1、4 4 表面淬火和表面形变强化技术表面淬火和表面形变强化技术教学目的和要求教学目的和要求 掌握表面淬火和表面形变强化技术的主要种类，工艺、掌握表面淬火和表面形变强化技术的主要种类，工艺、组织和性能特点。组织和性能特点。重点：感应加热淬火、激光淬火、喷丸强化技术重点：感应加热淬火、激光淬火、喷丸强化技术 前言：前言：n表面淬火和表面形变强化技术是表面淬火和表面形变强化技术是不需要外加其它材料，主要依靠材不需要外加其它材料，主要依靠材料自身组织与结构转变料自身组织与结构转变来进行表面改性的表面工程技术。来进行表面改性的表面工程技术。n工艺简单、效果显著、应用广泛。工艺简单、效果显著、应用广泛。4.
2、1 表面淬火技术的原理与特点表面淬火技术的原理与特点 一、表面淬火技术的原理与分类一、表面淬火技术的原理与分类n定义：用特定热源将钢铁材料表面快速加热到定义：用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3(对亚共析钢对亚共析钢)或者或者Ac1(对过共析钢对过共析钢)之上之上(奥氏体化奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生，然后使其快速冷却并发生马氏体马氏体相变，相变，形成表面强化层的工艺过程。形成表面强化层的工艺过程。n种类：感应加热淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火等。种类：感应加热淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火等。n适用对象：中碳钢、球墨铸铁（适用对象：中碳钢、球墨铸铁（C含量：含量：0.3
3、51.20wt%）二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别 高加热速度、高冷却速度高加热速度、高冷却速度n晶粒细化、硬度提高晶粒细化、硬度提高 n显微硬度显微硬度微观微观分布不均匀分布不均匀 需预先热处理需预先热处理三、表面淬火层的组织与性能三、表面淬火层的组织与性能n组织：组织：淬硬区、过渡区、心部组织淬硬区、过渡区、心部组织(基材基材)M、M+F/M+P、P/P+Fn性能：性能：高硬度、压应力高硬度、压应力4.2 感应加热淬火技术感应加热淬火技术一、感应加热淬火技术的基本原理一、感应加热淬火技术的基本原理 感应加热淬火技术是应用感应加热淬火技术是应用最最广泛
4、的表面淬火技术。广泛的表面淬火技术。n基本过程基本过程(定义定义)：工件在感应线圈中，在工件在感应线圈中，在高频高频交流磁场的作用下，交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并因集肤效应而集中分布产生很大的感应电流，并因集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度温度Ac3或或Acm之上之上(奥氏体化奥氏体化)，然后在冷却介质，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表层获得中快速冷却，使工件表层获得马氏体马氏体。n基本原理：基本原理：吸收功率吸收功率P 电流导入深度电流导入深度n加热方式：加热方式：连续加热连续加热 同时加热同时加热n特点：
5、特点：(优点优点)加热迅速、热效率高、过渡区较窄、淬火层压应力大；加热迅速、热效率高、过渡区较窄、淬火层压应力大；可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度。可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度。(缺点缺点)设备成本较高；设备成本较高；尖角效应尖角效应 一般只适合形状简单的零件。一般只适合形状简单的零件。n改进：改进：高频感应冲击淬火高频感应冲击淬火n淬硬层深度与频率的关系：淬硬层深度与频率的关系：工频工频 10-15mm 中频中频 2-5mm 高频高频 0.2-2mm 三、感应加热淬火工艺流程三、感应加热淬火工艺流程4.3 火焰加热表面淬火技术火焰加热表面淬火技术 火焰加热表面淬火技术
6、是火焰加热表面淬火技术是应用历史最长应用历史最长的表面淬火技术之一。的表面淬火技术之一。n定义：定义：将高温将高温火焰火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件或燃烧着的炽热气体喷向工件表面表面，使其迅速加热，使其迅速加热到淬火温度，然后在一定淬火介质中冷却。到淬火温度，然后在一定淬火介质中冷却。n特点：特点：(优点优点)设备费用低，方法灵活，简便易行，可对大型零件局部设备费用低，方法灵活，简便易行，可对大型零件局部实现表面淬火。实现表面淬火。(缺点缺点)生产效率低，淬硬层的均匀性较差，质量控制比较困难。生产效率低，淬硬层的均匀性较差，质量控制比较困难。n组织特征：组织特征：过渡区较宽。过渡区较宽。4.4
7、 激光淬火与电子束淬火技术激光淬火与电子束淬火技术一、激光淬火技术的原理与应用一、激光淬火技术的原理与应用n定义：定义：(激光相变硬化激光相变硬化)是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。(自激冷淬火、自淬火自激冷淬火、自淬火)n组织与性能特征：组织与性能特征：淬硬区、过渡区、心部组织淬硬区、过渡区
8、、心部组织(基材基材)单道硬化区域小单道硬化区域小 硬度大幅度提高、硬度大幅度提高、硬度分布不均匀硬度分布不均匀淬硬区淬硬区过渡区过渡区基材基材n影响淬硬层性能的主要因素：影响淬硬层性能的主要因素：(1)材料成分材料成分 淬硬性和淬透性淬硬性和淬透性 (2)激光工艺参数激光工艺参数 淬火层宽度：光斑直径淬火层宽度：光斑直径D 淬硬层深度淬硬层深度H：HP/(Dv)P/(Dv)_比能量比能量 (3)表面预处理状态表面预处理状态 表面组织准备：较细的表面组织表面组织准备：较细的表面组织(细片状珠光体、回火马氏体细片状珠光体、回火马氏体 或奥氏体或奥氏体)表面表面“黑化黑化”处理：磷化法、氧化法、喷
9、刷涂料法处理：磷化法、氧化法、喷刷涂料法n特点：特点：(1)优点优点 淬火硬度高淬火硬度高，能量密度高，加热速度快，不需要淬火介质，工件变形小，能量密度高，加热速度快，不需要淬火介质，工件变形小，加热层深度和加热轨迹易于控制加热层深度和加热轨迹易于控制(淬火部位可控淬火部位可控)，无氧化、无污染，易于实，无氧化、无污染，易于实现自动化。现自动化。(2)缺点缺点 硬度分布不均匀，硬度分布不均匀，单道激光淬火区域小，大面积淬火时容易产生回火软单道激光淬火区域小，大面积淬火时容易产生回火软带。带。设备成本高、生产成本较高（能量转换效率低）。设备成本高、生产成本较高（能量转换效率低）。二、激光表面熔凝
10、技术原理二、激光表面熔凝技术原理n定义：定义：采用激光束将基材表面加热到采用激光束将基材表面加热到熔化熔化温度以上，当激光束移开后由温度以上，当激光束移开后由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固凝固结晶的表面处结晶的表面处理工艺。理工艺。(液相淬火法液相淬火法)n关键：关键：使材料表面经历了一个使材料表面经历了一个快速快速熔化一凝固过程熔化一凝固过程n组织：组织：熔凝层熔凝层(铸态组织铸态组织)相变硬化层相变硬化层 热影响区热影响区 基材基材n性能特点性能特点(与激光淬火层相比与激光淬火层相比)：总总硬化层深度更深，硬度更高、耐磨性更好硬化层
11、深度更深，硬度更高、耐磨性更好n缺点：缺点：表面粗糙度较大，后续加工量大表面粗糙度较大，后续加工量大且加工难度高且加工难度高。激光熔凝处理特别适合于灰口铸铁和球墨铸铁的表面强化。激光熔凝处理特别适合于灰口铸铁和球墨铸铁的表面强化。n对于一些对于一些特定成分特定成分的材料来说，激光熔凝处理可以得到非晶态层，的材料来说，激光熔凝处理可以得到非晶态层，使基材表面的耐磨性、耐蚀性大幅度提高。使基材表面的耐磨性、耐蚀性大幅度提高。(激光上釉激光上釉)n激光熔凝技术还可以用来细化金属材料的表面组织。激光熔凝技术还可以用来细化金属材料的表面组织。三、激光冲击淬火技术三、激光冲击淬火技术n定义：定义：采用功率
12、密度采用功率密度极高极高的激光束的激光束(107W/cm2以上以上)在极短时间内在极短时间内(低于低于1ms)作用于金属表面，使金属表面发生局部剧烈作用于金属表面，使金属表面发生局部剧烈蒸发蒸发，产生高达，产生高达105atm的压力，该压力使金属表面发生强烈的塑性变形，形成高密的压力，该压力使金属表面发生强烈的塑性变形，形成高密度的位错、孪晶，使材料表面强度与硬度度的位错、孪晶，使材料表面强度与硬度显著提高显著提高。n特点：特点：(优点优点)适合那些无法通过相变硬化进行表面强化的材料等。适合那些无法通过相变硬化进行表面强化的材料等。(缺点缺点)所需要的能量密度过高，加工成本太高。所需要的能量密
13、度过高，加工成本太高。四、激光淬火技术的工业应用四、激光淬火技术的工业应用主要应用于局部表面强化主要应用于局部表面强化。五、电子束淬火技术五、电子束淬火技术n定义：定义：采用高能密度电子束对材料表面进行相变硬化的热处理工艺。采用高能密度电子束对材料表面进行相变硬化的热处理工艺。n特点：特点：与激光淬火类似与激光淬火类似 淬硬层深度更高，无氧化、无污染淬硬层深度更高，无氧化、无污染 必须在真空环境下进行必须在真空环境下进行n电子束淬火技术逐步被激光淬火技术所取代，工业应用较少。电子束淬火技术逐步被激光淬火技术所取代，工业应用较少。4.5 电阻加热表面淬火技术电阻加热表面淬火技术n定义：定义：在工
14、件中通以在工件中通以低压大电流低压大电流，利用工件表面或紧靠工件表面的周围，利用工件表面或紧靠工件表面的周围介质中形成介质中形成高电阻高电阻而产生的热效应将工件表面快速加热到相变温度而产生的热效应将工件表面快速加热到相变温度以上并淬火的工艺方法。以上并淬火的工艺方法。n种类：种类：电接触加热法电接触加热法 电解液加热法电解液加热法n特点：特点：(优点优点)工艺简单，设备费用低，工件变形小。工艺简单，设备费用低，工件变形小。(缺点缺点)淬硬层薄，对形状复杂、尺寸很大的工件不适用淬硬层薄，对形状复杂、尺寸很大的工件不适用。均为自淬火均为自淬火4.6 几种典型表面淬火工艺的特点比较几种典型表面淬火工
15、艺的特点比较感应加热淬火一直是应用最为广泛的表面淬火工艺。感应加热淬火一直是应用最为广泛的表面淬火工艺。激光淬火应用越来越多。激光淬火应用越来越多。4.7 表面形变强化技术表面形变强化技术一、受控喷丸强化技术一、受控喷丸强化技术1受控喷丸技术原理受控喷丸技术原理n定义：定义：是利用高速喷射的细小弹丸在是利用高速喷射的细小弹丸在室温室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料下撞击受喷工件的表面，使表层材料在在再结晶温度再结晶温度之下之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力压应力，从而提高，从而提高工件表面强度、工件表面强度、疲劳强疲劳强度度和和抗应力腐蚀抗应力腐蚀
16、能力的表面工程技术。能力的表面工程技术。(喷丸喷丸强化强化技技术术)n基本原理：基本原理：工件表面吸收高速运动弹丸的动能后产生塑性流变和加工硬化，同时使工件表面吸收高速运动弹丸的动能后产生塑性流变和加工硬化，同时使工件表面保留残余工件表面保留残余压压应力。应力。n工艺工艺(设备设备)种类：种类：叶轮式叶轮式 压缩空气式压缩空气式 (干喷式和湿喷式干喷式和湿喷式)n弹丸种类：弹丸种类：铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸等铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸等。2受控喷丸对材料表面形貌受控喷丸对材料表面形貌 与性能的影响与性能的影响 (1)对材料表面硬度的影响对材
17、料表面硬度的影响 表面硬度可大幅度提高。表面硬度可大幅度提高。(2)对表面粗糙度的影响对表面粗糙度的影响 表面粗糙度对其疲劳寿命影响很大，降低表面粗糙度可以增加零件的疲劳强度。表面粗糙度对其疲劳寿命影响很大，降低表面粗糙度可以增加零件的疲劳强度。受控喷丸以后的表面痕迹没有方向性，有利于增加零件的疲劳强度。受控喷丸以后的表面痕迹没有方向性，有利于增加零件的疲劳强度。(3)对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响 可大幅度提高疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。可大幅度提高疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。3 3受控喷丸技术的典型应用受控喷丸技术的典型应用 主要应用于那些需要改善疲劳强度和抗
18、应力腐蚀能力零件上。主要应用于那些需要改善疲劳强度和抗应力腐蚀能力零件上。二、表面滚压技术二、表面滚压技术n定义：定义：在一定的压力下用辊轮、滚球或者辊轴对被加工零件表面进行在一定的压力下用辊轮、滚球或者辊轴对被加工零件表面进行滚滚压压或或挤压挤压，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程。，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程。n基本原理：基本原理：(与喷丸强化相似与喷丸强化相似)由于塑性变形产生加工硬化，并产生很大的残余由于塑性变形产生加工硬化，并产生很大的残余压压应力。应力。n特点：特点：(优点优点)表面改性层的最大深度达表面改性层的最大深度达5mm以上，能较大幅度地改善材以上，能较大幅度地改善材料表面的疲劳寿命、抗应力腐蚀能力。料表面的疲劳寿命、抗应力腐蚀能力。(缺点缺点)只适合一些形状简单的零件只适合一些形状简单的零件(平板类、轴类和沟槽类等平板类、轴类和沟槽类等)。思考题思考题n对比分析火焰加热表面淬火技术、感应加热表面淬火技术和激光对比分析火焰加热表面淬火技术、感应加热表面淬火技术和激光淬火技术的基本工作原理及主要特点淬火技术的基本工作原理及主要特点(包括能量密度、冷却方式、包括能量密度、冷却方式、组织性能特点、主要局限性等组织性能特点、主要局限性等)。
