表面处理第四、五讲表面淬火及表面形变强化.ppt

第四章 表面淬火和表面形变强化,热处理的4种工艺：退火、正火、淬火、回火。,热处理知识（复习）,热处理的本质：通过改变组织达到改善金属的机械性能。,热处理的4个工艺参数：加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度。,一、表面淬火技术的原理1 表面淬火 用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁表层发生马氏体相变，生成硬化层。,第一节 表面淬火技术的原理与特点,2 表面淬火的分类,一般按加热源的名称分类,火焰表面淬火,高频感应表面淬火,等离子弧表面淬火,激光表面淬火,电阻表面淬火,一般用于处理中碳调质钢和球墨铸铁。,3 适合表面淬火的金属材料,加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高。,二、表面淬火与常规淬火的区别(1),快速加热使奥氏体成分不均匀，易形成贫碳的奥氏体，合金元素也难实现成分均匀化。,表面淬火与常规淬火的区别(2),提高加热速度将使Ac3与Acm线上移，可以防止过热。,（1）奥氏体中未溶碳化物和高碳偏聚区的存在将促进过冷奥氏体分解，使奥氏体转变孕育期缩短，C曲线向左移动。,表面淬火与常规淬火的区别(3),不均匀的奥氏体在冷却过程对过冷奥氏体转变及转变产物产生很大影响：,（2）亚共析钢中原铁素体领域形成低碳奥氏体，原珠光体领域形成高碳奥氏体。两种奥氏体在淬火后分别得到低碳马氏体及高碳马氏体。,表面淬火与常规淬火的区别(4),4 快速加热淬火后的回火温度一般应比普通回火温度略低。,表面淬火与常规淬火的区别(5),1 表面淬火层的组织和硬度分布 表面淬火层分为：（1）淬硬区（完全相变区）（2）过渡区（部分相变区）（3）心部区（无相变区）,三、表面淬火层的组织和性能,45钢的淬硬区组织为马氏体；过渡区组织为马氏体铁素体；心部组织为珠光体铁素体。,硬化层的厚度可用金相法和硬度法测定。,表面淬火层的组织和硬度分布,硬度法测定硬化层的厚度,金相法测定硬化层的厚度,（1）表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通淬火高25个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余压应力。,2 表面淬火层的性能（1）,（2）耐磨性：高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高。这是由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小，碳化物高度弥散，淬硬层硬度和强度都比较高。,表面淬火层的性能（2）,（3）疲劳强度：高频淬火可显著提高零件的疲劳强度。这是由于表面产生的压应力可以抑制裂纹的萌生和扩展，使其缺口敏感性下降。,表面淬火层的性能（3）,一、感应加热淬火基本原理 铁制零件在高频交变磁场中，铁的内部将产生很大的感应电流。电流在金属体内自行闭合，称为涡流。由于工件阻抗很小，涡流很大。受集肤效应的影响，越靠近工件表面电流越大。感应电流快速将零件的表面加热到Ac3或Acm以上，快速冷却后即可在零件表层获得马氏体组织。,第二节 感应加热淬火技术,在理想状态下，单匝感应圈加热1厘米高的柱形工件表面吸收功率P 式中 R0工件直径mm；I感应圈内电流A；钢的电阻率；磁导率；f频率。(f)1/2为吸收因子。电流（涡流）导入深度与、f的关系是 mm 感应加热频率越高，淬硬层越浅，但加热速度越快。,一、感应加热淬火技术的基本原理（1）,感应加热频率与淬硬层的关系,磁导率和电阻率又与工件的温度有关，在Ac1以上(770)磁导率几乎降至为零。这样钢中电流导入深度可简化为 20时：mm 800时：mm 所以温度越高，加热速度越慢，避免了表面过热。,图43 钢的磁导率、电阻率与加热温度的关系,感应加热淬火技术的基本原理（3）,以齿轮加工为例锻打毛坯正火处理(220HB)粗加工调质处理（250HB）精加工（滚齿）感应加热淬火回火（55HRC）磨削,二、感应加热表面淬火工艺流程,齿轮高频淬火,热效率高、加热时间短；工件表面氧化、脱碳比较轻，变形小；比普通热处理具有更优异的机械性能；设备易于实现机械化自动生产，生产效率高；零件棱边易过热，形状复杂的零件难以保证温度均匀；设备投资较大。,三、感应加热的优缺点,高频感应加热装置（电子管式）,电子管式高频感应加热电路图,晶体管式高频感应加热设备,晶体管式高频感应加热示例,超高频感应加热淬火 利用27.12MHz超高频率的极强的趋肤效应使0.05mm 0.5mm的零件表层在极短的时间内加热，然后靠自身迅速冷却，达到淬火目的。特点：变形量较小，不必回火。主要用于小、薄的零件，可明显提高质量，降低成本。,四、感应加热淬火新技术（1）,普通高频淬火和超高频淬火比较,2 双频感应加热淬火 对于凹凸不平的工件可采用两种频率交替加热，较高频率加热时，凸出部位温度较高；较低频率加热时，低凹部位温度较高。这样可达到均匀硬化的目的。,感应加热淬火新技术（2）,3 超音频感应加热淬火 采用20kHz 50kHz的频率（超音频波）感应加热淬火可解决凹凸不平工件表面淬硬层不均匀的问题。,感应加热淬火示例,Die Hardening,Die Hardening,Die Hardening,第三节 火焰表面加热淬火技术(flame surface hardening),用火焰将工件表面快速加热到Ac3或Acm以上，然后用水快速冷却，以在表层获得马氏体组织。,分焰心1、内焰2和外焰3三个区。内焰温度最高。有较大的温度梯度。（根据氧与乙炔的比例不同，氧乙炔焰还可分为氧化焰、还原焰、中性焰三种）,1 火焰加热的特点,要有较高的发热值，来源容易，价格低廉，贮存和使用安全可靠，污染小。,2 火焰加热淬火用燃料,（1）旋转法：火焰喷嘴或工件旋转。适合中小型工件。,3 火焰加热淬火方法（1）,为了使工件表面加热均匀,可采取如下方法：,（2）推进法：工件和火焰喷嘴做相对移动。适合导轨、大齿轮等工件；,火焰加热淬火方法（2）,（3）联合法(旋转推进法)：使火焰喷嘴及冷却装置沿着转动的工件作相对移动。适合长轴类工件。,火焰加热淬火方法（3）,单位时间消耗的燃气越多，加热速度越快。火焰停留的时间越长，表面温度越高。火焰停留时间越长淬硬层越厚。淬硬层深度还和钢的淬透性、工件比表面积大小有关。,4 影响火焰表面淬火硬化层的工艺因素,硬化层较厚，硬度梯度较平缓，耐磨性好；,5 火焰加热表面淬火的优缺点（1）,投资少，简单易行，处理费用低；大小零件均可处理，能实现自动化操作；温度均匀性差，难以控温，质量波动大。因有软带的问题，只能进行局部淬火。,5 火焰加热表面淬火的优缺点（2）,表面淬火中的软带问题,特大轴承表面淬火的软带问题,利用高能束（激光束、电子束、等离子束）在被处理工件表面的能量转换加热工件，使其快速加热到Ac3或Acm相变温度以上，然后利用自身快速冷却，在材料表面获得硬化层。,第四节 高能束表面淬火技术,激光淬火过程：将104105W/cm2高功率密度的激光束作用在工件表面，以105106/s的加热速度将工件表面迅速升温至相变点以上，然后依靠冷态基体以105/s的速度自冷淬火。,一、激光表面淬火,2 激光淬火设备,工业上常用的激光发生器有横流CO2和YG两种。,（1）与基体力学性能有关的热处理：被处理金属的原始组织对激光淬硬层的硬度和深度都有影响。,3 材料表面预处理,（2）提高零件表面激光吸收率的黑化处理：80的激光被平整金属表面反射，黑化处理可以增加激光吸收率。黑化处理的方法有：涂碳素墨汁、磷化处理、氧化处理或激光专用黑色涂料。,相变硬化层的深度H与工艺参数的关系为：,4 激光淬火的工艺参数,激光淬火适用范围：硬化层深度0.75mm，宽度1.2mm，表面硬化效率8085mm2/min，一般激光表面淬火功率为16kw/cm2。,激光淬火主要工艺参数有激光功率P、光斑直径D和扫描速度v。,（1）激光淬火组织相变硬化区：极细的马氏体；过渡区：为复杂的多相组织；基体：原始的基体组织。,5 激光淬硬层的组织和性能,图47 45钢表面激光淬火 区横截面金相组织,图48 45钢激光淬火区显微 硬度与淬硬层深度的关系,（2）激光淬硬层的硬度（1）,激光淬硬层的硬度（2）,因极快速的加热和冷却，致使激光淬硬层的硬度比常规淬火高1520。淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关。,（3）激光淬硬层的耐磨性,淬硬层组织细化，硬度比常规淬火高1520，耐磨性提高110倍。能精确控制硬化层深度，工件变形小，表面无氧化脱碳。只要激光能照射到的部位都可实现表面硬化处理。加热速度快、自动化程度、生产效率高。需对工件表面进行预处理，以增加工件吸收激光的能力。设备较贵。,6 激光淬火的特点,四、激光表面淬火技术在汽车制造行业中的应用,缸套的网纹淬火,激光表面淬火实例,激光束将基材表面快速加热到熔化温度以上，由基材内部传热冷却而使熔化层表面快速冷凝结晶的表面处理工艺技术。工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材。熔凝层为铸态组织（也可能出现非晶态组织）。,二、激光表面熔凝技术（1）,激光熔凝处理特别适合于灰口铸铁和球墨铸铁的表面强化，熔凝层为碳含量很高的白口铸铁，显微硬度可以高达10001100HV，耐磨性非常优越。,激光表面熔凝技术（2）,激光熔凝层比激光淬火层的硬化层深，硬度高，耐磨性更好。缺点是基材表面的粗糙度较大，需精加工后才能使用。,类似于激光表面淬火技术。工件对电子束的吸收能力大于激光束，所以淬硬层深度高于激光淬火。电子束淬火必须在真空环境下进行，设备投入大，还要防止x射线辐射，所以应用范围受到限制。,四、电子束表面淬火（略）,补充内容：等离子弧加热表面淬火技术,直流等离子弧示意图,直流等离子弧功率大、电弧温度高、弧焰流速快、能量集中。,等离子弧温度,弧焰流速,1 直流热等离子弧,转移弧：加热效率高，常用于等离子焊接和切割。,非转移弧：工件不接电，加热效率低，常用于等离子喷涂、等离子弧表面淬火；,联合弧：电弧稳定，常用于等离子喷焊。,2 直流等离子弧分类,利用等离子弧将工件快速加热到Ac3或Acm相变温度以上，然后靠基体本身冷却（小功率）或边加热边用水冷却（大功率）淬火。,3 等离子弧加热表面淬火,4 多功能等离子弧加热设备,（2）等离子枪结构图,加热速度快，处理效率高；处理表面无氧化，质量高；不适合整个平面硬化处理；比激光淬火装置投资少（约8万元/套）。,4 等离子弧加热表面淬火特点,等离子弧淬火技术在80年代后开始获得应用，如处理缸套、曲轴等。,5 等离子束加热表面淬火的应用,1 电阻加热表面淬火技术：（1）电接触加热法：电极工件之间通低压大电流，利用电流产生电阻热加热工件表面，然后用水冷却淬火。如机床导轨表面硬化处理。,第五节 电阻加热表面淬火技术（1）,利用电接触界面之间低压大电流产生的电阻热快速加热到相变温度以上并淬火的工艺方法。,（2）电解液加热法：工件（阴极）置入电解质液（阳极）中，在电解作用下工件表面与电解质之间形成一层电阻较大的氢气膜，当电流流过时将工件表面快速加热，然后断电，让工件在电解质中淬火。,电阻加热表面淬火技术（2）,电阻加热表面淬火技术特点：工艺简单，设备费用低，工件变形小。但不易处理形状复杂的工件。,第六节 几种典型表面淬火工艺的特点比较,一、喷丸强化技术1 喷丸强化技术原理 小弹丸高速射向金属工件表面，使金属表层发生塑性变形并产生大量的位错和较大的残余压应力，从而提高金属表面的硬度、强度、抗疲劳强度和抗应力腐蚀能力。,第七节 表面形变强化技术,喷丸强化层深度一般在0.10.8mm之间。,（1）叶轮抛丸式：利用高速旋转的叶轮产生的离心力将弹丸高速射向工件。,2 喷丸强化方法,适合处理形状简单、批量较大的工件。,（2）压缩空气式：利用压缩空气将弹丸喷向工件，弹丸的飞行速度取决于压缩空气的压力。喷丸有干喷和湿喷两种。,喷丸强化方法,吸入式喷砂枪,常用弹丸材料有铸铁、不锈钢、钢丝、玻璃、陶瓷等，选择时主要考虑被处理工件材料的硬度、表面粗糙度、强化深度、残余应力等。,3 喷丸材料,（1）喷丸增加金属表面的粗糙度。,4 喷丸强化对表面形貌和性能的影响（1）,喷丸强化对表面形貌和性能的影响（2）,（2）硬化层的深度：弹丸越硬或弹丸动能越大，硬化层越深，硬化效果越好。,喷丸强化对表面形貌和性能的影响（3）,（3）疲劳强度：喷丸后在金属表层生成数百兆帕的残余压应力，有利于提高金属的疲劳强度。,喷丸强化对金属的疲劳强度的影响,汽车板簧喷丸强化处理后可延长寿命5倍。渗碳齿轮喷丸处理后可提高使用寿命4倍。20CrMnTi钢渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余压应力为880Mpa，寿命从55万次提高到150180万次；40CrNiMo钢调质后再经喷丸处理，残余压应力为880MPa，寿命从4.6105次提高到1.04107次以上；铝合金LD2，经喷丸处理后，寿命从1.1106次提高到1108次以上。,5 喷丸强化技术的应用（1）,喷丸强化技术的应用（2）,消除特大轴承表面淬火软带的措施,表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。5 工件感应加热淬火的工艺流程。各种表面淬火的特点和应用范围。喷丸强化技术原理、特点、应用范围。,本 章 重 点,