4表面淬火和表面形变强化技术

电子束与激光束的特点比较：
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介质中 形成高电阻而产生的热效应将工件表面快速加热到相变温度以上并淬火的 工艺方法。
种类： 均为自淬火
电接触加热法：工业电经变压器降压后加在滚轮电极（紫铜）两端，电流经过压
紧在工件表面的滚轮与工件形成回路，实现快速加热，滚轮移去后即实现自激冷淬火。
曲
轴
喷
曲轴喷丸强化机
丸
强
工艺(设备)种类：
化 机
叶轮式（抛丸式）
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。
（抛 丸 处 理）
喷砂与喷丸：
目的： 处理后的表面形貌： 形变层深： 喷料动能来源： 喷料种类及尺寸： 自动化程度：
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。
(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
电解液加热法：将工件放入含有电解质的电解槽中，在槽与工件之间通上直流电，
电解液电离后在阳极上析出氧气，在工件(阴极)上析出氢气，包围住工件的氢气膜电 阻很高，当电流密度足够高时，将使表面温度急剧升高到相变温度以上，断电后就在 电解液中实现自行淬火。
电接触加热表面淬火原理图
电解液加热表面淬火原理图
特点：
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按章操作莫乱改，合理建议提出来。2020年10月上 午12时10分20.10.2400:10Oct ober 24, 2020
(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（电阻接触加热法）、尺寸很大（电解液加 热法）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。
4.7 表面形变强化技术
一、受控喷丸强化技术
1．受控喷丸技术原理
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。
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。
特点：
(优点)适合那些无法通过相变硬化进行表面强化的材料等。 (缺点)所需要的能量密度过高，加工成本太高。
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)
组织与性能特征： 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
影响淬硬层性能的主要因素：
(1)材料成分 淬硬性和淬透性
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 )：
四、激光淬火技术的工业应用
。 主要应用于局部表面强化
五、电子束淬火技术
定义：
采用高能量密度电子束对材料表面进行相 变硬化的热处理工艺。
(其淬火原理与激光淬火的类似)
特点：
工件对电子束的吸收率高 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。
(2)激光工艺参数
激光功直径D
淬硬层深度H： H∝P/(Dv)
P/(Dv)_比能量（J/cm2） P－激光功率，v－扫描速度
(3)表面预处理状态 表面组织准备：较细的表面组织
图片
(淬火态最优，细片状珠光体、回火马氏体或奥氏体次之，球状珠光体较差。)
表面“黑化”处理：磷化法、氧化法、喷刷涂料法
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总硬化层深度更深，硬度更高、耐磨性更好
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。
基本原理： 表面吸收功率P：
(单匝线圈、高度为1cm的圆柱形工件)
工件表面不易过热 电流导入深度δ
淬硬层深度与频率的关系： 工频 10-15mm 中频 2-5mm 高频 0.2-2mm
深度增加 频率降低
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。
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。（表面粗糙度降低） (缺点)只适合一些形状简单的零件(平板类、轴类和沟槽类等)。
作业
对比分析火焰加热表面淬火技术、感应加热表面淬火技术和激光 淬火技术的基本工作原理及主要特点(包括能量密度、冷却方式、 组织性能特点、主要局限性等)。
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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。
航空发动机叶片毂喷丸强化
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。 （可降低表面粗糙度－光整）
液压油缸内孔镜面滚压刀
基本原理：
由于塑性变形产生加工硬化，并产生很大的残余压应力。 (与喷丸强化相似)
淬硬区
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）。
改进： 高频感应冲击淬火
加热方式： 连续加热(图4-2) 同时加热
三、感应加热淬火工艺流程
回火温度较低 自回火
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。