第十一章表面熱處理一、表面淬火二、少無(wú)氧化熱處理三、離子注入四、電子束處理1精選課件ppt一、表面淬火什么是表面淬火表面淬火有何特點(diǎn)表面淬火主要解決哪些問(wèn)題表面淬火的發(fā)展表面－心部不同性能要求，高效率生產(chǎn)不改變表面化學(xué)成分，只改變表面組織2精選課件ppt?要點(diǎn)：用快速加熱法，使零件表面層很快地達(dá)到淬火溫度（A化），在熱量傳至內(nèi)部之前，立即冷卻使表面層淬硬。?材料：中碳鋼及中碳合金鋼，如40、45、40Cr。感應(yīng)加熱?分類（加熱方法）激光加熱火焰加熱一、表面淬火3精選課件ppt（一）感應(yīng)加熱表面淬火1、感應(yīng)加熱原理*感應(yīng)電流---渦流*集膚效應(yīng)*電流透入深度(δ)與電流頻率(f)的關(guān)系:利用電磁感應(yīng)原理集膚效應(yīng)示意圖感應(yīng)加熱表面淬火示意圖零件處于交變磁場(chǎng)（感應(yīng)線圈產(chǎn)生）中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），從而產(chǎn)生熱量（零件阻抗通電流產(chǎn)生的熱量）使零件被加熱，隨后冷卻淬火。一、表面淬火4精選課件pptρ—工件電阻率μ——工件的相對(duì)導(dǎo)磁率f——電流頻率可見：1）f愈高，δ越小，淬硬層深度越淺。2）ρ愈大，μ愈小，δ越大。5精選課件ppt2、分類（按電源頻率）工頻：50Hz，功率密度0.1～100W/cm2；中頻：＜10kHz，功率密度＜5W/cm2；高頻、超高頻：20～1000kHz，功率密度2～10W/cm2；一般地：淬火硬化層厚度隨感應(yīng)加熱器頻率↗而↘；但感應(yīng)電流隨感應(yīng)加熱器頻率↗而↗，即表面加熱熱效率高（易過(guò)熱）。應(yīng)根據(jù)工件尺寸和要求的淬硬層深度選擇合理的電流頻率。δ=10～15mmδ>2mmδ=0.5～2mm6精選課件ppt3、高頻感應(yīng)加熱表面淬火后的組織和性能快速加熱時(shí)鋼的相變特點(diǎn)

1）臨界溫度升高，轉(zhuǎn)變?cè)谳^寬的溫度范圍內(nèi)完成

2）奧氏體晶粒較細(xì)

3）奧氏體成分不均勻高頻感應(yīng)淬火后的組織

M→M+F→原始組織高頻感應(yīng)淬火后的性能

硬度比普通淬火高2～3HRC

疲勞強(qiáng)度提高強(qiáng)度提高

7精選課件ppt4、感應(yīng)加熱淬火主要工藝因素

預(yù)處理：表面淬火前，須對(duì)零件進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，以保證零件心部具有良好的綜合性能。硬化層深度的確定：抗磨損：1～6.5mm抗疲勞：2～12mm感應(yīng)加熱淬火溫度由于感應(yīng)加熱速度快，但組織轉(zhuǎn)變又具有熱滯后，為使組織轉(zhuǎn)變充分，所以感應(yīng)加熱溫度應(yīng)比常規(guī)加熱溫度提高30～50℃。加熱比功率（單位面積加熱功率W/cm2）比功率大，加熱熔化充分、相對(duì)晶粒較大。因此：大加熱比功率：原始組織較細(xì)、硬化層較深、移動(dòng)式連續(xù)加熱；小加熱比功率：原始組織較粗、零件形狀復(fù)雜、同時(shí)加熱。8精選課件ppt感應(yīng)器（感應(yīng)線圈）感應(yīng)器一般為中空、內(nèi)通冷卻介質(zhì)的純銅管制造而成。（加熱方式、感應(yīng)器形狀、應(yīng)用狀況等P133圖4—8）

后處理：表面淬火后，一般要對(duì)零件進(jìn)行低溫（160～200℃）回火處理，以降低淬火應(yīng)力和脆性。

冷卻：水，油，有機(jī)溶液噴射冷卻，浸淬9精選課件ppt5、工藝特點(diǎn)加熱速度快，熱效率高達(dá)60%以上，生產(chǎn)率高；產(chǎn)品質(zhì)量高，工件變形小，不易氧化及脫碳；易實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)品的機(jī)械化和自動(dòng)化，清潔無(wú)污染。設(shè)備投資大,不適于復(fù)雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。10精選課件ppt6、感應(yīng)加熱淬火舉例45鋼曲軸的熱處理工藝。調(diào)質(zhì)處理：淬火加高溫回火淬火加熱溫度810～830℃，回火加熱溫度560℃，獲得回火索氏體組織感應(yīng)加熱淬火：淬火加熱溫度830～870℃，噴水冷卻

Ac3Ac1T/℃HRC距表面距離淬硬層深度M+FMS回50％M點(diǎn)11精選課件ppt（二）火焰加熱表面淬火使用火焰燃燒器和冷卻噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬零件進(jìn)行表面加熱淬火的熱處理工藝過(guò)程。燃燒氣體：煤氣、甲烷氣、丙烷氣、乙炔氣、氫氣等；冷卻介質(zhì)：水、油、合成水溶液等。一、表面淬火12精選課件ppt工藝特點(diǎn)：簡(jiǎn)單靈活加熱速度慢，冷卻速度也慢。在工件內(nèi)部?jī)?chǔ)存較多的熱量，硬化層較深，不易淬裂，淬火硬度不高。適用于中碳鋼（調(diào)質(zhì)鋼、工具鋼、模具鋼等）和鑄鐵零件表面淬火；適用于大型零件，不適用于薄壁零件。加熱溫度不易控制、工件表面易過(guò)熱、淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定。13精選課件ppt火焰加熱方式固定加熱旋轉(zhuǎn)加熱連續(xù)加熱

火焰加熱應(yīng)用趨勢(shì)帶壓力的火焰加熱，提高加熱速度；帶保護(hù)氣氛的加熱，減少氧化和脫碳；發(fā)展各種火焰噴涂和噴焊技術(shù)14精選課件ppt（三）電接觸加熱表面淬火工藝介紹利用觸頭（銅滾輪或碳棒）和工件之間形成電回路，在低電壓大電流的作用下，利用電極與工件之間的接觸電阻使工件表面局部加熱，并靠工件其它未被加熱部位傳導(dǎo)進(jìn)行自冷卻的工藝。講義P142圖4-16工藝特點(diǎn)顯著提高工件表面耐磨和抗擦傷能力；淬硬層薄，形成局部硬質(zhì)點(diǎn)，屬于局部表面淬火；淬火后無(wú)須任何精加工，尺寸精度高，適用于精密加工后零件表面淬火。應(yīng)用機(jī)床導(dǎo)軌、工模具、汽缸套等。一、表面淬火15精選課件ppt16精選課件ppt二、激光熱處理激光知識(shí)何為激光：受輻射的光放大而產(chǎn)生的光。具有單色性好、光亮度高、輻射方向性強(qiáng)等特點(diǎn)。激光的主要應(yīng)用：(材料學(xué)科領(lǐng)域）

激光熱處理激光焊接激光快速成型激光切割激光檢測(cè)

視頻（激光淬火）17精選課件ppt激光熱處理加熱設(shè)備組成

透射式工件平面發(fā)射鏡控制系統(tǒng)工作平臺(tái)工件和激光束的相對(duì)位置。工件反射式球面鏡平面發(fā)射鏡激光發(fā)射器

導(dǎo)光系統(tǒng)

18精選課件pptM+ArM+F+ArS回1、激光表面淬火

一束高能激光束照射到金屬表面，使金屬表面局部溫度迅速上升到奧氏體相變溫度以上，激光束移開后，靠工件未被加熱部位自冷卻淬火的工藝過(guò)程。

調(diào)質(zhì)熱處理后表面激光淬火19精選課件ppt激光表面淬火性能硬度，碳鋼提高10％，鑄鐵提高1～2倍耐磨性提高近20倍殘余壓應(yīng)力高激光表面淬火特點(diǎn)快速加熱，快速冷卻處理層與基體結(jié)合強(qiáng)度高零件變形極小加工柔性好需吸光涂層20精選課件ppt相對(duì)前面而言,如果提高激光功率、減少光斑直徑、降低掃描速度時(shí)，工件表面薄層被熔化——激光表面熔化淬火。作用：（1）細(xì)化晶粒一般情況下能使降低9/10，硬度提高30%以上（2）消除表面夾雜對(duì)于鑄件粗大數(shù)枝晶常伴氧化物、硫化物、金屬化合物、氣孔等夾雜，激光表面重熔使雜質(zhì)釋放出來(lái)，同時(shí)表面細(xì)化（3）提高鑄鐵耐磨性為提高灰口鑄鐵和球墨鑄鐵耐磨性，采用激光表面熔化淬火，獲得表面熔化區(qū)白口，組織為樹枝馬氏體+殘余奧氏體、樹枝間馬氏體+萊氏體+滲碳體；相變區(qū)馬氏體+殘余奧氏體+石墨；過(guò)渡區(qū)隱針形馬氏體+殘余奧氏體+石墨+未熔滲碳體2激光表面熔化淬火21精選課件ppt激光熱處理應(yīng)用應(yīng)用于缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、活塞環(huán)等；如大連機(jī)車車輛廠、西安內(nèi)燃機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、首都汽車公司、長(zhǎng)春一汽、多個(gè)激光加工中心等。例：38CrNi3MoV炮管內(nèi)膛的激光熱處理。22精選課件ppt3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體金屬表面，通過(guò)激光加熱使其（預(yù)涂層）與基體表面共熔而混合，形成表面特種合金層。合金粉末的添加方法：（1）預(yù)沉積法：預(yù)先在涂上一層合金涂膜層，然后用激光重熔。如粉末涂刷、熱噴涂、真空鍍、電鍍、化學(xué)鍍、預(yù)置薄板或金屬箔等。（2）共沉積法：在激光照射同時(shí)將合金粉末送入。23精選課件ppt激光表面合金化應(yīng)用（1）鐵基金屬將Cr、Ni等金屬在碳鋼表面激光合金化，在金屬表面形成表面鈍化膜；Mo在金屬表面形成減摩膜（2）有色金屬將Ni金屬表面激光合金化Au，電接觸點(diǎn)；Ti金屬表面激光合金化Pd,降低Ti金屬在還原酸中腐蝕速率；Cu表面激光合金化Cr，形成氧化膜；Al金屬表面激光合金化Si,提高表面硬度（3）金屬硅化物將Pt、Pd、Ni等合金化到Si表面，形成金屬觸點(diǎn)24精選課件ppt4激光表面熔覆在金屬基體表面上預(yù)涂一層金屬、合金或陶瓷粉末，在進(jìn)行激光重熔時(shí)，控制能量輸入?yún)?shù)，使添加層熔化并使基體表面層微熔，從而達(dá)到一外加的熔覆層。（1）自溶合金粉末（Ni、Fe、Co、Cu基）（2）陶瓷粉末（碳化鎢、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鉻、氮化硼等）（3）熔覆基體——碳鋼和有色金屬25精選課件ppt5激光表面非晶化（激光上釉）利用激光手段在金屬表面上制得一非晶層。

非晶態(tài)與晶體相比，強(qiáng)度、韌性、硬度、導(dǎo)磁、耐腐蝕性均獲得明顯提高。如對(duì)Fe-P-Si合金，2.1%C-12%Cr合金激光處理獲得非晶層,但不是所有金屬都能獲得非晶體.美國(guó)F-15戰(zhàn)斗機(jī)的F100型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤激光制備非晶層，使其重量減少50%。26精選課件ppt6激光表面納米化利用激光束照射金屬表面，獲得納米組織，或形成表面納米覆層。此項(xiàng)工作屬國(guó)際前沿科研項(xiàng)目，目前正在進(jìn)行科學(xué)研究。7激光退火對(duì)于半導(dǎo)體材料（硅片、砷化鎵），當(dāng)某種工藝（如離子注入出現(xiàn)晶格缺陷，失去電子活性），激光退火可以消除缺陷，使晶體結(jié)構(gòu)有序化。美國(guó)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能生產(chǎn)線均采用此項(xiàng)工藝。8激光沖擊硬化利用107W/mm2以上高功率密度脈沖激光照射金屬表面，使金屬表面劇烈氣化，形成的沖擊波（104Mpa）反作用表面使其硬化。27精選課件ppt一）真空熱處理1、金屬在真空中的加熱2、金屬在真空中的冷卻3、真空熱處理工藝真空退火真空淬火及回火真空滲碳4、真空熱處理后鋼的機(jī)械性能5、真空熱處理時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題三、少無(wú)氧化熱處理減少鋼的氧化燒損、減少鋼的脫碳的熱處理工藝。28精選課件ppt減少鋼的氧化燒損、減少鋼的脫碳的熱處理工藝。鋼在幾種氣氛中的氧化和脫碳空氣：氧化：Fe+O2FeOFe2O3Fe3O4脫碳：C+O2CO2CO-CO2：

氧化—還原：3Fe+4CO2Fe3O4+CO

脫碳—增碳：

C+CO22CO

Fe3C+CO2Fe+2CO

三、少無(wú)氧化熱處理二）可控氣氛熱處理不可控29精選課件ppt

H2-H2O：

氧化—還原：Fe+H2OFeO+H2

脫碳—增碳：

Fe3C+H2O

3Fe+CO+H2

H2-CH4：

脫碳—增碳：C+2H2CH4

Fe3C+2H23Fe+CH4

30精選課件ppt

Fe3O4+H2Fe+H2O還原Fe3O4+

H2

Fe+

H2O氧化Fe3O4+COFe+CO2還原

Fe3O4+COFe+CO2氧化

T2

T1T/℃A-A’B-B’氣體比例可控氣氛無(wú)氧化加熱原理一般燃料制備的氣氛多為CO-CO2-H2-H2O混合氣體,因此必須考慮Fe+CO2

=FeO+CO和Fe+H2O

=FeO+H2的綜合影響.①④③②C-C’

T3

31精選課件ppt一般地：燃料氣氛中多為CO-CO2-H2-H2O的混合氣體。必然存在兩個(gè)反應(yīng)：

曲線左側(cè)為還原區(qū)，右側(cè)為氧化區(qū)

曲線左側(cè)為還原區(qū)，右側(cè)為氧化區(qū)A-A’線：氣氛H2O/H2為固定值，當(dāng)T＞T1是還原區(qū)，T＜T1是氧化區(qū)；因此冷卻氧化。C-C’線：氣氛CO2/CO為固定值，當(dāng)T＞T3是氧化區(qū)，T＜T3是還原區(qū)；因此加熱氧化。FeO+H2

Fe+H2O

FeO+COFe+CO232精選課件pptB-B’線：氣氛H2O/H2中加入氣氛CO2/CO的混合氣氛時(shí)，

T＞T3前，CO2/CO氣氛使鋼處于輕微氧化，但H2O/H2使鋼處于還原區(qū)被保護(hù)，還原作用大于氧化，因此高溫控制CO2

、增加H2

，有利減少鋼的氧化。

T＜T3后，CO2/CO氣氛使鋼處于還原，但H2O/H2使鋼處于氧化，還原作用大于氧化，因此低溫控制H2O、增加CO，有利減少鋼的氧化。這樣可以獲得光亮熱處理。33精選課件ppt四、表面離子注入將幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)電子伏特的高能離子流注入到固體材料表面,從而使材料表面的機(jī)械、物理、化學(xué)性能發(fā)生變化。1離子注入改性機(jī)理（1）損傷強(qiáng)化離子注入使晶格大量損傷，晶格原子發(fā)生位移，形成空位—間隙原子對(duì)，隨后又撞擊其它晶格原子，形成損傷區(qū)，使金屬長(zhǎng)程有序變?yōu)槎坛逃行?，甚至非晶態(tài)，空位集結(jié)在位錯(cuò)周圍，產(chǎn)生釘扎強(qiáng)化。（2）摻雜強(qiáng)化N、B等被注入金屬后，會(huì)形成金屬化合物嵌于材料中，構(gòu)成硬質(zhì)合金彌散強(qiáng)化相。（3）噴丸強(qiáng)化（4）增強(qiáng)氧化膜、提高潤(rùn)滑性離子注入促進(jìn)粘附性表面氧化物生長(zhǎng)，減少摩擦系數(shù)。34精選課件ppt2離子注入應(yīng)用（1）減少表面摩擦力注入離子對(duì)位錯(cuò)阻礙，使摩擦副表面邊得更脆；注入離子使表面氧化膜更易形成。（2）提高表面抗磨損性（3）提高表面耐腐蝕性利用鈍化、氧化膜理論，使注入離子能形成鈍化膜、氧化膜，從而實(shí)現(xiàn)防腐蝕35精選課件ppt五、表面電子束技術(shù)電子束射到材料表面會(huì)同材料的原子核和電子發(fā)生交互作用，通過(guò)與基體的電子碰撞傳遞能量，改變材料表面原子點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化．（電子與原子核之間為彈性碰撞）1電子束強(qiáng)化特點(diǎn)原則上電子束改性與激光具有大致相同的特點(diǎn).兩者差別:(1)能量利用率:金屬對(duì)激光吸收率低,而對(duì)電子束吸收率非常高,甚至高達(dá)99%,因此電子束具有更高的能量密度(比激光高一個(gè)數(shù)量級(jí))(2)能量透入深度:激光的透入深度很小(0.1