表面淬火和表面形变强化课件

第四章表面淬火和表面形变强化技术第一节表面淬火技术原理和分类原理:

利用快速加热装置将工件表面迅速加热至淬火温度，而不等热量传至中心，便立即进行淬火冷却的一种热处理工艺方法。表层获得硬而耐磨的马氏体而心部仍为未淬火组织，即韧性较好的调质组织、正火组织等。方法:

感应加热淬火、火焰淬火、激光加热表面淬火、电子束淬火等。表面淬火用材料:

中碳钢:（40、45、50号钢）中碳合金钢（如40Cr、40MnB）

球墨铸铁

一、感应加热表面淬火1.原理：

把工件放到空心铜管绕成的感应线圈中，线圈中通入一定频率的交流电流，于是工件中就感应出同频率的感应电流，感应电流在工件中自成回路，而且这种电流有这样一个特点，在截面的分布上不均匀，表面电流密度极大，心部电流密度几乎等于零，即具有“集肤效应”。由于钢本身具有电阻，因而使钢件表层快速加热到淬火温度，随即喷水冷却，使工件表层淬硬。感应加热深度主要与电源频率（f）有关对于碳钢有如下关系：

δ=(500-600)／√f

对于合金钢有

δ=503√

/

f

式中δ为电流透入深度(mm),f为电流频率（Hz）。ρ为零件电阻率（Ω.mm2/m）,μ为零件的导磁率。不同频率电流的淬硬层深度50Hz(工频）：10-15mm.2500-8000Hz（中频）：2-5mm.200-300kHz(高频）：0.5-2mm.感应加热表面淬火分类(1)高频淬火：

20万-30万Hz,0.5-2.5mm,小模数齿轮、中小型轴类零件。(2)中频淬火：

2500-8000Hz，3-6mm,直径较大轴类零件、模数较大齿轮。(3)工频淬火:50Hz,10-15mm,火车车轮，轧辊。2．特点（1）加热速度快，时间短，奥氏体不易长大，淬火后得到非常细小的隐晶马氏体，比普通淬火硬度高HRC2-3.（2）感应加热淬火后，工件表层疲劳强度高。因为马氏体转变体积膨胀，在工件表层产生残余压应力，提高疲劳强度。（3）加热速度快，无保温时间，钢件表面不易氧化、脱碳，心部未加热，钢件变形小。（4）生产效率高。缺点：设备昂贵，不适合单件生产，形状复杂的零件感应器不好制备。二、火焰加热表面淬火原理

是用乙炔-氧或煤气-氧混合气体燃烧得到的高温火焰喷射到工件的表面，当表面温度达到淬火温度，随即喷水冷却，从而获得需要的表面层硬度和淬硬层深度的一种表面淬火方法。零件：中碳钢35、45钢和中碳合金钢，40Cr,65Mn等。特点：方法简单，无需特殊设备，适用于单件、小批量生产，如大摸数齿轮、大型轴类。但由于加热系统不封闭，故加热温度不易控制，工件表面易过热、过烧。因此，淬火质量难以控制。三、激光淬火与电子束淬火一．激光淬火原理与应用利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面使其温度生高到淬火温度，当激光移开后，由于钢铁本身的导热作用使得表层快速冷却达到淬火。特点：能量密度更高、加热速度更快，不需要淬火介质，工件变形小易于实现自动化。加热层深度：0.1-1.0mm.激光淬火激光器主要有：

CO2和YAG（掺钕钇铝石榴石）影响淬硬层深度H的主要参数：H&P/(Dv)P;激光功率，D:光斑直径,v：扫描速度.P/(Dv)的物理意义为单位面积激光作用区注入的激光能量，称为比能量，单位J/cm2。

另外一个重要的工艺参数为功率密度，即单位面积注入工件表面的激光功率。为了使工件表面不熔化，激光功率密度通常低于10000w/cm2,一般为1000-6000w/cm2.表面预处理状态：包括两方面：一方面指钢本身，表面是什么组织，例如调质组织。二是指表面“黑化处理”，以便提高钢铁表面对激光束的吸收率。方法有；磷化、氧化、刷涂料。二．激光表面熔凝技术就是用激光把基材表面加热到熔化温度以上，然后靠基材本身的导热使熔化层表面快速冷却并结晶的热处理工艺。组织变化为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材。与激光淬火相比，激光熔凝层比激光淬火的硬化层要深，硬度要高、耐磨性要好。缺点：表面变的粗糙，后续加工量大。特别适合于：灰口铸铁和球墨铸铁的表面强化，表面可以形成含碳量很高的白口铸铁，硬度可达到1000-1100HV，耐磨性得到提高。激光焊接四、电子束淬火电子束淬火技术是以高能电子束作为能源进行表面相变硬化的热处理工艺。原理与激光淬火类似，不需要介质，工件对于电子束的吸收率比激光大得多，淬硬层深度也高于激光淬火。限制：在真空环境下进行。限制使用范围，在工业中已经被激光淬火取代。第二节、表面形变强化技术一、喷丸强化技术方式：用从喷丸机中高速喷射的小弹丸撞击工件的表面，使材料表层产生塑性变形，形成较大的残余压应力，从而提高表面的强度和疲劳性能。原理：靠加工硬化作用，表面材料晶粒细化，产生位错、孪晶、亚晶。弹丸：铸铁、铸钢丸、不锈钢丸陶瓷丸。喷丸对形貌和性能的影响：（1）对硬度：材料硬度越高，喷丸强化层越浅，弹丸硬度、动能越大，喷丸后材料表面硬度也越大，硬化层最高可达到0.8mm.（2）对表面粗糙度影响：粗糙度对疲劳寿命影响很大，降低表面粗糙度可以增加零件疲劳寿命。喷丸后虽然使表面粗糙度略有增加，但喷丸的痕迹没有方向性、可使切削加工的尖锐刀痕圆滑，有利于提高疲劳强度。喷丸后表面粗糙度与弹丸的直径有关。（3）对疲劳寿命和抗应力腐蚀能力的影响：喷丸后，可在工件0.2-0.4mm厚的表层内产生几百MPa的压应力，可大幅度提高疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。应用：

广泛用于:

弹簧、齿轮、链条、轴等零部件。

某大汽车公司对喷丸处理的齿轮箱传动轴和齿轮进行疲劳实验（材料40CrMo，HRC58-62）.疲劳寿命提高三