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-表面热处理

第十一章表面热处理一、表面淬火二、少无氧化热处理三、离子注入四、电子束处理一、表面淬火什么是表面淬火表面淬火有何特点表面淬火主要解决哪些问题表面淬火的发展表面－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

•

要点：用快速加热法，使零件表面层很快地达到淬火温度（A化），在热量传至内部之前，立即冷却使表面层淬硬。•材料：中碳钢及中碳合金钢，如40、45、40Cr。感应加热•分类（加热方法）激光加热火焰加热一、表面淬火（一）感应加热表面淬火1、感应加热原理*感应电流---涡流*集肤效应*电流透入深度(δ)与电流频率(f)的关系:利用电磁感应原理集肤效应示意图感应加热表面淬火示意图零件处于交变磁场（感应线圈产生）中产生感应电流（涡流），从而产生热量（零件阻抗通电流产生的热量）使零件被加热，随后冷却淬火。一、表面淬火ρ—工件电阻率μ——工件的相对导磁率f——电流频率可见：1）f愈高，δ越小，淬硬层深度越浅。2）ρ愈大，μ愈小，δ越大。2、分类（按电源频率）工频：50Hz，功率密度0.1～100W/cm2；中频：＜10kHz，功率密度＜5W/cm2；高频、超高频：20～1000kHz，功率密度2～10W/cm2；一般地：淬火硬化层厚度随感应加热器频率↗而↘；但感应电流随感应加热器频率↗而↗，即表面加热热效率高（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。δ=10～15mmδ>2mmδ=0.5～2mm3、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1）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3）奥氏体成分不均匀高频感应淬火后的组织

M→M+F→原始组织高频感应淬火后的性能

硬度比普通淬火高2～3HRC疲劳强度提高强度提高

4、感应加热淬火主要工艺因素

预处理：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。硬化层深度的确定：抗磨损：1～6.5mm抗疲劳：2～12mm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，为使组织转变充分，所以感应加热温度应比常规加热温度提高30～50℃。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：大加热比功率：原始组织较细、硬化层较深、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。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。（加热方式、感应器形状、应用状况等P133图4—8）

后处理：表面淬火后，一般要对零件进行低温（160～200℃）回火处理，以降低淬火应力和脆性。

冷却：水，油，有机溶液喷射冷却，浸淬5、工艺特点加热速度快，热效率高达60%以上，生产率高；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。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。6、感应加热淬火举例45钢曲轴的热处理工艺。调质处理：淬火加高温回火淬火加热温度810～830℃，回火加热温度560℃，获得回火索氏体组织感应加热淬火：淬火加热温度830～870℃，喷水冷却

Ac3Ac1T/℃HRC距表面距离淬硬层深度M+FMS回50％M点（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热处理工艺过程。燃烧气体：煤气、甲烷气、丙烷气、乙炔气、氢气等；冷却介质：水、油、合成水溶液等。一、表面淬火工艺特点：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）和铸铁零件表面淬火；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、淬火质量不够稳定。火焰加热方式固定加热旋转加热连续加热

火焰加热应用趋势带压力的火焰加热，提高加热速度；带保护气氛的加热，减少氧化和脱碳；发展各种火焰喷涂和喷焊技术（三）电接触加热表面淬火工艺介绍利用触头（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。讲义P142图4-16工艺特点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。应用机床导轨、工模具、汽缸套等。一、表面淬火二、激光热处理激光知识何为激光：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。激光的主要应用：(材料学科领域）

激光热处理激光焊接激光快速成型激光切割激光检测

视频（激光淬火）激光热处理加热设备组成

透射式工件平面发射镜控制系统工作平台工件和激光束的相对位置。工件反射式球面镜平面发射镜激光发射器

导光系统

M+ArM+F+ArS回1、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。

调质热处理后表面激光淬火激光表面淬火性能硬度，碳钢提高10％，铸铁提高1～2倍耐磨性提高近20倍残余压应力高激光表面淬火特点快速加热，快速冷却处理层与基体结合强度高零件变形极小加工柔性好需吸光涂层相对前面而言,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——激光表面熔化淬火。作用：（1）细化晶粒一般情况下能使降低9/10，硬度提高30%以上（2）消除表面夹杂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，同时表面细化（3）提高铸铁耐磨性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+残余奥氏体、树枝间马氏体+莱氏体+渗碳体；相变区马氏体+残余奥氏体+石墨；过渡区隐针形马氏体+残余奥氏体+石墨+未熔渗碳体2激光表面熔化淬火激光热处理应用应用于缸体、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、首都汽车公司、长春一汽、多个激光加工中心等。例：38CrNi3MoV炮管内膛的激光热处理。3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表面，通过激光加热使其（预涂层）与基体表面共熔而混合，形成表面特种合金层。合金粉末的添加方法：（1）预沉积法：预先在涂上一层合金涂膜层，然后用激光重熔。如粉末涂刷、热喷涂、真空镀、电镀、化学镀、预置薄板或金属箔等。（2）共沉积法：在激光照射同时将合金粉末送入。激光表面合金化应用（1）铁基金属将Cr、Ni等金属在碳钢表面激光合金化，在金属表面形成表面钝化膜；Mo在金属表面形成减摩膜（2）有色金属将Ni金属表面激光合金化Au，电接触点；Ti金属表面激光合金化Pd,降低Ti金属在还原酸中腐蚀速率；Cu表面激光合金化Cr，形成氧化膜；Al金属表面激光合金化Si,提高表面硬度（3）金属硅化物将Pt、Pd、Ni等合金化到Si表面，形成金属触点4激光表面熔覆在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，控制能量输入参数，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而达到一外加的熔覆层。（1）自溶合金粉末（Ni、Fe、Co、Cu基）（2）陶瓷粉末（碳化钨、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氧化铬、氮化硼等）（3）熔覆基体——碳钢和有色金属5激光表面非晶化（激光上釉）利用激光手段在金属表面上制得一非晶层。

非晶态与晶体相比，强度、韧性、硬度、导磁、耐腐蚀性均获得明显提高。如对Fe-P-Si合金，2.1%C-12%Cr合金激光处理获得非晶层,但不是所有金属都能获得非晶体.美国F-15战斗机的F100型发动机涡轮盘激光制备非晶层，使其重量减少50%。6激光表面纳米化利用激光束照射金属表面，获得纳米组织，或形成表面纳米覆层。此项工作属国际前沿科研项目，目前正在进行科学研究。7激光退火对于半导体材料（硅片、砷化镓），当某种工艺（如离子注入出现晶格缺陷，失去电子活性），激光退火可以消除缺陷，使晶体结构有序化。美国的半导体太阳能生产线均采用此项工艺。8激光冲击硬化利用107W/mm2以上高功率密度脉冲激光照射金属表面，使金属表面剧烈气化，形成的冲击波（104Mpa）反作用表面使其硬化。一）真空热处理1、金属在真空中的加热2、金属在真空中的冷却3、真空热处理工艺真空退火真空淬火及回火真空渗碳4、真空热处理后钢的机械性能5、真空热处理时应注意的问题三、少无氧化热处理减少钢的氧化烧损、减少钢的脱碳的热处理工艺。减少钢的氧化烧损、减少钢的脱碳的热处理工艺。钢在几种气氛中的氧化和脱碳空气：氧化：Fe+O2FeOFe2O3Fe3O4脱碳：C+O2CO2CO-CO2：

氧化—还原：3Fe+4CO2Fe3O4+CO

脱碳—增碳：C+CO22CO

Fe3C+CO2Fe+2CO

三、少无氧化热处理二）可控气氛热处理不可控

H2-H2O：

氧化—还原：Fe+H2OFeO+H2

脱碳—增碳：Fe3C+H2O

3Fe+CO+H2

H2-CH4：

脱碳—增碳：C+2H2CH4

Fe3C+2H23Fe+CH4

Fe3O4+H2Fe+H2O还原Fe3O4+

H2

Fe+

H2O氧化Fe3O4+COFe+CO2还原

Fe3O4+COFe+CO2氧化

T2

T1T/℃A-A’B-B’气体比例可控气氛无氧化加热原理一般燃料制备的气氛多为CO-CO2-H2-H2O混合气体,因此必须考虑Fe+CO2

=FeO+CO和Fe+H2O

=FeO+H2的综合影响.①④③②C-C’

T3

一般地：燃料气氛中多为CO-CO2-H2-H2O的混合气体。必然存在两个反应：

曲线左侧为还原区，右侧为氧化区

曲线左侧为还原区，右侧为氧化区A-A’线：气氛H2O/H2为固定值，当T＞T1是还原区，T＜T1是氧化区；因此冷却氧化。C-C’线：气氛CO2/CO为固定值，当T＞T3是氧化区，T＜T3是还原区；因此加热氧化。FeO+H2

Fe+H2O

FeO+COFe+CO2B-B’线：气氛H2O/H2中加入气氛CO2/CO的混合气氛时，T＞T3前，CO2/CO气氛使钢处于轻微氧化，但H2O/H2使钢处于还原区被保护，还原作用大于氧化，因此高温控制CO2、增加H2，有利减少钢的氧化。T＜T3后，CO2/CO气氛使钢处于还原，但H2O/H2使钢处于氧化，还原作用大于氧化，因此低温控制H2O、增加CO，有利减少钢的氧化。这样可以获得光亮热处理。四、表面离子注入将几万到几十万电子伏特的高能离子流注入到固体材料表面,从而使材料表面的机械、物理、化学性能发生变化。1离子注入改性机理（1）损伤强化离子注入使晶格大量损伤，晶格原子发生位移，形成空位—间隙原子对，随后又撞击其它晶格原子，形成损伤区，使金属长程有序变为短程有序，甚至非晶态，空位集结在位错周围，产生钉扎强化。（2）掺杂强化N、B等被注入金属后，会形成金属化合物嵌于材料中，构成硬质合金弥散强化相。（3）喷丸强化（4）增强氧化膜、提高润滑性离子注入促进粘附性表面氧化物生长，减少摩擦系数。2离子注入应用（1）减少表面摩擦力注入离子对位错阻碍，使摩擦副表面边得更脆；注入离子使表面氧化膜更易形成。（2）提高表面抗磨损性（3）提高表面耐腐蚀性利用钝化、氧化膜理论，使注入离子能形成钝化膜、氧化膜，从而实现防腐蚀五、表面电子束技术电子束射到材料表面会同材料的原子核和电子发生交互作用，通过与基体的电子碰撞传递能量，改变材料表面原子点阵实现表面强化．（电子与原子核之间为弹性碰撞）1电子束强化特点原则上电子束改性与激光具有大致相同的特点.两者差别:(1)能量利用率:金属对激光吸收率低,而对电子束吸收率非常高,甚至高达99%,因此电子束具有更高的