材料科学与工程专业金属热处理原理及工艺表面热处理课件市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

第十一章表面热处理一、表面淬火二、少无氧化热处理三、离子注入四、电子束处理第1页一、表面淬火什么是表面淬火表面淬火有何特点表面淬火主要处理哪些问题表面淬火发展表面－心部不一样性能要求，高效率生产不改变表面化学成份，只改变表面组织第2页

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关键点：用快速加热法，使零件表面层很快地到达淬火温度（A化），在热量传至内部之前，马上冷却使表面层淬硬。•材料：中碳钢及中碳合金钢，如40、45、40Cr。感应加热•分类（加热方法）激光加热火焰加热一、表面淬火第3页（一）感应加热表面淬火1、感应加热原理*感应电流---涡流*集肤效应*电流透入深度(δ)与电流频率(f)关系:利用电磁感应原理集肤效应示意图感应加热表面淬火示意图零件处于交变磁场（感应线圈产生）中产生感应电流（涡流），从而产生热量（零件阻抗通电流产生热量）使零件被加热，随即冷却淬火。一、表面淬火第4页ρ—工件电阻率μ——工件相对导磁率f——电流频率可见：1）f愈高，δ越小，淬硬层深度越浅。2）ρ愈大，μ愈小，δ越大。第5页2、分类（按电源频率）工频：50Hz，功率密度0.1～100W/cm2；中频：＜10kHz，功率密度＜5W/cm2；高频、超高频：20～1000kHz，功率密度2～10W/cm2；普通地：淬火硬化层厚度随感应加热器频率↗而↘；但感应电流随感应加热器频率↗而↗，即表面加热热效率高（易过热）。应依据工件尺寸和要求淬硬层深度选择合理电流频率。δ=10～15mmδ>2mmδ=0.5～2mm第6页3、高频感应加热表面淬火后组织和性能快速加热时钢相变特点1）临界温度升高，转变在较宽温度范围内完成2）奥氏体晶粒较细3）奥氏体成份不均匀高频感应淬火后组织

M→M+F→原始组织高频感应淬火后性能

硬度比普通淬火高2～3HRC疲劳强度提升强度提升

第7页4、感应加热淬火主要工艺原因

预处理：表面淬火前，须对零件进行正火或调质处理，以确保零件心部含有良好综合性能。硬化层深度确实定：抗磨损：1～6.5mm抗疲劳：2～12mm感应加热淬火温度因为感应加热速度快，但组织转变又含有热滞后，为使组织转变充分，所以感应加热温度应比常规加热温度提升30～50℃。加热比功率（单位面积加热功率W/cm2）比功率大，加热熔化充分、相对晶粒较大。所以：大加热比功率：原始组织较细、硬化层较深、移动式连续加热；小加热比功率：原始组织较粗、零件形状复杂、同时加热。第8页感应器（感应线圈）感应器普通为中空、内通冷却介质纯铜管制造而成。（加热方式、感应器形状、应用情况等P133图4—8）

后处理：表面淬火后，普通要对零件进行低温（160～200℃）回火处理，以降低淬火应力和脆性。

冷却：水，油，有机溶液喷射冷却，浸淬第9页5、工艺特点加热速度快，热效率高达60%以上，生产率高；产品质量高，工件变形小，不易氧化及脱碳；易实现批量产品机械化和自动化，清洁无污染。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。第10页6、感应加热淬火举例45钢曲轴热处理工艺。调质处理：淬火加高温回火淬火加热温度810～830℃，回火加热温度560℃，取得回火索氏体组织感应加热淬火：淬火加热温度830～870℃，喷水冷却

Ac3Ac1T/℃HRC距表面距离淬硬层深度M+FMS回50％M点第11页（二）火焰加热表面淬火使用火焰燃烧器和冷却喷头实现对金属零件进行表面加热淬火热处理工艺过程。燃烧气体：煤气、甲烷气、丙烷气、乙炔气、氢气等；冷却介质：水、油、合成水溶液等。一、表面淬火第12页工艺特点：简单灵活加热速度慢，冷却速度也慢。在工件内部储存较多热量，硬化层较深，不易淬裂，淬火硬度不高。适合用于中碳钢（调质钢、工具钢、模具钢等）和铸铁零件表面淬火；适合用于大型零件，不适合用于薄壁零件。加热温度不易控制、工件表面易过热、淬火质量不够稳定。第13页火焰加热方式固定加热旋转加热连续加热

火焰加热应用趋势带压力火焰加热，提升加热速度；带保护气氛加热，降低氧化和脱碳；发展各种火焰喷涂和喷焊技术第14页（三）电接触加热表面淬火工艺介绍利用触头（铜滚轮或碳棒）和工件之间形成电回路，在低电压大电流作用下，利用电极与工件之间接触电阻使工件表面局部加热，并靠工件其它未被加热部位传导进行自冷却工艺。讲义P142图4-16工艺特点显著提升工件表面耐磨和抗擦伤能力；淬硬层薄，形成局部硬质点，属于局部表面淬火；淬火后无须任何精加工，尺寸精度高，适合用于精密加工后零件表面淬火。应用机床导轨、工模具、汽缸套等。一、表面淬火第15页第16页二、激光热处理激光知识何为激光：受辐射光放大而产生光。含有单色性好、光亮度高、辐射方向性强等特点。激光主要应用：(材料学科领域）

激光热处理激光焊接激光快速成型激光切割激光检测

视频（激光淬火）第17页激光热处理加热设备组成

透射式工件平面发射镜控制系统工作平台工件和激光束相对位置。工件反射式球面镜平面发射镜激光发射器

导光系统

第18页M+ArM+F+ArS回1、激光表面淬火

一束高能激光束照射到金属表面，使金属表面局部温度快速上升到奥氏体相变温度以上，激光束移开后，靠工件未被加热部位自冷却淬火工艺过程。

调质热处理后表面激光淬火第19页激光表面淬火性能硬度，碳钢提升10％，铸铁提升1～2倍耐磨性提升近20倍残余压应力高激光表面淬火特点快速加热，快速冷却处理层与基体结合强度高零件变形极小加工柔性好需吸光涂层第20页相对前面而言,假如提升激光功率、降低光斑直径、降低扫描速度时，工件表面薄层被熔化——激光表面熔化淬火。作用：（1）细化晶粒普通情况下能使降低9/10，硬度提升30%以上（2）消除表面夹杂对于铸件粗大数枝晶常伴氧化物、硫化物、金属化合物、气孔等夹杂，激光表面重熔使杂质释放出来，同时表面细化（3）提升铸铁耐磨性为提升灰口铸铁和球墨铸铁耐磨性，采取激光表面熔化淬火，取得表面熔化区白口，组织为树枝马氏体+残余奥氏体、树枝间马氏体+莱氏体+渗碳体；相变区马氏体+残余奥氏体+石墨；过渡区隐针形马氏体+残余奥氏体+石墨+未熔渗碳体2激光表面熔化淬火第21页激光热处理应用应用于缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、活塞环等；如大连机车车辆厂、西安内燃机厂、北京内燃机厂、首都汽车企业、长春一汽、多个激光加工中心等。例：38CrNi3MoV炮管内膛激光热处理。第22页3激光表面合金化把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式添加到基体金属表面，经过激光加热使其（预涂层）与基体表面共熔而混合，形成表面特种合金层。合金粉末添加方法：（1）预沉积法：预先在涂上一层合金涂膜层，然后用激光重熔。如粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、预置薄板或金属箔等。（2）共沉积法：在激光照射同时将合金粉末送入。第23页激光表面合金化应用（1）铁基金属将Cr、Ni等金属在碳钢表面激光合金化，在金属表面形成表面钝化膜；Mo在金属表面形成减摩膜（2）有色金属将Ni金属表面激光合金化Au，电接触点；Ti金属表面激光合金化Pd,降低Ti金属在还原酸中腐蚀速率；Cu表面激光合金化Cr，形成氧化膜；Al金属表面激光合金化Si,提升表面硬度（3）金属硅化物将Pt、Pd、Ni等合金化到Si表面，形成金属触点第24页4激光表面熔覆在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，控制能量输入参数，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而到达一外加熔覆层。（1）自溶合金粉末（Ni、Fe、Co、Cu基）（2）陶瓷粉末（碳化钨、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铬、氮化硼等）（3）熔覆基体——碳钢和有色金属第25页5激光表面非晶化（激光上釉）利用激光伎俩在金属表面上制得一非晶层。

非晶态与晶体相比，强度、韧性、硬度、导磁、耐腐蚀性均取得显著提升。如对Fe-P-Si合金，2.1%C-12%Cr合金激光处理取得非晶层,但不是全部金属都能取得非晶体.美国F-15战斗机F100型发动机涡轮盘激光制备非晶层，使其重量降低50%。第26页6激光表面纳米化利用激光束照射金属表面，取得纳米组织，或形成表面纳米覆层。此项工作属国际前沿科研项目，当前正在进行科学研究。7激光退火对于半导体材料（硅片、砷化镓），当某种工艺（如离子注入出现晶格缺点，失去电子活性），激光退火能够消除缺点，使晶体结构有序化。美国半导体太阳能生产线均采取此项工艺。8激光冲击硬化利用107W/mm2以上高功率密度脉冲激光照射金属表面，使金属表面猛烈气化，形成冲击波（104Mpa）反作用表面使其硬化。第27页一）真空热处理1、金属在真空中加热2、金属在真空中冷却3、真空热处理工艺真空退火真空淬火及回火真空渗碳4、真空热处理后钢机械性能5、真空热处理时应注意问题三、少无氧化热处理降低钢氧化烧损、降低钢脱碳热处理工艺。第28页降低钢氧化烧损、降低钢脱碳热处理工艺。钢在几个气氛中氧化和脱碳空气：氧化：Fe+O2FeOFe2O3Fe3O4脱碳：C+O2CO2CO-CO2：

氧化—还原：3Fe+4CO2Fe3O4+CO

脱碳—增碳：C+CO22CO

Fe3C+CO2Fe+2CO

三、少无氧化热处理二）可控气氛热处理不可控第29页

H2-H2O：

氧化—还原：Fe+H2OFeO+H2

脱碳—增碳：Fe3C+H2O

3Fe+CO+H2

H2-CH4：

脱碳—增碳：C+2H2CH4

Fe3C+2H23Fe+CH4

第30页

Fe3O4+H2Fe+H2O还原Fe3O4+

H2

Fe+

H2O氧化Fe3O4+COFe+CO2还原

Fe3O4+COFe+CO2氧化

T2

T1T/℃A-A’B-B’气体百分比可控气氛无氧化加热原理普通燃料制备气氛多为CO-CO2-H2-H2O混合气体,所以必须考虑Fe+CO2

=FeO+CO和Fe+H2O

=FeO+H2综合影响.①④③②C-C’

T3

第31页普通地：燃料气氛中多为CO-CO2-H2-H2O混合气体。必定存在两个反应：

曲线左侧为还原区，右侧为氧化区

曲线左侧为还原区，右侧为氧化区A-A’线：气氛H2O/H2为固定值，当T＞T1是还原区，T＜T1是氧化区；所以冷却氧化。C-C’线：气氛CO2/CO为固定值，当T＞T3是氧化区，T＜T3是还原区；所以加热氧化。FeO+H2

Fe+H2O

FeO+COFe+CO2第32页B-B’线：气氛H2O/H2中加入气氛CO2/CO混合气氛时，T＞T3前，CO2/CO气氛使钢处于轻微氧化，但H2O/H2使钢处于还原区被保护，还原作用大于氧化，所以高温控制CO2、增加H2，有利降低钢氧化。T＜T3后，CO2/CO气氛使钢处于还原，但H2O/H2使钢处于氧化，还原作用大于氧化，所以低温控制H2O、增加CO，有利降低钢氧化。这么能够取得光亮热处理。第33页四、表面离子注入将几万到几十万电子伏特高能离子流注入到固体材料表面,从而使材料表面机械、物理、化学性能发生改变。1离子注入改性机理（1）损伤强化离子注入使晶格大量损伤，晶格原子发生位移，形成空位—间隙原子对，随即又撞击其它晶格原子，形成损伤区，使金属长程有序变为短程有序，甚至非晶态，空位集结在位错周围，产生钉扎强化。（2）掺杂强化N、B等被注入金属后，会形成金属化合物嵌于材料中，组成硬质合金弥散强化相。（3）喷丸强化（4）增强氧化膜、提升润滑性离子注入促进粘附性表面氧化物生长，降低摩擦系数。第34页2离子注入应用（1）降低表面摩擦力注入离子对位错妨碍，使摩擦副表面边得更脆；注入离子使表面氧化膜更易形成。（2）提升表面抗磨损性（3）提升表面耐腐蚀性利用钝化、氧化膜理论，使注入离子能形成钝化膜、氧化膜，从而实现防腐蚀第35页五、表面电子束技术电子束射到材料表面会同材料原子核和电子发生交互作用，经过与基体电子碰撞传递能量，改变材料表面原子点阵实现表面强化．（电子与原子核之间为弹性碰撞）1电子束强化特点标准上电子束改性与激光含有大致相同特点.二者差异:(1)能量利用率:金属对激光吸收率低,而对电子束吸收率非常高,甚至高达99%,所以电子束含有更