表面工程学-第四章

1、第四章 表面淬火和表面形变强化技术 在表面工程技术中，不需要外加其它材料，主要依靠材料自身组织与结构转变来进行表面改性的工艺主要有两类： 一、表面淬火与退火技术 二、表面形变强化技术 特点：特点：工艺简单工艺简单、效果显著效果显著、应用广泛应用广泛 （一）原理： 定义： 采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。 注意：凡是能通过整体淬火强化的金属材料，原则上都可以进行表面淬火。 适用对象： 中碳钢、球墨铸铁（C含量：0.35%1.20%） 一一 表面淬火技术表面淬火技术 （二）技术特点：

2、一般而言，表面淬火时加热速度和冷却速度很快，使得它与普通淬火技术在相变过程及特征上有较大区别。具体表现有： 1、材料经表面淬火后的硬度值比普通淬火后的要高 2、表面淬火处理之前常需要进行预先热处理（调质、正火、球化退火处理）（三）表面淬火层的组织与性能 ： 1. 表面淬火层的组织： 工件表面淬火以后的金相组织与加热 温度沿试样横截面有关，一般可分为淬硬 区、过渡区及心部组织三部分。如图所示： 此外，表面淬火后的组织及其分布还 与钢的成分、淬火工艺及其参数、工件尺 寸等因素有关。2. 表面淬火层的性能： 在正常情况下，表面淬火层的硬度一般比普通淬火工艺的高25HRC,淬火后工件的耐磨性也比普通淬

3、火要好。 此外，表面淬火还可以在零件表面产生压应力，抑制裂纹的萌生与扩展过程，因而能大幅提高轴类零件的疲劳强度并使其缺口敏感性下降。 （四）分类：感应加热淬火火焰淬火激光淬火电子束淬火电阻加热淬火第一节 感应加热淬火技术一、感应加热淬火技术的基本原理： u基本过程： 将工件放在有足够功率输出的感应线圈中， 在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并由于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温度Ac3或Accm之上，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表面获得马氏体。如右图所示：u基本原理： 吸收功率P 式中：R0 为工件圆柱的半径（mm），I 为感应器 中的电流（A） 为

4、被加热材料的电阻率（m） 为磁导率（H/m）, 为使用的电流频率（Hz） 注： 称为吸收因子 电流导入深度fIRp212031025. 1f41003. 5ff21二、工艺流程：三 、技术特点： 感应加热淬火技术是应用最广泛最广泛 的表面淬火技术 特点： (优点)可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 (缺点)1、设备成本较高； 2、尖角效应：感应加热时，容易使零件的尖角棱边处过热； 3、一般只适合形状简单的零件。 改进：高频感应冲击淬火高频感应冲击淬火第二节 火焰加热表面淬火技术一、基本原理： 将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，然后在一定淬火介质中冷却。

5、二、技术特点： 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 (优点)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。 (缺点)生产效率低，淬硬层的均匀性较差，质量控制比较困难。三、适用范围： 主要用于单件、小批量生产及大型齿轮、轴、轧辊、导轨等四、组织特征：过渡区较宽第三节 激光淬火与电子束淬火技术一、激光淬火技术的原理及应用：v 定义：（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，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。(自激冷淬火、自淬火) 注：依据激光

6、器的特点不同，激光淬火可分为CO2激光淬火激光淬火和YAG激光淬火激光淬火v 技术特点： （优点） 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，加热层深度和加热轨迹易于控制(淬火部位可控)，无氧化、无污染，易于实现自动化。 （缺点） 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带。v 组织与性能特征： 组织：激光淬硬区、过渡区、心部组织(基材) 特征：单道硬化区域小、硬度大幅度提高、硬度分布不均匀 淬硬区淬硬区过渡区过渡区基材基材v 影响淬硬层性能的主要因素：(1)材料成分 通过影响材料的淬硬性和淬透性影响 激光淬硬层深度与硬度（示例如右图所示）(2)激光

7、工艺参数 淬火层宽度： 光斑直径D 淬硬层深度： HP/(Dv) （P激光功率 v扫描速度） 注：P/(Dv)称为比能量比能量，物理意义为单位面积激光作用区注入的激光能量(3)表面预处理状态表面组织准备： 通过调制处理等手段，获得较 细的材料表面组织(细片状珠光体、 回火马氏体或奥氏体)表面“黑化”处理： 磷化法、氧化法、喷刷涂料法、 镀膜法二、激光表面熔凝技术原理 定义： 采用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，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凝固结晶的表面处理工艺。(液相淬 火法) 关键：使材料表面经历了一个快速熔化-凝固 过程 组织：（如右图所示） 熔凝层(铸

8、态组织) 相变硬化层 热影响区 基材示例：激光熔凝处理后，T10钢表面显 微硬度沿深度方向的分布 性能特点(与激光淬火层相比 )： （优点）总硬化层深度更深，硬度更高、耐磨性更好 （缺点）表面粗糙度较大，后续加工量大且加工难度高。 应用范围： 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。 2.对于一些特定成分的材料来说，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。 (激光上釉) 3.激光熔凝技术还可以用来细化金属材料的表面组织。三、激光冲击淬火技术定义： 采用功率密度极高的激光束(107W/cm2以上)在极短时间内(低于1ms)作用于金属表面，使金属表面发

9、生局部剧烈蒸发，产生高达105大气压的压力，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显著提高。特点： (优点) 适合那些无法通过相变硬化进行表面强化的材料等；(铝合金) (缺点) 所需要的能量密度过高，加工成本太高。四、激光淬火技术的工业应用 主要应用于局部表面强化五、电子束淬火技术1.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2.特点： 与激光淬火类似，淬硬层深度更高，无氧化、无污染 （注：必须在真空环境下进行必须在真空环境下进行）3.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。第四节 电阻加热表面淬火技术定义： 在工件中通

10、以低压大电流，利用工件表面或紧靠工件表面的周围介质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淬火的工艺方法。种类： 电接触加热法 电解液加热法特点： (优点) 工艺简单，设备费用低，工件变形小。 (缺点) 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第五节 几种典型表面淬火工艺的特点比较 感应加热淬火一直是应用最为广泛最为广泛 的表面淬火工艺，而且激光淬火应用越来越多。二 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1受控喷丸技术原理定义： 是利用高速喷射的细小弹丸在 室温下撞击受喷工件的表面，使表 层材料在再结晶温度之下 产生弹、塑性变形，并

11、呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。(喷丸强化技术)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，同时使工件表面保留残余压应力。工艺(设备)种类： 1.叶轮式（常在形状简单、批量较大的零件生产中使用） 2.压缩空气式（适合于表面形状复杂和批量较小的生产条件） (干喷式和湿喷式)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。2受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响(1)对材料表面硬度的影响： 表面硬度可大幅度提高，且硬化层深度最高 可达0.8mm (2)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。 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： 可大幅度提高疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。3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应力腐蚀能力零件上（二） 表面滚压