4 表面淬火

nullnull第四章 表面淬火和表面形变强化技术 4.1 表面淬火技术的原理与特点 4.1.1 表面淬火技术的原理与分类 …………….2 4.1.2表面淬火技术与常规淬火技术的区别 …..4 4.1.3表面淬火层的组织与性能…………………5 4.2 感应加热淬火技术………………………….6 4.2.1 感应加热的基本原理 .…………………....7 4.2.2 感应加热C的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 流程……………………9 4.2.3 感应加热C的应用……………………..…12 4.3 火焰加热表面淬火技术 …………………..13 4.4 激光淬火技术与电子束淬火技术 ………..14 4.5 电阻加热表面淬火 ………………………..19 4.6 表面形变强化技术…………………………20术语和习题……………………....…………...…23附录1 表面淬火常用钢及铸铁牌号……………24 附录2 零件表面吸收的电磁感应功率…………25 附录3 感应加热C的一些应用例……………….26 附录4 各种表面淬火工艺特点比较……………27null中碳钢经预先调质或正火,再进行BC可以保证心部较高的综合力学性能+B耐磨性 采用特定热源将钢铁B加热到Ac1或 Ac3之上,然后使其快速冷却并发生M(马氏体)相变,形成B强化层第四章 表面淬火和表面形变强化技术 4.1 表面淬火技术的原理与特点指在不改变零件B化学成分,只通过改变B组织或应力状态使B获得强化的技术4.1.1 BC技术的原理与分类一种45钢机床齿轮齿部和齿轮心部硬度分布1)原理 目的在于使B获得高的硬度和耐磨性,而心部仍保持足够塑性和韧性或提高B强度/疲劳强度/抗腐蚀能力58HRC50HRC35~40HRC265~280HB齿轮齿部具有高的硬度/疲劳强度和多次冲击抗力以下淬火简记为C Ac1和Ac3在相图上的位置原则上,含碳量0.35～1.20％的中/高碳钢和基体具有同等碳量的铸铁均可实现BC☆实际上,只有中碳钢和球墨铸铁是最适宜的BC 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 nullⅢ区－心部加热T低于 或未受到加热4.1 表面淬火技术的原理与特点(续1) 4.1.1 BC技术的原理与分类1)原理图; BC时零件的温度分布Ⅰ Ⅱ Ⅲ为了保证心部具有较高的力学性能,通常用中碳钢经过正火或调质后再进行BC2) 分类按照BC的热源不同感应加热C火焰C激光C电子束C将工件作为导体,在其上施加感应电流而实现加热C将高温火焰喷向工件B实现加热C利用聚焦的激光束射向工件B实现加热C利用高能密度电子束射向工件B实现加热C3) 表面淬火用钢除了常用钢种外,按照BC的原理开发的钢:低淬透性钢含碳量0.55～0.65％,硬化层深1.5～2.5mm限制淬透性钢提高淬透性并限制晶粒长大;硬化层深5~7mm用于重载零件淬火＋高温回火对φ40～60mm工件以下温度记为Tnull①高的 速度使 和 大幅提高,而对 提高有限 4.1.2 BC技术与常规C技术的区别 基本特点:BC时零件的加热速度和冷却速度都很快1－退火组织；2－正火组织；3－调质组织图: 速度/原始组织对40钢Ac3的影响 ☆快速 条件下使起始晶粒来不及长大 A晶粒细化 调质和正火使碳化物或自由铁素体分布均匀细小,有利于碳化物溶解和A均匀化②快速 时, A不均匀化程度增加淬火后图:不均匀A及对C组织的影响富碳区－原珠光体区;贫碳区－原铁素体区C后分别为高/低碳M区调质组织提高的幅度较小nullⅢ区－ T低于 ,保留原始组织P+F至表面距离4.1.3 BC层的组织与性能 1) 组织图: 45钢BC后组织和硬度分布 全淬硬层 过渡层 原始组织Ⅱ温度MM + FP+FⅠ Ⅲ 4362850℃ 727℃ T,℃ HRCⅠ区－ T高于Ac3 ,淬火获得M硬度沿淬硬层的分布与组织的分布相对应260HB全淬硬层具有相同的高硬度,向内逐渐降低,直至原始组织硬度2) 性能BC层的硬度比普通C工艺的高2~3HRCBC层的耐磨性也比普通C的高原因① BC时在零件B产生压应力,抑止裂纹的萌生与扩展② B晶粒及亚结构的细化,使硬度提高BC层的疲劳强度明显高于普通C如40MnB钢制的汽车半轴,调质+BC处理比仅调质的寿命要提高20倍null4.2 感应加热淬火技术 感应加热热处理由于高效/节能/便于自动化/良好的劳动环境等在汽车/拖拉机/ 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 机械等方面发展迅速表:感应热处理件在热处理中的比例图:曲轴淬火部位及其淬火机概述null4.2 感应加热淬火技术 4.2.1 感应加热的基本原理工件(轴)置于与高频设备相连的感应圈内感应圈由铜管制成,工作时通水冷却感应圈的下方是冷却水圈,用于 后C进入冷却水圈的水通过喷水孔射向工件轴处于旋转状态;通过感应圈和冷却水圈的同步移动对其进行逐段 C☆加热过程在高频交流磁场的作用下,工件上出现感应电流,由于集肤效应,电流集中分布在B冷却过程在加热T达到相变T以上后进行取决于 过程持续时间与零件尺寸/设备频率和功率/感应器设计/比功率等因素有关,一般以秒为单位计null4.2.1 感应加热的基本原理(续1) 小结:频率愈高,电流透入深度愈浅;当频率不变时,T超过居里点,电流透入深度显著增加◇800℃时电流透入深度与电流频率的关系电流透入深度δ 的简化计算式表:工件直径,淬硬层深度与电流频率的关系举例零件B吸收的电磁感应功率在感应圈与工件的间隙非常小,磁能全部被工件吸收的理想情况下使用单匝感应圈,高度为1cm的圆柱形工件所吸收的的功率P电流频率在20~100kHz时称高频电流null4.2.2 感应加热C的工艺流程 ② 按工件 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 选择比功率①预先调质处理保证心部具有较高的力学性能;容易获得均匀A心部要求不高时,可采用正火按工件直径,淬硬层深度与电流频率的关系选择设备频率频率确定后确定工件单位面积上的比功率比功率常在其它加热条件和感应器确定后通过调整电参数确定null4.2.2 感应加热C的工艺流程(续1) ② 按工件要求选择比功率③确定加热T/加热方式及设计感应器①预先调质处理如:45钢高频C最佳规范图(原始组织－正火态)HRC 58~61加热T一般根据材料类型/原始组织/零件的要求确定加热方式连续 法如第7片示意图同时 法零件相对于感应器不移动零件离开感应器后喷水冷却null4.2.2 感应加热C的工艺流程(续2) ③确定加热温度/加热方式及设计感应器加热时感应器不通水,到温后通水喷向工件一般通过喷射冷却法,通过调节C介质(水)的喷射压力/T和时间来控制④确定冷却方式与冷却介质⑤制定回火工艺参数炉内回火:<200℃;1～2 h自行回火:利用工件内层的残余热量传到硬化层,达到回火T感应加热C不足之处①与普通C 相比,设备的成本高②感应 时,零件的尖角棱边容易过热,即出现“尖角效应”③对于形状复杂的零件,很难实施感应② 按工件要求选择比功率①预先调质处理③确定加热温度/加热方式及设计感应器null4.3 火焰加热BC技术 指将高温火焰或燃烧着的帜热气体喷向工件B,使其迅速 到CT,然后在一定介质中冷却的工艺优点:与感应 BC技术相比,设备费用低,方法灵活,简便易行例:几种典型零件火焰加热BC示意图齿根以上(左)和齿根以下(右)的硬化层硬化层固定火焰喷嘴旋转的工件大型齿轮凸轮轴通过控制火焰大小/喷嘴与工件相对位置以及相对运动速度获得不同硬化层同时 法同时 法null 工件4.3 火焰加热BC技术(续1) 例:几种典型零件火焰加热BC示意图零件内部 C火焰喷嘴与喷水管可同时推进对整个平面进行C平面 C缺点:生产率低/淬硬层均匀性差/质量不易控制☆主要用于单件/小批量及大件的BCnull◇J 采用的的J器有CO2/YAG两类,其特点见’高能束’幻灯组4.4 激光淬火与电子束淬火技术 激光C技术又称激光相变硬化(LTH)指利用聚焦后的J束照射到钢铁材料B,使其温度迅速升温到相变点以上,当J移开后,由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用,使表层快速冷却到马氏体相变点以下,获得淬硬层的工艺4.4.1 激光C技术的原理Laser Quenching or Laser Transformation Hardening优点: 速度快,不需要C介质,工件变形小,易于自动化 图:拉丝模的J相变硬化硬化层基材过渡区图:45钢B J C区金相组织以下激光简记为J过渡区厚度约0.4mm;600~250HV,组织为正火珠光体类组织淬硬区厚度约0.4mm;硬度约700HV组织为隐针M,兼有含碳量低的板条Mnull一般要求其控制在 范围,以使得材料B不熔化4.4.1 激光C技术的原理(续1) 影响淬硬层性能的主要因素◇随钢的含碳量增加, J淬硬层的显微硬度增加对于钢,以调质处理所获淬硬层组织和性能最为稳定 ①材料成分◇对于铸铁,可锻铸铁和球墨铸铁所获淬硬层硬度高于灰口铸铁淬硬层的深度H取决于J功率p/光斑直径D和扫描速度v②工艺参数功率密度:单位面积上注入工件B的激光功率a)B组织准备③B预处理原始组织为细片状珠光体/回火M所获淬硬层深度较大其目的在于提高钢铁B对激光束的吸收率 b)B黑化处理黑化的方法有:磷化处理/喷刷涂料和镀膜法等 由CO2激光器发出的激光为波长10.6 μm的远红外线,不易被MB吸收 金属null4.4.2 激光表面熔凝技术原理 J熔凝处理后材料的横截面组织示意图熔凝区的的硬度达1000～1200HV,层深0.5mm左右;具有高的耐磨性由表层至里分别为熔凝区/相变硬化区/热影响区和基体◇缺点适宜材料:铸铁/工具钢/不锈钢和铝合金等 指用J束照射到基材B,使其 到熔化T以上,当J移开后,由于基材内部导热冷却而使熔化层B快速冷却并凝固结晶的工艺相变硬化区 基体 图:T10钢J熔凝后的显微硬度◇对于灰口铸铁,由于在熔凝过程中可使石墨与铁基体混合,在熔化区获得细的枝晶状组织;耐磨性提高数倍 处理后的材料B比较粗糙,后续加工量大 相变硬化区 熔凝区热影响区null图: LTH处理后的汽车发动机缸体内壁4.4.2 激光表面熔凝技术原理(续1) 表: J熔凝处理后的效果☆世界上最早投入生产线的J C技术始于1974年,由美国通用汽车公司 Saginow转向器厂用于转向器壳体(可锻铸铁制成)内腔C4.4.3 激光C技术的工业应用每个壳体循环时间为20s,日处理达33000件；现拥有17条生产线☆我国近年来发展很快.如长春第一汽车集团公司对汽车钢套内壁进行LTH处理,建立了数条生产线.缸套的耐磨性提高了约1倍null J处理时单束激光宽度有限,采用多道搭接实现大面积C容易产生回火软带 ; 一次投入成本较高 4.4.3 激光C技术的工业应用(续1) 印刷邮票用的辊式打孔器辊筒材料为50钢,辊面上需使用程控钻床打出2.5万个φ0.98mm的孔.过去因为打孔器技术没有过关,以至不能满足需要.我国现已采用J处理方法使孔刃部达60HRC以上.J C缺点4.4.4 电子束C技术图:电子束C示意图指利用高能密度电子束照射到材料B,使其获得淬硬层的工艺加速/聚焦和偏转系统电子束由电子枪发出的电子束经过加速/聚焦和偏转系统照射到工件B,电子流和材料中的原子相碰撞,并给予能量,使其升温;之后自行C☆由于整个过程要在真空条件下进行,限制了大批量应用.现被激光C逐渐代替一次打孔数由50万张提高到1000万张null回路电压2～12V;通过滚轮(铜)与导轨之间接触电阻发热并逐步移动而实现整个导轨BC4.5 电阻加热C技术 指在工件中通以低压大电流,利用工件B或紧靠工件B的周围介质中形成高电阻而产生的热效应将工件B快速 并淬火的工艺方法①电接触 BC②电解液 BC工件置于电解液中,作为阴极;电解槽作为阳极电解液 C原理图电解液一般为5～20％碳酸钠溶液,操作T不超过60℃只适合局部 ,小件小结通入直流电后,其上析出氢气.由于包围在工件周围的氢气膜电阻很高,使工件B发热断电后工件自行Cnull4.6 表面形变强化技术 1)原理指利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击工件B,使表层在再结晶温度下产生弹/塑性变形,并呈现较大的残余压应力,从而提高工件B强度/疲劳强度和抗应力腐蚀能力的工艺图;喷丸后工件B结构示意图工件B吸收高速运动弹丸的动能后产生塑性流变和加工硬化,并保留了残余压应力塑性变形层的深度在0.1～0.8mm4.6.1 受控喷丸强化在工件B产生的压缩应力可达工件屈服强度的80％表层的亚结构为孪晶和位错弹丸材料有:钢/玻璃/陶瓷或不锈钢null4.6.1 受控喷丸强化(续1) 1)原理喷丸机图;叶轮式喷丸机示意图a)叶轮式喷丸机 用于批量大的形状简单零件b)压缩空气式喷丸机 用于批量较小的形状复杂零件2)受控喷丸对材料B形貌和性能的影响a)硬度一般地,弹丸强度或者动能越大,则变形层深度越大,喷丸后零件的B硬度也越大弹丸硬度越高,喷丸强化层深度越深;同等条件下,零件的强度越高,则喷丸强化层越浅b)粗糙度受控喷丸后零件B痕迹不同于切削加工B,没有方向性,有利于提高零件疲劳强度c)疲劳寿命与抗腐蚀能力在最佳参数下进行喷丸,可在表层产生数百MPa的压应力,从而可大幅提高零件运动轨迹压缩空气null4.6.1 受控喷丸强化(续2)3)受控喷丸技术的典型应用a)提高疲劳强度一般地,材料本身强度愈高,则所获效果愈好☆ C和400℃回火后的40Cr钢,再经喷丸处理,疲劳强度提高54％b)提高抗应力腐蚀能力☆据报道用45mm厚低碳钢板制作的高约70m,直径超过9m的蒸煮锅,在100℃,压力为1MPa的混合溶液中运行时,由于应力腐蚀开裂而造成灾难性破坏,对其喷丸处理后,3年中再没有出现裂纹☆ 60Si2Mn弹簧钢板热处理后喷丸,疲劳寿命提高5倍☆汽车齿轮渗碳后经喷丸处理,疲劳寿命提高4倍4.6.2 表面滚压技术指在一定的压力下用辊轮/滚球或者滚轴对被加工零件B进行滚压或挤压,使其发生塑性变形,形成强化层的工艺原理与喷丸相同,通过塑性变形产生加工硬化,并产生很大的残余应力该工艺可在B获得5mm左右强化层;只适合形状简单的平板/轴类零件第四章 表面淬火和表面形变强化技术 术语和习题第四章 表面淬火和表面形变强化技术 术语和习题术语感应圈 电流透入深度 尖角效应 自行回火 激光熔凝处理 功率密度 黑化处理 回火软带 电阻加热淬火 受控喷丸强化习题2.举例说明适合用于各类B淬火的零件?对被处理材料有何要求?1.表面淬火和常规淬火相比较有何异同？3.为什么高频表面淬火后有较高的疲劳强度? 简述其工艺流程☆一些图表来源①北京机电研究所.先进热处理制造技术,20024.高/中频和工频电流的频率是如何划分的? 用途上有何差别?②武汉’99第二届表面工程国际会议论文集.材料保护杂志社,19995.激光熔凝有何特点?null附录1表:表面淬火常用钢材及铸铁牌号(续第3片)运行附录2 零件表面吸收的电磁感应功率 (接第8片) 指在感应圈与工件的间隙非常小,磁能全部被工件吸收的理想情况下使用单匝感应圈,高度为1cm的圆柱形工件所吸收的的功率Pρ工件材料电阻率;μ－导磁率;f－电流频率优点: 迅速/热损失小/热效率大;C后过渡区较窄;C层压应力大R0－工件半径I－感应圈中通过的电流电流透入深度δρ,μ与加热T的关系随T上升到相变T以上,钢的导磁率μ因失去磁性而急剧下降;电阻随T升高而增大(a)(b)由式(a),随T上升,吸收功率P↓,由式(b), δ↑表明采用较大的输入功率 时,由于电流透入深度增加,不始终集中在工件B,而使得工件不易过热用较大的输入功率 ,靠涡流不断向内渗透的R方式称透入式与淬硬层密切相关的参数,因近86.5％的热量发生在δ薄层内运行运行利用能量密度为104W/cm2以上的热源将MB在数毫秒时间内加热到相变T以上,当热源离开后,靠工件本身迅速传热冷却而获得M的自C方法附录3 感应加热C的一些应用例(接第11片) 常用频率为2500～8000Hz,可获得6～8mm淬硬层采用中频预热→高频加热C→中频回火热处理钢筋直径φ7.1～13.5mm,用20Si2Cr材料制成例:钢筋热处理☆中频感应加热☆高频感应冲击C钢筋强度达785～1570MPa,比普通炉内热处理节能由于C后获得极微细的隐晶马氏体,淬硬层的硬度/韧性/耐蚀性高由于C后工件变形小,工艺重复性好,常用于精密零件的B强化运行null附录4表:各种表面淬火工艺特点比较(续第19片)*单位(W/cm2)