热处理原理与工艺(10)

1、热处理原理与工艺热处理原理与工艺材料科学与工程学院材料科学与工程学院热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平 第十章第十章 特种热处理特种热处理10-110-1表面热处理表面热处理10-210-2形变热处理形变热处理10-310-3钢的时效钢的时效热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-110-1表面热处理表面热处理 表面热处理是强化钢件表面的重要手段，由于其工艺简单、表面热处理是强化钢件表面的重要手段，由于其工艺简单、热处理变形小和生产率高等优点，在生产上应用极为广泛。各热处理变形小和生产率高等优点，在生产上应用极为广泛。各种齿轮、凸轮、曲轴颈、顶杆、阀门、套筒及轧辊等工件，经

2、种齿轮、凸轮、曲轴颈、顶杆、阀门、套筒及轧辊等工件，经常采用表面热处理进行强化。常采用表面热处理进行强化。 表面热处理主要时通过快速加热与立即淬火相结合的方法来表面热处理主要时通过快速加热与立即淬火相结合的方法来实现的，即利用快速加热使钢件表面很快达到淬火温度，而不实现的，即利用快速加热使钢件表面很快达到淬火温度，而不等热量传到中心，即迅速冷却，这样，只使表层被淬硬为马氏等热量传到中心，即迅速冷却，这样，只使表层被淬硬为马氏体，而中心仍为未淬火组织。体，而中心仍为未淬火组织。 与化学热处理不同，表面热处理不改变零件表面的化学层成与化学热处理不同，表面热处理不改变零件表面的化学层成分，而是依靠使

3、零件表层快速淬火来达到强化表面的目的。分，而是依靠使零件表层快速淬火来达到强化表面的目的。 根据加热方法的不同，表面热处理主要可分为：感应加热表根据加热方法的不同，表面热处理主要可分为：感应加热表面热处理、火焰加热表面热处理、电接触加热表面热处理和激面热处理、火焰加热表面热处理、电接触加热表面热处理和激光加热表面热处理等。其中，工业中应用普遍的是感应加热表光加热表面热处理等。其中，工业中应用普遍的是感应加热表面热处理和火焰加热表面热处理。面热处理和火焰加热表面热处理。 热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-110-1表面热处理表面热处理一、感应加热表面热处理一、感应加热表面热处理1

4、、特点：、特点： 1)加热速度快，转变温度升高，转变温度范围扩大，转变所加热速度快，转变温度升高，转变温度范围扩大，转变所需时间缩短；需时间缩短； 2)可在工件表层得到极细的可在工件表层得到极细的“隐晶马氏体隐晶马氏体”组织，使表层具组织，使表层具有比普通淬火稍高的硬度有比普通淬火稍高的硬度(高高23HRC)和较低的脆性，并具有和较低的脆性，并具有较高的疲劳强度较高的疲劳强度 3)工件不易氧化和脱碳工件不易氧化和脱碳,变形小。变形小。 4)淬硬层深度易控制淬硬层深度易控制,淬火操作容淬火操作容 易实现机械化和自动化。易实现机械化和自动化。 其主要缺点是：设备昂贵其主要缺点是：设备昂贵,维修、维

5、修、调整比较困难调整比较困难,形状复杂的零件感应形状复杂的零件感应器不易制造。器不易制造。热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-110-1表面热处理表面热处理2、基本原理：、基本原理： 交变电流交变电流交变磁场交变磁场 感应电感应电流流发热发热。 集肤效应集肤效应:表层电流密度大表层电流密度大, 心部小心部小, 且随电流频率的增大而增大。且随电流频率的增大而增大。 电流透入深度电流透入深度： (mm) (频率选择：频率选择： ) 零零件件)exp(0 xfcJJX fx 50300 则则）则则）21f HzHzHzk500100800050050高高频频：中中频频：工工频频：感应加

6、热示意图感应加热示意图a)高频淬火：频率在高频淬火：频率在100500kHz之间，常用之间，常用250kHz，表面淬，表面淬 硬层较浅硬层较浅(一般为一般为11.5mm)，常用于较小零件的，常用于较小零件的 表面淬火。表面淬火。b)中频淬火：频率在中频淬火：频率在0.510kHZ之间之间,常用常用2.5kHz及及8kHz,用于用于 较大零件的表面淬火较大零件的表面淬火(一般淬硬层深一般淬硬层深28mm)及穿及穿 透加热。透加热。c)工频淬火：电流频率为工频淬火：电流频率为50Hz称为，用于大型工件的表面淬火称为，用于大型工件的表面淬火 及穿透加热。及穿透加热。热热处处理理原原理理与与工工艺艺张

7、张剑剑平平10-110-1表面热处理表面热处理45钢高频淬火后各区域的显微组织钢高频淬火后各区域的显微组织 500热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-110-1表面热处理表面热处理4、高频感应表面淬火工艺的制定、高频感应表面淬火工艺的制定 1)加热温度和加热速度的确定：加热温度和加热速度的确定： 加热速度：加热速度：主要影响临界温度；主要影响临界温度； 表面硬度要求：表面硬度要求：所选加热温度应在能获得最高硬度的温度所选加热温度应在能获得最高硬度的温度 范围范围; 淬火层要求的组织：淬火层要求的组织：一般最高硬度与最理想的组织所对应一般最高硬度与最理想的组织所对应 的加热温度一致

8、的加热温度一致; 原始组织：原始组织：原始组织不均匀，加热温度应提高。原始组织不均匀，加热温度应提高。 2)淬硬层深度及电流频率的选择：淬硬层深度及电流频率的选择：淬硬层深度的确定应保证淬硬层深度的确定应保证 零件在允许磨损的深度内零件在允许磨损的深度内 有足够高的硬度和耐磨性。有足够高的硬度和耐磨性。 3)单位表面功率和加热时间的确定单位表面功率和加热时间的确定：它直接决定了零件的加它直接决定了零件的加 热速度，单位表面功率热速度，单位表面功率 越大，加热速度越快。越大，加热速度越快。 以单位表面功率以单位表面功率P=0.31.5kW/cm2为宜为宜。 热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑

9、剑平平10-110-1表面热处理表面热处理在实际操作中还应注意加热方式的选用。在实际操作中还应注意加热方式的选用。 4)冷却：冷却：以水为主，其次使油、乳化液或其它介质。以水为主，其次使油、乳化液或其它介质。 5)回火：回火：目的是减小内应力，并达到所要求的机械性能。目的是减小内应力，并达到所要求的机械性能。5、材料、材料 碳含量为碳含量为0.4%0.5%的中碳钢和球墨铸铁。的中碳钢和球墨铸铁。 同时加热淬火法同时加热淬火法 连续加热淬火法：连续加热淬火法： 无附加喷水圈无附加喷水圈 有附加喷水圈有附加喷水圈热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-110-1表面热处理表面热处理二、激

10、光热处理二、激光热处理1、激光的原理、特性和加热金属的热学分析、激光的原理、特性和加热金属的热学分析 1)激光的原理和特性：激光的原理和特性： 激光的原理：激光的原理： 激光的特性：激光的特性：高方向性；高亮度性；高单色性。高方向性；高亮度性；高单色性。 2)激光加热金属的热学分析激光加热金属的热学分析 最小光斑直径和集束光的强度：最小光斑直径和集束光的强度：d = f；F=4P/d2 激光照射时材料温度的变化：激光照射时材料温度的变化：I=(1-)Fe-eZ 反射率的影响和利用：反射率的影响和利用：2、激光热处理的工艺及其优点、激光热处理的工艺及其优点热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑

11、平平10-210-2形变热处理形变热处理一、形变热处理的分类和应用一、形变热处理的分类和应用1、相变中形变的形变热处理、相变中形变的形变热处理 等温形变热处理等温形变热处理 马氏体相变中形变马氏体相变中形变热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-210-2形变热处理形变热处理2、相变前形变的形变热处理、相变前形变的形变热处理 高温形变热处理高温形变热处理 高温形变淬火高温形变淬火 高温形变等温淬火高温形变等温淬火 低温形变热处理低温形变热处理 低温形变淬火低温形变淬火 低温形变等温淬火低温形变等温淬火高温形变高温形变 淬火淬火高温形变高温形变 正火正火高温形变高温形变等温等温淬火淬火

12、低温形变低温形变淬火淬火低温形变低温形变等温等温淬火淬火热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-210-2形变热处理形变热处理3、相变后形变的形变热处理、相变后形变的形变热处理 回火马氏体的形变时效：回火马氏体的形变时效： 珠光体的温加工：珠光体的温加工： 珠光体的冷变形：珠光体的冷变形： 热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-210-2形变热处理形变热处理二、形变热处理强韧化的机理二、形变热处理强韧化的机理1、显微组织细化、显微组织细化2、位错密度和亚结构的变化、位错密度和亚结构的变化3、碳化物的弥散强化、碳化物的弥散强化三、影响形变热处理强韧化效果的工艺因素三、影响形

13、变热处理强韧化效果的工艺因素1、形变温度、形变温度2、形变量、形变量3、形变后淬火前的停留时间、形变后淬火前的停留时间热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-310-3钢的时效钢的时效一、时效过程的一般原理一、时效过程的一般原理 1)发生时效的条件：发生时效的条件： 溶质原素在固溶体中应溶质原素在固溶体中应具有一定的固溶度，并随温具有一定的固溶度，并随温度的降低而减小；度的降低而减小； 经高温固溶处理后溶质经高温固溶处理后溶质元素处于过饱和状态；元素处于过饱和状态； 在较低温度在较低温度(室温或高于室温或高于室温室温)下，溶质原子仍具有一下，溶质原子仍具有一定的扩散能力；定的扩散能力

14、； 2)过程：过程： G.P.I区的形成区的形成G.P.II区区()的形成的形成的形成的形成平衡相的形平衡相的形成成固溶处理后时效的工固溶处理后时效的工 艺过程示意图艺过程示意图热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-310-3钢的时效钢的时效Al-Cu合金析出顺序的原子模型合金析出顺序的原子模型 A原子原子 B原子原子G.P.I区形成区形成G.P.II区形成区形成形成形成形成形成热热处处理理原原理理与与工工艺艺张张剑剑平平10-310-3钢的时效钢的时效二、影响时效的因素二、影响时效的因素1、时效温度和时效时间、时效温度和时效时间2、碳及合金元素、碳及合金元素3、固溶处理后、时效前的冷变形、固溶处理后、时效前的冷变形三、低碳钢的形变时效三、低碳钢的形变时效 对低碳钢，即使从高温状