第七章表面改性技术

1、第七章第七章 表面改性技术表面改性技术采用某种工艺手段使材料表面获得与其基采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。体材料的组织结构、性能不同的一种技术。第一节第一节 金属表面形变强化金属表面形变强化表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一 一、表面形变强化原理一、表面形变强化原理 基本原理是通过机械手段（滚压、内挤压和基本原理是通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达成形变硬化层，此形变硬化层的

2、深度可达0.5mm1.5mm。 在形变硬化层中产生两种变化：在形变硬化层中产生两种变化： 一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；位错密度增加，晶格畸变度增大； 二是形成了高的宏观残余压应力。二是形成了高的宏观残余压应力。 奥赫弗尔特理论奥赫弗尔特理论 奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产生取决于两个方面的机制：生取决于两个方面的机制： 一方面由于大量弹丸压人产生的切应力一方面由于大量弹丸压人产生的切应力造成了表面塑性延伸；造成了表面塑性延伸； 另一方面，由于弹丸的冲击产生的表面另一方面，由于弹丸的冲

3、击产生的表面法向力引起了赫芝压应力与亚表面应力法向力引起了赫芝压应力与亚表面应力的结合。的结合。 在大多数材料中这两种机制并存。在大多数材料中这两种机制并存。 喷丸产生的残余压应力喷丸产生的残余压应力 经喷丸和滚压经喷丸和滚压后，金属表面产生后，金属表面产生的残余压应力的大的残余压应力的大小，不但与强化方小，不但与强化方法、工艺参数有关，法、工艺参数有关，还与材料的晶体类还与材料的晶体类型、强度水平以及型、强度水平以及材料在单调拉伸时材料在单调拉伸时的硬化率有关。的硬化率有关。 残余压应力残余压应力 具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产

4、生的压应铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点的力高，可达材料自身屈服点的24倍。倍。 材料的硬化率越高，产生的残余压应力材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。越大。 一、表面强化方法一、表面强化方法有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。 表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕；表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕； 表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的尖锐刀痕

5、的不利影响。轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。 这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。强度。二、表面形变强化的主要方法及应用二、表面形变强化的主要方法及应用 （一）表面形变强化的（一）表面形变强化的主要方法主要方法 1滚压滚压 目前，滚压强化用的滚目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无轮、滚压力大小等尚无标准。标准。 对于圆角、沟槽等可通对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约化，并能在表面产生约5mm深的残余压应

6、力，深的残余压应力，其分布如图所示。其分布如图所示。 2内挤压内挤压 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显的工艺措施，效果明显 3喷丸喷丸 利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。产生形变硬化层并引进残余压应力。 喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件；轴、叶片、火车轮等零部件； 可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳。抗微动磨损、耐点蚀（孔应力腐蚀疲劳。抗微动磨损、耐点蚀（孔

7、蚀）能力。蚀）能力。 三、喷丸表面形变强化工艺及应用三、喷丸表面形变强化工艺及应用 1喷丸材料喷丸材料 （1）铸铁弹丸铸铁弹丸：冷硬铸铁弹丸是最早使：冷硬铸铁弹丸是最早使用的金属弹丸。用的金属弹丸。 铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。目前这种弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。目前这种弹丸已很少使用弹丸已很少使用。 （2）铸钢弹丸铸钢弹丸：铸钢弹丸的品质与碳含：铸钢弹丸的品质与碳含量有很大关系。量有很大关系。 （3）钢丝切割弹丸）钢丝切割弹丸 弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段制成。弹簧钢丝（或不锈钢

8、丝）切制成段制成。 钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命比铸铁弹丸高比铸铁弹丸高 20倍左右。倍左右。 （4）玻璃弹丸）玻璃弹丸 近十几年发展起来的新型喷丸材料，近十几年发展起来的新型喷丸材料，已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应用。用。 脆性较大脆性较大 。（5）陶瓷弹丸）陶瓷弹丸 弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层可获得较高的残余应力。可获得较高的残余应力。 （6）聚合塑料弹丸）聚合塑料弹丸 是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为

9、原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污为原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环境，可连续使用，成本低，而且即染环境，可连续使用，成本低，而且即使有棱边的新丸也不会损伤工件表面。使有棱边的新丸也不会损伤工件表面。 常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼光泽。光泽。 （7）液态喷丸介质）液态喷丸介质 包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等。包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等。 喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压缩空气喷射。缩空气喷射。 注意：强化用的弹丸与清理、成型、校形注意：强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱用的弹丸不同

10、，必须是圆球形，不能有棱角毛刺，否则会损伤零件表面。角毛刺，否则会损伤零件表面。 一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。 有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶锈钢制件则需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。瓷丸。 2喷丸强化用的设备喷丸强化用的设备 喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分为：可分为： 机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。 喷丸机又有

11、干喷和湿喷之分。喷丸机又有干喷和湿喷之分。 于喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合于喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善。条件有所改善。 （1）机械离心式喷丸机）机械离心式喷丸机 机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机。机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机。 工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。速抛出。 弹丸离开叶轮的切向速度为弹丸离开叶轮的切向速度为45ms75ms。这种喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，这种喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定

12、，但设备制造成本较高。但设备制造成本较高。 主要适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形主要适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。状简单尺寸较大的零部件。 （2）气动式喷丸机）气动式喷丸机 气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞击工件的受喷表面。击工件的受喷表面。 这种喷丸机工作室内可以安置多个喷嘴，因其方位这种喷丸机工作室内可以安置多个喷嘴，因其方位调整方便，能最大限度地适应受喷零件的几何形状。调整方便，能最大限度地适应受喷零件的几何形状。 而且可通过调节压缩空气的压力来控制喷丸强度，而且可通过调节压缩空气的压力来控制喷

13、丸强度，操作灵活，一台喷九机可喷多个零件。操作灵活，一台喷九机可喷多个零件。 适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。它的缺点是功耗大，生产杂、尺寸较小的零部件。它的缺点是功耗大，生产效率低。效率低。 气动式喷丸机根据弹丸进人喷嘴的方式又气动式喷丸机根据弹丸进人喷嘴的方式又可分为：可分为： 吸人式、重力式和直接加压式三种。吸人式、重力式和直接加压式三种。 吸入式喷丸机结构简单，多使用密度较小吸入式喷丸机结构简单，多使用密度较小的玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸，适用于工的玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸，适用于工件尺寸较小、数量较少、弹丸大

14、小经常变件尺寸较小、数量较少、弹丸大小经常变化的场合，如实验室等。化的场合，如实验室等。 重力式喷丸机结构比吸人式复杂，适用于重力式喷丸机结构比吸人式复杂，适用于密度和直径较大的金属弹丸。密度和直径较大的金属弹丸。 3喷丸强化工艺参数的确定喷丸强化工艺参数的确定 合适的喷丸强化工艺参数要通过：合适的喷丸强化工艺参数要通过： 喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。 喷丸强度试验喷丸强度试验 弧高度弧高度弧高度与时间的关系弧高度与时间的关系 在对试片进行单在对试片进行单面喷丸时，初期的面喷丸时，初期的弧高度变化速率快，弧高度变化速率快，随后变化趋缓，当随后变化趋缓

15、，当表面的弹丸坑占据表面的弹丸坑占据整个表面（即全覆整个表面（即全覆盖率）之后，弧高盖率）之后，弧高度无明显变化，这度无明显变化，这时的弧高度达到了时的弧高度达到了饱和值。饱和值。 喷丸强度喷丸强度 当弧高度当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全达到饱和值，试片表面达到全覆盖率时，以此弧高度覆盖率时，以此弧高度f定义为喷丸强度。定义为喷丸强度。 喷丸强度的表示方法是喷丸强度的表示方法是0.25C或或fc=0.25，字母或脚码代表试片种类，数字表示弧字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高度值（单位为高度值（单位为mm）。）。 （2）表面覆盖率试验）表面覆盖率试验 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总喷

16、丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面积的比值称为表面覆盖率。面积的比值称为表面覆盖率。 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率达到表面积的率达到表面积的100即全面覆盖时，才即全面覆盖时，才能有效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能有效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。能。（3）选定喷丸强化工艺参数）选定喷丸强化工艺参数 金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能并不随喷丸强度的增加而直线提高，而并不随喷丸强度的增加而直线提高，而是存在一个最佳喷丸强度，它由试验确是存在一个最佳喷丸强度，它由试验确定。定。 4喷丸表面质量及影响因素喷丸表面质量及影

17、响因素 (1) 喷丸表层的塑性变形和组织变化。喷丸表层的塑性变形和组织变化。 金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、晶界滑动、扩散性蠕变等晶体运动，其晶界滑动、扩散性蠕变等晶体运动，其中晶面间滑移最重要。晶面间滑移是通中晶面间滑移最重要。晶面间滑移是通过晶体内位错运动而实现的。过晶体内位错运动而实现的。喷丸表层的组织变化喷丸表层的组织变化 金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层位错密度大大增加。而且还会出现亚晶变形，表层位错密度大大增加。而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。界和晶粒细化现象。 喷丸后的零

18、件如果受到交变载荷或温度的影响，表喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。向稳定态转变。例如，渗碳钢表层存在大量残余奥氏体，喷丸时，这些残余奥氏体可能例如，渗碳钢表层存在大量残余奥氏体，喷丸时，这些残余奥氏体可能转变成马氏体而提高零件的疲劳强度；转变成马氏体而提高零件的疲劳强度；奥氏体不锈钢特别是镍含量偏低的不锈钢喷丸后，表层中部分奥氏体转奥氏体不锈钢特别是镍含量偏低的不锈钢喷丸后，表层中部分奥氏体转变为马氏体，从而形成有利于电化学反应的双相组织，使不锈钢的抗腐变为马氏体，从而形成有利于电

19、化学反应的双相组织，使不锈钢的抗腐蚀能力下降。蚀能力下降。（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响度的影响 （3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响 （4）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响 球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷面的理想外形应是大量球坑的包络面。面的理想外形应是大量球坑的包络面。 这种表面形貌能消除前道工序残留的痕这种表面形貌能消除前道工序残留的痕迹，使外表美观。同时，凹坑起储油作迹，使外表美观。同时，凹坑起储油

20、作用，可以减少摩擦，提高耐磨性。用，可以减少摩擦，提高耐磨性。 （5）喷丸表层的残余应力）喷丸表层的残余应力 喷丸处理能改善零件表层的应力分布。喷丸处理能改善零件表层的应力分布。 喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变形最重要。形最重要。 工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切。残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切。残余压应力残余压应力 材料强度高，表层最大残余压应力就相材料强度高，表层最大残余压应力就相

21、应增大。应增大。 但在相同喷丸条件下，强度和硬度高的但在相同喷丸条件下，强度和硬度高的材料，压应力层深度较浅；硬度低的材材料，压应力层深度较浅；硬度低的材料产生的压应力层则较深。料产生的压应力层则较深。 渗碳钢经喷丸后的残余压应力渗碳钢经喷丸后的残余压应力 常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥氏体有相当大的一部分将转变成马氏体，氏体有相当大的一部分将转变成马氏体，因相变时体积膨胀而产生压应力，从而因相变时体积膨胀而产生压应力，从而使得表层残余应力场向着更大的压应力使得表层残余应力场向着更大的压应力方向变化。方向变化。 在相同喷丸压力下：在相同喷丸压力下： 大直径

22、弹丸喷丸后的压应力较低，压应大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应力层较深；力层较深； 小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压应力层较浅，且压应力值随深度下降很应力层较浅，且压应力值随深度下降很快。快。 对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸，表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸，以获得较深的压应力层，使表面缺陷造以获得较深的压应力层，使表面缺陷造成的应力集中减小到最低程度。成的应力集中减小到最低程度。 喷丸硬度的影响喷丸硬度的影响 表表66为不同弹丸材料对残余应力的影为不同弹丸材料对残余应力的影响。可以发

23、现，由于陶瓷丸和铸铁丸硬响。可以发现，由于陶瓷丸和铸铁丸硬度较高，喷丸后残余应力也较高。度较高，喷丸后残余应力也较高。 喷丸速度对表层残余应力有明喷丸速度对表层残余应力有明显影响显影响 试验表明，当弹丸粒度和硬度不变，提试验表明，当弹丸粒度和硬度不变，提高压缩空气的压力和喷射速度，不仅增高压缩空气的压力和喷射速度，不仅增大了受喷表面压应力，而且有利于增加大了受喷表面压应力，而且有利于增加变形层的深度，变形层的深度， （6）不同表面处理后的表面残）不同表面处理后的表面残余应力的比较余应力的比较 不同表面处理后的表面残余应力及疲劳不同表面处理后的表面残余应力及疲劳极限如表极限如表68所示。表面滚压

24、强化可获所示。表面滚压强化可获得最高的残余应力。经喷九或滚压后，得最高的残余应力。经喷九或滚压后，疲劳极限也明显提高。疲劳极限也明显提高。 6喷丸强化的效果检验喷丸强化的效果检验 弧高度试验不仅是确定喷丸强度的试验方法，弧高度试验不仅是确定喷丸强度的试验方法，同时又是控制和检验喷九质量的方法。同时又是控制和检验喷九质量的方法。 在生产过程中，将弧高度试片与零件一起进在生产过程中，将弧高度试片与零件一起进行喷丸，然后测量试片的弧高度行喷丸，然后测量试片的弧高度f.如如f值符合值符合生产工艺中规定的范围，则表明零件的喷丸生产工艺中规定的范围，则表明零件的喷丸强度合格。这是控制和检验喷九强化质量的强

25、度合格。这是控制和检验喷九强化质量的基本方法。基本方法。 弧高度试片给出的喷丸强度，是金属材弧高度试片给出的喷丸强度，是金属材料的表面强化层深度和残余应力分布的料的表面强化层深度和残余应力分布的综合值。综合值。 若需了解表面强化层的深度、组织结构若需了解表面强化层的深度、组织结构和残余应力分布情况，还应进行组织结和残余应力分布情况，还应进行组织结构分析和残余应力测定等一系列检验。构分析和残余应力测定等一系列检验。 7喷丸强化的应用实例喷丸强化的应用实例 1） CrWMn钢制线切割冲模的喷丸强化钢制线切割冲模的喷丸强化 模具在电火花切割后，不经喷丸研磨加工、回火直接装配使用时，模具在电火花切割后

26、，不经喷丸研磨加工、回火直接装配使用时，常易出现崩刃、折断、碎裂现象。即使不出现这些现象，使用寿命也常易出现崩刃、折断、碎裂现象。即使不出现这些现象，使用寿命也不高。其原因是热处理产生的拉应力和线切割所产生的热拉应力叠加不高。其原因是热处理产生的拉应力和线切割所产生的热拉应力叠加在一起，容易达到材料的强度极限而产生裂纹。采用回火、研磨、喷在一起，容易达到材料的强度极限而产生裂纹。采用回火、研磨、喷丸和回火处理，可有效地去除白硬层和改善切割层的硬度与应力分布丸和回火处理，可有效地去除白硬层和改善切割层的硬度与应力分布状态。用研磨方法也可除去白硬层，但不能改善应力区的应力分布状状态。用研磨方法也可

27、除去白硬层，但不能改善应力区的应力分布状态，因此，不能根本解决模具的裂纹和崩刃。对线切割模具的白硬层态，因此，不能根本解决模具的裂纹和崩刃。对线切割模具的白硬层施以喷丸和（施以喷丸和（120160）/（610）h的时效处理，则可成倍地提高的时效处理，则可成倍地提高模具寿命。模具寿命。 某厂的某厂的CrWMn钢制线切割冲模的刃磨寿钢制线切割冲模的刃磨寿命在直接使用时为命在直接使用时为10700次；次；160/2h回火后，回火后，寿命为寿命为11180次；研磨除去白硬层后使用时寿次；研磨除去白硬层后使用时寿命为命为4860次；研磨除去白硬层再次；研磨除去白硬层再160/2h回火回火时寿命为时寿命为

28、7450次；磨削去除白硬层后寿命为次；磨削去除白硬层后寿命为28743次；喷丸强化后，再进行次；喷丸强化后，再进行160/2h回火回火处理，模具寿命达到处理，模具寿命达到220000次。次。 2 2）喷丸强化改善）喷丸强化改善Cr12Cr12钢制线切割落料模性能钢制线切割落料模性能 Cr12钢制洗衣机电动机定、转子落料模，在经淬火、回钢制洗衣机电动机定、转子落料模，在经淬火、回火处理和线切割加工后直接使用时，堂呈折断失效，平均使火处理和线切割加工后直接使用时，堂呈折断失效，平均使用寿命只有用寿命只有3万余次。改用在电火花加工后增加一道喷丸强万余次。改用在电火花加工后增加一道喷丸强化处理工艺后，

29、改善线切割落料模变质层的性能，使用寿命化处理工艺后，改善线切割落料模变质层的性能，使用寿命可提高可提高10万冲次。万冲次。 此外，喷丸强化可使模具表层产生冷作硬化，改善表层此外，喷丸强化可使模具表层产生冷作硬化，改善表层的应力状态和表面粗糙度，有效去除电火花加工时形成的表的应力状态和表面粗糙度，有效去除电火花加工时形成的表面软化层，提高模具的疲劳强度、冲击磨损、应力腐蚀等使面软化层，提高模具的疲劳强度、冲击磨损、应力腐蚀等使用性能，可应用于冷冲模、冷镦模、热锻模和落料模等模具用性能，可应用于冷冲模、冷镦模、热锻模和落料模等模具以提高其疲劳性能。喷丸可使模具的使用寿命得到显著提高。以提高其疲劳性

30、能。喷丸可使模具的使用寿命得到显著提高。 第二节第二节 表面淬火表面淬火热处理知识热处理知识 热处理的本质热处理的本质：通过改：通过改变组织达到改善金属的变组织达到改善金属的机械性能。机械性能。 热处理的热处理的4个工艺参数个工艺参数：加热速度、加热温度、加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度。保温时间、冷却速度。 热处理的热处理的4种工艺种工艺：退火、正火、淬火、回火。退火、正火、淬火、回火。一、表面淬火技术的原理和特点一、表面淬火技术的原理和特点1 表面淬火原理表面淬火原理 用特殊的加热方式将钢表面快速用特殊的加热方式将钢表面快速加热到加热到Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或Ac1（过共（

31、过共析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁析钢）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。表层发生马氏体相变，生成硬化层。2 表面淬火的分类表面淬火的分类 一般按加热源的名称分类一般按加热源的名称分类火焰表面淬火火焰表面淬火 高频感应表面淬火高频感应表面淬火 等离子弧表面淬火等离子弧表面淬火 激光表面淬火激光表面淬火 电阻表面淬火电阻表面淬火 3 适合表面淬火的金属材料适合表面淬火的金属材料 一般用于处理中碳调一般用于处理中碳调质钢和球墨铸铁。质钢和球墨铸铁。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

32、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 二、表面淬火与常规淬火的区别二、表面淬火与常规淬火的区别 加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高。加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高。 提高加热速度将使提高加热速度将使Ac3与与Acm线上移，可线上移，可以防止过热。以防止过热。快速加热使奥氏体成分不均匀，易形成贫快速加热使奥氏体成分不均匀，易形成贫碳的奥

33、氏体，合金元素也难实现成分均匀碳的奥氏体，合金元素也难实现成分均匀化化（1） 奥氏体中未溶碳化物和高碳偏聚区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，使奥氏体的存在将促进过冷奥氏体分解，使奥氏体转变孕育期缩短转变孕育期缩短.（2） 亚共析钢中原铁素体领域形成低碳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。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两种奥氏体在淬火后分别得到低碳马氏体及高碳马氏体及高碳马氏体。 快速加热淬火后的回火温度一般应比普快速加热淬火后的回火温度一般应比普通回火温度略低。通回火温度略低。三、感应加热淬火技术

34、三、感应加热淬火技术 一、感应加热淬火基一、感应加热淬火基本原理本原理 铁制零件在高频交变磁场铁制零件在高频交变磁场中，铁的内部将产生很大的感中，铁的内部将产生很大的感应电流。电流在金属体内自行应电流。电流在金属体内自行闭合，称为涡流。由于工件阻闭合，称为涡流。由于工件阻抗很小，涡流很大。受集肤效抗很小，涡流很大。受集肤效应的影响，越靠近工件表面电应的影响，越靠近工件表面电流越大。感应电流快速将零件流越大。感应电流快速将零件的表面加热到的表面加热到Ac3或或Acm以上，以上，快速冷却后即可在零件表层获快速冷却后即可在零件表层获得马氏体组织。得马氏体组织。 感应加热频率越高，淬硬层越感应加热频率

35、越高，淬硬层越浅，但加热速度越快。浅，但加热速度越快。感应加热表面淬火工艺流程感应加热表面淬火工艺流程 以齿轮加工为例以齿轮加工为例 锻打毛坯锻打毛坯正火处理正火处理(220HB)粗加工粗加工调质调质处理（处理（250HB）精加工（滚齿）精加工（滚齿）感应加感应加热淬火热淬火回火（回火（55HRC）磨削磨削齿轮高频淬火齿轮高频淬火感应加热的优缺点感应加热的优缺点 热效率高、加热时间短；热效率高、加热时间短； 工件表面氧化、脱碳比较轻，变形小；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；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；设备易于

36、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零件棱边易过热，形状复杂的零件难以保证温度均匀；温度均匀； 设备投资较大。设备投资较大。高频感应加热装置（电子管式）高频感应加热装置（电子管式）晶体管式高频感应加热设备晶体管式高频感应加热设备晶体管式高频感应加热示例晶体管式高频感应加热示例感应加热淬火新技术感应加热淬火新技术 超高频感应加热淬火超高频感应加热淬火 利用利用27.12MHz超高频率的极强的趋肤效超高频率的极强的趋肤效应使应使0.05mm 0.5mm的零件表层在极短的时的零件表层在极短的时间内加热，然后靠自身迅速冷却，达到淬火间内加热，然后靠自身迅速冷却，达到

37、淬火目的。目的。 特点：变形量较小，不必回火。主要用于特点：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。小、薄的零件，可明显提高质量，降低成本。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 2 双频感应加热淬火双频感应加热淬火 对于凹凸不平的

38、工件可采用两种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，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。这样可达时，低凹部位温度较高。这样可达到均匀硬化的目的。到均匀硬化的目的。 3 超音频感应加热淬火超音频感应加热淬火 采用采用20kHz 50kHz的频率（超的频率（超音频波）感应加热淬火可解决凹凸音频波）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。不平工件表面淬硬层不均匀的问题。感应加热淬火示例感应加热淬火示例Die HardeningInduction hardening of forming to

39、ol (Volvo)Die HardeningDie HardeningDie HardeningFinal result.Die HardeningDie HardeningDie Hardening四、火焰加热表面淬火四、火焰加热表面淬火 用火焰将工件表面用火焰将工件表面快速加热到快速加热到Ac3或或Acm以上，然后用以上，然后用水快速冷却，以在水快速冷却，以在表层获得马氏体组表层获得马氏体组织。织。1 火焰加热的特点火焰加热的特点 分分焰心焰心1、内焰、内焰2和外焰和外焰3三个区。三个区。 内焰温度最高。内焰温度最高。 有较大的温度梯度。有较大的温度梯度。 （根据氧与乙炔的比例不（根据氧

40、与乙炔的比例不同，氧乙炔焰还可分为同，氧乙炔焰还可分为氧化焰、还原焰、中性焰氧化焰、还原焰、中性焰三种）三种）2 火焰加热淬火用燃料火焰加热淬火用燃料要有较高的发热值，来源容易，价格低廉，贮存和使用安全可靠，污染小。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。表 4 10 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 890

41、0 2435 2670 8010 * 3100 2700 2640 2540 2300 2320 1875 1925 1985 1.0 1.75 4.0 * 2.0 9.0 25.0 * 3 火焰加热淬火方法火焰加热淬火方法 要求要求加热均匀加热均匀（1） 旋转法旋转法：火焰喷嘴或工件：火焰喷嘴或工件旋转。旋转。 适合中小型工件。适合中小型工件。 （2） 推进法推进法：工件和火焰喷嘴做相对移动。：工件和火焰喷嘴做相对移动。 适合导轨、大齿轮等工件；适合导轨、大齿轮等工件； （3） 联合法联合法(旋转推旋转推进法进法)： 使火焰喷嘴及冷却使火焰喷嘴及冷却装置沿着转动的工件装置沿着转动的工件作相对

42、移动。作相对移动。 适合长轴类工件。适合长轴类工件。4 影响火焰表面淬火硬化层的工艺因素影响火焰表面淬火硬化层的工艺因素 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。5 火焰加热表面淬火的优缺点火焰加热表面淬火的优缺点 硬化层较厚，硬度梯度较平缓，耐磨性好；硬化层较厚，硬度梯度较平缓，耐磨性好；投资少，简单易行，处理费用低；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；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。温度均匀性差，难以控温

43、，质量波动大。 因有软带的问题，只能进行因有软带的问题，只能进行局部淬火局部淬火。5 等离子弧加热表面淬火技术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。直流等离子弧功率大、电弧温度高、弧焰流速快、能量集中。等离子弧温度等离子弧温度弧焰流速弧焰流速多功能等离子弧加热设备多功能等离子弧加热设备 等离子弧淬火技术在等离子弧淬火技术在80年代后开始获得应用，如处理年代后开始获得应用，如处理缸套、曲轴等。缸套、曲轴等。6 激光表面淬火激光表面淬火激光淬火过程激光淬火过程将将104105W/cm2高功高功率密度的激光束作用在率密度的激

44、光束作用在工件表面，以工件表面，以105106/s的加热速度将工的加热速度将工件表面迅速升温至相变件表面迅速升温至相变点以上，然后依靠冷态点以上，然后依靠冷态基体以基体以105/s的速度自的速度自冷淬火。冷淬火。2 激光淬火设备激光淬火设备3 材料表面预处理材料表面预处理 （1）与基体力学性能有关的热处理：被处理）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金属的原始组织对激光淬硬层的硬度和深度都有影响。有影响。 （2） 提高零件表面激光吸收率的提高零件表面激光吸收率的黑化处理黑化处理：80的激光被平整金属表面反射，黑化处理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。