表面淬火技术课件

表面淬火1表面淬火1概述表面淬火是一种对零件需要硬化的表面进行加热淬火的工艺。表面淬火是强化金属零件的重要手段之一。经表面淬火的零件不仅提高了表面硬度和耐磨性,而且与经过适当预先热处理的心部组织相配合，可以获得很高的疲劳强度和适当韧性。2概述表面淬火是一种对零件需要硬化的表面进行加热淬火的工艺。2工件表面与心部使用性能的差异:表面应力最大表面应力集中最大表面最容易发生变形磨损发生在表面腐蚀从表面开始因此,表面是零件的薄弱位置，是引起零件失效的策源地。3工件表面与心部使用性能的差异:表面应力最大34410.1表面淬火工艺分类实现表面淬火的基本条件

表面淬火是利用金属固态相变,通过快速加热的方法对工件表面进行淬火。其目的是在工件表面一定深度内获得马氏体组织，而其心部依然保持淬火前的原始组织（调质或正火态），以获得表面高的强度、硬度及耐磨性，同时保持心部大的塑性和韧性。

510.1表面淬火工艺分类实现表面淬火的基本条件5表面淬火方法分类根据加热时的供热方法分:感应加热、火焰加热、电解液、盐浴加热、电接触、激光加热、电子束加热、离子束加热、高频脉冲、红外聚焦加热等根据能量密度分：较低能量密度加热和高能量密度加热根据能量来源分：内热源加热和外热源加热6表面淬火方法分类根据加热时的供热方法分:610.2快速加热时的相变特点

快速加热时,加热速度对相变温度、相变动力学和相变组织有着很大的影响，会强烈影响热处理后的组织和性能。其相变特点有以下几方面:提高相变临界温度奥氏体起始晶粒得到细化奥氏体成分均匀性降低降低过冷奥氏体的稳定性自回火现象710.2快速加热时的相变特点快速加热时,加热速10.2.1提高相变临界温度随着加热速度提高,临界温度升高，随着冷却速度提高，临界温度降低。加热速度对转变开始温度影响较小，但对转变终了温度影响显著。810.2.1提高相变临界温度随着加热速度提高,临界温度升高，10.2.2奥氏体起始晶粒得到细化快速加热能得到更细小的奥氏体晶粒,而且加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。910.2.2奥氏体起始晶粒得到细化快速加热能得到更细小的奥10.2.4奥氏体成分均匀性降低1010.2.4奥氏体成分均匀性降低1010.2.4降低过冷奥氏体的稳定性1110.2.4降低过冷奥氏体的稳定性11121210.2.5自回火现象在快速加热时,尤其是加热温度不够高时，奥氏体中的碳质量分数是不均匀的，存在着低碳奥氏体区和高碳奥氏体区。1310.2.5自回火现象在快速加热时,尤其是加热温度不够高时，141410.3表面淬火后的组织及性能10.3.1表面淬火后的组织10.3.2表面淬火后的有效硬化层深度10.3.3表面残余应力10.3.4表面淬火后的性能1510.3表面淬火后的组织及性能10.3.1表面淬火后的组10.3.1表面淬火后的组织工件经表面淬火后的组织与钢的成分、表面淬火前的原始组织、淬火规范、加热速度、加热温度沿截面分布及工件尺寸等因素有关。1610.3.1表面淬火后的组织工件经表面淬火后的组织与钢的成10.3.2表面淬火后的有效硬化层深度断面硬度法测量与硬化表面垂直切断的磨光平面上,用维氏硬度计（载荷9.8N）从零件表面开始测量硬处度直到0.8倍硬度下限值（HVMS）处的距离。作为有效硬化层深度(DS),可用下式表示1710.3.2表面淬火后的有效硬化层深度断面硬度法1710.3.3表面残余应力表面淬火后,热应力引起的残余应力是表面拉应力，组织应力所引起的残余应力是表面压应力。表面淬火零件在淬火后产生的内应力是热应力与组织应力共同作用的结果。许多研究表面，钢制零件感应淬火后，其表面淬硬层内有残余压应力存在，在表面处，其值可达到686~784MPa，主要由组织应力引起。1810.3.3表面残余应力表面淬火后,热应力引起的残余应力是191910.3.4表面淬火后的性能1.表面硬度2010.3.4表面淬火后的性能1.表面硬度20表面淬火使表面的硬度比普通淬火高2~3HRC,提高，原因:细奥氏体晶粒组织残余奥氏体量降低零件表面形成压应力硬度增高现象还与热处理工艺参数有关，如加热速度。21表面淬火使表面的硬度比普通淬火高2~3HRC,提高，原因:22222.耐磨性232.耐磨性233.疲劳强度243.疲劳强度24252510.4感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理,使工件表层产生涡流而被迅速加热，进行淬火的方法。

2610.4感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用电磁感应的原感应加热表面淬火的优点加热速度极快、时间短、热效率高,工件表面不易氧化脱碳。表面奥氏体晶粒细化，同时心部仍为原始组织，淬火后具有优异的力学性能。仅仅表面加热，工件淬火变形小。设备紧凑，操作简单，易于实现机械化自动化生产，可放置在生产线上，，生产效率高。27感应加热表面淬火的优点加热速度极快、时间短、热效率高,工件表10.4.1感应加热的基本原理1.电磁感应

当感应线圈通以交流电时,在感应线圈的内部和周围同时产生与电流频率相同的交变磁场，将工件置于高频感应线圈内，受电流交变磁场的作用，在工件内相应地产生感应电流，这种感应电流在金属工件内自行闭合，称为涡流。其感应电动势瞬时值为:2810.4.1感应加热的基本原理1.电磁感应28式中,K-比例系数;ф-工件上感应电流回路包围面积上的总磁通；dф/dτ-磁通量变化率；负号表示感应电动势方向与磁通量变化率方向相反。2929工件中感应出来的涡流方向,在每一瞬时和感应线圈中的电流方向相反。涡流强度If取决于感应电动势(e)及工件涡流回路的电抗(Z)，而电抗Z由电阻R和感抗(XL)组成，则涡流强度:30工件中感应出来的涡流方向,在每一瞬时和感应线圈中的电流方向相2.表面效应（集肤效应）涡流强度If随高频电磁场强度由工件表面向内层逐渐减小而相应减小的规律称为表面效应或集肤效应。离表面x处的涡流强度:式中,I0-表面最大的涡流强度;x-到工件表面的距离；Δ-与工件材料物理性质有关的系数。312.表面效应（集肤效应）31所以,当x=0时，Ix=I0当x＞0时，Ix＜I0当x=Δ时，

工程规定，当涡流强度从表面向内层降低到表面最大涡流强度的36.8%(即

)时，由该处到表面的距离Δ称为电流透入深度。32所以,当x=0时，Ix=I032在感应加热实践中,钢中电流透入深度的计算常常使用下列简化公式:在20℃时：

在800℃时：式中，f-感应线圈交流电频率。33在感应加热实践中,钢中电流透入深度的计算常常使用下列简化公式3.感应加热的物理过程343.感应加热的物理过程344.邻近效应当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时,电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。邻近效应在感应加热中有很重要的实际意义。354.邻近效应3510.4.2感应加热用感应器感应器结构主要包括以下几个部分:感应导体：产生高频磁场加热工件汇流条：将高频电流输向感应导体连接机构：将感应器的汇流条与淬火变压器加紧冷却装置：冷却汇流条和感应导体,或喷射冷却零件。3610.4.2感应加热用感应器感应器结构主要包括以下几个部分10.4.3感应加热淬火工艺控制1.预先热处理3710.4.3感应加热淬火工艺控制1.预先热处理372.比功率比功率是指单位面积上供给的电功率,是通过调节电源输出功率获得的。比功率是感应加热表面淬火工艺中最关键的电参数，其一般由工件尺寸、所要求的硬化层深度、电流频率及设备输出功率等因素决定。382.比功率383.淬火加热温度及加热方法的选择393.淬火加热温度及加热方法的选择394040感应加热方法:同时加热法和连续加热法41感应加热方法:同时加热法和连续加热法414.冷却方式及冷却介质的选择冷却方式:浸液冷却法和喷射冷却法冷却介质：水、油及水溶性淬火介质等424.冷却方式及冷却介质的选择425.回火工艺规范的确定感应淬火件一般也要进行回火。为了保证表面较高的硬度和残余压应力,一般只进行低温回火。其目的是为了降低脆性、提高韧性、增加尺寸稳定性。回火方式:炉中回火、自回火和感应加热回火435.回火工艺规范的确定43炉中回火44炉中回火44自行回火45自行回火45感应加热回火工件在感应加热淬火后,接着在回火感应器中进行回火加热，称为感应加热回火。优点:回火时间短、回火温度相对要高;

回火组织具有极大的弥散性，回火后耐磨性较高，冲击韧性也较大。46感应加热回火4610.4.4感应加热的应用与发展1.感应加热的应用4710.4.4感应加热的应用与发展1.感应加热的应用4748484949感应加热技术的发展（1）感应加热电源（2)淬火机床（3）淬火工艺（4）感应器（5）冷却系统50感应加热技术的发展5010.5其他高能密度加热淬火火焰加热表面淬火高频脉冲淬火激光加热表面淬火电子束加热表面淬火5110.5其他高能密度加热淬火火焰加热表面淬火5110.5.1火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用氧－乙炔气体或其它可燃气体（如天然气、煤气、石油气等）以一定比例混合进行燃烧,形成强烈的高温火焰，将工件迅速加热到淬火温度，然后急冷，使表面获得要求的硬度和一定的淬硬层深度，而心部依然保持原始组织的一种表面淬火方法。5210.5.1火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用氧－乙炔优点:具有设备简单、费用低,操作方便、灵活性大。对单件、小批量生产或需在户外淬火，或运输拆卸不便的巨型零件、淬火面积很大的大型零件、具有立体曲面的淬火零件等尤其适用，因而在重型、冶金、矿山、机车、船舶等工业部门得到了广泛的应用。53优点:53火焰淬火方法固定火焰淬火法旋转火焰淬火法连续推进火焰淬火法联合火焰淬火法54火焰淬火方法固定火焰淬火法54火焰加热表面淬火设备热源55火焰加热表面淬火设备热源55火焰加热表面淬火工艺控制56火焰加热表面淬火工艺控制56火焰加热表面淬火前的原始组织,最好是回火索氏体或细珠光体组织。因此其预先热处理通常选用调质或正火处理。57火焰加热表面淬火前的原始组织,最好是回火索氏体或细珠光体组织加热温度、加热时间控制58加热温度、加热时间控制58硬化层深度的控制59硬化层深度的控制59高频脉冲淬火高频脉冲淬火（又称超高频冲击淬火）是感应加热表面淬火的一个新发展,属于高能密度加热表面淬火。它使用能量密度很高的能源对金属表面进行超高速加热，可在1~100ms内将工件表面迅速加热到淬火温度，然后靠热量向未加热的金属内部迅速传递达到自激冷而实现表面淬火硬化的工艺方法。60高频脉冲淬火高频脉冲淬火（又称超高频冲击淬火）是感应加热表面6161高频脉冲淬火的特点:加热时间短,使奥氏体晶粒细化，淬火后得到极细微的马氏体组织，具有很高的硬度、强度及耐磨性;硬化层深度很浅，过渡层很薄，无变形；无氧化脱碳，表面光洁度高；生产率高主要应用于小型工具工艺稳定、可靠，易于实现自动化生产。62高频脉冲淬火的特点:加热时间短,使奥氏体晶粒细化，淬火后得到激光加热表面淬火激光加热表面淬火是利用高能密度(功率密度大于103W／cm2)激光束对金属工件表层迅速加热和随后激冷,使其表层发生固态相变而达到表面强化的一种淬火工艺。激光加热表面淬火是一种新的淬火工艺，与常规表面淬火相比，具有如下优点:由于能量密度高，加热速度极快，无氧化脱碳，热变形极小;冷却速度也很快，可自淬火而无需冷却介质；表面光洁度高，不需要再进行表面精加工，可作为最后一道工序；表面硬度高，一般不需回火；适合对于形状复杂的工件（如带有盲孔、小孔、小槽、薄壁工件）进行局部表面淬火。63激光加热表面淬火激光加热表面淬火是利用高能密度(功率密度大于6464电子束加热表面淬火65电子束加热表面淬火65表面淬火66表面淬火1概述表面淬火是一种对零件需要硬化的表面进行加热淬火的工艺。表面淬火是强化金属零件的重要手段之一。经表面淬火的零件不仅提高了表面硬度和耐磨性,而且与经过适当预先热处理的心部组织相配合，可以获得很高的疲劳强度和适当韧性。67概述表面淬火是一种对零件需要硬化的表面进行加热淬火的工艺。2工件表面与心部使用性能的差异:表面应力最大表面应力集中最大表面最容易发生变形磨损发生在表面腐蚀从表面开始因此,表面是零件的薄弱位置，是引起零件失效的策源地。68工件表面与心部使用性能的差异:表面应力最大369410.1表面淬火工艺分类实现表面淬火的基本条件

表面淬火是利用金属固态相变,通过快速加热的方法对工件表面进行淬火。其目的是在工件表面一定深度内获得马氏体组织，而其心部依然保持淬火前的原始组织（调质或正火态），以获得表面高的强度、硬度及耐磨性，同时保持心部大的塑性和韧性。

7010.1表面淬火工艺分类实现表面淬火的基本条件5表面淬火方法分类根据加热时的供热方法分:感应加热、火焰加热、电解液、盐浴加热、电接触、激光加热、电子束加热、离子束加热、高频脉冲、红外聚焦加热等根据能量密度分：较低能量密度加热和高能量密度加热根据能量来源分：内热源加热和外热源加热71表面淬火方法分类根据加热时的供热方法分:610.2快速加热时的相变特点

快速加热时,加热速度对相变温度、相变动力学和相变组织有着很大的影响，会强烈影响热处理后的组织和性能。其相变特点有以下几方面:提高相变临界温度奥氏体起始晶粒得到细化奥氏体成分均匀性降低降低过冷奥氏体的稳定性自回火现象7210.2快速加热时的相变特点快速加热时,加热速10.2.1提高相变临界温度随着加热速度提高,临界温度升高，随着冷却速度提高，临界温度降低。加热速度对转变开始温度影响较小，但对转变终了温度影响显著。7310.2.1提高相变临界温度随着加热速度提高,临界温度升高，10.2.2奥氏体起始晶粒得到细化快速加热能得到更细小的奥氏体晶粒,而且加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。7410.2.2奥氏体起始晶粒得到细化快速加热能得到更细小的奥10.2.4奥氏体成分均匀性降低7510.2.4奥氏体成分均匀性降低1010.2.4降低过冷奥氏体的稳定性7610.2.4降低过冷奥氏体的稳定性11771210.2.5自回火现象在快速加热时,尤其是加热温度不够高时，奥氏体中的碳质量分数是不均匀的，存在着低碳奥氏体区和高碳奥氏体区。7810.2.5自回火现象在快速加热时,尤其是加热温度不够高时，791410.3表面淬火后的组织及性能10.3.1表面淬火后的组织10.3.2表面淬火后的有效硬化层深度10.3.3表面残余应力10.3.4表面淬火后的性能8010.3表面淬火后的组织及性能10.3.1表面淬火后的组10.3.1表面淬火后的组织工件经表面淬火后的组织与钢的成分、表面淬火前的原始组织、淬火规范、加热速度、加热温度沿截面分布及工件尺寸等因素有关。8110.3.1表面淬火后的组织工件经表面淬火后的组织与钢的成10.3.2表面淬火后的有效硬化层深度断面硬度法测量与硬化表面垂直切断的磨光平面上,用维氏硬度计（载荷9.8N）从零件表面开始测量硬处度直到0.8倍硬度下限值（HVMS）处的距离。作为有效硬化层深度(DS),可用下式表示8210.3.2表面淬火后的有效硬化层深度断面硬度法1710.3.3表面残余应力表面淬火后,热应力引起的残余应力是表面拉应力，组织应力所引起的残余应力是表面压应力。表面淬火零件在淬火后产生的内应力是热应力与组织应力共同作用的结果。许多研究表面，钢制零件感应淬火后，其表面淬硬层内有残余压应力存在，在表面处，其值可达到686~784MPa，主要由组织应力引起。8310.3.3表面残余应力表面淬火后,热应力引起的残余应力是841910.3.4表面淬火后的性能1.表面硬度8510.3.4表面淬火后的性能1.表面硬度20表面淬火使表面的硬度比普通淬火高2~3HRC,提高，原因:细奥氏体晶粒组织残余奥氏体量降低零件表面形成压应力硬度增高现象还与热处理工艺参数有关，如加热速度。86表面淬火使表面的硬度比普通淬火高2~3HRC,提高，原因:87222.耐磨性882.耐磨性233.疲劳强度893.疲劳强度24902510.4感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理,使工件表层产生涡流而被迅速加热，进行淬火的方法。

9110.4感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用电磁感应的原感应加热表面淬火的优点加热速度极快、时间短、热效率高,工件表面不易氧化脱碳。表面奥氏体晶粒细化，同时心部仍为原始组织，淬火后具有优异的力学性能。仅仅表面加热，工件淬火变形小。设备紧凑，操作简单，易于实现机械化自动化生产，可放置在生产线上，，生产效率高。92感应加热表面淬火的优点加热速度极快、时间短、热效率高,工件表10.4.1感应加热的基本原理1.电磁感应

当感应线圈通以交流电时,在感应线圈的内部和周围同时产生与电流频率相同的交变磁场，将工件置于高频感应线圈内，受电流交变磁场的作用，在工件内相应地产生感应电流，这种感应电流在金属工件内自行闭合，称为涡流。其感应电动势瞬时值为:9310.4.1感应加热的基本原理1.电磁感应28式中,K-比例系数;ф-工件上感应电流回路包围面积上的总磁通；dф/dτ-磁通量变化率；负号表示感应电动势方向与磁通量变化率方向相反。9429工件中感应出来的涡流方向,在每一瞬时和感应线圈中的电流方向相反。涡流强度If取决于感应电动势(e)及工件涡流回路的电抗(Z)，而电抗Z由电阻R和感抗(XL)组成，则涡流强度:95工件中感应出来的涡流方向,在每一瞬时和感应线圈中的电流方向相2.表面效应（集肤效应）涡流强度If随高频电磁场强度由工件表面向内层逐渐减小而相应减小的规律称为表面效应或集肤效应。离表面x处的涡流强度:式中,I0-表面最大的涡流强度;x-到工件表面的距离；Δ-与工件材料物理性质有关的系数。962.表面效应（集肤效应）31所以,当x=0时，Ix=I0当x＞0时，Ix＜I0当x=Δ时，

工程规定，当涡流强度从表面向内层降低到表面最大涡流强度的36.8%(即

)时，由该处到表面的距离Δ称为电流透入深度。97所以,当x=0时，Ix=I032在感应加热实践中,钢中电流透入深度的计算常常使用下列简化公式:在20℃时：

在800℃时：式中，f-感应线圈交流电频率。98在感应加热实践中,钢中电流透入深度的计算常常使用下列简化公式3.感应加热的物理过程993.感应加热的物理过程344.邻近效应当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时,电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。邻近效应在感应加热中有很重要的实际意义。1004.邻近效应3510.4.2感应加热用感应器感应器结构主要包括以下几个部分:感应导体：产生高频磁场加热工件汇流条：将高频电流输向感应导体连接机构：将感应器的汇流条与淬火变压器加紧冷却装置：冷却汇流条和感应导体,或喷射冷却零件。10110.4.2感应加热用感应器感应器结构主要包括以下几个部分10.4.3感应加热淬火工艺控制1.预先热处理10210.4.3感应加热淬火工艺控制1.预先热处理372.比功率比功率是指单位面积上供给的电功率,是通过调节电源输出功率获得的。比功率是感应加热表面淬火工艺中最关键的电参数，其一般由工件尺寸、所要求的硬化层深度、电流频率及设备输出功率等因素决定。1032.比功率383.淬火加热温度及加热方法的选择1043.淬火加热温度及加热方法的选择3910540感应加热方法:同时加热法和连续加热法106感应加热方法:同时加热法和连续加热法414.冷却方式及冷却介质的选择冷却方式:浸液冷却法和喷射冷却法冷却介质：水、油及水溶性淬火介质等1074.冷却方式及冷却介质的选择425.回火工艺规范的确定感应淬火件一般也要进行回火。为了保证表面较高的硬度和残余压应力,一般只进行低温回火。其目的是为了降低脆性、提高韧性、增加尺寸稳定性。回火方式:炉中回火、自回火和感应加热回火1085.回火工艺规范的确定43炉中回火109炉中回火44自行回火110自行回火45感应加热回火工件在感应加热淬火后,接着在回火感应器中进行回火加热，称为感应加热回火。优点:回火时间短、回火温度相对要高;

回火组织具有极大的弥散性，回火后耐磨性较高，冲击韧性也较大。111感应加热回火4610.4.4感应加热的应用与发展1.感应加热的应用11210.4.4感应加热的应用与发展1.感应加热的应用471134811449感应加热技术的发展（1）感应加热电源（2)淬火机床（3）淬火工艺（4）感应器（5）冷却系统115感应加热技术的发展5010.5其他高能密度加热淬火火焰加热表面淬火高频脉冲淬火激光加热表面淬火电子束加热表面淬火11610.5其他高能密度加热淬火火焰加热表面淬火5110.5.1火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用氧－乙炔气体或其它可燃气体（如天然气、煤气、石油气等）以一定比例混合进行燃烧,形成强烈的高温火焰，将工件迅速加热到淬火温度，然后急冷，使表面获得要求的硬度和一定的淬硬层深度，而心部依然保持原始组织的一种表面淬火方法。11710.5.1火焰加热表面淬火火焰加热表