表格模板-11材料科学与工程专业金属热处理原理及工艺课件第十一章 表面 精品.ppt

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1、第十一章第十一章 表面热处理表面热处理一、表面淬火一、表面淬火二、二、少无氧化热处理少无氧化热处理三、离子注入三、离子注入四、电子束处理四、电子束处理一、表面淬火一、表面淬火什么是表面淬火什么是表面淬火表面淬火有何特点表面淬火有何特点表面淬火主要解决哪些问题表面淬火主要解决哪些问题表面淬火的发展表面淬火的发展表面心部不同性能要求，高效率生产表面心部不同性能要求，高效率生产不改变表面化学成分，只改变表面组织不改变表面化学成分，只改变表面组织 要点：要点：用快速加热法，使零件表面层很快地达到淬火温用快速加热法，使零件表面层很快地达到淬火温 度（度（A A化），在热量传至内部之前，立即冷却使表化），

2、在热量传至内部之前，立即冷却使表 面层淬硬。面层淬硬。 材料材料：中碳钢及中碳合金钢，如中碳钢及中碳合金钢，如4040、4545、40Cr40Cr。 感应加热感应加热 分类（分类（加热方法）加热方法） 激光加热激光加热火焰加热火焰加热一、表面淬火一、表面淬火（一）感应加热表面淬火（一）感应加热表面淬火1 1、感应加热原理、感应加热原理* * 感应电流感应电流 - - 涡流涡流* * 集肤效应集肤效应* 电流透入深度电流透入深度()与电流频率与电流频率( f )的关系的关系:利用电磁感应原理利用电磁感应原理集肤效应示意图集肤效应示意图感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图零件处于交变磁场（

3、感应线圈产生）中产零件处于交变磁场（感应线圈产生）中产生感应电流（涡流），从而产生热量（零生感应电流（涡流），从而产生热量（零件阻抗通电流产生的热量）使零件被加热，件阻抗通电流产生的热量）使零件被加热，随后冷却淬火。随后冷却淬火。一、表面淬火一、表面淬火f50300f50300工件电阻率工件电阻率工件的相对导磁率工件的相对导磁率f电流频率电流频率可见：可见：1）f愈高，愈高， 越小，淬硬层深度越浅。越小，淬硬层深度越浅。2） 愈大，愈大， 愈小，愈小，越大。越大。2、分类（按电源频率）、分类（按电源频率）工频：工频：50Hz，功率密度，功率密度0.1100W/cm2；中频：中频：10kHz，功

4、率密度，功率密度 5 W/cm2；高频、超高频高频、超高频：20 1000kHz，功率密度，功率密度2 10 W/cm2；一般地一般地：淬火硬化层厚度随感应加热器频率：淬火硬化层厚度随感应加热器频率 而而 ； 但感应电流随感应加热器频率但感应电流随感应加热器频率 而而 ，即表面加热热效率高，即表面加热热效率高（易过热）。（易过热）。 应根据工件尺寸和要求的淬硬层深度选择合理的电流频率。应根据工件尺寸和要求的淬硬层深度选择合理的电流频率。 = 1015mm 2mm = 0.52mm3、高频感应加热表面淬火后的组织和性能、高频感应加热表面淬火后的组织和性能快速加热时钢的相变特点快速加热时钢的相变特

5、点 1）临界温度升高，转变在较宽的温度范围内完成）临界温度升高，转变在较宽的温度范围内完成 2）奥氏体晶粒较细）奥氏体晶粒较细 3）奥氏体成分不均匀）奥氏体成分不均匀高频感应淬火后的组织高频感应淬火后的组织 M M+F 原始组织原始组织高频感应淬火后的性能高频感应淬火后的性能 硬度比普通淬火高硬度比普通淬火高23HRC 疲劳强度提高疲劳强度提高 强度提高强度提高 4 4、感应加热淬火主要工艺因素、感应加热淬火主要工艺因素 预处理：预处理： 表面淬火前，须对零件进行正火或调质处理，以保证表面淬火前，须对零件进行正火或调质处理，以保证零件心部具有良好的综合性能。零件心部具有良好的综合性能。硬化层深

6、度的确定：硬化层深度的确定：抗磨损：抗磨损：1 16.5mm6.5mm抗疲劳：抗疲劳：2 212mm12mm感应加热淬火温度感应加热淬火温度 由于感应加热速度快，但组织转变又具有热滞后，为使组织由于感应加热速度快，但组织转变又具有热滞后，为使组织转变充分，所以感应加热温度应比常规加热温度提高转变充分，所以感应加热温度应比常规加热温度提高3050。加热比功率（单位面积加热功率加热比功率（单位面积加热功率W/cm2 ） 比功率大，加热熔化充分、相对晶粒较大。因此：比功率大，加热熔化充分、相对晶粒较大。因此：大加热比功率：原始组织较细、硬化层较深、移动式连续加热；大加热比功率：原始组织较细、硬化层较

7、深、移动式连续加热； 小加热比功率：原始组织较粗、零件形状复杂、同时加热。小加热比功率：原始组织较粗、零件形状复杂、同时加热。感应器（感应线圈）感应器（感应线圈） 感应器一般为中空、内通冷却介质的纯铜管制造而成。感应器一般为中空、内通冷却介质的纯铜管制造而成。（加热方式、感应器形状、应用状况等（加热方式、感应器形状、应用状况等P133P133图图4 48 8） 后处理：后处理： 表面淬火后，一般要对零件进行低温（表面淬火后，一般要对零件进行低温（160200 ）回）回火处理，以降低淬火应力和脆性。火处理，以降低淬火应力和脆性。 冷却：冷却： 水，油，有机溶液水，油，有机溶液 喷射冷却，浸淬喷射

8、冷却，浸淬5 5、工艺特点、工艺特点加热速度快，热效率高达加热速度快，热效率高达60%60%以上，生产率高；以上，生产率高；产品质量高，工件变形小，不易氧化及脱碳；产品质量高，工件变形小，不易氧化及脱碳；易实现批量产品的机械化和自动化，清洁无污染。易实现批量产品的机械化和自动化，清洁无污染。设备投资大设备投资大, ,不适于复杂形状零件和小批量生产。不适于复杂形状零件和小批量生产。6、感应加热淬火举例、感应加热淬火举例 45钢曲轴的热处理工艺。钢曲轴的热处理工艺。调质处理：淬火加高温回火调质处理：淬火加高温回火 淬火加热温度淬火加热温度810 830，回火加热温度，回火加热温度560， 获得回火

9、索氏体组织获得回火索氏体组织感应加热淬火：感应加热淬火： 淬火加热温度淬火加热温度830 870，喷水冷却，喷水冷却 Ac3Ac1T/ HRC距表面距离距表面距离淬硬层深度淬硬层深度M+F MS回回50M点点（二）火焰加热表面淬火（二）火焰加热表面淬火使用火焰燃烧器和冷却喷头实现对金属零件进行表面加热淬火的使用火焰燃烧器和冷却喷头实现对金属零件进行表面加热淬火的热处理工艺过程。热处理工艺过程。燃烧气体：燃烧气体：煤气、甲烷气、丙烷气、乙炔气、氢气等；煤气、甲烷气、丙烷气、乙炔气、氢气等；冷却介质：冷却介质：水、油、合成水溶液等。水、油、合成水溶液等。火焰表面淬火.swf一、表面淬火一、表面淬火

10、工艺特点：工艺特点：简单灵活简单灵活加热速度慢，冷却速度也慢。在工件内部储存较多的加热速度慢，冷却速度也慢。在工件内部储存较多的热量，硬化层较深，不易淬裂，淬火硬度不高。热量，硬化层较深，不易淬裂，淬火硬度不高。适用于中碳钢（调质钢、工具钢、模具钢等）和铸铁适用于中碳钢（调质钢、工具钢、模具钢等）和铸铁零件表面淬火；零件表面淬火；适用于大型零件，不适用于薄壁零件。适用于大型零件，不适用于薄壁零件。加热温度不易控制、工件表面易过热、加热温度不易控制、工件表面易过热、 淬火质量不够稳定。淬火质量不够稳定。火焰加热方式火焰加热方式固定加热固定加热旋转加热旋转加热连续加热连续加热 火焰加热应用趋势火焰

11、加热应用趋势带压力的火焰加热，提高加热速度；带压力的火焰加热，提高加热速度；带保护气氛的加热，减少氧化和脱碳；带保护气氛的加热，减少氧化和脱碳；发展各种火焰喷涂和喷焊技术发展各种火焰喷涂和喷焊技术（三）电接触加热表面淬火（三）电接触加热表面淬火工艺介绍工艺介绍 利用触头（铜滚轮或碳棒）和工件之间形成电回利用触头（铜滚轮或碳棒）和工件之间形成电回路，在低电压大电流的作用下，利用电极与工件之间路，在低电压大电流的作用下，利用电极与工件之间的接触电阻使工件表面局部加热，并靠工件其它未被的接触电阻使工件表面局部加热，并靠工件其它未被加热部位传导进行自冷却的工艺。加热部位传导进行自冷却的工艺。 讲义讲义

12、P142P142图图4-164-16工艺特点工艺特点显著提高工件表面耐磨和抗擦伤能力；显著提高工件表面耐磨和抗擦伤能力；淬硬层薄，形成局部硬质点，属于局部表面淬火；淬硬层薄，形成局部硬质点，属于局部表面淬火；淬火后无须任何精加工，尺寸精度高，适用于精密淬火后无须任何精加工，尺寸精度高，适用于精密加工后零件表面淬火加工后零件表面淬火。应用应用 机床导轨、工模具、汽缸套等。机床导轨、工模具、汽缸套等。一、表面淬火一、表面淬火二、激光热处理二、激光热处理激光知识激光知识何为激光何为激光：受辐射的光放大而产生的光。具有单色性好、受辐射的光放大而产生的光。具有单色性好、光亮度高、辐射方向性强等特点。光亮

13、度高、辐射方向性强等特点。激光的主要应用：激光的主要应用：(材料学科领域）材料学科领域） 激光热处理激光热处理 激光焊接激光焊接 激光快速成型激光快速成型 激光切割激光切割 激光检测激光检测 视频（激光淬火）激光热处理加热设备组成激光热处理加热设备组成透射式透射式工件工件平面发射镜平面发射镜控制系统控制系统工作平台工作平台 工件和激光束的相对位置。工件和激光束的相对位置。工件工件反射式反射式球面镜球面镜平面发射镜平面发射镜激光发射器激光发射器导光系统导光系统M+ArM+F+ArS回回1 、激光表面淬火、激光表面淬火 一束高能激光束照射到金属表面，使金属表面局部一束高能激光束照射到金属表面，使金

14、属表面局部温度迅速上升到奥氏体相变温度以上，激光束移开后，温度迅速上升到奥氏体相变温度以上，激光束移开后，靠工件未被加热部位自冷却淬火的工艺过程。靠工件未被加热部位自冷却淬火的工艺过程。 调质热处理后表面激光淬火调质热处理后表面激光淬火激光表面淬火性能激光表面淬火性能硬度，碳钢提高硬度，碳钢提高10，铸铁提高，铸铁提高12倍倍耐磨性提高近耐磨性提高近20倍倍残余压应力高残余压应力高激光表面淬火特点激光表面淬火特点快速加热，快速冷却快速加热，快速冷却处理层与基体结合强度高处理层与基体结合强度高零件变形极小零件变形极小加工柔性好加工柔性好需吸光涂层需吸光涂层相对前面而言相对前面而言, ,如果提高激

15、光功率、减少光斑直径、降低扫描速如果提高激光功率、减少光斑直径、降低扫描速度时，工件表面薄层被熔化度时，工件表面薄层被熔化激光表面熔化淬火。激光表面熔化淬火。作用：作用：（1 1）细化晶粒）细化晶粒 一般情况下能使降低一般情况下能使降低9/109/10，硬度提高，硬度提高30%30%以上以上（2 2）消除表面夹杂）消除表面夹杂 对于铸件粗大数枝晶常伴氧化物、硫化物、金对于铸件粗大数枝晶常伴氧化物、硫化物、金属化合物、气孔等夹杂，激光表面重熔使杂质释放出来，同时表面细属化合物、气孔等夹杂，激光表面重熔使杂质释放出来，同时表面细化化（3 3）提高铸铁耐磨性）提高铸铁耐磨性 为提高灰口铸铁和球墨铸铁

16、耐磨性，采用为提高灰口铸铁和球墨铸铁耐磨性，采用激光表面熔化淬火，获得表面熔化区白口，组织为树枝马氏体激光表面熔化淬火，获得表面熔化区白口，组织为树枝马氏体+ +残余奥残余奥氏体、树枝间马氏体氏体、树枝间马氏体+ +莱氏体莱氏体+ +渗碳体；相变区马氏体渗碳体；相变区马氏体+ +残余奥氏体残余奥氏体+ +石石墨；过渡区隐针形马氏体墨；过渡区隐针形马氏体+ +残余奥氏体残余奥氏体+ +石墨石墨+ +未熔渗碳体未熔渗碳体2 2 激光表面熔化淬火激光表面熔化淬火激光热处理应用激光热处理应用 应用于缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、活塞环等；应用于缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、活塞环等； 如大连机车车辆厂、西安内燃机厂、北京内燃机厂、如大连机车车辆厂、西安内燃机厂、北京内燃机厂、首都汽车公司、长春一汽、多个激光加工中心等。首都汽车公司、长春一汽、多个激光加工中心等。例：例：38CrNi3MoV炮管内膛的激光热处理。炮管内膛的激光热处理。3 3 激光表面合金化激光表面合金化 把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式添加到基体金属把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式添加到基体金属表面，通过激光加热使其表面，通过激光加热使