表面工程4章节.doc
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第四章 表面淬火和变形强化
1表面淬火技术的原理和特点
2感应加热表面淬火
3火焰加热表面淬火
4激光加热表面淬火
4-1. 表面淬火技术的原理
将钢表面快速加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1 (过共析钢)以上,然后使之迅速冷却并 转变为马氏体。
将钢整体加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1 (过共析钢)以上,然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。
2. 表面淬火对材料的要求
凡是能进行整体淬火强化的材料都可以进行表面淬火。
低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化(齿轮渗碳)。
表面硬度要求越高,要求钢碳含量和合金含量越高;表面硬化层越深,要求钢淬透性越好。
3.与常规淬火技术的区别
在一定加热速度范围内,V加热↑,T临界↑
V加热↑,奥氏体成分的不均匀性↑
a. C 成分不均匀,从相图上看与F,K 相邻的浓度相 差很大,C 来不及扩散。
b. 合金元素不均匀
预先热处理(调质、正火、球化退火)——表面淬火
V加热↑,奥氏体晶粒细化显著
a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在F 和K相界上形成,A在F 亚晶界上形成。
b.加热时间短,如果加热速度10 7 度/S,形成时间10-5S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。
V冷却↑,表面硬度高
4. 表面淬火技术的特点
生产效率高,能耗小。
加热快,冷却快:组织细,硬度高;组织均匀性差(渗碳体来不及溶解和扩散)。
表面组织细,硬度高,中部硬度低,韧性好。
4.2 感应加热表面淬火技术
1感应加热淬火原理
将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附近,感应圈通电,在高频(中频)交流磁场的作用下(如果工件与线圈的间隙非常小)由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡流,大小与线圈电流相等,方向相反。
涡流产生热量,将工件表面加热迅速加热到淬火温度,并用冷却介质快速冷却,达到对工件表面淬火的目的。
2感应加热淬火技术特点
效率高 ; 变形小 ; 深度可控 ; 需要制作特定的线圈 ; 电源功率大 ; “尖角”效应
3感应加热淬火技术应用
高频淬火:轴类零件,磨损量小,但精度要求高的零件
中频淬火:齿轮、活塞环槽,有明显磨损量,精度要求较高的零件
工频或双频:轧辊,磨损量大
表面淬火在粗加工或半精加工后进行,最后只留磨量。
4.3 火焰加热表面淬火技术
1 火焰淬火(flame quenching)原理:
用火焰快速将工件表面加热到淬火温度,并快速冷却,使工件表面得到淬火组织。
控制参数:火焰大小、火焰与工件的相对距离和相对移动速度
淬火深度:钢淬透性、加热深度和冷却条件等
2优点:
设备简单;操作灵活;操作简单
适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火
3缺点:
生产效率低;难以控制,需要丰富的经验;淬火层的均匀性差;变形大
4适用范围
适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火
导槽、模具、凸轮轴(凸台)
4.4 激光加热淬火技术
1激光加热原理:
用激光束加热材料表面,使之迅速生高到相变温度以上。
1.1 激光加热的特点:能量密度高,加热速度快、温度高,且容易控制。
2激光淬火(Laser Quenching)原理:
用激光束加热材料表面,使之迅速生到相变点温度以上但不熔化,当激光束移开后表层自行快速冷却,并转变为马氏体。
2.1特点
能量密度高,加热速度快、温度高,不需要淬火冷却介质。
3优点:
☆工件变形小
☆能量集中,热影响区小
☆加热深度和轨迹容易控制
☆适用于表面重熔,甚至可以熔化陶瓷。
为了不使材料熔化,激光淬火时能量密度一般为1000~6000 J/cm2 。
4缺点:
存在回火软化带,对要求大面积均匀硬化层的工件不利
5应用
(1)高精度零件处理
汽车大梁,汽车油泵,空压机、发动机的汽缸,汽车凹轮轴,热锻模大型内齿圈
(2)管材内表面改性
例:管内机器人+激光表面改性技术,对细长管材内表面硬化处理,提高耐磨性,延长寿命,减少管材的使用量。
外径60mm,壁厚8mm,长2300mm的细长空心轴,淬火后振摆变形小于0.2mm
4.5 变形强化
1变形强化机理:
塑性变形←位错运动→位错增殖→位错交结→强度提高
塑性变形→马氏体相变→强度提高
最常用来表示金属材料变形强化的公式是Hollomon公式:S=Ken
式中:S为真应力;e为真应变;n为变形强化指数;K材料硬化系数。
2(1)喷丸或抛丸强化:钢丸高速撞击工件表面,使表层材料产生大量的塑性变形。
(2)滚压强化:用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面,使工件表面产生大量的位错。
产生大量的位错,如有奥氏体相,促使马氏体相变,提高材料的表面强度。
较大的残余压应力。
提高材料的强度,特别是疲劳强度的方法。
4.5.1 喷丸强化
1 喷丸强化:压缩空气带动钢丸高速撞击工件。
2优点:撞击点集中,易于控制。
4.5.2 抛丸强化
1特点 抛丸强化撞击面大,生产效率高。用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、车轮以及大批量生产的零件等。
4.5.3 滚压强化
1.原理 在一定的压力作用下,用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面,使工件表面产生大量的 位错和较大的残余压应力,从而提高材料的表面强度,特别是疲劳强度的方法。
表面滚压的强化原理与喷丸和抛丸相同。
2适用范围 滚压强化适用于轴类零件和沟槽类零件,不能用于复杂零件。滚压改性层深度可达5mm以上,球墨铸铁曲轴滚压疲劳强度可提高20~33%
滚压强化使零件产生变形,必须进行矫正处理。
第五章 热扩渗
定义:
将工件放在特殊的介质(气体、液体或固体)中,使介质中的某一种或几种元素渗入工件表面,形成一定厚度的扩散层(或掺杂层),从而改变材料成分、组织和性能的方法。
热扩渗技术机理:
渗剂产生活性原子,并不断提供给基体金属表面。
活性原子吸附在基体金属表面,并被基体金属吸收,形成固溶体或金属间化合物。
活性原子不断向基体金属内部扩散,渗层厚度不断增加。
热扩渗目的:
提高强度、硬度和耐磨性。渗氮表面硬度达950Hv~1200Hv,渗硼表面硬度达1400Hv~2000Hv。
提高疲劳强度。渗碳、渗氮和渗铬使材料发生相变,表层体积膨胀,导致产生残余压应力。
提高淬透性。低碳钢、低合金钢渗碳。
提高抗咬合、抗粘着能力和降低摩擦系数,如渗硫、氮化。
提高耐腐蚀性能,如渗铝、渗氮等
气体
渗碳气氛的形成方式:
滴注式气体渗碳:向炉内滴入含碳有机液体,如煤油。(设备简单,要求经验)
吸入式气体渗碳:吸入富碳气氛进行渗碳。(专用设备,大批量生产)
氮基气氛渗碳:以纯氮为载体,加入碳氢化合物,一并注入炉内形成富碳气氛进行渗碳。 (专用设备)
气氛检测仪器(CO2、CH4、CO分析仪)
优点:提高硬度和耐磨性的同时,心部能保持相当高的韧性,可承受冲击载荷,疲劳强度较高
缺点:处理温度高,工展开阅读全文

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