料制備的氣氛多為CO-CO2-H2-H2O混合氣體,因此必須考慮Fe+CO2

=FeO+CO和Fe+H2O

=FeO+H2的綜合影響.①④③②C-C’

T3

31精選課件ppt一般地：燃料氣氛中多為CO-CO2-H2-H2O的混合氣體。必然存在兩個反應(yīng)：

曲線左側(cè)為還原區(qū)，右側(cè)為氧化區(qū)

曲線左側(cè)為還原區(qū)，右側(cè)為氧化區(qū)A-A’線：氣氛H2O/H2為固定值，當(dāng)T＞T1是還原區(qū)，T＜T1是氧化區(qū)；因此冷卻氧化。C-C’線：氣氛CO2/CO為固定值，當(dāng)T＞T3是氧化區(qū)，T＜T3是還原區(qū)；因此加熱氧化。FeO+H2

Fe+H2O

FeO+COFe+CO232精選課件pptB-B’線：氣氛H2O/H2中加入氣氛CO2/CO的混合氣氛時，

T＞T3前，CO2/CO氣氛使鋼處于輕微氧化，但H2O/H2使鋼處于還原區(qū)被保護，還原作用大于氧化，因此高溫控制CO2

、增加H2

，有利減少鋼的氧化。

T＜T3后，CO2/CO氣氛使鋼處于還原，但H2O/H2使鋼處于氧化，還原作用大于氧化，因此低溫控制H2O、增加CO，有利減少鋼的氧化。這樣可以獲得光亮熱處理。33精選課件ppt四、表面離子注入將幾萬到幾十萬電子伏特的高能離子流注入到固體材料表面,從而使材料表面的機械、物理、化學(xué)性能發(fā)生變化。1離子注入改性機理（1）損傷強化離子注入使晶格大量損傷，晶格原子發(fā)生位移，形成空位—間隙原子對，隨后又撞擊其它晶格原子，形成損傷區(qū)，使金屬長程有序變?yōu)槎坛逃行?，甚至非晶態(tài)，空位集結(jié)在位錯周圍，產(chǎn)生釘扎強化。（2）摻雜強化N、B等被注入金屬后，會形成金屬化合物嵌于材料中，構(gòu)成硬質(zhì)合金彌散強化相。（3）噴丸強化（4）增強氧化膜、提高潤滑性離子注入促進粘附性表面氧化物生長，減少摩擦系數(shù)。34精選課件ppt2離子注入應(yīng)用（1）減少表面摩擦力注入離子對位錯阻礙，使摩擦副表面邊得更脆；注入離子使表面氧化膜更易形成。（2）提高表面抗磨損性（3）提高表面耐腐蝕性利用鈍化、氧化膜理論，使注入離子能形成鈍化膜、氧化膜，從而實現(xiàn)防腐蝕35精選課件ppt五、表面電子束技術(shù)電子束射到材料表面會同材料的原子核和電子發(fā)生交互作用，通過與基體的電子碰撞傳遞能量，改變材料表面原子點陣實現(xiàn)表面強化．（電子與原子核之間為彈性碰撞）1電子束強化特點原則上電子束改性與激光具有大致相同的特點.兩者差別:(1)能量利用率:金屬對激光吸收率低,而對電子束吸收率非常高,甚至高達99%,因此電子束具有更高的能量密度(比激光高一個數(shù)量級)(2)能量透入深度:激光的透入深度很小(0.1