第4~5章表面淬火

1、第45章表面淬火 第4章 表面淬火和表面形变强化技术 n4.1 表面淬火 n4.2 表面形变强化技术 第45章表面淬火 第4章 表面淬火和表面形变强化技术 n思考题： 表面淬火与普通淬火相比有什么特点？ 例举表面淬火的几种不同工艺方法，并说明基 本原理。 感应加热表面淬火的工作原理和特点是什么？ 喷丸强化和滚压强化的原理是什么？它们各自 的应用范围是什么？ 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n表面淬火的基本原理：表面淬火的基本原理： 表面淬火也就是表面热处理，是指仅对零 部件表层快速加热、冷却，从而改变表层组织 和性能而不改变成分的一种工艺，即通过表面 层的相变达到强化工件表面的目的。 工件

2、表面淬火后的组织：淬硬区（马氏体）、过 渡区（马氏体加自由铁素体）和原始组织 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n表面淬火的应用：表面淬火的应用： 承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件， 要求表面层承受比心部更高的应力或耐磨性， 需对工件表面提出强化要求，适于含碳量 We=0.400.50%钢材。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n表面淬火的特点：表面淬火的特点： 硬度值比普通淬火后的要高 ，耐磨性更好 ； 需要进行预先热处理 ，以便于快速加热时奥 氏体均匀化； 可以在表面产生压应力 ，能大幅度提高轴类 零件的疲劳强度并使其缺口敏感性下降。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n根据表面淬

3、火的热源不同，可以将其分为根据表面淬火的热源不同，可以将其分为 ： 感应加热淬火 火焰淬火 激光淬火 电子束淬火 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n感应加热表面淬火感应加热表面淬火 将工件放在感应线圈 中，当感应线圈通以交流 电后，线圈内即形成交流 磁场，在零件中引起闭合 电流即涡流，并由于集肤 效应而集中分布于工件表 面，使工件表面温度迅速 加热到钢的相变临界温度 以上，然后在冷却介质中 快速冷却，使工件表面获 得马氏体。 演示录像1 1-加热淬火层 2-间隙 3-工件 4-加热感应圈 5-淬火喷水套 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n常用的电流频率有： 高频加热：200300KHZ

4、，淬硬层深为0.5 2mm，适于中小型零件。 中频加热：25008000HZ，淬硬层深度2 5 mm。适于较 大直径的轴类、中大齿轮等。 工频加热：50HZ，淬硬层深可达1015mm， 适于大直径工件的表面淬火。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n感应加热淬火的优缺点感应加热淬火的优缺点 工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳 定；加热速度快，热效率高，生产率高；易实 现机械化和自动化。 成本较高；尖角效应；对一些形状复杂的 零件而言，难以保证得到均匀的表面淬火层。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧 辊等工件的表面淬火，目的是提高这些工件的 耐磨

5、性和抗疲劳破断的能力。汽车后半轴采用 感应加热表面淬火，设计载荷下的疲劳循环次 数比用调质处理约提高10倍。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n感应加热的设备 感应加热热处理的设备主要由电源设备、 淬火机床和感应器组成。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。一 般电源设备只能输出一种频率的电流。 电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热 层深的工件，应使用电流频率较低的电源设备；加热 层浅的工件，应使用电流频率较高的电源设备。 选择电源设备的另一条件是设备功率。加热表面面积 增大，需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过 大时或电源功率不足

6、时，可采用连续加热的方法，使 工件和感应器相对移动，前边加热，后边冷却。但最 好还是对整个加热表面一次加热（同时加热），这样 可以利用工件心部余热使淬硬的表层回火，从而使工 艺简化，还可节约电能。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 感应加热淬火机床的主要作用是使工件定位并 进行必要的运动。 感应加热淬火机床还应附有提供淬火介质的装 置。淬火机床可分为标准机床和专用机床，前 者适用于一般工件，后者适用于大量生产的复 杂工件。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n进行感应加热热处理时，为保证热处理质量和 提高热效率，必须根据工件的形状和要求，设 计制造结构适当的感应器。常用的感应器有外 表面加

7、热感应器、内孔加热感应器、平面加热 感应器等。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n感应加热表面淬火工艺流程：感应加热表面淬火工艺流程： 预先调质处理 确定加热温度与加热方式 根据工件要求选择比功率 设计感应加热器 确定冷却方式与冷却介质 制定回火工艺参数 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 将高温火焰（氧- 乙炔）或其他可燃气体 喷向工件表面，对工件 表面加热，使其迅速加 热到淬火温度，随后在 一定淬火介质中冷却的 工艺。演示录像 1-烧嘴 2-喷水管 3-加热层 4-工件 5-淬硬层 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 加热方法操作方法工艺特点适用范围

8、 同时加热固定法工件和喷嘴固定，当工件被加热到淬 火温度后喷射冷却或进入冷却 用于淬火部位不大的工 件 快速旋转法一个或几个固定喷嘴对旋转 （75r/min150r/min）的工件表面加 热一定时间后冷却（如图4-6a） 适用于处理直径和宽度 不大的齿轮、轴颈、滚 轮等 连续加热平面前进法工件相对喷嘴做直线运动，喷嘴上设 有冷却介质喷射孔，使工件淬火 可淬硬各种尺寸平面型 工件表面 旋转前进法工件围绕固定喷嘴旋转，喷嘴上距火 孔10mm30mm的孔喷射冷却介质 （如图4-6b） 用于制动轮、滚轮、轴 承圈等直径大表面窄的 工件 螺旋前进法工件以一定速度旋转，喷嘴轴向配合 运动，得螺旋状淬硬层

9、获得螺旋状淬硬层 快速旋转前 进法 一个或几个喷嘴沿旋转工件定速移动， 加热和冷却工件表面 用于轴、锤杆和轧轮 表4-1 火焰加热表面淬火方法及特点 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n火焰加热表面淬火的优缺点火焰加热表面淬火的优缺点 设备简单，费用低，操作灵活，使用钢种 广泛，零件表面清洁，一般无氧化和脱碳，畸 变小等。 但是加热温度不易控制，生产效率低，噪 音大，劳动条件差，混合气体不够安全，不易 获得薄的表面淬火层，淬硬层的均匀性远不如 感应加热淬火。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n电阻加热表面淬火电阻加热表面淬火 在工件中通以低压大电流，利用工件表面 或紧靠工件表面的周围介质

10、中形成高电阻而产 生的热效应将工件表面快速加热到相变温度以 上，并依靠自身热传导来实现冷却淬火的工艺 方法。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n电阻加热表面淬火的优缺点电阻加热表面淬火的优缺点 工艺设备简单，费用低，操作灵活，工件 变形小，淬火后不需要回火。 但是淬硬层薄（0.150.30mm），金相组 织及硬度的均匀性都较差，对形状复杂、尺寸 很大的工件不宜采用。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n激光加热表面淬火激光加热表面淬火 又称激光相变硬化，是利用聚焦后的激光 束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到 相变点以上，当激光移开后，使表层快速冷却 到马氏体相变点以下，获得淬硬层。

11、 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n激光加热表面淬火特点激光加热表面淬火特点 能量密度更高，加热速度更快，不需要淬 火介质，淬火硬度高，工件变形小，加热深度 和加热轨迹易于控制，易于实现自动化，生产 率高、无氧化、无污染。 第45章表面淬火 4.1 表面淬火 n电子束加热表面淬火电子束加热表面淬火 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，缺点是必须在真空下进行。 第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 n表面形变强化原理表面形变强化原理 通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等） 在金属表面产生压缩变形，使金属表面形成形 变硬化层，此形变硬化层的深度可达 0.11.5mm。

12、第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 n表面强化层的特点表面强化层的特点 圆滑的表面形貌、高密度的位错和细小的 亚晶粒，表面残余压应力的存在，提高了材料 的硬度、屈服强度和疲劳强度。 第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 n表面形变强化的主要方法表面形变强化的主要方法 喷丸 滚压 内挤压 第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 n喷丸表面形变强化原理喷丸表面形变强化原理 利用高速喷射的小 弹丸在室温下强烈冲击 零部件表面，使之产生 形变硬化层并引起残余 压应力，又称受控喷丸 技术。 第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 说明：喷丸的方法通常有手工 操作和机械操作两种； 第

13、45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 n喷丸通常是直径为0.52mm的沙粒或铁丸。 沙粒的材料多为Al2O3或SiO2。表面处理的效 果与丸粒的大小、喷射速度和持续时间有关； n喷丸用于提高零件机械强度以及耐磨性、抗 疲劳和耐蚀性等，还可用于表面消光、去氧 化皮和消除铸、锻、焊件的残余应力等； n喷丸设备：叶轮式喷丸机和压缩空气式喷丸 机。 第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 n叶轮式喷丸机原理叶轮式喷丸机原理 工作时，弹丸由高工作时，弹丸由高 速旋转的叶片和叶轮离速旋转的叶片和叶轮离 心力加速抛出，又称机心力加速抛出，又称机 械离心式喷丸机。械离心式喷丸机。 n功率小，生产效率高

14、，功率小，生产效率高， 喷丸质量稳定。喷丸质量稳定。 第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 n应用实例应用实例 20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余压应力为- 880MPa，寿命从55万次提高到150180万次。 40CrNiMo钢调质后再经喷丸处理，残余压应力为-880MPa，寿 命从105次提高到1.04107次以上。 铝合金LD2经喷丸处理后，寿命从1.1106次提高到1108次 以上。 在质量分数为3%的NaCl水溶液中工作的45钢，经喷丸处理后， 其疲劳强度-1从100MPa提高到202MPa。 铝合金（wZn=6%、w=2.4%、w=0.7%、w=0.1%）悬

15、臂梁试样， 经喷丸处理后，应力腐蚀临界应力从357MPa提高到420MPa。 耐蚀镍基合金鼓风机叶轮在150C热氮气中运行，六个月后发 生应力腐蚀破坏，经喷丸强化并用玻璃珠去污，运行了四年都 未发生进一步破坏。 液体火箭推进剂容器的钛制零部件，未喷丸强化时在40C下 使用14h就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃珠喷丸强化 后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。 第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术 n表面滚压技术表面滚压技术 在一定的压力下用辊轮、滚球或者辊轴对被加工 零件表面进行滚压或者挤压，使其发生塑性变形，形 成强化层的工艺过程。 第45章表面淬火 4.2 表面形变强化技术

16、n内挤压内挤压 使孔的内表面获得形变强化的工艺，也可 以归到表面滚压技术范畴。 第45章表面淬火 总结 n表面淬火表面淬火 感应加热淬火感应加热淬火 火焰加热淬火火焰加热淬火 激光加热淬火激光加热淬火 电子束加热淬火电子束加热淬火 电阻加热淬火电阻加热淬火 n表面形变强化技术表面形变强化技术 喷丸喷丸 滚压滚压 内挤压内挤压 第45章表面淬火 第5章 热扩渗 n思考：思考： n什么是热扩渗？其基本过程是什么？什么是热扩渗？其基本过程是什么？ n影响热扩渗的扩散速度有哪些因素？影响热扩渗的扩散速度有哪些因素？ n什么是气体渗碳？简述气体渗碳的工艺过程。什么是气体渗碳？简述气体渗碳的工艺过程。 n

17、什么是等离子热扩渗？简述等离子渗氮的过程。什么是等离子热扩渗？简述等离子渗氮的过程。 n等离子渗氮有哪些特点？等离子渗氮有哪些特点？ 1.热扩渗有哪些主要特点？热扩渗有哪些主要特点？ 第45章表面淬火 第5章 热扩渗 n热扩渗是指将工件放在特殊介质中（固态、液态、气 态）加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面， 形成一定厚度的合金层（扩散层或掺杂层）的工艺， 也称为化学热处理技术。 5.1 热扩渗的基本原理 5.2 几种基本的热扩渗法 5.3 渗碳 5.4 渗氮 5.5 渗铝 第45章表面淬火 5.1 热扩渗的基本原理 n热扩渗的基本过程热扩渗的基本过程 n产生活性原子产生活性原子 置换反

18、应、还原反应、分解反应； n吸附吸附 活性原子吸附于工件表面，并伴随解吸过程； n扩散扩散 吸附的活性原子向工件内部扩散，基体原子向渗 层中扩散，方式有间隙式、置换式和空位式。 1.（渗层形成过程动画演示） 第45章表面淬火 5.1 热扩渗的基本原理 n热扩渗的基本条件热扩渗的基本条件 n渗入元素能与基体形成固溶体或金属间化合物；渗入元素能与基体形成固溶体或金属间化合物； 原子相对尺寸，化学亲和力，点阵类型，相对原子价。 n被渗元素在基体金属中有一定的渗入速度；被渗元素在基体金属中有一定的渗入速度； 热渗镀的速度经常由第一个过程或第三个过程的速度 决定。影响热渗镀的因素：化学反应速度、扩散速度

19、。 n欲渗元素与基材之间直接接触；欲渗元素与基材之间直接接触； 1.1.满足反应需要的热力学条件。满足反应需要的热力学条件。 第45章表面淬火 5.1 热扩渗的基本原理 n热扩渗的主要特点热扩渗的主要特点 渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很 高 ； 被渗工件变形小、精度高、尺寸稳定性好； 不受工件形状的局限； 多数表面扩渗工艺较复杂，处理周期长，对设 备要求较高。 第45章表面淬火 5.1 热扩渗的基本原理 n热扩渗工艺的分类热扩渗工艺的分类 非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属- 非金属元素多元共渗 气体热扩渗、液体热扩渗、固体热扩渗、等离 子体热扩渗和复合热扩渗 电泳渗、膏剂渗、喷

20、镀渗、电镀渗、化学镀渗 和真空渗 第45章表面淬火 5.1 热扩渗的基本原理 处理方法渗入元素用途 渗碳渗碳C提高硬度、耐磨性即疲劳强度提高硬度、耐磨性即疲劳强度 渗氮渗氮N提高硬度、耐磨性、疲劳强度即耐腐蚀性提高硬度、耐磨性、疲劳强度即耐腐蚀性 碳氮共渗碳氮共渗C、N提高硬度、耐磨性即疲劳强度提高硬度、耐磨性即疲劳强度 氮碳共渗氮碳共渗N、C提高疲劳强度、耐磨性、抗擦伤、抗咬合能力及耐腐蚀性提高疲劳强度、耐磨性、抗擦伤、抗咬合能力及耐腐蚀性 渗硫渗硫S减摩、提高抗咬合能力减摩、提高抗咬合能力 硫氮共渗硫氮共渗S、N减摩、提高抗咬合能力、耐磨性及抗疲劳性减摩、提高抗咬合能力、耐磨性及抗疲劳性

21、硫氰共渗硫氰共渗 S、C、N减摩、提高抗咬合能力、耐磨性及抗疲劳性减摩、提高抗咬合能力、耐磨性及抗疲劳性 渗硼渗硼B提高硬度、耐磨性及耐腐蚀性提高硬度、耐磨性及耐腐蚀性 渗硅渗硅Si提高耐腐蚀性及耐热性提高耐腐蚀性及耐热性 渗铝渗铝Al提高抗氧化性及抗含硫介质的腐蚀性提高抗氧化性及抗含硫介质的腐蚀性 渗铬渗铬Cr提高抗氧化、耐腐蚀及耐磨性提高抗氧化、耐腐蚀及耐磨性 铬铝共渗铬铝共渗Cr、Al提高抗含硫介质腐蚀、抗高温氧化和抗疲劳性提高抗含硫介质腐蚀、抗高温氧化和抗疲劳性 硼硅共渗硼硅共渗B、Si提高硬度和热稳定性提高硬度和热稳定性 铬硅共渗铬硅共渗Cr、Si提高耐磨性、耐腐蚀性及抗氧化性提高耐

22、磨性、耐腐蚀性及抗氧化性 第45章表面淬火 5.2 几种基本的热扩渗法 n固渗法固渗法 粉末包渗法：把工件埋入 装有欲渗金属粉末、防粘 结粉末和活性剂的混合物 （粉末渗剂）的容器中， 然后密封容器高温加热即 可。 设备简单，操作容易，适用于 形状复杂的工件； 尺寸和数量受限制，效率低， 处理温度高，时间长。 图5-1 粉末包渗示意图 第45章表面淬火 5.2 几种基本的热扩渗法 流化床法：将工件放于带有固体渗剂的流 化床内，然后加热，同时通入卤气和运载 气体（H2，Ar），使之与流体粒子反应产 生欲渗金属的活性原子渗入工件。 传热性好，渗速快，渗层质量好，有利于 机械化和自动化； 设备成本高，

23、运转费用高。 第45章表面淬火 5.2 几种基本的热扩渗法 n液渗法液渗法 热浸法 ：将工件直接浸入某一液态金属中， 经较短时间即形成合金镀层。 优点：设备简单，容易操作，生产效率高。缺 点：镀层厚度不易均匀，只适于渗镀熔点较低 的金属。 第45章表面淬火 5.2 几种基本的热扩渗法 熔烧法 ：把渗镀金属或合金粉末加粘结剂后 制成料浆，再将料浆均匀涂覆于工件表面，干 燥后在惰性气体或真空环境中以稍高于料浆配 方熔点的温度加热烧结，通过液固相扩散而形 成合金镀层。 优点：渗层成分及厚度均较均匀，并且热传递 性好，渗速快。 第45章表面淬火 5.2 几种基本的热扩渗法 盐浴法：在盐浴中使工件表面渗

24、入某种或几种 元素的工艺方法。 第45章表面淬火 5.2 几种基本的热扩渗法 n气渗法气渗法 n把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到 渗剂原子能在基体中产生显著扩散的温度，使渗剂原子能在基体中产生显著扩散的温度，使 工件表面获得该渗剂元素的工艺过程。工件表面获得该渗剂元素的工艺过程。 优点：工件渗层厚度均匀，易控制；容易实现 机械化、自动化生产；劳动条件好，环境污染 小。 缺点：设备一次性投资较大。 第45章表面淬火 5.2 几种基本的热扩渗法 n复合渗：实际上是固渗的发展，即采用各种镀 层手段先在工件表面制造一固相涂层，然后把 工件连同涂层一起加热

25、，使之产生扩散形成扩 散渗层。 电泳渗 喷镀渗 化学镀渗 真空镀渗 第45章表面淬火 5.2 几种基本的热扩渗法 n等离子轰击渗镀法：利用稀薄气体辉光放电产 生的等离子体轰击工件表面，形成热扩渗层。 n基本过程：在真空室中通入少量气体，在阴极 和阳极之间施加高压，使气体产生辉光放电， 其产生的等离子体轰击工件表面形成扩散层。 特点：因为等离子体离子活性比原子高，加上 电场的作用，因此渗速较高，质量较好。 第45章表面淬火 5.3渗碳 n气体渗碳气体渗碳 井式炉滴注式气体渗碳 演示录像1 演示录像2 演示录像3 吸热式气氛渗碳 氮基气氛渗碳 1-风扇电动机 2-排出废气火焰 3-炉盖 4-砂封 5-电炉丝 6-耐热罐 7-工件 第45章表面淬火 5.3渗碳 n液体渗碳液体渗碳 将被处理的零件浸入盐浴渗碳剂中，通过 加热使渗碳剂分解出活性的碳原子来进行渗碳。 渗剂为氰化钠（NaCN）。 第45章表面淬火 5.3渗碳 n固体渗碳固体渗碳 使用固体渗碳剂，其中木炭是渗碳基剂， 碳酸钡是促渗剂。温度一般为900950C，在 此高温下木炭与渗碳钢及空隙中的空气等构成 Fe-C-O平衡系，并在渗碳钢表面发生界面反应 而进行渗碳。 第45章表