（工程建筑套表）表面工程4章节

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1、 第四章 表面淬火和变形强化1表面淬火技术的原理和特点2感应加热表面淬火3火焰加热表面淬火4激光加热表面淬火4-1. 表面淬火技术的原理 将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使之迅速冷却并 转变为马氏体。 将钢整体加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。2. 表面淬火对材料的要求凡是能进行整体淬火强化的材料都可以进行表面淬火。低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化（齿轮渗碳）。表面硬度要求越高，要求钢碳含量和合金含量越高；表面硬化层越深，要求钢淬透性越好。3.与常规淬火技术的区别在一定加热速度范围内，V加热，T临界

2、V加热，奥氏体成分的不均匀性 a. C 成分不均匀,从相图上看与F,K 相邻的浓度相 差很大,C 来不及扩散。 b. 合金元素不均匀 预先热处理（调质、正火、球化退火）表面淬火V加热，奥氏体晶粒细化显著 a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在F 和K相界上形成，A在F 亚晶界上形成。 b.加热时间短,如果加热速度10 7 度/S,形成时间10-5S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。V冷却，表面硬度高4. 表面淬火技术的特点生产效率高，能耗小。加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织均匀性差（渗碳体来不及溶解和扩散）。表面组织细，硬度高，中部硬度低，韧性好。4.2 感应加热表面淬火

3、技术1感应加热淬火原理 将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场的作用下（如果工件与线圈的间隙非常小）由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡流，大小与线圈电流相等，方向相反。涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达到对工件表面淬火的目的。2感应加热淬火技术特点 效率高 ； 变形小 ； 深度可控 ； 需要制作特定的线圈 ； 电源功率大 ； “尖角”效应3感应加热淬火技术应用 高频淬火：轴类零件，磨损量小，但精度要求高的零件 中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨损量，精度要求较高的零件工频或双频：轧辊，磨损量大表面淬火在粗加工或半精加工

4、后进行，最后只留磨量。4.3 火焰加热表面淬火技术 1 火焰淬火（flame quenching）原理：用火焰快速将工件表面加热到淬火温度，并快速冷却，使工件表面得到淬火组织。控制参数：火焰大小、火焰与工件的相对距离和相对移动速度淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却条件等2优点：设备简单；操作灵活；操作简单适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火3缺点：生产效率低；难以控制，需要丰富的经验；淬火层的均匀性差；变形大4适用范围适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火导槽、模具、凸轮轴（凸台）4.4 激光加热淬火技术1激光加热原理:用激光束加热材料表面，使之迅速生高到相变温度以上。1.1

5、 激光加热的特点：能量密度高，加热速度快、温度高，且容易控制。2激光淬火（Laser Quenching）原理:用激光束加热材料表面，使之迅速生到相变点温度以上但不熔化，当激光束移开后表层自行快速冷却，并转变为马氏体。2.1特点 能量密度高，加热速度快、温度高，不需要淬火冷却介质。3优点：工件变形小能量集中，热影响区小加热深度和轨迹容易控制适用于表面重熔，甚至可以熔化陶瓷。为了不使材料熔化，激光淬火时能量密度一般为10006000 J/cm2 。4缺点： 存在回火软化带，对要求大面积均匀硬化层的工件不利5应用（1）高精度零件处理 汽车大梁，汽车油泵，空压机、发动机的汽缸，汽车凹轮轴，热锻模大型

6、内齿圈（2）管材内表面改性例：管内机器人激光表面改性技术，对细长管材内表面硬化处理，提高耐磨性，延长寿命，减少管材的使用量。 外径60mm，壁厚8mm，长2300mm的细长空心轴，淬火后振摆变形小于0.2mm4.5 变形强化1变形强化机理：塑性变形位错运动位错增殖位错交结强度提高塑性变形马氏体相变强度提高最常用来表示金属材料变形强化的公式是Hollomon公式：S=Ken 式中：S为真应力；e为真应变；n为变形强化指数；K材料硬化系数。2（1）喷丸或抛丸强化:钢丸高速撞击工件表面，使表层材料产生大量的塑性变形。（2）滚压强化：用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错。产生大量的

7、位错，如有奥氏体相，促使马氏体相变，提高材料的表面强度。较大的残余压应力。提高材料的强度，特别是疲劳强度的方法。4.5.1 喷丸强化1 喷丸强化：压缩空气带动钢丸高速撞击工件。2优点：撞击点集中，易于控制。4.5.2 抛丸强化1特点 抛丸强化撞击面大，生产效率高。用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、车轮以及大批量生产的零件等。4.5.3 滚压强化1.原理 在一定的压力作用下，用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的 位错和较大的残余压应力，从而提高材料的表面强度，特别是疲劳强度的方法。 表面滚压的强化原理与喷丸和抛丸相同。2适用范围 滚压强化适用于轴类零件和沟槽类零件，不能用于复杂零件

8、。滚压改性层深度可达5mm以上，球墨铸铁曲轴滚压疲劳强度可提高2033%滚压强化使零件产生变形，必须进行矫正处理。 第五章 热扩渗 定义：将工件放在特殊的介质（气体、液体或固体）中，使介质中的某一种或几种元素渗入工件表面，形成一定厚度的扩散层（或掺杂层），从而改变材料成分、组织和性能的方法。 热扩渗技术机理：渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金属表面。活性原子吸附在基体金属表面，并被基体金属吸收，形成固溶体或金属间化合物。活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层厚度不断增加。 热扩渗目的：提高强度、硬度和耐磨性。渗氮表面硬度达950Hv1200Hv，渗硼表面硬度达1400Hv2000Hv。提高疲劳

9、强度。渗碳、渗氮和渗铬使材料发生相变，表层体积膨胀，导致产生残余压应力。提高淬透性。低碳钢、低合金钢渗碳。提高抗咬合、抗粘着能力和降低摩擦系数，如渗硫、氮化。提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等气体渗碳气氛的形成方式：滴注式气体渗碳：向炉内滴入含碳有机液体，如煤油。（设备简单，要求经验）吸入式气体渗碳：吸入富碳气氛进行渗碳。（专用设备，大批量生产）氮基气氛渗碳：以纯氮为载体，加入碳氢化合物，一并注入炉内形成富碳气氛进行渗碳。 （专用设备）气氛检测仪器（CO2、CH4、CO分析仪）优点：提高硬度和耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高缺点：处理温度高，工件畸变大应用 渗碳工

10、艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。渗氮优点：氮化层硬度高达9501200Hv，耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性能优于渗碳层。低温渗氮：500600渗氮，工件变形小。缺点：时间长，数十到上百小时。渗层薄（500m），脆性高应用渗氮可以用于结构钢、高铬钢、工具钢和铸铁。产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具等等。渗氮层很薄，一般为0.10.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工 在520580，以渗氮为主，称氮碳共渗，渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化。氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中不含相，硬度略低，

11、韧性好，裂纹敏感性小。氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性能和疲劳性能好，尺寸变形小的热扩渗工艺。 在780930，以渗碳为主，称碳氮共渗。碳氮共渗比渗碳温度低，零件变形小，晶粒细，可以直接进行淬火，零件变形开裂倾向小。氮不仅扩大了相区，而且提高奥氏体稳定性，提高了渗层的淬透性和淬硬性。渗层存在较大的残余压应力。更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性。渗氮和氮碳共渗的应用 渗氮层很薄，一般为0.10.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工。不仅要求疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性高，而且要求精度高的产品，如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具等等。固体 把工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包

12、裹工件，并加热达到一定温度，保持一定时间，使工件表面渗入一种或多种元素的方法。 固体渗剂包含：供渗剂（+还原剂）+催渗剂（或催化剂）+填充剂。 供渗剂：作用是提供渗入工件表面的活性原子，如供渗剂是稳定的化合物，还要加还原剂。还原剂的作用是使供渗剂产生活性原子。 催渗剂（或催化剂）：促进活性原子渗入工件和促进还原反应。 填充剂：减轻或防止渗剂板结，降低生产成本。 渗剂原子活性越强，渗层就越厚液体将工件放入熔融液体中，使表面层渗入一种或几种元素的方法称为液体热扩渗。 盐浴法： （1）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗到工件表层。 （2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传输活性原子。 热浸法：熔融金属液

13、，热浸锌、热浸铝等 熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，在真空或保护气氛下加热至渗剂熔点以上，渗剂元素扩散到基体金属表面。 热浸金属 将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护层的方法。 热浸金属的三个过程：（1）基体金属表面被溶解，形成合金层。（2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。（3）合金层外面包覆一层纯金属。热浸铝和热浸锌是公认的经济实用的钢铁材料表面防护方法。热浸锌在大气、海洋环境下使用的钢结构件已大量使用，如水管、高速公路护栏、铁搭 、桥梁上大量使用。热浸铝还在汽车零部件上使用。渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的方法。 热浸铝原理： 铝液与铁接触，在界面上形

14、成Fe/Al合金层，并形成FeAl3化合物。 铝原子向内部扩散，不断形成FeAl3化合物，FeAl3相厚度增加。 随着铝原子继续向内扩散，还形成 Fe2Al5相。 取出工件时，表面形成一层纯铝。 用常规方法对工件表面脱脂除锈 用质量浓度为4%的K2ZrF6溶剂在5080清洗工件： 1）进一步清除工件表面铁锈 2）活化工件表面，提高浸入能力和镀层的结合力。 工件干燥后，浸入铝液。等离子体热扩渗等离子体热扩渗是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，在工件表面产生热扩渗的工艺。特点离子轰击工件表面，使表面活性提高，容易吸收被渗离子和活性原子。离子轰击能去除工件表面的氧化膜或钝化膜，使易氧化的金属（如不锈钢）也能进行热扩渗。调节电参数、渗剂气体成分和压力来控制热扩渗层组织性能。工艺过程易于控制。离子渗氮将工件放入离子渗氮炉,抽真空至1.33Pa.通入少量含氮气体,如氨,使炉压升到规定值.阴极(工件)和阳极加直流高压,使炉内气体放电.氮离子和氢离子在高压电场作用下冲击阴极,产生大量热量加热工件,同时氮离子和氢离子被工件吸附,渗入工件，形成渗层.保持一定时间，渗层达到要求厚度后停