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第四章表面淬火和表面形变强化热处理的4种工艺：退火、正火、淬火、回火。热处理知识（复习）热处理的本质：通过改变组织达到改善金属的机械性能。热处理的4个工艺参数：加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度。一、表面淬火技术的原理1表面淬火用特殊的加热方式将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上，随后快速冷却，使钢铁表层发生马氏体相变，生成硬化层。第一节表面淬火技术的原理与特点2表面淬火的分类一般按加热源的名称分类火焰表面淬火高频感应表面淬火等离子弧表面淬火激光表面淬火电阻表面淬火表4—1常用表面淬火常用钢及铸铁牌号类别钢号应用碳素结构钢35,40,45,50小模数、轻载齿轮及轴类零件40Cr,45MnB中等模数、轻载齿轮和高强度传动轴30CrMo,42CrMo,42SiMn模数较大、负载较大的齿轮与轴类合金结构钢5CrMnMo,5CrNiMo负荷大的零件灰口铸铁机床导轨、气缸套铸铁球墨铸铁,合金球墨铸铁曲轴、机床主轴、凸轮轴一般用于处理中碳调质钢和球墨铸铁。3适合表面淬火的金属材料加热速度越快，奥氏体晶粒越细、硬度越高。二、表面淬火与常规淬火的区别(1)快速加热使奥氏体成分不均匀，易形成贫碳的奥氏体，合金元素也难实现成分均匀化。表面淬火与常规淬火的区别(2)提高加热速度将使Ac3与Acm线上移，可以防止过热。（1）奥氏体中未溶碳化物和高碳偏聚区的存在将促进过冷奥氏体分解，使奥氏体转变孕育期缩短，C曲线向左移动。表面淬火与常规淬火的区别(3)不均匀的奥氏体在冷却过程对过冷奥氏体转变及转变产物产生很大影响：（2）亚共析钢中原铁素体领域形成低碳奥氏体，原珠光体领域形成高碳奥氏体。两种奥氏体在淬火后分别得到低碳马氏体及高碳马氏体。表面淬火与常规淬火的区别(4)4快速加热淬火后的回火温度一般应比普通回火温度略低。表面淬火与常规淬火的区别(5)1表面淬火层的组织和硬度分布表面淬火层分为：（1）淬硬区Ⅰ（完全相变区）（2）过渡区Ⅱ（部分相变区）（3）心部区Ⅲ（无相变区）三、表面淬火层的组织和性能45钢的淬硬区组织为马氏体；过渡区组织为马氏体＋铁素体；心部组织为珠光体＋铁素体。硬化层的厚度可用金相法和硬度法测定。表面淬火层的组织和硬度分布硬度法测定硬化层的厚度金相法测定硬化层的厚度（1）表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通淬火高2～5个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余压应力。2表面淬火层的性能（1）（2）耐磨性：高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高。这是由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小，碳化物高度弥散，淬硬层硬度和强度都比较高。表面淬火层的性能（2）（3）疲劳强度：高频淬火可显著提高零件的疲劳强度。这是由于表面产生的压应力可以抑制裂纹的萌生和扩展，使其缺口敏感性下降。表面淬火层的性能（3）表4－240Cr钢不同处理状态下疲劳强度的比较处理状态疲劳强度σ－1N／mm2正火调质调质+表面淬火δ=5mm调质+表面淬火δ=9mm200240290330表4—340Cr钢不同处理工艺对缺口敏感度的影响疲劳强度σ－1N／mm2试样形式调质调质+表面淬火Φ=20mm光滑试样Φ=20mm缺口试样450~480140630600一、感应加热淬火基本原理铁制零件在高频交变磁场中，铁的内部将产生很大的感应电流。电流在金属体内自行闭合，称为涡流。由于工件阻抗很小，涡流很大。受集肤效应的影响，越靠近工件表面电流越大。感应电流快速将零件的表面加热到Ac3或Acm以上，快速冷却后即可在零件表层获得马氏体组织。第二节感应加热淬火技术在理想状态下，单匝感应圈加热1厘米高的柱形工件表面吸收功率P式中R0——工件直径mm；I——感应圈内电流A；ρ—钢的电阻率；μ—磁导率；f—频率。(ρμf)1/2为吸收因子。电流（涡流）导入深度与δ、μ、f的关系是mm感应加热频率越高，淬硬层越浅，但加热速度越快。2/1203)(1025.1fIRPf41003.5一、感应加热淬火技术的基本原理（1）表6－9感应加热淬火用交流电频率名称频率范围/Hz淬硬深度/mm高频（100~500）×1030.5~2超音频（20~100）×1032~5中频（1.5~10）×1032~5工频5010~15感应加热频率与淬硬层的关系磁导率μ和电阻率ρ又与工件的温度有关，在Ac1以上(770℃)磁导率μ几乎降至为零。这样钢中电流导入深度可简化为20℃时：mm800℃时：mm所以温度越高，加热速度越慢，避免了表面过热。f500800f2020图4－3钢的磁导率、电阻率与加热温度的关系感应加热淬火技术的基本原理（3）以齿轮加工为例锻打毛坯→正火处理(~220HB)→粗加工→调质处理（~250HB）→精加工（滚齿）→感应加热淬火→回火（~55HRC）→磨削二、感应加热表面淬火工艺流程齿轮高频淬火热效率高、加热时间短；工件表面氧化、脱碳比较轻，变形小；比普通热处理具有更优异的机械性能；设备易于实现机械化自动生产，生产效率高；零件棱边易过热，形状复杂的零件难以保证温度均匀；设备投资较大。三、感应加热的优缺点高频感应加热装置（电子管式）电子管式高频感应加热电路图晶体管式高频感应加热设备晶体管式高频感应加热示例1超高频感应加热淬火利用27.12MHz超高频率的极强的趋肤效应使0.05mm~0.5mm的零件表层在极短的时间内加热，然后靠自身迅速冷却，达到淬火目的。特点：变形量较小，不必回火。主要用于小、薄的零件，可明显提高质量，降低成本。四、感应加热淬火新技术（1）技术参数普通高频淬火超高频冲击淬火频率(200~300)kHz27.12MHz功率密度200W/cm2(10-30)kW/cm2加热时间(0.1~5)s(1~500)ms硬化层深度(0.5~2.5)mm(0.05~0.5)mm工件冷却喷水或其他冷却自身冷却淬火层组织正常马氏体组织极细针状马氏体畸变不可避免极小普通高频淬火和超高频淬火比较2双频感应加热淬火对于凹凸不平的工件可采用两种频率交替加热，较高频率加热时，凸出部位温度较高；较低频率加热时，低凹部位温度较高。这样可达到均匀硬化的目的。感应加热淬火新技术（2）3超音频感应加热淬火采用20kHz～50kHz的频率（超音频波）感应加热淬火可解决凹凸不平工件表面淬硬层不均匀的问题。感应加热淬火示例DieHardeningInductionhardeningofformingtool(Volvo)DieHardeningDieHardeningDieHardeningFinalresult.DieHardeningDieHardeningDieHardening第三节火焰表面加热淬火技术(flamesurfacehardening)用火焰将工件表面快速加热到Ac3或Acm以上，然后用水快速冷却，以在表层获得马氏体组织。分焰心1、内焰2和外焰3三个区。内焰温度最高。有较大的温度梯度。（根据氧与乙炔的比例不同，氧－乙炔焰还可分为氧化焰、还原焰、中性焰三种）1火焰加热的特点要有较高的发热值，来源容易，价格低廉，贮存和使用安全可靠，污染小。表4－10常用火焰加热表面淬火用燃料特性火焰温度℃燃料名称发热值kcal/m3氧助燃空气助燃氧与燃料气体积比空气与燃料气体体积比乙炔天然气(甲烷)丙烷城市煤气煤油12754890024352670~8010*310027002640254023002320187519251985—1.01.754.0*2.0—9.025.0*—2火焰加热淬火用燃料（1）旋转法：火焰喷嘴或工件旋转。适合中小型工件。3火焰加热淬火方法（1）为了使工件表面加热均匀,可采取如下方法：（2）推进法：工件和火焰喷嘴做相对移动。适合导轨、大齿轮等工件；火焰加热淬火方法（2）（3）联合法(旋转推进法)：使火焰喷嘴及冷却装置沿着转动的工件作相对移动。适合长轴类工件。火焰加热淬火方法（3）单位时间消耗的燃气越多，加热速度越快。火焰停留的时间越长，表面温度越高。火焰停留时间越长淬硬层越厚。淬硬层深度还和钢的淬透性、工件比表面积大小有关。4影响火焰表面淬火硬化层的工艺因素硬化层较厚，硬度梯度较平缓，耐磨性好；5火焰加热表面淬火的优缺点（1）投资少，简单易行，处理费用低；大小零件均可处理，能实现自动化操作；温度均匀性差，难以控温，质量波动大。因有软带的问题，只能进行局部淬火。5火焰加热表面淬火的优缺点（2）表面淬火中的软带问题特大轴承表面淬火的软带问题利用高能束（激光束、电子束、等离子束）在被处理工件表面的能量转换加热工件，使其快速加热到Ac3或Acm相变温度以上，然后利用自身快速冷却，在材料表面获得硬化层。第四节高能束表面淬火技术第七章气相沉积技术5.4.1高能束表面改性高能束的共同特征是，供给材料表面的功率密度≥103W/cm2。特点：1.功率密度高、作用时间短，易于获得亚稳态组织；2.非接触式加热，热应力小；3.可控性好，易于传输，处理环境清洁，污染少1.激光体，2.光泵浦能量，3.反射镜，4.输出功率藕合器，5.激光束（通过辐射线的受激放射达到光的放大，简称激光）主要特点：1.高单色性2.高方向性3.高亮度激光束511960年在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室，西奥多·梅曼(TheodoreMaiman)设计和建造了一台小型的激光发生器。他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，产生了第一束激光，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。梅曼的实验显示，闪光灯发出的足以致盲的强光可以使红宝石棒充能，这些能量随后以纯粹的红色光脉冲的形式释放，这些相干光有恒定的相位差，就像是列队前进的士兵们。52随着激光的诞生，军事机构和小说家看到射线枪能够成为现实，就开始着手打造激光武器。1964年，007电影《金手指》中大反派“金手指”奥瑞克威胁詹姆斯-邦德，要用激光将他锯成两半——这在当时，还是纯粹的幻想。53埃米特·利斯(EmmettLeith)和朱瑞斯·乌帕特尼克斯(JurisUpatnieks)在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造，发明了第一个不需要特制眼镜就能看到的三维图像。他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上，其中一束激光先被从被摄物体上反射开来，然后再与另一束会合，在感光片上成像。用一束与成像时相同方向的激光照射感光片，就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像。这张玩具火车图是这两位科学家在密歇根大学的威洛·鲁恩实验室第一次记录的全息图。54最初时，激光的色彩是相当有限的：氦氖激光器和红宝石发出红光，其他激光器则产生不可见的红外线。人们借助离子激光器第一次实现了如彩虹般的七彩激光，它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。氩气产生蓝色和绿色的光，氪产生其他几种颜色，两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。梦幻的激光秀从此诞生。55激光技术第一次走进日常生活，是美国超市使用发出红色氦氖激光的条形码扫描枪实现收款自动化。若尔斯·阿尔费罗夫(ZhoresAlferovand)和赫伯特·克勒默(HerbertKroemer)改进了制作半导体二极管激光器的方法，让激光真正地无处不在。这两位科学家因此获得了2000年的诺贝尔物理奖。(图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比。)如今，这样的芯片随处可见，比如说CD播放器、蓝光播放器、红色激光笔并构成了全球电信网络的骨干。56在工业上，激光被用作永远不会变钝的锯和钻头。最初人们使用激光来加工硬度很高的材料，如钻石，或非常柔软的材料，例如婴儿奶瓶的奶嘴。低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金属。早期的工业激光器，必须要有非常庞大的体形，才能产生足够的能量，但新型固态激光器却非常小巧，给人印象深刻：如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量，足以切开几厘米厚的金属片。57激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。更大的