表面改性技术.ppt
第八章 表面改性技术,主要内容,金属表面形变强化表面热处理金属表面化学热处理离子束表面扩渗处理高能束表面处理离子注入表面改性,8.1 金属表面形变强化,一、表面形变强化原理原理：通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5mm1.5mm。形变硬化层中产生两种变化：（1）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大。（2）形成了高的宏观残余压应力。,作用：提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度,（一）形变强化的主要方法,1、滚压,主要有滚压、内挤压和喷丸,二、形变强化的主要方法及应用,图 表面滚压强化示意图,2、喷丸 利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。广泛应用在弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀能力。,（二）喷丸表面形变强化工艺及应用,2、喷丸强化用的设备按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。,1、喷丸材料 铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液体喷丸介质黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸,（1）机械离心式喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。,（2）气动式喷丸机适用于喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。,3、喷丸表面质量及影响因素（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化 金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。,（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响表面粗糙度随弹丸粒度的增加而增加。（3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响,（4）喷丸表层的残余应力 喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变形最重要。工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切。材料强度高，表层最大残余应力大，但压应力层深度较浅。反之，强度低的材料表层残余应力较小，但压应力层深度较深。在相同喷丸压力下，大直径弹丸产生的压应力较低，压应力层较深；小直径弹丸产生的表面压应力较高，压应力层较浅。,8.2 表面热处理,定 义,对零部件表面进行加热、冷却、改变表层组织和性能，不改变其表层成分的热处理工艺。也称作表面淬火技术。,表面淬火的原理,零件表面材料快速加热到相变临界点(AC3（亚共析钢）或者AC1（过共析钢）)以上而转变为细小的奥氏体组织，心部材料仍保持在相变临界点以下，保持原有组织。其后用快速冷却，达到淬火目的，获得微细的马氏体组织，提高零件的表面硬度和耐磨性，零件心部未发生相变。,表面淬火工艺主要有：,感应加热表面淬火、脉冲表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火、浴炉加热表面淬火、电解液加热表面淬火及表面保护加热处理等。,8.2.1 表面热处理技术,一、传统表面热处理技术二、几种新型表面热处理技术,表1 传统表面处理技术,一、传统表面热处理技术,感应加热表面淬火 1.感应加热表面淬火的特点 2.感应加热表面淬火原理 3.感应加热表面淬火设备 4.感应加热表面淬火工艺 5.感应加热表面淬火的应用 火焰加热表面淬火,1.感应加热表面淬火特点,感应加热时，由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间内达到Ac3以上很高的温度，而工件心部仍处于相变点之下。中碳钢高频淬火后，工件表面得到马氏体组织，往里是马氏体加铁素体加屈氏体组织，心部为铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织。,升温速度快，保温时间极短。和一般淬火相比，淬火加热温度高，过热度大，奥氏体形核多，又不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高23HRC。,感应加热表面淬火,工件的耐磨性比普通淬火高。这与奥氏体晶粒细化、表面硬度高以及表面压应力状态等因素有关。,由于加热速度快，无保温时间，工件一般不产生氧化和脱碳问题，又因工件内部未被加热，故工件淬火变形小。,生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度易于控制，适于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛的应用。,缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。,工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表面产生很大的残余压应力，因此淬火后表层产生很大的残余压应力，因此可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。,2.感应加热表面淬火原理,图 感应加热表面淬火原理图,当感应圈中通过一定频率交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。将工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称之为涡流。,此涡流能将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布由表面至心部呈指数规律衰减。因此涡流主要分布在工件表面，工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肤效应。,感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或浸水冷却，实现表面淬火工艺。,图 感应加热表面淬火装置示意图,感应电流透入深度：从电流密度最大的表面到电流值为表面的1/e(e=2.718)处的距离。,硬化层深度：硬化层深度总小于感应电流透入深度,超过失磁点的的电流透入深度称为热态电流透入深度（），低于失磁点的电流透入深度称为冷态电流透入深度（）。对于钢,2.感应加热表面淬火原理,3.感应加热温度和方式的选择,淬火加热温度：一般高频加热淬火温度可比普通加热淬火温度高30-200。加热速度较快的，采用较高的温度。淬火前的原始组织也不同，也可适当地调整淬火加热温度。调质处理的组织比正火的均匀，可采用较低的温度。,感应加热方式：一种称同时加热法，即对工件需淬火表面同时加热，一般在设备功率足够、生产批量比较大的情况下采用；另一种称连续加热法，即对工件需淬火部位中的一部分同时就爱热，通过感应器与工件之间的相对位移速度来实现。,4.冷却方式和冷却介质的选择,最常用的冷却方式是喷射冷却法和漫液冷却法 喷射冷却法即当感应加热终了时把工件置于喷射器之中，向工件喷射淬火介质进行淬火冷却。其冷却速度可以通过调节液体压力、温度及喷射时间来控制。漫液淬火法即当工件加热终了时，浸入淬火介质中进行冷却。对细、薄工件或合金钢齿轮，为减少变形、开裂、可将感应器与工件同时放入油槽中加热，断电后冷却，也称为埋油淬火法。,5.回火工艺,感应加热淬火后一般只进行低温回火。其目的是为了降低残余应力和脆性，而又不致降低硬度。一般采用酶回火方式有炉中回火、自回火和感应加热回火。,6.感应加热表面淬火设备,淬火前的原始组织应为调质态或正火态。工件表面淬火后应进行低温回火以降低残余应力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性。,高频感应加热 电流频率范围250300kHz，淬硬层深度为0.52.0mm，适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。中频感应加热 电流频率范围25008000Hz，淬硬层深度210mm，适用于较大的轴和大中模数齿轮。工频感应加热 电流频率50Hz，淬硬层深度可达1015mm，适用 于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮的表面淬火。,6.感应加热表面淬火设备,图 感应加热淬火设备,7.感应加热表面淬火工艺,表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金结构钢，用以制造机床、汽车及拖拉机齿轮、轴等。也可以采用碳素工具钢和低合金工具钢，用以制造量具、模具、锉刀等。,表面淬火前的预备热处理 预备热处理为表面淬火作准备，以获得最终的心部组织。方法有调质和正火等。表面淬火后的组织 表层组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体（调质）或铁素体加索氏体（正火）。,感应加热淬火工艺流程,图 感应加热淬火工艺流程图,8.感应加热表面淬火应用,齿轮的表面淬火,图 大型齿轮表面淬火,8.感应加热表面淬火应用,轴类的表面淬火,图 凸轮轴表面淬火,8.感应加热表面淬火应用,机床导轨表面淬火,图 机床导轨表面淬火,火焰加热表面淬火,定义：利用氧乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，随后淬火冷却的工艺。,特点：与感应加热表面淬火相比，具有设备简单，操作灵活，适用钢种广泛。一般无氧化和脱碳、畸变小等优点。常用于大尺寸和重量大的工件，尤其适用于批量少品种多的零件或局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、导轨等。但加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，混合气体不够安全，不易获得薄的表面淬火层。,参数：加热面积、工件移动速度、加热温度时间,常用材料：从机械制造的范围来分有45、55、40Cr、40CrV、42CrMo、42SiMn、50Mn、5CrMnMo等。另外近年来我国研制成功专用的火焰加热空冷淬硬冷作模具钢7CrSiMnMoV。,图 火焰加热表面淬火示意图,火焰表面淬火应用实例 火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装配工作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因为除刃口部位表面淬硬以外，其余部位并未淬硬，仍可进行钻孔等加工。这些优点对于像汽车覆盖件一类的大型模具的制造是非常有利的，既节省了工时，又保证了模具的精度。近年来，7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制成功，使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主导地位。,二、几种新型表面热处理技术,1.高频脉冲感应加热表面淬火,用高频脉冲感应加热进行淬火，使用2030MHz的高频脉冲，通过感应圈在毫秒级极短时间内使工件表面急速加热到淬火温度，然后自冷，这种方法也叫高频感应冲击淬火。,1.高频脉冲感应加热表面淬火,表 高频脉冲感应加热淬火与普通高频感应加热淬火的比较,2.高频电阻感应加热表面淬火,用高频电流对材料表面同时进行感应加热和电阻加热实现表面淬火的方法。,优点：工件表面电流更集中，密度更大，加热速度也更快，表面加热的功率密度是感应加热的数倍。高频电阻感应加热设备简单，操作方便。淬火可根据工件的形状和部位进行设计，仿形性很好，可对复杂工件的局部表面实施淬火。淬火时自己冷却。无需淬火介质，不需真空室，无需黑化处理。淬火后工件基本不变形，无需回火。节能。硬化带形状可随邻近 感应器导管的形状变化。,END,
