表面工程学第四章-表面淬火和表面形变强化技术

1、表面工程学第四章 表面淬火和表面形变强化技术在表面工程技术中，不需要外加其他材料，主要靠自身组织与结构转变来进行表面改性的工艺主要有两类：一类是表面淬火与退火技术，另一类是表面形变强化技术。特点工艺简单、效果显著，在工业生产中得到广泛应用。分类前 言第一节：表面淬火技术的原理和特点1.1 表面淬火技术的原理与方法原 理将表面快速加热至Ac3（亚共析钢）或者Ac1（过共析钢）之上，然后快冷，发生马氏体相变，形成强化层。方 法感应加热；火焰；激光；电子束特 点0.35%1.20%C的中、高碳钢及基体中相当于中碳钢的铸铁均可进行表面淬火（50HRC）但中碳钢与球墨铸铁是最宜表面淬火的材料；获得不同硬

2、化层深度及分布，充分发挥表淬的优点。低淬透性钢通过提高碳的质量分数来提高钢的强度和耐磨性，通过降低合金元素的含量来降低钢材的淬透性。其硬化层深度可控制在1.52.5mm范围内。限制淬透性钢加入Ti阻碍奥氏体长大，并适当增加淬透合金，在尺寸为4060mm的工件上可以得到57mm的均匀硬化层。1.2 表面淬火技术与常规淬火技术的区别表面淬火加热、冷却速度很快，与普淬在相变及特征存在区别：1） 快热使Ac3,ACcm,但使Ac1有限；快热使奥氏体晶粒细化，加热很快甚至使钢产生无扩散奥氏体相变；冷速比普淬也快，所以，硬度比普淬要高，与方法有关。2）快热使渗C体难充分溶解，形成A成分相当不均匀，包括未溶

3、C化物，高C偏聚区（原珠光体）和贫C区（原铁素体） 促使A分解，缩短A的孕育期，随后淬火形成低C马氏体和高C马氏体区域，造成显微硬度不均匀。因此，表面淬火前，需预先热处理（调质，正火，球化退火），使碳化物或自由铁素体均匀、细小分布，以便有利于快速加热时奥氏体的均匀化。1.3 表面淬火层的组织与性能组织一般可分为淬火区、过渡区、及心部组织；性能大于普淬25HRC,主要是因为晶粒和精细结构的细化，以及冷却快等原因。此外，表面压应力有效抑制裂纹的萌生与扩展过程，因此可提高疲劳强度。右图是45钢和T8钢在表面淬火后组织和硬度的分布：第I区，温度高于Ac3，淬火后得到全部马氏体，称全淬硬层第II区，温度

4、在Ac3Ac1之间，淬火后得到马氏体加自由铁素体，称为过渡层第III区，加热温度低于Ac1，为原始组织图中曲线1的过渡区在相同温度下大于曲线2的过渡区宽度。过渡区的宽窄对钢的残余应力分布有重要影响，其宽窄程度主要取决于温度梯度。提高加热速度，可增大温度梯度，显著减少过渡区宽度。第二节：感应加热淬火技术2.1 基本原理高频磁场感应电流集肤效应电流密度(电阻)加热使受热区快速升温至Ac3,Acm之上。感应加热的工艺参数选择：线圈形状与工件形状有关；功率与淬硬深度有关；例：使用单匝感应圈，高度1cm的圆柱形工件所吸收的功率P可以用下式来计算：P=1.2510-3R0I2(f)1/2R0工件半径；I感

5、应器中电流；-加热材料电阻率；-磁导率；f电流频率；电流导入深度：=5.03 104/f磁导率随温度升高至一定值后急剧降低，对应的加热速度也迅速缓慢下来。表面不易过热。2.2 感应加热淬火工艺流程局限:1.设备成本高；2.尖角过热效应；3.复杂零件难保获得均匀淬火层第三节：火焰加热表面淬火技术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，称为火焰加热表面淬火法。燃料煤气、碳氢化合物参数加热面积、工件移动速度、加热温度时间缺点生产效率低、淬硬层均匀程度差、质量控制困难，用于小批量、单件生产4.1、激光淬火的原理和应用45钢表面激光淬火横截面金相组织利

6、用聚焦后的激光束照射到材料表面，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，获得淬硬层第四节：激光淬火与电子束淬火技术影响淬硬层性能的主要因素（1）材料成分通过淬硬性、淬透性来影响淬硬层深度和硬度（2）工艺参数淬火层的宽度取决于光斑直径D淬硬深度h由激光功率(P)、光斑直径（D）和扫描速度(V)共同决定，主要关系为：hP/(DV)（3）表面预处理状态a. 表面组织准备，即通过调质处理等手段使材料表面具有较细的表面组织，以保证淬火时组织与性能的均匀、稳定。b. 表面“黑化”处理,以提高对激光束的吸收率。磷化法；碳素法；氧化

7、物涂层4.2 激光表面熔凝技术原理原 理采用激光束将表面快速加热至熔点温度以上，由基材迅速导热冷却，使表面熔化层快速冷却并凝固结晶。与淬火的差别：表面经历了快速熔化凝固过程，获得的熔凝层为铸态组织。组织特点：包括：熔化区；相变硬化区；热影响区；基体；特 点缺 点硬度高；淬层深，耐磨性好；表面粗糙，后续加工困难特别适合于灰铁和球铁的表面强化因为在熔凝过程中可以使石墨与铁基体混合，形成碳含量很高的白口铁，显微硬度可以高达HV10001100，耐磨性特别优越。 功能密度极高的激光束在极短时间内使金属表面局部剧烈蒸发，发生强烈塑性变形，形成高密度位错、孪晶，提高硬度与强度。4.3 激光激光冲击淬火技术

8、原 理优点缺 点适合无法通过相变硬化进行表面强化的材料所需能量密度过高，加工成本太高汽车缸套内璧激光热处理.4.4 激光淬火技术的工业应用4.5 电子束淬火技术电子束淬火技术是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。原 理动能热能特 点缺 点工件对电子束的吸收率一般比对激光束的吸收率要大得多，淬硬层深度也高于激光束淬火。必须在真空环境下进行，限制了其使用范围。第五节：电阻加热表面淬火技术原 理低压大电流，表面高电阻产生热效应，快速加热至相变温度以上并淬火方 法特 点缺 点1.金属导体相互接触，形成高接触电阻，通过滚轮电极实现快速加热；2.电解液加热表面电解液电离，在工件上析氢，形

9、成氢气膜电阻高，当电流密度很高时，使表面温度急剧上升。工艺简单，设备费用低，工件变形小。淬硬层薄、对形状复杂、尺寸很大的工件不宜采用。表4-2列出了感应加热淬火、火焰加热表面淬火、激光淬火、电子束淬火、电阻加热表面淬火、冲击淬火的工艺特点。据报道，迄今为止，感应加热淬火一直是应用最为广泛的表面淬火工艺。激光淬火不仅基本取代了电子束淬火的位置，也正在越来越多的领域中取代感应加热淬火。第六节 几种典型表面淬火工艺的特点比较第七节：表面形变强化技术7.1、受控喷丸强化原 理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下产生弹、塑性变形和残余压应力，从而提高工件表面强度、疲

10、劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。喷丸机有叶轮式与压缩空气式两大类叶轮式喷丸机中弹丸流的位置与速度都不易改变，常用于形状简单、批量较大的零件。压缩空气式喷丸机依靠调节压缩空气的压力来改变弹丸的速度，适用于表面形状复杂、批量较小的零件。喷丸过程还可以采用湿喷方式，即将弹丸与液体混合，形成悬浮液后喷向工件。湿喷的表面粗糙度比干喷低。受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响1）对硬度的影响弹丸强度或动能越大，则变形层深度越大；弹丸硬度越高，喷丸层深度越深；被喷零件的硬度越高，则喷丸强化层越浅。2）对表面粗糙度的影响受控喷丸以后的零件表面痕迹不同于切削加工表面，痕迹没有方向性，有利于增加零件的疲劳强度。表面粗糙度与喷丸粒子的直径有关。3）对疲劳寿命与抗应力腐蚀的影响喷丸后工件表面可以产生数百MPa的压应力，从而可以大幅度提高材料的疲劳寿命和抗应