表面工程学三表面淬火.ppt

第四章表面淬火和表面形变强化 热处理的4种工艺 退火 正火 淬火 回火 热处理知识 复习 热处理的本质 通过改变组织达到改善金属的机械性能 热处理的4个工艺参数 加热速度 加热温度 保温时间 冷却速度 一 表面淬火技术的原理1表面淬火用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3 亚共析钢 或Ac1 过共析钢 以上 随后快速冷却 使钢铁表层发生马氏体相变 生成硬化层 第一节表面淬火技术的原理与特点 2表面淬火的分类 一般按加热源的名称分类 火焰表面淬火 高频感应表面淬火 等离子弧表面淬火 激光表面淬火 电阻表面淬火 一般用于处理中碳调质钢和球墨铸铁 3适合表面淬火的金属材料 加热速度越快 奥氏体晶粒越细 硬度越高 二 表面淬火与常规淬火的区别 1 快速加热使奥氏体成分不均匀 易形成贫碳的奥氏体 合金元素也难实现成分均匀化 表面淬火与常规淬火的区别 2 提高加热速度将使Ac3与Acm线上移 可以防止过热 1 奥氏体中未溶碳化物和高碳偏聚区的存在将促进过冷奥氏体分解 使奥氏体转变孕育期缩短 C曲线向左移动 表面淬火与常规淬火的区别 3 不均匀的奥氏体在冷却过程对过冷奥氏体转变及转变产物产生很大影响 2 亚共析钢中原铁素体领域形成低碳奥氏体 原珠光体领域形成高碳奥氏体 两种奥氏体在淬火后分别得到低碳马氏体及高碳马氏体 表面淬火与常规淬火的区别 4 4快速加热淬火后的回火温度一般应比普通回火温度略低 表面淬火与常规淬火的区别 5 1表面淬火层的组织和硬度分布表面淬火层分为 1 淬硬区 完全相变区 2 过渡区 部分相变区 3 心部区 无相变区 三 表面淬火层的组织和性能 45钢的淬硬区组织为马氏体 过渡区组织为马氏体 铁素体 心部组织为珠光体 铁素体 硬化层的厚度可用金相法和硬度法测定 表面淬火层的组织和硬度分布 硬度法测定硬化层的厚度 金相法测定硬化层的厚度 1 表面硬度 经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通淬火高2 5个HRC 这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余压应力 2表面淬火层的性能 1 2 耐磨性 高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高 这是由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小 碳化物高度弥散 淬硬层硬度和强度都比较高 表面淬火层的性能 2 3 疲劳强度 高频淬火可显著提高零件的疲劳强度 这是由于表面产生的压应力可以抑制裂纹的萌生和扩展 使其缺口敏感性下降 表面淬火层的性能 3 一 感应加热淬火基本原理铁制零件在高频交变磁场中 铁的内部将产生很大的感应电流 电流在金属体内自行闭合 称为涡流 由于工件阻抗很小 涡流很大 受集肤效应的影响 越靠近工件表面电流越大 感应电流快速将零件的表面加热到Ac3或Acm以上 快速冷却后即可在零件表层获得马氏体组织 第二节感应加热淬火技术 在理想状态下 单匝感应圈加热1厘米高的柱形工件表面吸收功率P式中R0 工件直径mm I 感应圈内电流A 钢的电阻率 磁导率 f 频率 f 1 2为吸收因子 电流 涡流 导入深度与 f的关系是mm感应加热频率越高 淬硬层越浅 但加热速度越快 一 感应加热淬火技术的基本原理 1 感应加热频率与淬硬层的关系 磁导率 和电阻率 又与工件的温度有关 在Ac1以上 770 磁导率 几乎降至为零 这样钢中电流导入深度可简化为20 时 mm800 时 mm所以温度越高 加热速度越慢 避免了表面过热 图4 3钢的磁导率 电阻率与加热温度的关系 感应加热淬火技术的基本原理 3 以齿轮加工为例锻打毛坯 正火处理 220HB 粗加工 调质处理 250HB 精加工 滚齿 感应加热淬火 回火 55HRC 磨削 二 感应加热表面淬火工艺流程 齿轮高频淬火 热效率高 加热时间短 工件表面氧化 脱碳比较轻 变形小 比普通热处理具有更优异的机械性能 设备易于实现机械化自动生产 生产效率高 零件棱边易过热 形状复杂的零件难以保证温度均匀 设备投资较大 三 感应加热的优缺点 高频感应加热装置 电子管式 电子管式高频感应加热电路图 晶体管式高频感应加热设备 晶体管式高频感应加热示例 超高频感应加热淬火利用27 12MHz超高频率的极强的趋肤效应使0 05mm 0 5mm的零件表层在极短的时间内加热 然后靠自身迅速冷却 达到淬火目的 特点 变形量较小 不必回火 主要用于小 薄的零件 可明显提高质量 降低成本 四 感应加热淬火新技术 1 普通高频淬火和超高频淬火比较 2双频感应加热淬火对于凹凸不平的工件可采用两种频率交替加热 较高频率加热时 凸出部位温度较高 较低频率加热时 低凹部位温度较高 这样可达到均匀硬化的目的 感应加热淬火新技术 2 3超音频感应加热淬火采用20kHz 50kHz的频率 超音频波 感应加热淬火可解决凹凸不平工件表面淬硬层不均匀的问题 感应加热淬火示例 DieHardening Inductionhardeningofformingtool Volvo DieHardening DieHardening DieHardening Finalresult DieHardening DieHardening DieHardening 第三节火焰表面加热淬火技术 flamesurfacehardening 用火焰将工件表面快速加热到Ac3或Acm以上 然后用水快速冷却 以在表层获得马氏体组织 分焰心1 内焰2和外焰3三个区 内焰温度最高 有较大的温度梯度 根据氧与乙炔的比例不同 氧 乙炔焰还可分为氧化焰 还原焰 中性焰三种 1火焰加热的特点 要有较高的发热值 来源容易 价格低廉 贮存和使用安全可靠 污染小 2火焰加热淬火用燃料 1 旋转法 火焰喷嘴或工件旋转 适合中小型工件 3火焰加热淬火方法 1 为了使工件表面加热均匀 可采取如下方法 2 推进法 工件和火焰喷嘴做相对移动 适合导轨 大齿轮等工件 火焰加热淬火方法 2 3 联合法 旋转推进法 使火焰喷嘴及冷却装置沿着转动的工件作相对移动 适合长轴类工件 火焰加热淬火方法 3 单位时间消耗的燃气越多 加热速度越快 火焰停留的时间越长 表面温度越高 火焰停留时间越长淬硬层越厚 淬硬层深度还和钢的淬透性 工件比表面积大小有关 4影响火焰表面淬火硬化层的工艺因素 硬化层较厚 硬度梯度较平缓 耐磨性好 5火焰加热表面淬火的优缺点 1 投资少 简单易行 处理费用低 大小零件均可处理 能实现自动化操作 温度均匀性差 难以控温 质量波动大 因有软带的问题 只能进行局部淬火 5火焰加热表面淬火的优缺点 2 表面淬火中的软带问题 特大轴承表面淬火的软带问题 利用高能束 激光束 电子束 等离子束 在被处理工件表面的能量转换加热工件 使其快速加热到Ac3或Acm相变温度以上 然后利用自身快速冷却 在材料表面获得硬化层 第四节高能束表面淬火技术 第七章气相沉积技术 5 4 1高能束表面改性 高能束的共同特征是 供给材料表面的功率密度 103W cm2 特点 1 功率密度高 作用时间短 易于获得亚稳态组织 2 非接触式加热 热应力小 3 可控性好 易于传输 处理环境清洁 污染少 激光体 2 光泵浦能量 3 反射镜 4 输出功率藕合器 5 激光束 通过辐射线的受激放射达到光的放大 简称激光 主要特点 1 高单色性2 高方向性3 高亮度 激光束 51 1960年在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室 西奥多 梅曼 TheodoreMaiman 设计和建造了一台小型的激光发生器 他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上 产生了第一束激光 激光时代由此开启 从此和人们的生活息息相关 梅曼的实验显示 闪光灯发出的足以致盲的强光可以使红宝石棒充能 这些能量随后以纯粹的红色光脉冲的形式释放 这些相干光有恒定的相位差 就像是列队前进的士兵们 52 随着激光的诞生 军事机构和小说家看到射线枪能够成为现实 就开始着手打造激光武器 1964年 007电影 金手指 中大反派 金手指 奥瑞克威胁詹姆斯 邦德 要用激光将他锯成两半 这在当时 还是纯粹的幻想 53 埃米特 利斯 EmmettLeith 和朱瑞斯 乌帕特尼克斯 JurisUpatnieks 在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造 发明了第一个不需要特制眼镜就能看到的三维图像 他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上 其中一束激光先被从被摄物体上反射开来 然后再与另一束会合 在感光片上成像 用一束与成像时相同方向的激光照射感光片 就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像 这张玩具火车图是这两位科学家在密歇根大学的威洛 鲁恩实验室第一次记录的全息图 54 最初时 激光的色彩是相当有限的 氦氖激光器和红宝石发出红光 其他激光器则产生不可见的红外线 人们借助离子激光器第一次实现了如彩虹般的七彩激光 它通过在氩或氪中的高压放电产生激光 氩气产生蓝色和绿色的光 氪产生其他几种颜色 两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色 梦幻的激光秀从此诞生 55 激光技术第一次走进日常生活 是美国超市使用发出红色氦氖激光的条形码扫描枪实现收款自动化 若尔斯 阿尔费罗夫 ZhoresAlferovand 和赫伯特 克勒默 HerbertKroemer 改进了制作半导体二极管激光器的方法 让激光真正地无处不在 这两位科学家因此获得了2000年的诺贝尔物理奖 图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比 如今 这样的芯片随处可见 比如说CD播放器 蓝光播放器 红色激光笔并构成了全球电信网络的骨干 56 在工业上 激光被用作永远不会变钝的锯和钻头 最初人们使用激光来加工硬度很高的材料 如钻石 或非常柔软的材料 例如婴儿奶瓶的奶嘴 低功率激光可以切割和焊接塑料 高功率激光可以切割和焊接金属 早期的工业激光器 必须要有非常庞大的体形 才能产生足够的能量 但新型固态激光器却非常小巧 给人印象深刻 如今一段细光纤或几分之一毫米厚 扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量 足以切开几厘米厚的金属片 57 激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术 无需要切开眼球 早在1962年 一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接 使他恢复了视力 更大的成功在1968年到来 外科医生弗朗西斯 莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激光器破坏异常的血管 以避免这些血管在视网膜中扩散 这种病症后果非常严重 会导致糖尿病人失明 这种治疗方法已经挽救了数百万人的视力 如今 激光也被用来切割角膜 以矫正视力 或者消除胎记和刺青 58 很久以来可控核聚变都是人们最理想的清洁能源产生方式 1962年 在加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室 物理学家约翰 纳科尔斯 JohnNuckolls 提出用激光脉冲加热和压缩重氢同位素块来实现可控核聚变 自此之后 劳伦斯利弗莫尔实验室一直追寻着这个理念 他们使用的激光器也越来越大 终于在美国国家点火装置 NationalIgnitionFacility 中达到巅峰 这是一个复杂的系统 可以同时发出192束激光 去年 在十亿分之几秒的时间内 产生了能量达到100万焦耳的激光脉冲 使之成为有史以来能量最强的激光器 国家点火装置是美国科学家研制的 世界最大的激光核聚变装置 据悉 这个被称为 人造太阳 的装置能产生类似恒星内核温度和压力 使美国在无需核试的情况下保持核威慑力 电子束 电子速度取决于加速电压的高低 一般可达到光速的2 3左右电子束加热时 能量的传递主要通过电子与材料的电子碰撞来实现 入射电子束动能大约有75 可以直接转化为热能 在高真空度工作室 1 33 10 1 1 33 10 4Pa 进行 加速电压可调节范围很宽 适用面广电子束传输距离长 适合于大型工件电子束斑可以很大 可达20 20mm2 离子束 基本过程 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电离子在强电场中加速 获得较高的动能后 射入材料表层 靶 以改变这种材料表层的物理或化学性质 源 Source 一般采用气体源 如BF3 BCl3 PH3 ASH3等 如用固体或液体做源材料 一般先加热 得到它们的蒸汽 再导入放电区 离子源 IonSource 灯丝 filament 发出的自由电子在电磁场作用下 获得足够的能量后撞击源分子或原子 使它们电离成离子 再经吸极吸出 由初聚焦系统聚成离子束 射向磁分析器 气体源 BF3 AsH3 PH3 Ar GeH4 O2 N2 离子源 As Ga Ge Sb P 离子注入过程是一个非平衡过程 高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞 逐步损失能量 最后停下来 停下来的位置是随机的 大部分不在晶格上 因而没有电活性 激光淬火过程 将104 105W cm2高功率密度的激光束作用在工件表面 以105 106 s的加热速度将工件表面迅速升温至相变点以上 然后依靠冷态基体以105 s的速度自冷淬火 一 激光表面淬火 2激光淬火设备 工业上常用的激光发生器有横流CO2和YG两种 主要工业用激光器 1 与基体力学性能有关的热处理 被处理金属的原始组织对激光淬硬层的硬度和深度都有影响 3材料表面预处理 2 提高零件表面激光吸收率的黑化处理 80 的激光被平整金属表面反射 黑化处理可以增加激光吸收率 黑化处理的方法有 涂碳素墨汁 磷化处理 氧化处理或激光专用黑色涂料 相变硬化层的深度H与工艺参数的关系为 4激光淬火的工艺参数 激光淬火适用范围 硬化层深度 0 75mm 宽度 1 2mm 表面硬化效率80 85mm2 min 一般激光表面淬火功率为1 6kw cm2 激光淬火主要工艺参数有激光功率P 光斑直径D和扫描速度v 1 激光淬火组织相变硬化区 极细的马氏体 过渡区 为复杂的多相组织 基体 原始的基体组织 5激光淬硬层的组织和性能 图4 745钢表面激光淬火区横截面金相组织 图4 845钢激光淬火区显微硬度与淬硬层深度的关系 2 激光淬硬层的硬度 1 激光淬硬层的硬度 2 因极快速的加热和冷却 致使激光淬硬层的硬度比常规淬火高15 20 淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关 3 激光淬硬层的耐磨性 淬硬层组织细化 硬度比常规淬火高15 20 耐磨性提高1 10倍 能精确控制硬化层深度 工件变形小 表面无氧化脱碳 只要激光能照射到的部位都可实现表面硬化处理 加热速度快 自动化程度 生产效率高 需对工件表面进行预处理 以增加工件吸收激光的能力 设备较贵 6激光淬火的特点 四 激光表面淬火技术在汽车制造行业中的应用 缸套的网纹淬火 激光表面淬火实例 激光束将基材表面快速加热到熔化温度以上 由基材内部传热冷却而使熔化层表面快速冷凝结晶的表面处理工艺技术 工件横截面沿深度方向的组织依次为 熔凝层 相变硬化层 热影响区和基材 熔凝层为铸态组织 也可能出现非晶态组织 二 激光表面熔凝技术 1 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 熔凝层为碳含量很高的白口铸铁 显微硬度可以高达1000 1100HV 耐磨性非常优越 激光表面熔凝技术 2 激光熔凝层比激光淬火层的硬化层深 硬度高 耐磨性更好 缺点是基材表面的粗糙度较大 需精加工后才能使用 类似于激光表面淬火技术 工件对电子束的吸收能力大于激光束 所以淬硬层深度高于激光淬火 电子束淬火必须在真空环境下进行 设备投入大 还要防止x射线辐射 所以应用范围受到限制 四 电子束表面淬火 略 补充内容 等离子弧加热表面淬火技术 直流等离子弧示意图 直流等离子弧功率大 电弧温度高 弧焰流速快 能量集中 等离子弧温度 弧焰流速 1直流热等离子弧 转移弧 加热效率高 常用于等离子焊接和切割 非转移弧 工件不接电 加热效率低 常用于等离子喷涂 等离子弧表面淬火 联合弧 电弧稳定 常用于等离子喷焊 2直流等离子弧分类 利用等离子弧将工件快速加热到Ac3或Acm相变温度以上 然后靠基体本身冷却 小功率 或边加热边用水冷却 大功率 淬火 3等离子弧加热表面淬火 4多功能等离子弧加热设备 2 等离子枪结构图 加热速度快 处理效率高 处理表面无氧化 质量高 不适合整个平面硬化处理 比激光淬火装置投资少 约8万元 套 4等离子弧加热表面淬火特点 等离子弧淬火技术在80年代后开始获得应用 如处理缸套 曲轴等 5等离子束加热表面淬火的应用 1电阻加热表面淬火技术 1 电接触加热法 电极工件之间通低压大电流 利用电流产生电阻热加热工件表面 然后用水冷却淬火 如机床导轨表面硬化处理 第五节电阻加热表面淬火技术 1 利用电接触界面之间低压大电流产生的电阻热快速加热到相变温度以上并淬火的工艺方法 2 电解液加热法 工件 阴极 置入电解质液 阳极 中 在电解作用下工件表面与电解质之间形成一层电阻较大的氢气膜 当电流流过时将工件表面快速加热 然后断电 让工件在电解质中淬火 电阻加热表面淬火技术 2 电阻加热表面淬火技术特点 工艺简单 设备费用低 工件变形小 但不易处理形状复杂的工件 第六节几种典型表面淬火工艺的特点比较 一 喷丸强化技术1喷丸强化技术原理小弹丸高速射向金属工件表面 使金属表层发生塑性变形并产生大量的位错和较大的残余压应力 从