表面工程學(xué)第四章-表面淬火和表面形變強(qiáng)化技術(shù)

1、表面工程學(xué)第四章 表面淬火和表面形變強(qiáng)化技術(shù)在表面工程技術(shù)中，不需要外加其他材料，主要靠自身組織與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來(lái)進(jìn)行表面改性的工藝主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是表面淬火與退火技術(shù)，另一類(lèi)是表面形變強(qiáng)化技術(shù)。特點(diǎn)工藝簡(jiǎn)單、效果顯著，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。分類(lèi)前 言第一節(jié)：表面淬火技術(shù)的原理和特點(diǎn)1.1 表面淬火技術(shù)的原理與方法原 理將表面快速加熱至Ac3（亞共析鋼）或者Ac1（過(guò)共析鋼）之上，然后快冷，發(fā)生馬氏體相變，形成強(qiáng)化層。方 法感應(yīng)加熱；火焰；激光；電子束特 點(diǎn)0.35%1.20%C的中、高碳鋼及基體中相當(dāng)于中碳鋼的鑄鐵均可進(jìn)行表面淬火（50HRC）但中碳鋼與球墨鑄鐵是最宜表面淬火的材料；獲得不同硬

2、化層深度及分布，充分發(fā)揮表淬的優(yōu)點(diǎn)。低淬透性鋼通過(guò)提高碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性，通過(guò)降低合金元素的含量來(lái)降低鋼材的淬透性。其硬化層深度可控制在1.52.5mm范圍內(nèi)。限制淬透性鋼加入Ti阻礙奧氏體長(zhǎng)大，并適當(dāng)增加淬透合金，在尺寸為4060mm的工件上可以得到57mm的均勻硬化層。1.2 表面淬火技術(shù)與常規(guī)淬火技術(shù)的區(qū)別表面淬火加熱、冷卻速度很快，與普淬在相變及特征存在區(qū)別：1） 快熱使Ac3,ACcm,但使Ac1有限；快熱使奧氏體晶粒細(xì)化，加熱很快甚至使鋼產(chǎn)生無(wú)擴(kuò)散奧氏體相變；冷速比普淬也快，所以，硬度比普淬要高，與方法有關(guān)。2）快熱使?jié)BC體難充分溶解，形成A成分相當(dāng)不均勻，包括未溶

3、C化物，高C偏聚區(qū)（原珠光體）和貧C區(qū)（原鐵素體） 促使A分解，縮短A的孕育期，隨后淬火形成低C馬氏體和高C馬氏體區(qū)域，造成顯微硬度不均勻。因此，表面淬火前，需預(yù)先熱處理（調(diào)質(zhì)，正火，球化退火），使碳化物或自由鐵素體均勻、細(xì)小分布，以便有利于快速加熱時(shí)奧氏體的均勻化。1.3 表面淬火層的組織與性能組織一般可分為淬火區(qū)、過(guò)渡區(qū)、及心部組織；性能大于普淬25HRC,主要是因?yàn)榫Я：途?xì)結(jié)構(gòu)的細(xì)化，以及冷卻快等原因。此外，表面壓應(yīng)力有效抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展過(guò)程，因此可提高疲勞強(qiáng)度。右圖是45鋼和T8鋼在表面淬火后組織和硬度的分布：第I區(qū)，溫度高于Ac3，淬火后得到全部馬氏體，稱(chēng)全淬硬層第II區(qū)，溫度

4、在Ac3Ac1之間，淬火后得到馬氏體加自由鐵素體，稱(chēng)為過(guò)渡層第III區(qū)，加熱溫度低于Ac1，為原始組織圖中曲線(xiàn)1的過(guò)渡區(qū)在相同溫度下大于曲線(xiàn)2的過(guò)渡區(qū)寬度。過(guò)渡區(qū)的寬窄對(duì)鋼的殘余應(yīng)力分布有重要影響，其寬窄程度主要取決于溫度梯度。提高加熱速度，可增大溫度梯度，顯著減少過(guò)渡區(qū)寬度。第二節(jié)：感應(yīng)加熱淬火技術(shù)2.1 基本原理高頻磁場(chǎng)感應(yīng)電流集膚效應(yīng)電流密度(電阻)加熱使受熱區(qū)快速升溫至Ac3,Acm之上。感應(yīng)加熱的工藝參數(shù)選擇：線(xiàn)圈形狀與工件形狀有關(guān)；功率與淬硬深度有關(guān)；例：使用單匝感應(yīng)圈，高度1cm的圓柱形工件所吸收的功率P可以用下式來(lái)計(jì)算：P=1.2510-3R0I2(f)1/2R0工件半徑；I感

5、應(yīng)器中電流；-加熱材料電阻率；-磁導(dǎo)率；f電流頻率；電流導(dǎo)入深度：=5.03 104/f磁導(dǎo)率隨溫度升高至一定值后急劇降低，對(duì)應(yīng)的加熱速度也迅速緩慢下來(lái)。表面不易過(guò)熱。2.2 感應(yīng)加熱淬火工藝流程局限:1.設(shè)備成本高；2.尖角過(guò)熱效應(yīng)；3.復(fù)雜零件難保獲得均勻淬火層第三節(jié)：火焰加熱表面淬火技術(shù)將高溫火焰或燃燒著的熾熱氣體噴向工件表面，使其迅速加熱到淬火溫度，然后在一定淬火介質(zhì)中冷卻，稱(chēng)為火焰加熱表面淬火法。燃料煤氣、碳?xì)浠衔飬?shù)加熱面積、工件移動(dòng)速度、加熱溫度時(shí)間缺點(diǎn)生產(chǎn)效率低、淬硬層均勻程度差、質(zhì)量控制困難，用于小批量、單件生產(chǎn)4.1、激光淬火的原理和應(yīng)用45鋼表面激光淬火橫截面金相組織利

6、用聚焦后的激光束照射到材料表面，使其溫度迅速升高到相變點(diǎn)以上，當(dāng)激光移開(kāi)后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下，獲得淬硬層第四節(jié)：激光淬火與電子束淬火技術(shù)影響淬硬層性能的主要因素（1）材料成分通過(guò)淬硬性、淬透性來(lái)影響淬硬層深度和硬度（2）工藝參數(shù)淬火層的寬度取決于光斑直徑D淬硬深度h由激光功率(P)、光斑直徑（D）和掃描速度(V)共同決定，主要關(guān)系為：hP/(DV)（3）表面預(yù)處理狀態(tài)a. 表面組織準(zhǔn)備，即通過(guò)調(diào)質(zhì)處理等手段使材料表面具有較細(xì)的表面組織，以保證淬火時(shí)組織與性能的均勻、穩(wěn)定。b. 表面“黑化”處理,以提高對(duì)激光束的吸收率。磷化法；碳素法；氧化

7、物涂層4.2 激光表面熔凝技術(shù)原理原 理采用激光束將表面快速加熱至熔點(diǎn)溫度以上，由基材迅速導(dǎo)熱冷卻，使表面熔化層快速冷卻并凝固結(jié)晶。與淬火的差別：表面經(jīng)歷了快速熔化凝固過(guò)程，獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。組織特點(diǎn)：包括：熔化區(qū)；相變硬化區(qū)；熱影響區(qū)；基體；特 點(diǎn)缺 點(diǎn)硬度高；淬層深，耐磨性好；表面粗糙，后續(xù)加工困難特別適合于灰鐵和球鐵的表面強(qiáng)化因?yàn)樵谌勰^(guò)程中可以使石墨與鐵基體混合，形成碳含量很高的白口鐵，顯微硬度可以高達(dá)HV10001100，耐磨性特別優(yōu)越。 功能密度極高的激光束在極短時(shí)間內(nèi)使金屬表面局部劇烈蒸發(fā)，發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，形成高密度位錯(cuò)、孿晶，提高硬度與強(qiáng)度。4.3 激光激光沖擊淬火技術(shù)

8、原 理優(yōu)點(diǎn)缺 點(diǎn)適合無(wú)法通過(guò)相變硬化進(jìn)行表面強(qiáng)化的材料所需能量密度過(guò)高，加工成本太高汽車(chē)缸套內(nèi)璧激光熱處理.4.4 激光淬火技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用4.5 電子束淬火技術(shù)電子束淬火技術(shù)是采用高能密度電子束對(duì)材料表面進(jìn)行相變硬化的熱處理工藝。原 理動(dòng)能熱能特 點(diǎn)缺 點(diǎn)工件對(duì)電子束的吸收率一般比對(duì)激光束的吸收率要大得多，淬硬層深度也高于激光束淬火。必須在真空環(huán)境下進(jìn)行，限制了其使用范圍。第五節(jié)：電阻加熱表面淬火技術(shù)原 理低壓大電流，表面高電阻產(chǎn)生熱效應(yīng)，快速加熱至相變溫度以上并淬火方 法特 點(diǎn)缺 點(diǎn)1.金屬導(dǎo)體相互接觸，形成高接觸電阻，通過(guò)滾輪電極實(shí)現(xiàn)快速加熱；2.電解液加熱表面電解液電離，在工件上析氫，形

9、成氫氣膜電阻高，當(dāng)電流密度很高時(shí)，使表面溫度急劇上升。工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用低，工件變形小。淬硬層薄、對(duì)形狀復(fù)雜、尺寸很大的工件不宜采用。表4-2列出了感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱表面淬火、激光淬火、電子束淬火、電阻加熱表面淬火、沖擊淬火的工藝特點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，迄今為止，感應(yīng)加熱淬火一直是應(yīng)用最為廣泛的表面淬火工藝。激光淬火不僅基本取代了電子束淬火的位置，也正在越來(lái)越多的領(lǐng)域中取代感應(yīng)加熱淬火。第六節(jié) 幾種典型表面淬火工藝的特點(diǎn)比較第七節(jié)：表面形變強(qiáng)化技術(shù)7.1、受控噴丸強(qiáng)化原 理利用高速?lài)娚涞募?xì)小彈丸在室溫下撞擊受?chē)姽ぜ谋砻?，使表層材料在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生彈、塑性變形和殘余壓應(yīng)力，從而提高工件表面強(qiáng)度、疲

10、勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力的表面工程技術(shù)。噴丸機(jī)有葉輪式與壓縮空氣式兩大類(lèi)葉輪式噴丸機(jī)中彈丸流的位置與速度都不易改變，常用于形狀簡(jiǎn)單、批量較大的零件。壓縮空氣式噴丸機(jī)依靠調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力來(lái)改變彈丸的速度，適用于表面形狀復(fù)雜、批量較小的零件。噴丸過(guò)程還可以采用濕噴方式，即將彈丸與液體混合，形成懸浮液后噴向工件。濕噴的表面粗糙度比干噴低。受控噴丸對(duì)材料表面形貌與性能的影響1）對(duì)硬度的影響彈丸強(qiáng)度或動(dòng)能越大，則變形層深度越大；彈丸硬度越高，噴丸層深度越深；被噴零件的硬度越高，則噴丸強(qiáng)化層越淺。2）對(duì)表面粗糙度的影響受控噴丸以后的零件表面痕跡不同于切削加工表面，痕跡沒(méi)有方向性，有利于增加零件的疲勞強(qiáng)度。表面粗糙度與噴丸粒子的直徑有關(guān)。3）對(duì)疲勞壽命與抗應(yīng)力腐蝕的影響噴丸后工件表面可以產(chǎn)生數(shù)百M(fèi)Pa的壓應(yīng)力，從而可以大幅度提高材料的疲勞壽命和抗應(yīng)