表面淬火和表面形变强化技术
2015表面工程复习题.
《材料表面工程》考试要点一、名词解释表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件的表面具有特殊成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分与体内相同的表面。
极化：腐蚀电池工作时，阴、阳两极之间有电流通过，使得其电极电位值与初始电位值有一定的偏离，使阴阳两极之间的电位差比初始电位差要小得多，这种现象称为极化现象。
热喷焊技术：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术。
堆焊技术：在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金的技术。
物理气相沉积:在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。
磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。
润湿：液体在固体表面上的铺展技术。
等离子体热扩渗：利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。
转化膜技术：通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观的一类技术。
吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其他物质分子的能力。
表面能：严格意义上指材料表面的内能，它包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。
腐蚀：材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。
钝化：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。
表面淬火：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac 3（对亚共析钢）或者Ac 3 （对过共析钢）之上，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。
喷丸强化：利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在结晶温度下产生弹，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。
热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层（或掺杂层）的工艺。
材料表面改性技术
离子渗氮法是由德国人B. Berghaus于1932年发明的。 原理：在0.1~10Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极， 在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹 灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被 电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作 用等进行氮化处理。
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。
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。
感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并 使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的 淬火方法。
• 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。
化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在 固溶体、化合物的多相深层
形成扩渗层的3个基本条件：
（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。 要满足这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、 晶体结构的差异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件
（2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条 件来实现
表面改性技术
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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。
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。
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。
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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。
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。
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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。
表面改性技术
四、高密度能量的表面淬火 高密度能量包括激光、电子束、等离子体和
电火花等。
7.3 金属表面化学热处理
一、概述 (一)金属表面化学热处理过程
金属表面化学热处理是利用元素扩散性能， 使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。
基本工艺过程是：首先将工件置于含有渗入元素 的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过 分解(包括活性组分向工件表面扩散以及界面反 应产物向介质内部扩散)井释放出欲渗入元素的 活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶 入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度 的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。
(1)机械离心式喷丸机 机械离心式喷丸机又称 叶轮式喷丸机或抛丸机。
工作时，弹丸由高速旋 转的叶片和叶轮离心力 加速抛出。弹丸的速度 取决于叶轮转速和弹丸 的重量。
3.表面形变强化的应用
喷丸强化的应用实例
(1) 20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余 压应力为-880MPa，寿命从55万次提高到150-180万次。
有色金属如铝合金、镁台金、钛合金和不锈钢 制件则需采用不锈钢九、玻璃丸和陶瓷丸。
2．喷丸强化用的设备 喷丸采用的专用设备， 按驱动弹丸的方
式可分为机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两 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态中成悬浮状， 然后喷丸，因此工作条件有所改善。
表面淬火 在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利 用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化 零件表面的热处理方法。
表面热处理工艺包括： 感应加热表面淬火 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 高密度能量的表面淬火 表面保护热处理等
2015表面工程复习题
一、名词解释表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件的表面具有特殊成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分与体内相同的表面。
极化：腐蚀电池工作时，阴、阳两极之间有电流通过，使得其电极电位值与初始电位值有一定的偏离，使阴阳两极之间的电位差比初始电位差要小得多，这种现象称为极化现象。
热喷焊技术：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术。
堆焊技术：在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金的技术。
物理气相沉积:在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。
磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。
润湿：液体在固体表面上的铺展技术。
等离子体热扩渗：利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。
转化膜技术：通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观的一类技术。
吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其他物质分子的能力。
表面能：严格意义上指材料表面的内能，它包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。
腐蚀：材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。
钝化：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。
表面淬火：采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Ac3 （对过共析钢）之上，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。
喷丸强化：利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在结晶温度下产生弹，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。
热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层（或掺杂层）的工艺。
表面工程学复习
表面工程学复习名词解释表面能：材料表面的内能，包括原子的动能，原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能。
表面扩散：是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的运动。
当固体表面存在化学势梯度场，扩散物质的浓度变化或样品表面的形貌变化时，就会发生表面扩散。
洁净表面：尽管材料表面原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。
清洁表面：一般之零件经过清洗（脱脂、侵蚀）以后的表面。
滚光：将零件放入盛有磨料和化学溶液的滚筒中，借滚筒的旋转使零件与磨料、零件与零件表面相互摩擦，以达到清理零件表面的过程。
电化学抛光：电解抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。
表面淬火：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到AC3或AC1之上，然后使其快速冷却，形成表面强化层的工艺过程。
表面形变强化：在金属的表面形变过程中当外力超过屈服强度后，要塑性变形继续进行必须不断增加外力，从而在真实的应力-应变曲线上表现为应力不断上升。
等离子体热扩渗: 利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。
液体热扩渗：将工件浸渍在熔融的液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺方法。
化学镀:：在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。
复合镀：在电镀或化学镀溶液中加入非溶性的固体微粒，并使其与主体金属共沉积在基体表面，或把长纤维迈入或卷缠于基体表面后沉积金属，形成一层金属基的表面复合材料的过程。
合金镀：在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程。
堆焊：在零件表面熔覆一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金属的技术。
热喷焊:采用热源使涂层料在机基体表面重新融化或部分熔化，实现涂层与基体之间，涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙。
表面工程04
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第四章 表面淬火和形变强化技术
第一节 表面淬火技术的原理与特点
2、性能 （1） 表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通 淬火高2～5个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余压 应力。 （2） 耐磨性：高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高。这是 由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小，碳化物高度弥散，淬硬 层硬度和强度都比较高。
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第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境
第一节 表面预处理工艺
根据不同的基体材料和不同的表面工程技术，合理进行各 种表面预处理工艺 典型的金属清洗工艺 机械清理→脱脂→水清洗→化学浸蚀→水清洗→中和→水清 洗→（甩干）→立即进行表面处理
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2、加速加热使渗碳体难以分解，形成的奥氏体成分不 均匀，促进了过冷奥氏体分解，缩短奥氏体转变孕育期，淬 火后形成高、低马氏体区域，造成纤维硬度的微观硬度不均 匀。 表面淬火钱要进行预先热处理（调质、正火、球化退火） 使碳化物和自由铁素体均匀、细小分布，以有利于快速加热 时奥氏体均匀化。
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表面工程学：
第五章 热扩渗
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第五章 热扩渗
第一节 热扩渗基本原理
金属（主要是钢）放在有一定活性的介质（气相、液相 或固相）中加热，利用欲渗元素原子的扩散性能，使金属或 非金属元素（C、N、B、Al、V等）渗入钢的内部，改变钢表 面的化学成分，形成新的合金渗层的热处理工艺。 热扩渗的目的：提高钢表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、 耐蚀性和抗高温氧化等性能。 一、热扩渗层形成的基本条件 1、欲渗元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。
表面工程学---教学大纲
《表面工程学》课程教学大纲课程代码：050241025课程英文名称：Surface engineering课程总学时：40 讲课：40 实验：0 上机：0适用专业：金属材料工程大纲编写（修订）时间：2017.11一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标1．课程地位：表面工程学是必修、专业学位课。
2．教学目标：通过本课程的学习使学生了解现代表面技术基本知识。
掌握有关材料表面的基本概念和某些重要理论，对现代表面技术的形成、分类、涵义和内容有一定深度的了解。
通过一些典型的表面技术来掌握其主要设备、技术路线、工艺实施、分析检验和具体应用等，从而使学生对现代表面技术的形成、现状和发展有基本的了解。
积极培养学生理论联系实际以及开拓创新的能力，为学习其它有关专业课程和将来从事生产技术工作奠定必要的理论基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求：掌握表面工程学的定义和内涵、表面工程技术的特点与意义、表面工程技术的分类。
掌握典型固体表面与界面；掌握金属腐蚀原理和防护技术，材料磨损原理及其耐磨性。
掌握表面工程技术的预处理工艺。
掌握表面淬火技术的原理与特点；掌握感应加热淬火技术、火焰加热表面淬火技术、激光淬火、电阻加热表面淬火技术、表面形变强化技术的原理。
掌握热扩渗技术的基本原理；掌握热扩渗工艺的分类、等离子体热扩渗。
掌握电镀、化学镀的基本原理与工艺；掌握常用单金属电镀、合金电镀、复合镀技术。
掌握磷化、铬酸盐钝化膜；掌握转化膜的基本特性及用途、化学氧化、草酸盐钝化、电化学氧化、着色技术。
掌握涂料的基本组成及其作用、涂料成膜机理、涂装材料；掌握涂装工艺。
掌握物理气相沉积方法中蒸发镀、溅射镀和离子镀的原理及特点；掌握各类化学气相沉积方法的原理及特点，分子束外延制膜方法。
了解常用工业激光器及激光加工系统，掌握激光表面改性技术；掌握离子束表面改性技术、电子束表面改性技术的特点及应用。
掌握常用微细加工技术、纳米工艺、生物芯片技术。
现代表面技术复习重点(必考)
现代表面技术钱苗根，姚寿山，张少宗编著第一章表面技术概论1．表面技术的主要提高路径：施加各种覆盖层（电镀，化学镀，涂装，粘结，堆焊，熔结，热喷涂，塑料粉末涂覆，热浸镀，真空蒸镀，溅射镀，离子镀，化学气相沉积，分子束外延，离子束合成薄膜技术等）和表面改性技术（喷丸强化，表面热处理，化学热处理，等离子扩渗处理，激光表面处理，电子束表面处理，高密度太阳能表面处理，离子注入表面改性等）。
第二章表面科学的某些基本概念和理论1．固体材料的界面有三种：表面（固体材料与气体或液体的分界面）；晶界，或亚晶界（多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒或亚晶之间的界面）；相界（固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面）2．表面的两种对象：清洁表面（是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面）、实际表面（暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理保持在常温和常压下的表面）。
3．清洁表面在几个原子层范围内的偏离三维周期性结构的主要特征有：表面弛豫、表面重构和表面台阶结构。
4．实际表面的一些重要情况：①表面粗糙度，是指加工表面上具有较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状特征；②贝尔比层和残余应力，具有较高的耐磨性和耐蚀性；③表面氧化和吸附、沾污，吸附有物理和化学吸附。
第三章电镀和化学镀1．电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。
2．电镀液的组成及作用：主盐，提供金属离子；络合剂，形成络合物，提高阳极开始钝化电流密度；附加盐，提高电镀液的导电性；缓冲剂，稳定溶液酸碱度的物质；阳极活化剂，提高阳极开始钝化的电流密度，从而保证阳极处于活化状态而能正常的溶解；添加剂，显著改善镀层的物质。
3．电镀溶液的分散能力是指电镀液中所具有的使金属镀层厚度均匀分布的能力，也称均镀能力；镀液的分散能力越好，在不同阴极部位所沉积出的金属层厚度就越均匀。
表面处理第四、五讲表面淬火及表面形变强化
（1） 激光淬火组织 相变硬化区：极细的马氏体； 过渡区：为复杂的多相组织； 基体：原始的基体组织。
图4－7 45钢表面激光淬火 区横截面金相组织
（2） 激光淬硬层的硬度（1）
图4－8 45钢激光淬火区显微 硬度与淬硬层深度的关系
激光淬硬层的硬度（2）
因极快速的加热和冷却，致使激光淬硬层的硬度比常规淬 火高15％～20％。淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关。
超高频冲击淬火 27.12 MHz
(10-30) kW/cm2 (1 ~ 500) ms
(0.05 ~ 0.5) mm 自身冷却
极细针状马氏体 极小
感应加热淬火新技术（2）
2 双频感应加热淬火
对于凹凸不平的工件可采用两种频率交替加热， 较高频率加热时，凸出部位温度较高；较低频率 加热时，低凹部位温度较高。这样可达到均匀硬 化的目的。
2 表面淬火层的性能（1）
（1） 表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通 淬火高2～5个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余 压应力。
表面淬火层的性能（2）
（2） 耐磨性：高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高。这是 由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小，碳化物高度弥散，淬硬 层硬度和强度都比较高。
1.0 1.75 4.0
* 2.0
空气与燃料 气体体积比
—
9.0 25.0
* —
3 火焰加热淬火方法（1）
为了使工件表面加热均匀,可采取如下方法：
（1） 旋转法：火焰喷嘴 或工件旋转。
适合中小型工件。
火焰加热淬火方法（2） （2） 推进法：工件和火焰喷嘴做相对移动。
适合导轨、大齿轮等工件；
火焰加热淬火方法（3）
4 激光淬火的工艺参数
表面工程复习
第三章表面工程技术的预处理与作业环境关键因素: 表面工程预处理,指标:1表面清洁度 2表面粗糙度第一节：表面预处理工艺机械性清理: 1滚光和刷光2机械磨光和抛光3喷砂或喷丸脱脂：化学脱脂，有机溶剂脱脂，水剂脱脂，电化学脱脂。
第四章第一节表面淬火技术的原理与特点1.2、表面淬火技术与常规淬火技术的区别1）提高加热速度将使钢的相变点温度A c3与Ac cm大幅度提高，但使A c1温度升高有限；快速加热可使A晶粒及其中亚结构细化；2）快速加热条件下渗碳体难以充分溶解，形成的奥氏体成分也相当不均匀。
不均匀A包括未溶碳化物、高碳偏聚区和贫碳区，淬火后形成高碳和低碳马氏体区域，造成显微硬度的微观不均匀。
因此需要预先热处理（调质、正火、球化退火处理）1.3、表面淬火层的组织与性能硬度分布图P51表面淬火层的组织:工件加热以后的金相组织与加热温度沿加热温度沿试样横截面分布有关，一般分为淬硬层、过渡区及心部组织.性能:硬度比普通淬火高2~5HRC耐磨性比普通淬火好2.2、感应加热淬火工艺流程1预先调质处理目的：为感应加热淬火作好组织准备和使工件在整个截面上具备良好的力学性能。
2确定加热温度与加热方式存在一最佳的温度范围，在此范围内加热所得工件硬度与强度比普通淬火高2~3HRC；同时加热方式和连续加热方式。
3根据工件要求选择比功率比功率越大，加热速度快，工件表面温度高；不足，加热深度层增加，过渡区增大；大小由淬硬层深度和淬火区温度确定4设计感应加热器5确定冷却方式与冷却介质喷射冷却法；可调节介质的喷射压力，温度与时间等参数来控制冷速6制定回火工艺参数回火温度略低于常规工艺淬火时的温度，得到淬硬层保持有较高的残余应力。
局限性1与普通淬火相比，设备的成本较高； 2感应加热时，容易使零件的尖角棱边处过热，即导致所谓“尖角效应”； 3对于一些形状复杂的零件而言，感应加热淬火难以保证所有的淬火面都能够获得均匀的表面淬火层。
第四节激光淬火与电子束淬火技术4.1、激光淬火技术分类：CO2激光淬火和YAG激光淬火影响因素：1材料成分1）通过影响材料的淬硬性和淬透性来影响激光淬硬层深度与硬度；2随钢中含碳量增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也越高。
模具的热处理及表面强化技术
第9章模具的热处理及表面强化技术模具热处理及表面强化是模具制造中的关键工艺之一，直接关系到模具的制造精度、力学性能(如强度等)、使用寿命以及制造成本，是保证模具质量和使用寿命的重要环节。
模具在实际生产使用中表明，在模具的全部失效中，由于热处理不当所引起的失效居于首位。
在模具设计制造过程中，若能正确选用钢材，选择合理的热处理及表面强化技术工艺，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。
当前模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术和模具的表面强化技术。
9.1模具的热处理9.1.l模具钢的热处理模具钢的热处理工艺是指模具钢在加热、冷却过程中，根据组织转变规律制定的具体热处理加热、保温和冷却的工艺参数。
根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，热处理工艺可分为常规热处理、表面热处理（表面淬火和化学热处理等）等。
根据热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用，热处理又可分为预备热处理和最终热处理。
模具钢的常规热处理主要包括退火、正火、淬火和回火。
由于真空热处理技术具有防止加热氧化、不脱碳、真空除气、变形小及硬度均匀等特点，近年来得到广泛的推广应用。
1.退火工艺退火一般是指将模具钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后使其缓冷至室温，获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。
其组织为铁素体基体上分布着碳化物。
目的是消除钢中的应力，降低模具材料的硬度，使材料成分均匀，改善组织，为后续工序(机加工、冷加工成形、最终热处理等)做准备。
退火工艺根据加热温度不同可分为：1）完全退火将模具钢加热到临界温度A c3以上20~30℃，保温足够的时间，使其组织完全奥氏体化，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。
其目的是为了降低硬度、均匀组织、消除内应力和热加工缺陷、改善切削加工性能和冷塑性变形性能，为后续热处理或冷加工做准备。
2）不完全退火将钢加热到A c1~A c3（亚共析钢）或A c1~A ccm（过共析钢）之间，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。
金属表面处理工艺及技术
1、金属喷涂技术
将金属粉末加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾 化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。
利用热喷涂技术可改善材料
的耐磨性、耐蚀性、耐热性 及绝缘性等。 广泛用于包括航空航天、原 子能、电子等尖端技术在内
等离子热喷涂
的几乎所有领域。
2、金属镀层
在基体材料的表面覆上一层或多层金属镀层，可以显著改 善其耐磨性、耐蚀性和耐热性，或获得其他特殊性能。 电镀：工件作为阴极 化学镀：不外加电源的条件下，利用化学还原的方法在基
多弧离子镀膜机
物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简 单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度 均匀、致密、针孔少等优点。
广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备
耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、 超导等薄膜。
离子镀产品
②化学气相沉积(CVD) 化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体 表面相互作用而在基体 表面形成金属或化合物 薄膜的方法。 例如，气态的TiCl4与N2 和H2在受热钢的表面反 应生成TiN，并沉积在 钢的表面形成耐磨抗蚀
使材料汽化成原子、分子
或电离成离子，并通过气 相过程，在材料表面沉积 一层薄膜的技术。
磁控溅射镀膜设备
物理沉积技术主要包括真
空蒸镀、溅射镀、离子镀
三种基本方法。
真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽 化或升华沉积到工件表面形成薄 膜的方法。
真空蒸镀TiN活塞环
真 空 蒸 镀 膜 的 塑 料 制 品
Al
3．常用表面处理方法 ① 热喷涂、喷丸、表面滚压 ② 表面胀光、离子镀 ③ 激光表面强化、抛光 ④ 普通电镀、特种电镀 ⑤ 钢铁发蓝、钢铁磷化 ⑥ 铝阳极氧化及着色处理
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种类： 电接触加热法 电解液加热法
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、尺寸很大的工件不适用。
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。
三、感应加热淬火工艺流程
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。
工艺(设备)种类： 叶轮式 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
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。
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： 吸收功率P
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
(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。
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。
基本原理： (与喷丸强化相似)由于塑性变形产生加工硬化，并产生很大的残余 压应力。
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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。 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%）
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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。
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。 (缺点)只适合一些形状简单的零件(平板类、轴类和沟槽类等)。
思考题
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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)
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
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
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
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或奥氏体)
表面“黑化”处理：磷化法、氧化法、喷刷涂料法
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）。
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。 主要应用于局部表面强化
五、电子束淬火技术
定义： 采用高能密度电子束对材料表面进行相变硬化的热处理工艺。
特点： 与激光淬火类似 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。
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
电流导入深度δ
加热方式： 连续加热 同时加热
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
淬硬层深度与频率的关系： 工频 10-15mm 中频 2-5mm 高频 0.2-2mm
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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。