表面技术3 表面淬火和形变强化

② 中频感应加热 电流频率范围2500～8000Hz，淬硬层深度2～ 10mm，适用于较大的轴和大中模数齿轮。 ③ 工频感应加热 电流频率50Hz，淬硬层深度可达10～15mm，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. 感应加热表面淬火工艺
①一般用于中碳钢和中碳合金钢，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。 ②表面淬火前的预备热处理
第三节
1. 原理
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。
火焰淬火
应用历史最长的表面淬火技术之一
2. 特点
优点：设备简单，成本低，可对大型零件局部实现表面淬火。 缺点：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。
(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）。
5. 应用
20世纪70年代欧美等国在汽车行 业中最先应用激光淬火。1974年 GE公司使汽车转向器壳体内腔(可 锻铸铁)的耐磨性提高10倍。
硬化层深度：硬化层深度总小于感应电流透入深度
2. 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逐渐加热， 通过感应器与工件之间的相对位移速度来实现。
3）对疲劳寿命与抗应力腐蚀的影响
可大幅度提高材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能 力。例如，焊缝。
5. 喷丸应用
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。如弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车 轮等。
钢板弹簧（疲劳寿命提高5倍）
渗碳齿轮（疲劳寿命提高4倍）
第九节 滚压强化
1.定义
3. 应用
主要用于单件、小批量及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊 等）的表面淬火。
近年来，7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制使其在汽车 覆盖件制造中占据主导地位（节省工时，保证模具精度）。
第四节 接触电阻加热淬火
1. 定义
2. 原理
变压器二次侧线圈供给低电 压大电流，在电极(铜滚轮 或碳棒)与工件表面接触处 产生局部电阻加热。当电流 足够大时，产生的热能足以 使此部分工件表面温度达到 淬火临界温度以上，然后靠大
类，喷丸机又有干喷和湿喷之分。 干喷式工作条件差，湿喷式是将弹
丸混合在液体中成悬浮状后喷丸，
工作条件有所改善。
喷是以压缩空气作为动力 将砂料或丸料喷到材料表 面；抛是将丸料以高速旋 转时产生的离心力的方法， 冲击材料表面，达到清除 和一定的粗糙度。 叶轮式喷丸机
第七节 电子束淬火
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。
原理
动能→热能
工件对电子束的吸收率比激光束大得多， 淬硬层深度也高于激光束淬火。
特点
缺点
必须是真空环境，限制了其使用范围。
第八节 表面形变强化
其理论基础是加工硬化，即通过机械手段(喷丸、滚压等)在 金属表面产生塑性变形，使表面形成加工硬化层，其深度可 达0.5～1.5 mm。 结果：亚晶粒极大细化，位错密度增加，晶格畸变增大；形 成高残余压应力。 常用方法——喷丸、滚压等，而尤以喷丸应用最广。
表面热处理：仅对钢的表面加热、冷却而不改 变其成分的热处理工艺，也叫表面淬火。
第一节 表面淬火技术的原理和特点
1. 表面淬火技术的原理与方法
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。
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%）
利用触头和工件间的接触电阻使工件表面加热，并 借助本身未加热部分的热传导来实现淬火冷却。
3. 特点和应用
1. 设备简单、操作方便、工件变形小
2. 淬火后表面硬度可达50～55HRC 3. 淬火后不需回火 4. 淬硬层薄(0.15-0.30mm)，金相组织及硬度 均匀性差。 应用：机床铸铁导轨、汽缸套、曲轴、工具、 模具等
3. 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。
提高加热速度，可增大 温度梯度，显著减少过 渡区宽度。
第二节 感应淬火
应用最广泛的表面淬火技术。
1. 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。
第五节 电解液加热淬火
将工件淬火部位浸入电解液，工件接阴极，电解槽接阳极；通电 后，在阴极上生成氢气，形成氢气膜，电流流经电阻大的氢气膜 时产生大量的热量，迅速将工件表层加热到淬火温度；断电后氢 气膜消失，电解液变为冷却介质，使工件表层淬火。
设备简单，淬火变形小，适用于形状简单小件的批量生产
第六节 激光淬火
4. 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。一般采用炉中回火、自 回火和感应加热回火。
5. 感应加热表面淬火设备
15000 250000 f x2 x2 60000 最理想的情况是当 热＝2x，f＝ 2 x
① 高频感应加热
电流频率范围250～300kHz，淬硬层深度x为 0.5～2.0mm，适用于中小模数的齿轮及中小 尺寸的轴类零件。
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。
1.原理
利用高能量的激光扫描工件表面，使工件表面快速加热.工件基体仍处
于冷态。由于热传导的作用，表面热量迅速传到工件其它部位，在瞬间
进行自冷淬火，实现工件表面相变硬化。
2. 组织
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
3. 工艺
影响淬硬层性能的主要因素 （1）材料成分
前
言
表面和心部性能要求不同的零件实例
工作条件：磨损、冲击载荷 性能要求：高耐磨性+高疲劳强度(表)、高冲击韧性(心)
在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热 处理方法，都不能满足其要求。
解决这一问题的方法是表 面热处理和化学热处理
低碳钢 ：可满足心部要求， 表面要求不能满足； 高碳钢： 可满足表面要求， 心部要求不能满足；
淬硬性、淬透性 影响淬硬层深度 和硬度
②工艺参数
淬火层宽度取决于光斑直径D 淬硬深度h：激光功率P、D和 扫描速度V共同决定，主要关 系：hP/(DV)
③表面预处理
a. 表面组织准备：较细的表面组织(细片状珠光体、回 火马氏体或奥氏体) 。
b. 表面“黑化”处理：磷化法、碳素法、氧化物涂层
4.特点
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 调质或正火等。
③ 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）。
7. 特点
② 升温速度快，保温时间极短。奥氏体形核多又不易长大，因此淬 火后得到细小的隐晶马氏体，故表面硬度比一般淬火的高2～3HRC。 ③ 工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，在工件表面产 生很大的残余压应力，因此可以显著提高疲劳强度并降低缺口敏感性。 ④ 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。 ⑤ 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。 ⑥ 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。
2. 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：
1） 快热使Ac3,Acm,但使Ac1有限；快热使A晶 粒细化，加热很快甚至使钢产生无扩散A相变；
冷速比普淬也快，所以，硬度 比普淬要高，与方法有关。
2） 快热使渗C体难充分溶解，形成A成分相当不均 匀，包括未溶C化物，高C偏聚区（原P）和贫C 区（原F） 促使A分解，缩短A的孕育期， 随 后淬火形成低C马氏体和高C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 或正火），使碳化物或自由铁素体均匀、 细小分布，以便有利于快速加热时奥氏体 的均匀化。