表面工程学四 表面淬火PPT课件

1、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第1页/共85页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 第2页/共85页表 41 常用表面淬火常用钢及铸铁牌号 类 别 钢 号 应 用 碳素结构钢 35, 40, 45, 50 小模数、轻载齿轮及轴类零件 40Cr, 45MnB 中等模数、 轻载齿轮和高强度传动轴 30CrMo, 42CrMo,42SiMn 模数较大、负载

2、较大的齿轮与轴类 合金结构钢 5CrMnMo, 5CrNiMo 负荷大的零件 灰口铸铁 机床导轨、气缸套 铸 铁 球墨铸铁, 合金球墨铸铁 曲轴、机床主轴、凸轮轴 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第3页/共85页 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)第4页/共85页 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。第5页/共85页（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

3、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：第6页/共85页（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)第7页/共85页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)第8页/共85页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

4、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。 第9页/共85页 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第10页/共85页（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25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）第11页/共85页（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）第12页/共85页（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

5、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）表 42 40Cr 钢不同处理状态下疲劳强度的比较 处理状态 疲劳强度 1 Nmm2 正火 调质 调质+表面淬火= 5mm 调质+表面淬火= 9mm 200 240 290 330 表 43 40Cr 钢不同处理工艺对缺口敏感度的影响 疲劳强度 1 Nmm2 试样形式 调质 调质+表面淬火 = 20mm 光滑试样 = 20mm 缺口试样 450480 140 630 600 第13页/共85页一、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

6、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 感应加热淬火技术第14页/共85页 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。2/1203)(1025. 1fIRPf41003. 5一、感应加热淬火技术的基本原理（1）第15页/共85页表69 感应加热淬火用交流电频率 名 称 频率范

7、围/Hz 淬硬深度/mm 高 频 （100500）103 0.52 超音频 （20100）103 25 中 频 （1.510）103 25 工 频 50 1015 感应加热频率与淬硬层的关系第16页/共85页 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： mm 800时： mm 所以温度越高，加热速度越慢，避免了表面过热。 f500800f2020图43 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）第17页/共85页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

8、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第18页/共85页 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、感应加热的优缺点第19页/共85页高频感应加热装置（电子管式）第20页/共85页电子管式高频感应加热电路图第21页/共85页晶体管式高频感应加热设备第22页/共85页晶体管式高频感应加热示例第23页/共85页1 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 0.5m

9、m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）第24页/共85页技术参数 普通高频淬火 超高频冲击淬火 频 率 (200 300) kHz 27.12 MHz 功率密度 200 W/cm2 (10-30) kW/cm2 加热时间 (0.1 5) s (1 500) ms 硬化层深度 (0.5 2.5) mm (0.05 0.5) mm 工件冷却 喷水或其他冷却 自身冷却 淬火层组织 正常马氏体组织 极细针状马氏体 畸 变 不可避免 极小 普通高频淬火和超高频淬火比较第2

10、5页/共85页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。第26页/共85页感应加热淬火示例Die Hardening第27页/共85页Induction hardening of forming tool (Volvo)第28页/共85页Die Hardening第29页/共85页Die Hardening第30页/共85页Die Ha

11、rdening第31页/共85页Final result.Die Hardening第32页/共85页Die Hardening第33页/共85页Die Hardening第34页/共85页第三节 火焰表面加热淬火技术 (flame surface hardening) 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。第35页/共85页 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 火焰加热的特点第36页/共85页 要有较高的发热值，来源容易，价格低廉，贮存和

12、使用安全可靠，污染小。表 410 常用火焰加热表面淬火用燃料特性 火焰温度 燃料名称 发热值 kcal/m3 氧助燃 空气助燃 氧与燃料 气体积比 空气与燃料 气体体积比 乙炔 天然气(甲烷) 丙烷 城市煤气 煤油 12754 8900 2435 2670 8010 * 3100 2700 2640 2540 2300 2320 1875 1925 1985 1.0 1.75 4.0 * 2.0 9.0 25.0 * 2 火焰加热淬火用燃料第37页/共85页（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：第38页/共85页

13、（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）第39页/共85页（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）第40页/共85页 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第41页/共85页 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）第42页/共85页 投资少，简单易行，处理费用低； 大小零件均可处理，能

14、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）第43页/共85页表面淬火中的软带问题第44页/共85页特大轴承表面淬火的软带问题第45页/共85页 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46页/共85页1激光淬火过程：将104105W/cm2高功率密度的激光束作用在工件表面，以105106/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

15、冷淬火。一、 激光表面淬火第47页/共85页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。第48页/共85页（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。第49页/共85页相变硬化层的深度H与工艺参数的关系为：)(DvPH 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8085mm2/min，一般激光表面

16、淬火功率为16kw/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。第50页/共85页（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47 45钢表面激光淬火 区横截面金相组织第51页/共85页图48 45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）第52页/共85页激光淬硬层的硬度（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1520。淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关。第53页/共85页（3） 激光淬硬层的耐磨性几种材料激光淬火与其它处理的耐磨性比较 材 料

17、处理规范 强化面积/ 磨损量/mg 调质 整体 30.9 40.9 45 激光强化 30 2.2 2.9 渗碳淬火 整体 2.2 2.9 20Cr 激光强化 30 1.3 3.3 渗氮 全表面 3.4 4.9 38CrMoAl 激光强化 30 2.3 2.7 第54页/共85页 淬硬层组织细化，硬度比常规淬火高1520，耐磨性提高110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 激光淬火的特点第55页/共85页四、 激光表面淬火技术

18、在汽车制造行业中的应用表 476 激光表面硬化实例 加工零件 应用单位 采用的激光设备 应用效果 齿轮转向器箱体内孔 美国通用 汽车公司 5 台 500W 和 12 台 1kW的 CO2 激光处理设备 每天处理 3.3 万件，每件处理时 18s，耐 磨性提高 9 倍。 柴油机汽缸套(灰铸铁) 美国通用 汽车公司 5 台 5kWC02 激光器 15min 处理一件，提高耐磨性。 此工艺已定为该公司标准工艺 轴承圈 美国通用 汽车公司 采用一套千瓦级 CO2 激光处理机 用于生产线上， 每分钟处理 12 个 汽车缸套 意大利菲亚特汽车公司 采用 3.5kWC02 激光器 处理一件需要 21s。 发

19、动机 汽缸体 中国第一 汽车制造厂 四条自动生产线2kWCO2 激光处理器 激光淬火使发动机 寿命提高 1 倍以上， 行车超过 20 万 km 第56页/共85页缸套的网纹淬火第57页/共85页激光表面淬火实例第58页/共85页 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）第59页/共85页 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

20、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。第60页/共85页 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）第61页/共85页补充内容： 等离子弧加热表面淬火技术直流等离子弧示意图第62页/共85页 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 直流热等离子弧第63页/共85页转移弧：加热效率高，常用

21、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 直流等离子弧分类第64页/共85页 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第65页/共85页4 多功能等离子弧加热设备第66页/共85页（2） 等离子枪结构图第67页/共85页 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第68页/共85页 等离子弧淬火技术在80

22、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第69页/共85页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。第70页/共85页（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：

23、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71页/共85页第六节 几种典型表面淬火工艺的特点比较第72页/共85页一、 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，从而提高金属表面的硬度、强度、抗疲劳强度和抗应力腐蚀能力。第七节 表面形变强化技术喷丸强化层深度一般在0.10.8mm之间。第73页/共85页（1） 叶轮抛丸式：利用高速旋转的叶轮产生的离心力将弹丸高速射向工件。2 喷丸强化方法 适合处理形状简单、批量较大的工件。第74页/共85页（2） 压缩空气式：利用压缩空气将弹丸喷向工件，弹丸的飞行速度取决于压缩空气的压力。喷丸有干喷和湿喷两种。喷丸强化方法吸入式喷砂枪第75页/共85页 常用弹丸材料有铸铁、不锈钢、钢丝、玻璃、陶瓷等，选择时主要考虑被处理工件材料的硬度、表面粗糙度、强化深度、残余应力