4表面淬火和表面形变强化技术

4表面淬火和表面形变强化技术教学目的和要求掌握表面淬火和表面形变强化技术的主要种类，工艺、组织和性能特点。重点：感应加热淬火、激光淬火、喷丸强化技术前言：表面淬火和表面形变强化技术是不需要外加其它材料，主要依靠材料自身组织与结构转变来进行表面改性的表面工程技术。工艺简单、效果显著、应用广泛。4.1表面淬火技术的原理与特点一、表面淬火技术的原理与分类定义：用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。(Fe-Fe3C相图)种类：感应加热淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火等。适用对象：中碳钢、球墨铸铁（C含量：0.35－1.20wt%）Fe-Fe3C相图二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别高加热速度、高冷却速度晶粒细化、硬度提高显微硬度微观分布不均匀需预先热处理三、表面淬火层的组织与性能组织：淬硬区、过渡区、心部组织(基材)(M、M+F/M+P、P/P+F)过渡区的宽窄对钢的残余应力分布有重要影响。过渡区的宽窄主要决定于温度梯度。提高加热速度，可增大温度梯度，显著减少过渡区宽度。表面淬火组织及其分布与钢的成分、淬火工艺及其参数、工件尺寸等因素有关。性能：高硬度、压应力4.2感应加热淬火技术一、感应加热淬火技术的基本原理感应加热淬火技术是应用最广泛的表面淬火技术。基本过程(定义)：工件在感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并因集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度Ac3或Acm之上(奥氏体化)，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表层获得马氏体。基本原理：表面吸收功率P：(单匝线圈、高度为1cm的圆柱形工件)工件表面不易过热电流导入深度δ淬硬层深度与频率的关系：工频10-15mm中频2-5mm高频0.2-2mm深度增加频率降低特点：(优点)加热迅速、热效率高、过渡区较窄、淬火层压应力大；可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度。(缺点)设备成本较高；尖角效应；一般只适合形状简单的零件。改进：高频感应冲击淬火加热方式：连续加热(图4-2)同时加热三、感应加热淬火工艺流程回火温度较低自回火4.3火焰加热表面淬火技术火焰加热表面淬火技术是应用历史最长的表面淬火技术之一。定义：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。特点：(优点)设备费用低，方法灵活，简便易行，可对大型零件局部实现表面淬火。(缺点)生产效率低，淬硬层的均匀性较差，质量控制比较困难。组织特征：过渡区较宽。4.4激光淬火与电子束淬火技术一、激光淬火技术的原理与应用定义：(激光相变硬化)是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，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，获得淬硬层。(自激冷淬火、自淬火)组织与性能特征：淬硬区、过渡区、心部组织(基材)单道硬化区域小硬度大幅度提高、硬度分布不均匀淬硬区过渡区基材影响淬硬层性能的主要因素：(1)材料成分淬硬性和淬透性(2)激光工艺参数激光功率、光斑直径、扫描速度淬火层宽度：光斑直径D淬硬层深度H：H∝P/(Dv)P/(Dv)_比能量（J/cm2）(3)表面预处理状态表面组织准备：较细的表面组织(淬火态最优，细片状珠光体、回火马氏体或奥氏体次之，球状珠光体较差。)表面“黑化”处理：磷化法、氧化法、喷刷涂料法图片P－激光功率，v－扫描速度特点：(1)优点淬火硬度高，能量密度高，加热速度快，不需要淬火介质，工件变形小，加热层深度和加热轨迹易于控制(淬火部位可控)，无氧化、无污染，易于实现自动化。(2)缺点硬度分布不均匀，单道激光淬火区域小，大面积淬火时容易产生回火软带。设备成本高、生产成本较高（能量转换效率低）。淬硬区二、激光表面熔凝技术原理定义：采用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，当激光束移开后由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的表面处理工艺。(液相淬火法)关键：使材料表面经历了一个快速熔化一凝固过程组织：熔凝层(铸态组织)相变硬化层热影响区基材性能特点(与激光淬火层相比)：总硬化层深度更深，硬度更高、耐磨性更好缺点：表面粗糙度较大，后续加工量大且加工难度高。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。对于一些特定成分的材料来说，激光熔凝处理可以得到非晶态层，使基材表面的耐磨性、耐蚀性大幅度提高。(激光上釉)激光熔凝技术还可以用来细化金属材料的表面组织。三、激光冲击淬火技术定义：采用功率密度极高的激光束(107W/cm2以上)在极短时间内(低于1ms)作用于金属表面，使金属表面发生局部剧烈蒸发，产生高达105atm的压力，该压力使金属表面发生强烈的塑性变形，形成高密度的位错、孪晶，使材料表面强度与硬度显著提高。特点：(优点)适合那些无法通过相变硬化进行表面强化的材料等。(缺点)所需要的能量密度过高，加工成本太高。四、激光淬火技术的工业应用主要应用于局部表面强化。五、电子束淬火技术定义：采用高能量密度电子束对材料表面进行相变硬化的热处理工艺。(其淬火原理与激光淬火的类似)特点：工件对电子束的吸收率高淬硬层深度更高，无氧化、无污染必须在真空环境下进行电子束淬火技术逐步被激光淬火技术所取代，工业应用较少。电子束与激光束的特点比较：4.5电阻加热表面淬火技术定义：在工件中通以低压大电流，利用工件表面或紧靠工件表面的周围介质中形成高电阻而产生的热效应将工件表面快速加热到相变温度以上并淬火的工艺方法。种类：电接触加热法：工业电经变压器降压后加在滚轮电极（紫铜）两端，电流经过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路，实现快速加热，滚轮移去后即实现自激冷淬火。电解液加热法：将工件放入含有电解质的电解槽中，在槽与工件之间通上直流电，电解液电离后在阳极上析出氧气，在工件(阴极)上析出氢气，包围住工件的氢气膜电阻很高，当电流密度足够高时，将使表面温度急剧升高到相变温度以上，断电后就在电解液中实现自行淬火。均为自淬火特点：(优点)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（电阻接触加热法）、尺寸很大（电解液加热法）的工件不适用。电解液加热表面淬火原理图电接触加热表面淬火原理图4.6几种典型表面淬火工艺的特点比较感应加热淬火一直是应用最为广泛的表面淬火工艺。激光淬火应用越来越多。4.7表面形变强化技术一、受控喷丸强化技术1．受控喷丸技术原理受控喷丸技术（定义）：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之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，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。(喷丸强化技术)基本原理：工件表面吸收高速运动弹丸的动能后产生塑性流变和加工硬化（位错与孪晶），同时使工件表面保留残余压应力。工艺(设备)种类：叶轮式（抛丸式）压缩空气式(干喷式和湿喷式)弹丸种类：铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸等。曲轴喷丸强化机曲轴喷丸强化机曲轴喷丸强化机（抛丸处理）喷砂与喷丸：目的：处理后的表面形貌：形变层深：喷料动能来源：喷料种类及尺寸：自动化程度：2．受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响(1)对材料表面硬度的影响表面硬度可大幅度提高。(2)对表面粗糙度的影响表面粗糙度对其疲劳寿命影响很大，降低表面粗糙度可以增加零件的疲劳强度。受控喷丸以后的表面痕迹没有方向性，有利于增加零件的疲劳强度。(3)对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响可大幅度提高疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。3．受控喷丸技术的典型应用主要应用于那些需要改善疲劳强度和抗应力腐蚀能力零件上。航空发动机叶片毂喷丸强化二、表面滚压技术定义：在一定的压力下用辊轮、滚球或者辊轴对被加工零件表面进行滚压或挤压，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程。（可降低表面粗糙度－光整）基本原理：由于塑性变形产生加工硬化，并产生很大的残余压应力。(与喷丸强化相似)特点：(优点)表面改性层的最大深度达5mm以上，能较大幅度地改善材料表面的疲劳寿命、抗应力腐蚀能力。（表面粗糙度降低）(缺点)只适合一些形状简单的零件(平板类、轴类和沟槽类等)。液压油缸内孔镜面滚压刀作业对比分析火焰加热表面淬火技术、感应加热表面淬火技术和激光淬火技术的基本工作原理及主要特点(包括能量密度、冷却方式、组织性能特点、主要局限性等)。