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1、表面表面(biomin)(biomin)淬火和表面淬火和表面(biomin)(biomin)形变强化形变强化技术技术第四章第四章第一页，共四十六页。第一节第一节 表面淬火技术的原理表面淬火技术的原理(yunl)(yunl)和特点和特点 一、表面淬火技术的原理与方法一、表面淬火技术的原理与方法(fngf)(fngf) 原理：原理： 将表面快速加热至将表面快速加热至Ac3Ac3（亚共析钢）或者（亚共析钢）或者Ac1Ac1（过共析钢）之上，然后快冷，成马氏体相变。过共析钢）之上，然后快冷，成马氏体相变。 方法：方法： 感应；火焰；激光；电子束感应；火焰；激光；电子束第二页，共四十六页。第一节第一节
2、表面淬火技术表面淬火技术(jsh)(jsh)的原理和特点的原理和特点特点：特点： 0.35%1.20%C0.35%1.20%C的中，高的中，高C C钢及基体中相当于中钢及基体中相当于中C C钢的铸铁均钢的铸铁均可进行表面淬火（可进行表面淬火（50HRC50HRC），）， 但中但中C C钢与球墨铸铁是最宜表面淬火的材料；钢与球墨铸铁是最宜表面淬火的材料； 获得不同硬化层深度及分布，充分发挥表淬的优点。获得不同硬化层深度及分布，充分发挥表淬的优点。 低淬透性钢通过提高低淬透性钢通过提高C C 来提高钢的强度和耐磨性，通过降来提高钢的强度和耐磨性，通过降低低合金合金 来降低钢材的淬透性。其硬化层深度
3、可控制在来降低钢材的淬透性。其硬化层深度可控制在1.52.5mm1.52.5mm范围内。范围内。 限制淬透性钢加入限制淬透性钢加入T Ti i阻碍阻碍A A长长长长大大(chn d)(chn d)，并适当增加淬透合，并适当增加淬透合金，在尺寸金，在尺寸为为为为4060mm4060mm的工件上可以得到的工件上可以得到57mm57mm的均匀的均匀硬化硬化层层层层。第三页，共四十六页。第一节第一节 表面淬火技术的原理表面淬火技术的原理(yunl)(yunl)和特点和特点二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别 表面淬火加热、冷却速度表面淬火加热、冷却速度(sd)(sd
4、)很快，与普淬在很快，与普淬在相变及特征存在区别：相变及特征存在区别：1 1） 快热使快热使Ac3,AcmAc3,Acm, ,但使但使Ac1Ac1 有限；快热有限；快热使使A A晶粒细化，加热很快甚至使钢产生无扩散晶粒细化，加热很快甚至使钢产生无扩散A A相变；相变； 冷速比普淬也快，所以，硬度比普淬要高，与冷速比普淬也快，所以，硬度比普淬要高，与方法有关。方法有关。第四页，共四十六页。第一节第一节 表面淬火技术表面淬火技术(jsh)(jsh)的原理和特点的原理和特点2 2）快热使渗）快热使渗C C体难充分溶解，形成体难充分溶解，形成A A成分相当不均匀成分相当不均匀，包括未溶，包括未溶C C
5、化物，高化物，高C C偏聚区（原偏聚区（原P P）和贫）和贫C C区（区（原原F F）促使促使A A分解，缩短分解，缩短A A的孕育期，的孕育期，随后淬随后淬火形成低火形成低C C马氏体和高马氏体和高C C马氏体区域，造成马氏体区域，造成(zo chn)(zo chn)显微硬度不均匀。显微硬度不均匀。 因此，表面淬火前，需预先热处理（调质，正火因此，表面淬火前，需预先热处理（调质，正火，球化退火），使碳化物或自由铁素体均匀、细，球化退火），使碳化物或自由铁素体均匀、细小分布，以便有利于快速加热时奥氏体的均匀小分布，以便有利于快速加热时奥氏体的均匀化。化。第五页，共四十六页。第一节第一节 表面淬
6、火技术的原理表面淬火技术的原理(yunl)(yunl)和特点和特点三、表面淬火层的组织与性能三、表面淬火层的组织与性能1.1.组织组织 一般可分为淬火区、一般可分为淬火区、 过渡区、过渡区、 及心部组织；及心部组织；2.2.性能性能 大于普淬大于普淬2 25HRC,5HRC,主要是因为晶粒和精细结构的细化，以及冷却快主要是因为晶粒和精细结构的细化，以及冷却快等原因。此外，表面压应力有效抑制裂纹的萌等原因。此外，表面压应力有效抑制裂纹的萌生与扩展过程，因此生与扩展过程，因此(ync)(ync)可提高疲劳强度。可提高疲劳强度。第六页，共四十六页。图中曲线1的过渡区在相同温度下大于曲线2的过渡区宽度
7、(kund)。过渡区的宽窄对钢的残余应力分布有重要影响，其宽窄程度主要取决于温度梯度。提高加热速度，可增大温度梯度，显著减少过渡区宽度。第七页，共四十六页。第二节第二节 感应感应(gnyng)(gnyng)加热淬火技术加热淬火技术一、基本原理一、基本原理 高频磁场高频磁场感应电流感应电流集肤效应集肤效应电流密度电流密度( (电阻电阻)加热加热使受热区快速使受热区快速 升温至升温至Ac3,AcmAc3,Acm之上。之上。 感应加热的工艺参数选择：感应加热的工艺参数选择： 线圈形状线圈形状(xngzhun)(xngzhun)与工件形状与工件形状(xngzhun)(xngzhun)有关；有关； 功率
8、与淬硬深度有关；功率与淬硬深度有关；第八页，共四十六页。第二节第二节 感应加热感应加热(ji r)(ji r)淬火技术淬火技术 例：使用单匝感应圈，高度例：使用单匝感应圈，高度1cm1cm的圆柱形工件所吸收的功率的圆柱形工件所吸收的功率P P可以用下式来计算：可以用下式来计算： P=1.25 P=1.25 1010-3-3R R0 0I I2 2( (f) f)1/21/2 R R0 0工件半径；工件半径； I I感应器中电流；感应器中电流； -加加热热热热材料材料电电电电阻率；阻率； -磁磁导导导导率；率； f f电流频率；电流频率； 电流导入深度电流导入深度： =5.03 =5.03 10
9、 104 4 / f f 导磁率随温度升高导磁率随温度升高(shn o)(shn o)至一定值后至一定值后 急剧降低，对应的加热速度也急剧降低，对应的加热速度也 迅速缓慢下来。表面不易过热。迅速缓慢下来。表面不易过热。第九页，共四十六页。第十页，共四十六页。第二节第二节 感应加热感应加热(ji r)(ji r)淬火技术淬火技术 二、感应加热淬火工艺流程二、感应加热淬火工艺流程 局限：局限： 1.1.设备成本高；设备成本高；2.2.尖角过热效应；尖角过热效应；3.3.复杂零件难保复杂零件难保获得获得(hud)(hud)均匀淬火层均匀淬火层第十一页，共四十六页。第十二页，共四十六页。第十三页，共四
10、十六页。第十四页，共四十六页。第十五页，共四十六页。第十六页，共四十六页。第三节第三节 火焰火焰(huyn)(huyn)加热表面淬火技加热表面淬火技术术 将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表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，然后在一定面，使其迅速加热到淬火温度，然后在一定淬火介质中冷却，称为火焰加热表面淬火淬火介质中冷却，称为火焰加热表面淬火法。法。 燃料：煤气、碳氢化合物燃料：煤气、碳氢化合物 参数：加热面积、工件移动速度、加热温度时间参数：加热面积、工件移动速度、加热温度时间 缺点：生产效率缺点：生产效率(xio l)(xio l)低、淬硬层均匀程度差、低
11、、淬硬层均匀程度差、质量控制困难，用于小批量、单件生产质量控制困难，用于小批量、单件生产第十七页，共四十六页。第十八页，共四十六页。第四节第四节 电阻加热表面淬火技术电阻加热表面淬火技术(jsh)(jsh)原理原理(yunl)(yunl)：低压大电流，表面高电阻产生热效应，快速：低压大电流，表面高电阻产生热效应，快速加热至相变温度，淬火加热至相变温度，淬火方法：方法： 1.1.金属导体相互接触，形成高接触电阻，通过滚轮电极实金属导体相互接触，形成高接触电阻，通过滚轮电极实现快速加热；现快速加热； 2.2.电解液加热表面电解液加热表面 电解液电离，阳极（工件）析氢，形成氢气膜电阻高，当电电解液电
12、离，阳极（工件）析氢，形成氢气膜电阻高，当电流密度很高时，使表面温度急剧上升。流密度很高时，使表面温度急剧上升。特点：工艺简单，设备费用低，工件变形小。特点：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、尺寸很大的工件不宜采用。缺点：淬硬层薄、对形状复杂、尺寸很大的工件不宜采用。第十九页，共四十六页。第五节第五节 高能高能(gonng)(gonng)密束表面淬火技密束表面淬火技术术 高能密束（高能密束（10103 3W/cmW/cm2 2）离子束、激光束、电）离子束、激光束、电子束（子束（10108989W/cmW/cm2 2） 特点：特点： 能量作用集中能量作用集中(jzhn
13、g)(jzhng)，能量利用率高，具选择，能量利用率高，具选择性；性； 加热速度快，温度梯度大，自冷淬火，晶粒细化加热速度快，温度梯度大，自冷淬火，晶粒细化和超细化；和超细化； 非接触加热，无机械力，热应力小；非接触加热，无机械力，热应力小；第二十页，共四十六页。第五节第五节 高能高能(gonng)(gonng)密束表面淬火技术密束表面淬火技术一、激光淬火的原理和应用一、激光淬火的原理和应用 利用聚焦后的激光束照射到材料表面利用聚焦后的激光束照射到材料表面(biomin)(biomin)，使其温度，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于
14、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，体相变点以下， 获得淬硬层。获得淬硬层。45钢表面(biomin)激光淬火横截面金相组织第二十一页，共四十六页。第五节第五节 高能高能(gonng)(gonng)密束表面淬火技术密束表面淬火技术第二十二页，共四十六页。（1 1）材料成分）材料成分-通过通过淬硬性淬硬性(yngxng)(yngxng)、淬透性来影响、淬透性来影响淬硬淬硬层深度和硬层深度和硬度度第五节第五节 高能高能(gonng)(gonng)密束表面淬火技术密束表面淬火技术影响影响(yngxing)(yngxin
15、g)淬硬层性能的主要因素淬硬层性能的主要因素：第二十三页，共四十六页。（2 2）工艺参数）工艺参数- 淬火层的宽度取决于光斑直径淬火层的宽度取决于光斑直径D D 淬硬深度淬硬深度h h由激光功率由激光功率(P)(P)、光斑、光斑直径和扫描速度直径和扫描速度(V)(V)共同决定，主共同决定，主要关系为：要关系为： h h P/(DV)P/(DV) （3 3）表面预处理）表面预处理a. a. 表面组织准备，即通过调质处理等表面组织准备，即通过调质处理等手段使材料表面具有较细的表面组手段使材料表面具有较细的表面组织，以保证淬火时组织与性能的均织，以保证淬火时组织与性能的均匀匀(jnyn)(jnyn)
16、、稳定。、稳定。b. b. 表面表面“黑化黑化”处理处理, ,以提高对激光束以提高对激光束的吸收率。磷化法；碳素法；氧化物的吸收率。磷化法；碳素法；氧化物涂层涂层影响影响(yngxing)(yngxing)淬硬层性能的主要因淬硬层性能的主要因素：素：第二十四页，共四十六页。第五节第五节 高能高能(gonng)(gonng)密束表面淬火技术密束表面淬火技术二、激光表面熔凝技术二、激光表面熔凝技术(jsh)(jsh)原理原理 原理：采用激光束将表面快速加热至熔点温度以上，原理：采用激光束将表面快速加热至熔点温度以上，由基材迅速导热冷却，使表面熔化层快速冷却并凝固由基材迅速导热冷却，使表面熔化层快速冷却并凝固结晶。结晶。vv与淬火的差别：表面与淬火的差别：表面(biomin)(biomin)经历了快速熔化凝固过程经历了快速熔化凝固过程，获得的熔凝层为铸态组，获得的熔凝层为铸态组织。织。vv组织特点：（图组织特点：（图4-114-11）熔）熔化区；相变硬化区；热影化区；相变硬化区；热影响区；基体；响区；基体；第二十五页，共四十六页。二、激光二、激光(jgung)(jgung)表面熔凝技术表面熔
