表面淬火和形变强化

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1、表面淬火和表面形变强化技术1.表面淬火技术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Ac1（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业过程，就称为表面淬火技术。淬火齿轮的硬化层分布中碳钢和球墨铸铁是最适宜于表面淬火的材料。中碳调质钢经过预先热处理（正火或调质）以后再进行表面淬火，既可以保证心部有较高的综合力学性能，又能使表面具有较高的硬度（50HRC）和耐磨性。图 45钢表面淬火后不同加热温度区的金相组织1.1 表面淬火后的性能 (1)表面硬度 快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。例如激光加热淬火的45钢硬度比普通淬火的可高4个洛

2、氏硬度单位；高频加热喷射淬火的，其表面硬度比普通加热淬火的硬度也高23个洛氏硬度单位。 (2)耐磨性 快速加热表面淬火后工件的耐磨性比普通淬火的高。快速表面淬火的耐磨性优于普通淬火(3)疲劳强度 采用正确的表面淬火工艺，可以显著地提高零件的抗疲劳性能。例如40Gr钢，调质加表面淬火(淬硬层深度0，9mm)的疲劳极限为324Nmm2，而凋质处理的仅为235Nmm2。表面淬火还可显著地降低疲劳试验时的缺口敏感性。表面淬火提高疲劳强度的原因，除了由于表层本身的强度增高外，主要是因为在表层形成很大的残余压应力。表面残余压应力愈大，工件抗疲劳性能愈高。 1.1 表面淬火具体工艺分类要在工件表面有限深度内

3、达到相变点以上的温度，必 须给工件表面以极高的能量密度来加热，使工件表面的热量 来不及向心部传导，以造成极大的温差。因此，表面淬火常以供给表面能量的形式不同而命名 及分类。常见表面淬火可以分成以下几类：u感应加热表面淬火 u火焰淬火表面淬火 u激光加热表面淬火 u电子束加热表面淬火 u电阻加热表面淬火1.1.1 感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面 局部加热，继之快速冷却，以获得马氏体组织的工艺。分为高频淬火，中频 淬火，和高频脉冲淬火三类。这是目前应用最广泛的表面淬火方法。它与其它表面淬火法相比，具有 生产效率高，产品质量好，并易于实现机械化和自动控

4、制的优点。（1） 感应加热的原理：在一个导体线圈中通过一定频率的交流电，在线圈外将全产生一个频率 相同的交变磁场。若把工件放入线圈或感应器内，工件上就会产生与线圈电 流频率相同方向相反的感应电流，这个电流在工件内自成回路。称为“涡流” 。此涡流能使电能变成热能，使工件加热。涡流在工件中分布是不均匀的主 要集中在表面。频率愈高，电流集中表面层愈薄，这种现象称为“集肤效应” 。利用这个原理，把工件放入感应器中，引入感应电流，使工件表面层快速 加热到淬火温度后立即喷水冷却，使工件表面淬火。（2）感应加热表面淬火工艺流程感应电流透入工件表层的深度取决于电流频率。频 率愈高，电流进入工件表层以内的深度愈

5、浅。即淬透层愈 薄。因此，可以选择不同电流频率以达到不同的淬火深度 要求。感应加热按所用电流分可分为高频感应加热（ 1001000kHz），可得到12mm的淬透层。中频感应加 热（110kHz），可得到35mm的淬透层。低频感应加 热能达到10mm的淬透层。感应加热表面淬火工艺流程有预先调质热处理，确 定加热温度与加热方式，更具工件要求选择比功率，设计 感应加热器，确定冷却方式与冷却介质，制定回火工艺参 数。感应器是将高频电流转化为高频磁场对工件实行感应加热的能量转换器 。它直接影响工件加热淬火的质量和设备的效率。良好的感应圈应能保证工 件有符合要求的均匀分布的硬化层，高的电效率，足够的机械强

6、度，以及容 易制造和操作方便。 1.1.2 火焰加热表面淬火用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热， 使其奥氏体化并淬火的工艺称为火焰表面淬火。火焰加热表面淬火的优点是：(1)设备简单、使用方便 、成本低；(2)不受工件体积大小的限制，可灵活移动使 用；(3)淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形也小 。 其缺点是： (1）：表面容易过热；（2)较难得到小 于2mm的淬硬层深度，只适用于火焰喷射方便的表层上 ；(3)所采用的混合气体有爆炸危险。 1.1.3 其它表面淬火工艺 （1）激光加热表面淬火激光淬火技术是利用聚焦后的及刚输照射到钢材表面，使其温度迅速升 高到相变点以上，当激光移开后

7、，由于仍处于低温的内层材料的而快速导热 作用，是表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。激光热处理的特点如下： (a)加热速度快，淬火不用冷却剂。 (b)可以进行局部的选择性淬火。 (c)几 乎没有变形。 由于激光热处理有上述特点，现在已由实验室研究阶段进入生产应用阶 段，在美国已在汽车工业中应用。例如汽车上可锻铸铁转向器壳体内壁用激 光淬火可得宽1525mm，深0.25mm的硬化带，耐磨性可增加10倍。 用15台CO，连续激光热处理设备，每天可处理该种壳体30000个。又如用 10kW002激光器处理4140H结构钢轴，淬火深度为0.25mm，硬度为HRC55 。其它如曲轴颈圆弧处的局部

8、淬火，阀座、阀门杆等均可采用激光热处理。 可以预料，今后的激光热处理将会进一步发展。 （2）电子束加热表面淬火电子束加热是通过电子流轰击金属表面，电子流和金属中的原子 碰撞来传递能量进行加热。由于电子束在很短的时间内以密集的能量 轰击表面，表面温度迅速升高，而其它部位仍保持冷态。当电子束停 止轰击时，热量快速向冷基体金属传播，使加热表面自行淬火，电子 束加热表面时，表面温度和淬透深度除和电子束能量大小有关外，还 和轰击时间有关：轰击时间长，温度就高，加热深度也增加。 电子束可以聚焦和转动，因而有与激光相同的加热特性。激光加 热和电子束加热相比较，电子束加热效率高，消耗能量是所有表面加 热中最小

9、的，而激光加热的电效率低，成本较高，仅优于渗碳。大功 率激光器维护也比较复杂，但除了激光器本身外，无特殊要求，而电 子束系统需要有一定真空度。电子束加热工件表面不需特殊处理，而 激光加热工件表面要进行黑化处理。激光具有极高的可控性能，可精 确地瞄准加热部位，电子束的可控性则较激光差。（3）电阻加热表面淬火借一特制的可移动的电极与工件表面 接触，并通以低电压大电流，借接触电阻 加热工件表面而淬火的方法称为电阻加热 表面淬火。 加热后可以水冷，也可以利用 工件本身向未加热部位传热冷却淬火 2.表面形变强化技术形变热处理（thermal-mechanical treatment）是形变强化和相变 强

10、化相结合的一种综合强化工艺。它包括金属材料的范性形变和固态 相变两种过程，并将两者有机地结合起来，利用金属材料在形变过程 中组织结构的改变，影响相变过程和相变产物，以得到所期望的组织 与性能。常见的表面形变强化技术有喷丸强化技术和表面滚压技术。2.1 喷丸强化技术喷丸强化的过程就是将高速运动的弹丸流喷向零件表面的过程,如 图1 所示。使得金属表面产生塑性变形,也就是冷作硬化层,通常也称 为表面强化层,如图2 所示。从应力状态来看,强化层内形成了较高的 残余压应力,如图3 所示;从组织结构上看,强化层内形成了密度很高的 位错,如图4 所示。这些位错在随后的交变应力及温度或二者的共同作 用下逐渐排

11、列规则,呈多边形状,并由此强化层内逐渐形成更小的亚晶 粒,如图5 所示。喷丸强化的主要用途喷丸强化工艺主要用于抗金属疲劳。 （1）疲劳载荷周期由无数个重复的载荷循环构成,交变载荷 形成的拉应力在零件表面起破坏性的拉扯作用。 （2）拉应力的减少导致疲劳寿命的增加, 如拉应力减少 32%, 载荷周期寿命可增加300%。强化对于以下两种情况效果特别显著：应力诱导处 。应力诱导包括圆角、缺口、跨孔、凹槽和键槽等。强化 导入一个高强度、局部压应力, 从而抵消这些形状变化引 起的拉应力集中。高强度材料。对于高强度材料, 压应 力与材料的拉伸强度直接关联。材料拉伸强度越高, 需要 导人的压应力也越大。高强度

12、材料具有较坚固的晶体结构 。晶格能抵挡较高程度的挤压, 从而能存储更多的残余应 力。喷丸应注意的问题 1. 设备及弹丸 (1) 应经常检查喷嘴的磨损情况,及时更换磨损的喷嘴; (2) 应经常检查弹丸的情况,畸形弹丸量不得超过总量的20 %;每次增加新弹丸时 ,新增加的弹丸不应超过总装机弹丸的10 %。 2. 对零件的要求 (1) 热处理会使受喷后的零件强度降低,因此,在喷丸前应完成零件的全部热处理 工序; (2) 喷丸后零件上的微小裂纹难以检查,故而除特别规定外,零件的无损探伤应在 喷丸前进行; (3) 喷丸前零件应加工到图纸要求尺寸(在喷丸后需精加工的小孔除外) ; (4) 零件表面的小孔和

13、不需要喷丸的表面需要进行保护; (5) 喷丸前应清除零件表面的灰尘,油污等; (6) 采取措施防止零件变形。 3. 喷丸后零件的处理 (1) 及时清除零件表面附着的弹丸和灰尘。特别是在使用钢丸喷丸强化有色金属 时,喷丸后应立即清洗,以防止零件表面腐蚀; (2) 喷丸后,一般不应再进行热处理。若难以避免热处理,则应遵循如下规定:低 合金钢不得超过205 ,耐腐蚀钢不得超过400 ,铝合金不得超过95 ,钛 合金不得超过205 ; (3) 如需对已喷丸强化的零件表面进行磨削或抛光时,去除的表层深度 不应超过强化层的10 %。2.2 表面滚压技术滚压加工是一种无切屑加工。通过一定形式的滚压工具 向工

14、件表面施加一定压力。在常温下利用金属的塑性变形， 使工件表面的微观不平度辗平从而达到改变表层结构、机械 特性、形状和尺寸的目的。因此这种方法可同时达到光整加 工及强化两种目的。 金属工件在表面滚压加工后，表层得到强化极限强度和 屈服点增大，工件的使用性能、抗疲劳强度、耐磨性和耐腐 蚀性都有明显的提高。经过滚压后，硬度可提高1530%， 而耐磨性提高15%。 滚压加工可以使表面粗糙度从Ra6.3提高到Ra2.4 Ra0.2。并且有较高的生产效率，有些工件可在数分或数秒 钟内完成。 表面滚压可以是表面改性层的最 大深度达5mm以上，因此能较大幅 度的改善材料表面的疲劳寿命、抗应 力腐蚀能力，特别适合晶体结构为面 心立方的金属与合金的表面改性。该工艺的缺点是只能适合一些形 状简单的平板类零件、轴类零件和沟 槽类零件等，对形状复杂的零件表面 就无法应用。