第四章 表面淬火及表面形变强化技术

第四章表面淬火和表面形变强化技术
第一节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
（一）表面淬火的原理
表面淬火是通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。

适用材料：中碳钢或中碳合金钢。

工艺特点：快速加热，使工件表面迅速升温至淬火温度，而工件心部仍处于A1以下，这时立即喷水冷却，使工件表面层被淬硬成为马氏体，心部仍是原来的组织，保持着良好的韧性。

经表面淬火的工件，其表面硬度、耐磨性和疲劳强度均高，而心部则保留一定的塑性和韧性。

（二）表面淬火技术的分类
根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。

工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。

（三）表面淬火与化学热处理的区别
表面淬火只对工件的表面或部分表面进行热处理，所以只改变表层的组织。

而心部或其它部分的组织仍保留原来的低硬度、高塑性和高韧性的性能，这样工件截面上由于组织不同性能也就不同。

表面淬火便于实现机械化、自动化，质量稳定，变形小，热处理周期短，费用少，成本低，还可用碳钢代替一些合金钢。

化学热处理是将工件表面渗进了某些化学元素的原子，改变了表层的化学成份，使表面能得到高硬度或某些特殊的物理、化学性能。

而心部组织成份不变，仍保留原来的高塑性。

高韧性的性能，这样在工件截面上就有截然不同的化学成份与组织性能。

化学热处理生产周期长，不便于实现机械化、自动化生产，工艺复杂，质量不够稳定，辅助材料消耗多、费用大、成本高，许多情况下还需要贵重的合金钢。

化学热处理只在获得表面层的更高硬度与某些特殊性能及心部的高韧性等方面优于表面淬火。

第二节感应加热表面淬火
一、感应加热表面淬火法的基本原理
（一）感应加热表面淬火法定义
感应加热表面淬火法是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将零件表面迅速加热，然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。

[特点]
（1）表面晶粒细、硬度高。

感应淬火得到很细小的马氏体组织，其硬度也比普通淬火高2～3HRC，且心部基本上保持了处理前的组织和性能。

（2）加热速度快，加热时间很短，一般只需几秒至几十秒即可完成。

工件不容易产生氧化脱碳，淬火变形也很小。

（3）热效率高，生产率高，生产环境好，易实现机械化、自动化。

（4）淬硬层深度易于控制。

通过控制电流频率来控制淬硬层深度，经验公式如下：
δ=(500~600)/√f
式中：
δ——淬硬层深度，
mm f——电流频率，Hz
（5）设备投资大、维修困难，需根据零件实际制作感应器，适合于批量生产。

（二）感应加热表面淬火法的原理
把工件放入由空心铜管绕成的感应线圈中，当感应线圈通以交流电时，便会在工件内部感应产生频率相同、方向相反的感应电流。

感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。

涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面电流密度最大，心部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。

由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表面的涡流，几秒种可使工件表面温度升至800～1000℃，而心部温度仍接近室温，在随即喷水（合金钢浸油）快速冷却后，就达到了表面淬火的目的。

（三）感应加热分类
室温时感应电流流入工件表层的深度δ（mm）与电流频率f（HZ）的关系为δ频率升高，电流透入深度降低，淬透层降低。

（1）高频加热
常用频率为（200～300）KHZ，淬硬层深度为（0.5～2.5）mm，适用于中、小型零件，如小模数齿轮、轴类等。

（2）中频加热
常用频率为（2500～8000）HZ，淬硬层深度为（2～10）mm，适用于直径较大的轴类和大、中模数齿轮以及钢轨、机床导轨等。

（3）工频加热
电流频率为50HZ，不需要频设备，城市用交流电即可，适用于淬硬层深度为（10～20）mm以上的大型工件或用于穿透加热。

如火车车轮等的表面淬火。

优缺点：感应加热表面淬火加热速度快，生产率高，加热温度和淬硬层深度容易控制，工件表面氧化和脱碳少，工件变形小，可以使全部淬火过程实现机械化、自动化。

其缺点是设备较昂贵，形状复杂的零件感应圈不易制造，且仅适用于大批量生产。

二、感应加热表面淬火工艺流程
感应加热时，工件截面上感应电流密度的分布与通入感应线圈中的电流频率有关。

电流频率愈高，感应电流集中的表面层愈薄，淬硬层深度愈小。

因此可通过调节通入感应线圈中的电流频率来获得工件不同的淬硬层深度，一般零件淬硬层深度为半径的1／10左右。

对于小直径（10～20mm）的零件，适宜用较深的淬硬层深度，可达半径的1／5，对于大截面零件可取较浅的淬硬层深度，即小于半径1／10以下。

感应加热表面淬火零件的一般工艺路线为：
[选材]最适宜的钢种是中碳钢（如40、45钢）和中碳合金钢（如40Cr、40MnB 钢等），常用零件有齿轮、轴、销类等。

感应淬火后一般应采用180——200℃低温回火。

也可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。

[工序、性能]一般中碳钢感应淬火件加工工序：锻件→正火→机械加粗加工→调质处理→机械精（半精加工）→感应淬火→精加工。

调质处理保证获得良好的心部强韧性，以承受复杂的交变应力感应淬火获得表面高硬度，50——55HRC，具有良好的耐磨性。

表1感应加热表面淬火的分类与应用
第三节火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火法是用乙炔——氧火焰（最高温度3200℃）或煤气——氧火焰（最高温度2000℃），对工件表面进行快速加热，并随即喷水冷却。

淬硬层深度一般为2～6mm。

适用于单件小批量生产以及大型零件（如大型轴类、模数齿轮等）的表面淬火。

火焰加热表面淬火的优点是设备简单，成本低，灵活性大。

缺点是加热温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不够稳定。

优缺点：淬硬层深度一般为（2～6）mm，若要获得更深的淬硬层，会引起零件表面严重的过热，且易产生淬火裂纹。

由于淬火质量不够稳定，生产率低，限制了它的广泛应用。

但它具有方法简便灵活，无需特殊设备、成本低等优点，适用于单件或小批量生产的大型或需要局部淬火的零件。

如大型轴、大齿轮、轧辊、齿条、钢轨面等。

适于中碳钢35、45钢和中碳合金结构钢40Cr及65Mn、灰口铸铁、合金铸铁的火焰表面淬火。

是用乙炔-氧或煤气-氧混合气燃烧的火焰喷射快速加热工件。

工件表面达到淬火温度后，立即喷水冷却。

淬硬层深度为2～6mm，否则会引起工件表面严重过热及变形开裂。

第四节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
生相变，形成马氏体淬硬层的过程。

激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。

与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。

尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。

激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3——2.0mm范围之间。

对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。

激光加热表面淬火加热速度极度快（105～106℃／s），因此过热度大，相变驱动力大，奥氏体形核数目剧增，扩散均匀化来不及进行，奥氏体内碳及合金浓度不均匀性增大，奥氏体中碳含量相似的微观区域变小，随后的快冷（104℃／s）中不同微观区域内马氏体形成温度有很大差异，产生细小马氏体组织。

由于快速加热，珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织；由于快速冷却，奥氏体组织通过无扩散转化为马氏体组织，同时残余奥氏体量增加，碳来不及扩散，使过冷奥氏体碳含量增加，马氏体中碳含量增加，硬度提高。

激光淬火硬化层深度一般为0.3～1mm，硬化层硬度值一致。

随零件正常相对接触摩擦运动，表面虽然被磨去，但新的相对运动接触面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不会发生常规表面淬火层由于接触磨损，磨损随之加剧的现象，耐磨性提高了50％，工件使用寿命提高了几倍甚至十几倍。

（1）无需使用外加材料，就可以显著改变被处理材料表面的组织结构，大大改善工件的性能。

激光淬火过程中的急热急冷过程使得淬火后，马氏体晶粒极细、位错密度相对于常规淬火更高，进而大大提高材料性能。

（2）处理层和基本结合强度高。

激光表面处理的改性层和基体材料之间是
致密冶金结合，而且处理层表面也是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。

（3）被处理工件变形极小，适合于高精度零件处理，可作为材料和零件的最后处理工序。

这是由于激光功率密度高，与零件上某点的作用时间很短，故零件的热变形区和整体变化都很小。

（4）加工性好，适用面广。

激光光斑面积较小，不可能同时对大面积表面进行加工，但是可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔等局部区域。

改性层厚度与激光淬火中工艺参数息息相关，因此可根据需要调整硬化层深浅，一般可达0.1——1mm。

（5）工艺简单优越。

激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，噪声小、污染小、无公害、劳动条件好。

激光器配以微机控制系统，很容易实现自动生产，易于批量生产。

效率很高，经济效益显著。

二、激光表面熔凝技术原理
激光熔凝也称激光熔化淬火，是激光硬化（激光表面淬火）中的一个主要工艺方法，是用激光束将获得工件表面加热熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性能的表面改性技术。

激光熔凝原理与激光非晶化基本上相一致。

但激光熔凝处理时激光的能量密度和扫描速度均远小于激光非晶化。

激光熔凝与激光合金化不同，它在表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合；在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性；其表面熔层深度远大于激光非晶化。

激光熔凝层的组织取决于基体金属。

Fe基、Ti基等可以发生固态相变的合金，其激光作用区的熔凝组织由三层组成：表面熔化区、次层固态相变区、内层过渡区。

不能发生固态相变的合金(Ni基、奥氏体型不锈钢等)的熔凝组织则具有一层熔化区。

熔化区的组织与激光合金化区类似，一般为超细共晶组织或精细树枝晶组织。

激光晶粒细化特别适用于铸造合金。

一种含粗颗粒初生硅(约60μm)的铸造铝合金AA390，基体为A1—Si共晶，用3．5kW的激光束，光斑尺寸为Φ4mm，以8．47mm／s的扫描速度熔凝处理后，得到约l～4μm大小的细硅粒均匀分布在基体上的组织，并提高了硬度。

珠光体球墨铸铁经激光熔凝处理，在选用超短辐照时间(相应凝固速率>5×104K／s)时得到树枝状组织，当选用较长辐照时间(凝固速率<104K／s)时得到层片状莱氏体组织。

激光熔凝要求激光的功率密度为105——107 W/cm2，冷却速度为104——106 ℃/s，作用区深度为0.2——2 mm，主要用于强化零件的表面，可以提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。

激光表面熔凝强化可以大副度提高产品质量，成倍地延长产品的使用寿命，具有显著的经济效益。

激光表面熔凝强化的具体工艺方法是先将能有效提高材料对激光的吸收率和有效降低材料对激光反射、避免人员和设备受到过多激光反射不利影响的白色涂料均匀喷涂到待处理表面，之后以很高的激光功率密度，在极短的时间内（10-8——10-12s）与金属交互作用，随后借助于冷态的金属基体吸热和传导作用，使已熔化的极薄表层金属快速凝固。

激光熔凝强化得到的是铸态组织，其硬度较高，耐磨性亦较好。

激光表面熔凝强化处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高5 ——20%，可获得极细的硬化层组织。

硬化层深度与加热时间的平方根成正比，通常为0.3——0.5 mm。

由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及热变形小。

一般认为激光表面熔凝强化几乎不产生变形，而且可以使表面产生大于4000 MPa的压应力，这有助于提高零件的疲劳强度；但厚度小于5 mm的零件其变形仍不可忽视。

激光表面熔凝强化靠能量由表及里的传导自冷，无需冷却介质，对环境无污染。

激光表面熔凝强化具有独特的优点
1、表面熔化时一般可添加超硬耐磨金属元素或化学元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。

2、在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂质有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

3、其熔层薄、热影响区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，有时可不再进行后续磨光而直接使用。

4、提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。

一般可适用于其它硬化技术所不能完成或难于实现的某些零件及其局部部位的表面强化处理。

三、激光淬火技术的工业应用
激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导轨、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果显著，取得了很大的经济效益与社会效益。

近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用。

激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。

适用材料为中、高碳钢，铸铁。

激光淬火的应用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高HB230提高到
HB680，使用寿命提高2——3倍。

激光表面淬火加工能力
多功能激光加工中心激光淬火
五、电子束淬火技术
70年代开始研究和应用。

早期用于薄钢带、钢丝的连续退火,能量密度最高可达10 8瓦／厘米。

电子束表面淬火除应在真空中进行外,其他特点与激光相同。

当电子束轰击金属表面时，轰击点被迅速加热。

电子束穿透材料的深度取决于加速电压和材料密度。

例如,150千瓦的电子束在铁表面上的理论穿透深度大约为0.076毫米；在铝表面上则可达 0.16毫米。

电子束在很短时间内轰击表面，表面温度迅速升高，而基体仍保持冷态。

当电子束停止轰击时，热量迅速向冷基体金属传导，从而使加热表面自行淬火。

为了有效地进行"自冷淬火"，整个工件的体积和淬火表层的体积之间至少要保持5∶1的比例。

表面温度和淬透深度还与轰击时间有关。

电子束热处理加热速度快，奥氏体化的时间仅零点几秒甚至更短，因而工件表面晶粒很细，硬度比一般热处理高，并具有良好的力学性能。

第五节电阻加热表面淬火技术
接触电阻加热淬火：通过电极将小于 5伏的电压加到工件上,在电极与工件接触处流过很大的电流,并产生大量的电阻热,使工件表面加热到淬火温度,然后把电极移去,热量即传入工件内部而表面迅速冷却,即达到淬火目的。

当处理长工件时,电极不断向前移动,留在后面的部分不断淬硬。

这一方法的优点是设备简单，操作方便，易于自动化,工件畸变极小,不需要回火，能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄（0.15～0.35毫米）。

显微组织和硬度均匀性较差。

这种方法多用于铸铁做的机床导轨的表面淬火，应用范围不广。

电解加热淬火：将工件臵于酸、碱或盐类水溶液的电解液中，工件接阴极，电解槽接阳极。

接通直流电后电解液被电解，在阳极上放出氧，在工件上放出氢。

氢围绕工件形成气膜，成为一电阻体而产生热量，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后断电,气膜立即消失,电解液即成为淬冷介质，使工件表面迅速冷却而淬硬。

常用的电解液为含 5～18％碳酸钠的水溶液。

电解加热方法简单，处理时间短，加热时间仅需5～10秒,生产率高，淬冷畸变小，适于小零件的大批量生产，已用于发动机排气阀杆端部的表面淬火。