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1、第一节 表面淬火技术的原理和特点 一、表面淬火技术的原理与方法一、表面淬火技术的原理与方法 原理：原理：将表面快速加热至将表面快速加热至Ac3Ac3（亚共析钢）或者（亚共析钢）或者Ac1Ac1（过共析钢）之上，然后快冷，成马氏体相变。（过共析钢）之上，然后快冷，成马氏体相变。方法：方法：感应；火焰；激光；电子束感应；火焰；激光；电子束第1页/共45页第一节 表面淬火技术的原理和特点特点：特点：0.35%1.20%C0.35%1.20%C的中，高的中，高C C钢及基体中相当于中钢及基体中相当于中C C钢的铸铁均可进行表面淬火（钢的铸铁均可进行表面淬火（50HRC50HRC），），但中但中C C钢
2、与球墨铸铁是最宜表面淬火的材料；钢与球墨铸铁是最宜表面淬火的材料；获得不同硬化层深度及分布，充分发挥表淬的优点。获得不同硬化层深度及分布，充分发挥表淬的优点。低淬透性钢通过提高低淬透性钢通过提高C C 来提高钢的强度和耐磨性，来提高钢的强度和耐磨性，通过降低通过降低合金合金 来降低钢材的淬透性。其硬化层深度来降低钢材的淬透性。其硬化层深度可控制在可控制在1.52.5mm1.52.5mm范围内。范围内。限制淬透性钢加入限制淬透性钢加入T Ti i阻碍阻碍A A长大，并适当增加淬透合长大，并适当增加淬透合金，在尺寸为金，在尺寸为4060mm4060mm的工件上可以得到的工件上可以得到57mm57m
3、m的均匀硬化层。的均匀硬化层。第2页/共45页第一节 表面淬火技术的原理和特点二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别二、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：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 1）快热使快热使Ac3,AcmAc3,Acm,但使但使Ac1Ac1 有限；快热使有限；快热使A A晶粒细化，加热很快甚至使钢产生无扩散晶粒细化，加热很快甚至使钢产生无扩散A A相变；相变；冷速比普淬也快，所以，硬度比普淬要高，与方法有关。冷速比普淬也快，所以，硬度比普淬要高，与方法有关。第3页/共45页第一节 表面淬火技术的原理和
4、特点2 2）快热使渗）快热使渗C C体难充分溶解，形成体难充分溶解，形成A A成分相当不均匀，包括未溶成分相当不均匀，包括未溶C C化物，高化物，高C C偏聚区（原偏聚区（原P P）和贫）和贫C C区（原区（原F F）促使促使A A分解，缩短分解，缩短A A的孕育期，的孕育期，随后淬火形成低随后淬火形成低C C马氏体和高马氏体和高C C马氏体区域，造成显微硬度不均匀。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，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
5、加热时奥氏体的均匀化。以便有利于快速加热时奥氏体的均匀化。第4页/共45页第一节 表面淬火技术的原理和特点三、表面淬火层的组织与性能三、表面淬火层的组织与性能1.1.组织组织 一般可分为淬火区、一般可分为淬火区、过渡区、过渡区、及心部组织；及心部组织；2.2.性能性能 大于普淬大于普淬2 25HRC,5HRC,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。纹的萌生与扩展过程，因此可提高疲劳强度。第5页/共45页图中曲线1的过渡区在相同温度下大于曲线2
6、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6页/共45页第二节第二节 感应加热淬火技术感应加热淬火技术一、基本原理一、基本原理 高频磁场高频磁场感应电流感应电流集肤效应集肤效应电流密度电流密度(电阻电阻)加热加热使受热区快速使受热区快速 升温至升温至Ac3,AcmAc3,AcmAc3,AcmAc3,Acm之上。之上。感应加热的工艺参数选择：感应加热的工艺参数选择：线圈形状与工件形状有关；线圈形状与工件形状有关；功率与淬硬深度有关；功率与淬硬深度有关；第7页/共45页第二节第二节 感应加热淬火技术感应
7、加热淬火技术例：使用单匝感应圈，高度例：使用单匝感应圈，高度1cm1cm的圆柱形工件所吸收的功率的圆柱形工件所吸收的功率P P可可以用下式来计算：以用下式来计算：P=1.25P=1.25 1010-3-3R R0 0I I2 2(f)f)1/21/2 R R0 0工件半径；工件半径；II感应器中电流；感应器中电流；-加热材料电阻率；加热材料电阻率；-磁导率；磁导率；ff电流频率；电流频率；电流导入深度电流导入深度：=5.03=5.03=5.03=5.03 10 10 10 104 4 4 4 /f f f f导磁率随温度升高至一定值后导磁率随温度升高至一定值后 急剧降低，对应的加热速度也急剧降
8、低，对应的加热速度也 迅速缓慢下来。表面不易过热。迅速缓慢下来。表面不易过热。第8页/共45页第9页/共45页第二节第二节 感应加热淬火技术感应加热淬火技术 二、感应加热淬火工艺流程二、感应加热淬火工艺流程 局限：局限：1.1.1.1.设备成本高；设备成本高；2.2.2.2.尖角过热效应；尖角过热效应；3.3.3.3.复杂零件难保获得均匀淬火层复杂零件难保获得均匀淬火层第10页/共45页第11页/共45页第12页/共45页第13页/共45页第14页/共45页第15页/共45页第三节第三节 火焰加热表面淬火技术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
9、，然后在一定淬火介质中冷却，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。称为火焰加热表面淬火法。燃料：煤气、碳氢化合物燃料：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、单件生产第16页/共45页第17页/共45页第四节第四节 电阻加热表面淬火技术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，快速原理：低压大电流，表面高电
10、阻产生热效应，快速加热至相变温度，淬火加热至相变温度，淬火方法：方法：1.1.金属导体相互接触，形成高接触电阻，通过滚金属导体相互接触，形成高接触电阻，通过滚轮电极实现快速加热；轮电极实现快速加热；2.2.电解液加热表面电解液加热表面 电解液电离，阳极（工件）析氢，形成氢气膜电电解液电离，阳极（工件）析氢，形成氢气膜电阻高，当电流密度很高时，使表面温度急剧上升。阻高，当电流密度很高时，使表面温度急剧上升。特点：工艺简单，设备费用低，工件变形小。特点：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、尺寸很大的工件不缺点：淬硬层薄、对形状复杂、尺寸很大的工件不宜采用。宜采用。第18页
11、/共45页第五节第五节 高能密束表面淬火技术高能密束表面淬火技术 高能密束（高能密束（10103 3W/cmW/cm2 2）离子束、激光束、电子束（）离子束、激光束、电子束（10108989W/cmW/cm2 2）特点：特点：能量作用集中，能量利用率高，具选择性；能量作用集中，能量利用率高，具选择性；加热速度快，温度梯度大，自冷淬火，晶粒细化和超细化；加热速度快，温度梯度大，自冷淬火，晶粒细化和超细化；非接触加热，无机械力，热应力小；非接触加热，无机械力，热应力小；第19页/共45页第五节第五节 高能密束表面淬火技术高能密束表面淬火技术一、激光淬火的原理和应用一、激光淬火的原理和应用 利用聚焦
12、后的激光束照射到材料表面，使其温度利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，却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。获得淬硬层。45钢表面激光淬火横截面金相组织钢表面激光淬火横截面金相组织第20页/共45页第五节第五节 高能密束表面淬火技术高能密束表面淬火技术第21页/共45页（1 1）材料成分）材料成分-通过通过淬硬性、淬透性来影响淬硬淬硬性、淬透性来影响淬硬层深度和硬度层深度和硬度第五节第五节 高能密
13、束表面淬火技术高能密束表面淬火技术影响淬硬层性能的主要因素：影响淬硬层性能的主要因素：第22页/共45页（2 2 2 2）工艺参数）工艺参数-淬火层的宽度取决于光斑淬火层的宽度取决于光斑直径直径D D D D 淬硬深度淬硬深度h h h h由激光功率由激光功率(P)(P)(P)(P)、光斑直径和扫描速度光斑直径和扫描速度(V)(V)(V)(V)共同共同决定，主要关系为：决定，主要关系为：h h h h P/(DV)P/(DV)P/(DV)P/(DV)（3 3 3 3）表面预处理）表面预处理a.a.a.a.表面组织准备，即通过调表面组织准备，即通过调质处理等手段使材料表面具质处理等手段使材料表面
14、具有较细的表面组织，以保证有较细的表面组织，以保证淬火时组织与性能的均匀、淬火时组织与性能的均匀、稳定。稳定。b.b.b.b.表面表面“黑化黑化”处理处理,以提高以提高对激光束的吸收率。磷化法；对激光束的吸收率。磷化法；碳素法；氧化物涂层碳素法；氧化物涂层影响淬硬层性能的主要因素：影响淬硬层性能的主要因素：第23页/共45页第五节第五节 高能密束表面淬火技术高能密束表面淬火技术二、激光表面熔凝技术原理二、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。速导热冷却，使表面熔
15、化层快速冷却并凝固结晶。vv与淬火的差别：表面经与淬火的差别：表面经历了快速熔化凝固过程，历了快速熔化凝固过程，获得的熔凝层为铸态组织。获得的熔凝层为铸态组织。vv组织特点：（图组织特点：（图4-114-11）熔化区；相变硬化区；热熔化区；相变硬化区；热影响区；基体；影响区；基体；第24页/共45页二、激光表面熔凝技术 特点：硬度高；淬层深，耐磨性好；特点：硬度高；淬层深，耐磨性好；缺点：表面粗糙，后续加工困难缺点：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
16、体混合，形成碳含量很高的白口铁，显微硬度可以高达铁，显微硬度可以高达HV10001100HV10001100，耐磨性特别优越。，耐磨性特别优越。第25页/共45页第五节第五节 高能密束表面淬火技术高能密束表面淬火技术三、激光淬火技术的工业应用三、激光淬火技术的工业应用汽车缸套内璧激光热处理.第26页/共45页第27页/共45页第28页/共45页第29页/共45页第30页/共45页第31页/共45页第32页/共45页轧辊表面淬火第33页/共45页第34页/共45页四、电子束淬火技术四、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。电子束淬火技术是采用高能密度
17、电子束对材料表面进行相变硬化的热处理工艺。原理：动能原理：动能热能热能 特点：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。特点：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。缺点：必须在真空环境下进行，限制了其使用范围。缺点：必须在真空环境下进行，限制了其使用范围。第五节第五节 高能密束表面淬火技术高能密束表面淬火技术第35页/共45页第36页/共45页第37页/共45页第38页/共45页第六节第六节 表面形变强化技术表面形变强化技术一、受控喷丸强化一、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
18、表层材料在再结晶温度下产生原理：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弹、塑性塑性变形变形和和残余压应力残余压应力，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。，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。第39页/共45页第40页/共45页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、批量较小得零件。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
19、粗糙度比干喷低。第41页/共45页 受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响：受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响：1 1）对硬度的影响）对硬度的影响弹丸强度或动能越大，则变形层深度越弹丸强度或动能越大，则变形层深度越大；大；弹丸硬度越高，喷丸层深度越深；弹丸硬度越高，喷丸层深度越深；被喷零件的硬度越高，则喷丸强化层越被喷零件的硬度越高，则喷丸强化层越浅。浅。第42页/共45页2 2）对表面粗糙度的影响）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面，痕迹没有方向性，有利于增加零件的疲劳强度。表面粗糙
20、度与喷丸粒子的直径有关。度。表面粗糙度与喷丸粒子的直径有关。3 3）对疲劳寿命与抗应力腐蚀的影响）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喷丸后工件表面可以产生数百MPaMPa的压应力，的压应力，从而可以大幅度提高材料的疲劳寿命和抗应力腐从而可以大幅度提高材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。蚀能力。应用应用焊缝及其热影响区一般为拉应力，喷丸后变为压焊缝及其热影响区一般为拉应力，喷丸后变为压应力，从而改善焊缝区域的疲劳强度。应力，从而改善焊缝区域的疲劳强度。钢板弹簧喷丸后疲劳寿命可延长钢板弹簧喷丸后疲劳寿命可延长5 5倍倍渗碳汽车齿轮喷丸后相对寿命提高渗碳汽车齿轮喷丸后相对寿命提高4 4倍倍vv受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响：受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响：第43页/共45页 二、表面滚压技术二、表面滚压技术表面滚压技术是在一定压力下用滚轮对被加工零件进行滚压或挤压，使其发生塑性变表面滚压技术是在一定压力下用滚轮对被加工零件进行滚压或挤压，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程形，形成强化层的工艺过程。第44页/共45页感谢您的观看。第45页/共45页