《表面改性技术》PPT课件

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8.1 金属源自文库面形变强化
一、表面形变强化原理
原理：通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面 产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深 度可达0.5mm~1.5mm。 形变硬化层中产生两种变化： （1）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶 格畸变度增大。 （2）形成了高的宏观残余压应力。
缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。
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2. 感应加热表面淬火原理
图 感应加热表面淬火原理图
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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。
作用：提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度
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二、形变强化的主要方法及应用
（一）形变强化的主要方法
1、滚压
主要有滚压、内挤压和喷丸
图 表面滚压强化示意图
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2、喷丸
利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变 硬化层并引进残余压应力。
广泛应用在弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮 等零部件，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐 蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀能力。
工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料 的强 度、硬度关系密切。材料强度高，表层最大残余应力大，但压应力层深 度较浅。反之，强度低的材料表层残余应力较小，但压应力层深度较 深。
在相同喷丸压力下，大直径弹丸产生的压应力较低，压应力层较 深；
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小直径弹丸产生的表面压应力较高，压应力层较浅。
（2）气动式喷丸机 适用于喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。
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3、喷丸表面质量及影响因素
（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化
金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层位 错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷丸后的零 件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷 丸引起的不稳定结构向稳定态转变。
② 升温速度快，保温时间极短。和一般淬火相比，淬火加热温度 高，过热度大，奥氏体形核多，又不易长大，因此淬火后表面得到细 小的隐晶马氏体，故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的 高2～3HRC。
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③ 工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表 面产生很大的残余压应力，因此淬火后表层产生很大的残余压应力， 因此可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。
8.2 表面热处理 定义
对零部件表面进行加热、冷却、改变表层 组织和性能，不改变其表层成分的热处理工艺。 也称作表面淬火技术。
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表面淬火的原理
零件表面材料快速加热到相变临界点(AC3（亚共析 钢）或者AC1（过共析钢）)以上而转变为细小的
奥氏体组织，心部材料仍保持在相变临界点以下，保 持原有组织。其后用快速冷却，达到淬火目的，获得 微细的马氏体组织，提高零件的表面硬度和耐磨性， 零件心部未发生相变。
如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥氏 体转 变成马氏体而提高零件的疲劳强度。
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（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响
表面粗糙度随弹丸粒度的增加而增加。
（3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响
（4）喷丸表层的残余应力
喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变， 其中 以不均匀的塑性变形最重要。
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表面淬火工艺主要有：
感应加热表面淬火、脉冲表面淬火、火焰加热表面 淬火、接触电阻加热表面淬火、浴炉加热表面淬火、 电解液加热表面淬火及表面保护加热处理等。
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8.2.1 表面热处理技术
• 一、 传统表面热处理技术 • 二、 几种新型表面热处理技术
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表1 传统表面处理技术
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一、 传统表面热处理技术
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。
第八章 表面改性技术
表面改性定义：
采用某种工艺手段使材料表面获得与基体 材料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材 料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性 能。
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主要内容
• 金属表面形变强化 • 表面热处理 • 金属表面化学热处理 • 离子束表面扩渗处理 • 高能束表面处理 • 离子注入表面改性
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。
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（二）喷丸表面形变强化工艺及应用
1、喷丸材料
铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液 体喷丸介质 黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷 丸 有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸
2、喷丸强化用的设备
按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。 （1）机械离心式喷丸机 功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。 适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。
感应加热表面淬火
• 1. 感应加热表面淬火的特点 • 2. 感应加热表面淬火原理 • 3. 感应加热表面淬火设备 • 4. 感应加热表面淬火工艺 • 5. 感应加热表面淬火的应用
火焰加热表面淬火
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感应加热表面淬火
1. 感应加热表面淬火特点
① 感应加热时，由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间 内达到Ac3以上很高的温度，而工件心部仍处于相变点之下。中碳钢 高频淬火后，工件表面得到马氏体组织，往里是马氏体加铁素体加屈 氏体组织，心部为铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织。