{技术管理套表}表面淬火和表面形变强化技术

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
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%）
。 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
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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。
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。
四、激光淬火技术的工业应用
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。
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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)。
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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
定义：
是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 在再结晶温度之下产生弹、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。 (喷丸强化 技术)
基本原理：
工件表面吸收高速运动弹丸的动能后产生塑性流变和加工硬化，同时使 工件表面保留残余压应力。
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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。
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： 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。
(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。
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wk.baidu.com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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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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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)
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
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。
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
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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
(2)激光工艺参数
淬火层宽度：光斑直径D
淬硬层深度H：
H∝P/(Dv)
P/(Dv)_比能量
(3)表面预处理状态
表面组织准备：较细的表面组织(细片状珠光体、回火马氏体
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