表面淬火和变形强化

1、第四章 表面淬火和变形强化,表面淬火技术的原理和特点 感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火,1. 表面淬火技术的原理 将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使之迅速冷却并转变为马氏体。 将钢整体加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。,第四章 表面淬火,2. 表面淬火技术的加热方式 感应加热：中频感应加热、高频感应加热 火焰加热 激光加热 离子束加热 电子束加热,第四章 表面淬火,3. 表面淬火对材料的要求 凡是能进行整体淬火强化的材料都可以进行表面淬火。 低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化（齿轮

2、渗碳）。 表面硬度要求越高，要求钢碳含量和合金含量越高；表面硬化层越深，要求钢淬透性越好。,第四章 表面淬火,4.与常规淬火技术的区别 在一定加热速度范围内，V加热，T临界 V加热，奥氏体成分的不均匀性 a. C 成分不均匀,从相图上看与F,K 相邻的浓度相 差很大,C 来不及扩散。 b. 合金元素不均匀 预先热处理（调质、正火、球化退火）表面淬火 V加热，奥氏体晶粒细化显著 a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在F 和K相界上形成，A在F 亚晶界上形成。 b.加热时间短,如果加热速度10 7 度/S,形成时间10-5S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。 V冷却，表面硬度高,

3、第四章 表面淬火,5. 表面淬火层组织 全马氏体区 (全淬硬层) 马氏体+铁素体区 (过渡层) 硬化层深度由硬度法和金相法评定(半马氏体区硬度:国家标准),图4-1,第四章 表面淬火,6. 表面淬火技术的特点 生产效率高，能耗小。 加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织均匀性差（渗碳体来不及溶解和扩散）。 表面组织细，硬度高，中部硬度低，韧性好。,第四章 表面淬火,感应加热淬火原理 将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场的作用下（如果工件与线圈的间隙非常小）由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡流，大小与线圈电流相等，方向相反。 涡流产生热量，将工件表面加热迅速

4、加热到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达到对工件表面淬火的目的。,第四章 表面淬火,4.2 感应加热表面淬火技术,感应加热原理 对于圆柱型工件，表面吸收的功率P为： P=1.2510-3R0I2(f)1/2 式中：R0为工件半径（mm），I为感应器通入电流（A）， 为工件材料电阻（.m），为导磁率（H/m），f为电流频率（Hz）。 功率P的大小决定了加热速度。 加热到奥氏体时， 迅速下降，即吸收功率P迅速下降 表面不容易过热。,第四章 表面淬火,中频淬火,加热线圈,冷水圈,第四章 表面淬火,电流导入深度： =5.03104（/f）1/2（mm） 式中：为工件材料电阻（.m），为导磁率（H/m）

5、，f为电流频率（Hz）。 电流导入深度与电流频率成反比，也就是淬火深度与电流频率成反比。,第四章 表面淬火,工艺流程 预先调质处理确定加热温度与加热方式选择比功率设计感应加热器确定冷却方式制定回火参数 加热方式：同时加热、连续加热 （图4-5）,第四章 表面淬火,高频200300KHz，淬火深度0.52mm 中频25008000Hz，淬火深度25mm 工频50Hz，淬火深度1015mm 双频加热，提高淬火深度（3050mm）。,第四章 表面淬火,分类,感应加热淬火技术特点 效率高 变形小 深度可控 需要制作特定的线圈 电源功率大 “尖角”效应,第四章 表面淬火,感应加热淬火技术应用 高频淬火：

6、轴类零件，磨损量小，但精度要求高的零件 中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨损量，精度要求较高的零件 工频或双频：轧辊，磨损量大 表面淬火在粗加工或半精加工后进行，最后只留磨量。,第四章 表面淬火,齿轮,活塞,柱塞杆,轴,第四章 表面淬火,火焰淬火（flame quenching）原理： 用火焰快速将工件表面加热到淬火温度，并快速冷却，使工件表面得到淬火组织。 控制参数：火焰大小、火焰与工件的相对距离和相对移动速度 淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却条件等,第四章 表面淬火,4.3 火焰加热表面淬火技术,4.3 火焰加热表面淬火技术,第四章 表面淬火,优点： 设备简单 操作灵活 操作简单 适用于

7、各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火,4.3 火焰加热表面淬火技术,缺点： 生产效率低 难以控制，需要丰富的经验。 淬火层的均匀性差 变形大,第四章 表面淬火,适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火 导槽、模具、凸轮轴（凸台）,4.3 火焰加热表面淬火技术,4.4 激光加热淬火技术,激光加热原理: 用激光束加热材料表面，使之迅速生高到相变温度以上。,PRC-2000型CO2工业激光器,第四章 表面淬火,激光加热的特点：能量密度高，加热速度快、温度高，且容易控制。激光加热可有多种用途: （1）激光淬火：加热材料表面到相变点以上温度，自行快速冷却转变为马氏体。 （2）激光重熔：加热材料

8、表面使之熔化，表层快速冷却，形成白口组织或高硬度相。 （3）激光非晶态处理：用激光束熔化材料表面，然后快速冷却，形成非晶态组织。,第四章 表面淬火,（4）激光合金化：用镀敷或喷涂技术，将需要的合金元素涂敷在金属表面，用激光照射，使表层熔化，合金元素和基体混合，形成所需要的成分和组织。 （5）激光熔覆：用镀敷或喷涂技术，将陶瓷涂敷在金属表面，用激光照射，使陶瓷和金属基体表层熔化，并形成冶金结合。 激光加热还有大量其他用途：激光切割、激光刻字、激光打孔等,第四章 表面淬火,激光淬火（Laser Quenching）原理: 用激光束加热材料表面，使之迅速生到相变点温度以上但不熔化，当激光束移开后表层

9、自行快速冷却，并转变为马氏体。,第四章 表面淬火,4.4 激光加热淬火技术,特点 能量密度高，加热速度快、温度高，不需要淬火冷却介质。 控制参数 （1）淬火层深度：激光功率、光斑直径和扫描速度决定。淬火层深度一般在0.11.0mm （2）能量密度（J/cm2）：决定加热温度和深度 。,激光淬火,第四章 表面淬火,4.4 激光加热淬火技术,优点： 工件变形小 能量集中，热影响区小 加热深度和轨迹容易控制 适用于表面重熔，甚至可以熔化陶瓷。 为了不使材料熔化，激光淬火时能量密度一般为10006000 J/cm2 。 缺点： 存在回火软化带，对要求大面积均匀硬化层的工件不利,4.4 激光加热淬火技术

10、,Cr12MoV钢激光淬火组织和硬度分布,4.4 激光加热淬火技术,应用 （1）高精度零件处理 汽车大梁，汽车油泵，空压机、发动机的汽缸，汽车凹轮轴，热锻模大型内齿圈,4.4 激光加热淬火技术,应用 （2）管材内表面改性 例：管内机器人激光表面改性技术，对细长管材内表面硬化处理，提高耐磨性，延长寿命，减少管材的使用量。 外径60mm，壁厚8mm，长2300mm的细长空心轴，淬火后振摆变形小于0.2mm,4.5 变形强化,变形强化机理： 塑性变形位错运动位错增殖位错交结强度提高 塑性变形马氏体相变强度提高 最常用来表示金属材料变形强化的公式是Hollomon公式：S=Ken 式中：S为真应力；e

11、为真应变；n为变形强化指数；K材料硬化系数。,4.5 变形强化,（1）喷丸或抛丸强化:钢丸高速撞击工件表面，使表层材料产生大量的塑性变形。 （2）滚压强化：用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错。 产生大量的位错，如有奥氏体相，促使马氏体相变，提高材料的表面强度。 较大的残余压应力。 提高材料的强度，特别是疲劳强度的方法。,4.5.1 喷（抛）丸强化,钢丸,喷丸强化,4.5.1 喷丸强化,喷丸强化：压缩空气带动钢丸高速撞击工件。,喷丸强化,飞机叶轮喷丸强化,喷丸强化,4.5.1 喷丸强化,喷丸强化：撞击点集中，易于控制。,齿轮,飞机叶轮,喷丸强化,4.5.1 抛丸强化,抛丸强

12、化：叶轮高速旋转，钢丸在离心力的作用下，沿叶片切线方向以45ms75ms速度飞出，高速撞击工件，使工件表面产生塑性变形和内应力，达到强化的目的。,4.5.1 抛丸强化,抛丸强化撞击面大，生产效率高。用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、车轮以及大批量生产的零件等。,4.5.1 喷（抛）丸强化,喷（抛）丸强化后表层残余应力分布 疲劳破坏时，表面产生拉应力，表面残余压应力可以抵消部分拉应力，降低应力峰值，从而提高疲劳强度。,4.5.1 喷（抛）丸强化,合适的工艺参数下，在0.20.4mm表层，产生数百兆帕的压应力。 1Cr18Ni9Ti、20钢、45钢、40Cr、60Si2Mn喷（抛）丸强化后疲劳强度可提高1447%。；铝合金的临界腐蚀应力提高1倍；汽车渗碳齿轮疲劳寿命提高4倍；弹簧钢板疲劳寿命可延长5倍。,控制要点： （1）钢丸直径：取决于工件表面质量要求 （2）钢丸硬度：取决于工件材料 （3）钢丸材料： 不易破碎 不能有尖角、碎丸：降低疲劳强度 不锈钢工件不能用普通钢丸：生锈 （4）喷（抛）丸强度：用试片检测。 （5）表面覆盖率（%）,4.5.1 喷（抛）丸强化