表面淬火技术课件.ppt

1、1表面淬火表面淬火2概述概述表面淬火是一种对零件需要硬化的表面进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。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。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经表面淬火的零件不仅提高了表面硬度和耐磨性耐磨性,而且与经过适当预先热处理的心部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组织相配合，可以获得很高的疲劳强度和适当韧性。适当韧性。3工件表面与心部使用性能的差异工件表面与心部使用性能的差异:表面应力最大表面应力最大表面应力集中最大表面应力集中最大表面最容易发生变形表面最容易发生变

2、形磨损发生在表面磨损发生在表面腐蚀从表面开始腐蚀从表面开始 因此因此,表面是零件的薄弱位置，是引起零表面是零件的薄弱位置，是引起零件失效的策源地。件失效的策源地。4510.1 表面淬火工艺分类表面淬火工艺分类实现表面淬火的基本条件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。6表面淬火方法分类表面淬火方法分类根据加热时的供热方法分根据加热时的供热方法分:感应加热、火焰加热、电解液、盐浴加感应加热、

3、火焰加热、电解液、盐浴加热、电接触、激光加热、电子束加热、离热、电接触、激光加热、电子束加热、离子束加热、高频脉冲、红外聚焦加热等子束加热、高频脉冲、红外聚焦加热等根据能量密度分：根据能量密度分：较低能量密度加热和高能量密度加热较低能量密度加热和高能量密度加热根据能量来源分：根据能量来源分：内热源加热和外热源加热内热源加热和外热源加热710.2 快速加热时的相变特点快速加热时的相变特点 快速加热时快速加热时,加热速度对相变温度、相变动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处理后的组

4、织和性能。其相变特点有以下几方面:提高相变临界温度提高相变临界温度奥氏体起始晶粒得到细化奥氏体起始晶粒得到细化奥氏体成分均匀性降低奥氏体成分均匀性降低降低过冷奥氏体的稳定性降低过冷奥氏体的稳定性自回火现象自回火现象810.2.1提高相变临界温度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。910.2.2 奥氏体起始晶粒得到细化奥氏体起始晶粒得到细化快速加热能得到更快速加热能得到更细小的奥氏体晶粒细小的奥氏体晶粒,而且加热速度越快，而且加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。奥氏体晶粒越细小。1010.2.4奥氏

5、体成分均匀性降低奥氏体成分均匀性降低1110.2.4降低过冷奥氏体的稳定性降低过冷奥氏体的稳定性121310.2.5自回火现象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。141510.3 表面淬火后的组织及性能表面淬火后的组织及性能10.3.1 10.3.1 表面淬火后的组织表面淬火后的组织10.3.2 10.3.2 表面淬火后的有效硬化层深度表面淬火后的有效硬化层深度10.3.3 10.3.3 表面残余应力表面残余应力10.3.4 10.3.4 表面淬火后的性能表面淬火后的性能1610.3.1 表面淬火后的组织表面淬火后的

6、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。1710.3.2表面淬火后的有效硬化层深表面淬火后的有效硬化层深度度断面硬度法断面硬度法测量与硬化表面垂直切断的磨光平面上测量与硬化表面垂直切断的磨光平面上,用用维氏硬度计（载荷维氏硬度计（载荷9.8N9.8N）从零件表面开始）从零件表面开始测量测量硬处度硬处度直到直到0.80.8倍硬度下限值（倍硬度下限值（HVHVMSMS）处）处的距离。作为有效硬化层深度的距离。作为有效硬化层深度(DS),(DS),可用下可用下式表示式表示MSHLHVHV8.01810.3.3 表面残余应

7、力表面残余应力表面淬火后表面淬火后,热应力引起的残余应力是表面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拉应力，组织应力所引起的残余应力是表面压应力。面压应力。表面淬火零件在淬火后产生的内应力是热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。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，在表面表面淬硬层内有残余压应力存在，在表面处，其值可达到处，其值可达到686784MPa686784MPa，主要由组织，主要由组织应力引起。应力引起。192010.3.4 表面淬火后的性

8、能表面淬火后的性能1.1.表面硬度表面硬度21 表面淬火使表面的硬度比普通淬火高表面淬火使表面的硬度比普通淬火高23HRC,23HRC,提高，原因提高，原因:细奥氏体晶粒组织细奥氏体晶粒组织残余奥氏体量降低残余奥氏体量降低零件表面形成压应力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，如硬度增高现象还与热处理工艺参数有关，如加热速度。加热速度。22232.2.耐磨性耐磨性243.3.疲劳强度疲劳强度252610.4 感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面感应加热表面淬火是利用电淬火是利用电磁感应的原理磁感应的原理,使工件表层产使工件表层产生涡流而被迅生涡流而被迅速加热，进行速加热

9、，进行淬火的方法。淬火的方法。27感应加热表面淬火的优点感应加热表面淬火的优点加热速度极快、时间短、热效率高加热速度极快、时间短、热效率高,工件表工件表面不易氧化脱碳。面不易氧化脱碳。表面奥氏体晶粒细化，同时心部仍为原始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。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。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，生产效动化生产，可放置在生产线上，生产效率高。率高。2810.4.1 感应加热的基本原理感应加热的基本原理1.1.电磁感

10、应电磁感应 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:29式中式中,K-比例系数比例系数;-工件上感应电流回路包围面工件上感应电流回路包围面积上的总磁通；积上的总磁通；d/d-磁通量变化率；负号表示磁通量变化率；负号表示感应电动势方向与磁通量变化率方向相反。感应电动势方向与磁通量变化率方向相反。ddKe30工件中感应出来的涡流方向工件中感应出来的涡流方向,在每一瞬时和在每一瞬时和感应线圈中的电流方向相反。涡流强度感应

11、线圈中的电流方向相反。涡流强度If取取决于感应电动势决于感应电动势(e)及工件涡流回路的电抗及工件涡流回路的电抗(Z)，而电抗，而电抗Z由电阻由电阻R和感抗和感抗(XL)组成，则组成，则涡流强度涡流强度:22LfXReZeI312.表面效应（集肤效应）表面效应（集肤效应）涡流强度涡流强度If随高频电磁场强度由工件表面向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。离表面效应或集肤效应。离表面x处的涡流强度处的涡流强度:式中式中,I0-表面最大的涡流强度表面最大的涡流强度;x-到工件表到工件表面的距离；面的距离；-与工件材料物

12、理性质有关的与工件材料物理性质有关的系数。系数。xxeII032所以所以,当当x=0时，时，Ix=I0 当当x0时，时，IxI0 当当x=时，时，工程规定，当涡流强度从表面向内层降低工程规定，当涡流强度从表面向内层降低到表面最大涡流强度的到表面最大涡流强度的36.8%(即即)时，由该时，由该处到表面的距离处到表面的距离称为称为电流透入深度电流透入深度。00368.01IeIIx33在感应加热实践中在感应加热实践中,钢中电流透入深度的计钢中电流透入深度的计算常常使用下列简化公式算常常使用下列简化公式:在在20时：时：在在800时：时：式中，式中，f-感应线圈交流电频率。感应线圈交流电频率。)(2

13、020mmf)(50020mmf343.3.感应加热的感应加热的物理过程物理过程354.4.邻近效应邻近效应当高频电流在两导体中彼此反向流动或在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一个往复导体中流动时,电流会集中于导体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邻近效应在感应加热中有很重要的实际意义。义。3610.4.2 感应加热用感应器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

14、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连接机构：将感应器的汇流条与淬火变压器加紧器加紧冷却装置：冷却汇流条和感应导体冷却装置：冷却汇流条和感应导体,或喷射或喷射冷却零件。冷却零件。3710.4.3 感应加热淬火工艺控制感应加热淬火工艺控制1.1.预先热处理预先热处理382.2.比功率比功率比功率是指单位面积上供给的电功率比功率是指单位面积上供给的电功率,是通是通过调节电源输出功率获得的。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、所要求的的电参数，其一般由工件尺寸、所要求的硬化层深度、

15、电流频率及设备输出功率等硬化层深度、电流频率及设备输出功率等因素决定。因素决定。393.3.淬火加热温度及加热方法的选择淬火加热温度及加热方法的选择4041感应加热方法感应加热方法:同时加热法和连续加热法同时加热法和连续加热法424.4.冷却方式及冷却介质的选择冷却方式及冷却介质的选择冷却方式冷却方式:浸液冷却法和喷射冷却法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冷却介质：水、油及水溶性淬火介质等435.5.回火工艺规范的确定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表面较高的硬度和残余压应力,一般只进行

16、一般只进行低温回火。其目的是为了降低脆性、提高低温回火。其目的是为了降低脆性、提高韧性、增加尺寸稳定性。韧性、增加尺寸稳定性。回火方式回火方式:炉中回火、自回火和感应加热回炉中回火、自回火和感应加热回火火44炉中回火炉中回火45自行回火自行回火46感应加热回火感应加热回火工件在感应加热淬火后工件在感应加热淬火后,接着在回火感应器接着在回火感应器中进行回火加热，称为感应加热回火。中进行回火加热，称为感应加热回火。优点优点:回火时间短、回火温度相对要高回火时间短、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。后耐磨性较高，冲击韧性也较大

17、。4710.4.4 感应加热的应用与发展感应加热的应用与发展1.1.感应加热的应用感应加热的应用484950感应加热技术的发展感应加热技术的发展（1 1）感应加热电源）感应加热电源（2)2)淬火机床淬火机床（3 3）淬火工艺）淬火工艺（4 4）感应器）感应器（5 5）冷却系统）冷却系统5110.5 其他高能密度加热淬火其他高能密度加热淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火高频脉冲淬火高频脉冲淬火激光加热表面淬火激光加热表面淬火电子束加热表面淬火电子束加热表面淬火5210.5.1 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火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是利用氧乙炔气体或其它可燃气体

18、（如天然气、煤气、石油气等）以一定比燃气体（如天然气、煤气、石油气等）以一定比例混合进行燃烧例混合进行燃烧,形成强烈的高温火焰，将工件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。原始组织的一种表面淬火方法。53优点优点:具有设备简单、费用低具有设备简单、费用低,操作方便、灵活性操作方便、灵活性大。对单件、小批量生产或需在户外淬火，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、淬火面积很或运输拆卸不便的

19、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、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。机车、船舶等工业部门得到了广泛的应用。54火焰淬火方法火焰淬火方法固定火焰淬火法固定火焰淬火法旋转火焰淬火法旋转火焰淬火法连续推进火焰淬火法连续推进火焰淬火法联合火焰淬火法联合火焰淬火法55火焰加热表面淬火设备火焰加热表面淬火设备热源热源56火焰加热表面淬火工艺控制火焰加热表面淬火工艺控制57火焰加热表面淬火前的原始组织火焰加热表面淬火前的原始组织,最好是回最好是回火索氏体或细珠光体组织。因此其

20、预先热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。处理通常选用调质或正火处理。58加热温度、加热时间控制加热温度、加热时间控制59硬化层深度的控制硬化层深度的控制60高频脉冲淬火高频脉冲淬火高频脉冲淬火（又称超高频冲击淬火）是高频脉冲淬火（又称超高频冲击淬火）是感应加热表面淬火的一个新发展感应加热表面淬火的一个新发展,属于高能属于高能密度加热表面淬火。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，可在行超高速加热，可在1100ms1100ms内将工件表面内将工件表面迅速加热到淬火温度，然后靠热量向未加迅速加热到淬火温

21、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。表面淬火硬化的工艺方法。6162高频脉冲淬火的特点高频脉冲淬火的特点:加热时间短加热时间短,使奥氏体晶粒细化，淬火后得使奥氏体晶粒细化，淬火后得到极细微的马氏体组织，具有很高的硬度、到极细微的马氏体组织，具有很高的硬度、强度及耐磨性强度及耐磨性;硬化层深度很浅，过渡层很硬化层深度很浅，过渡层很薄，无变形；薄，无变形；无氧化脱碳，表面光洁度高；无氧化脱碳，表面光洁度高；生产率高生产率高主要应用于小型工具主要应用于小型工具工艺稳定、可靠，易于实现自动化生产。工艺稳定、可靠，易于实现自

22、动化生产。63激光加热表面淬火激光加热表面淬火激光加热表面淬火是利用高能密度激光加热表面淬火是利用高能密度(功率密度大于功率密度大于103W103Wcm2)cm2)激光束对金属工件表层迅速加热和随后激光束对金属工件表层迅速加热和随后激冷激冷,使其表层发生固态相变而达到表面强化的一使其表层发生固态相变而达到表面强化的一种淬火工艺。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，具有如下优点表面淬火相比，具有如下优点:由于能量密度高，由于能量密度高，加热速度极快，无氧化脱碳，热变形极小加热速度极快，无氧化脱碳，热变形极小;冷却速冷却速度也很快，可自淬火而无需冷却介质；表面光洁度度也很快，可自淬火而无需冷却介质；表面光洁度高，不需要再高，不需要再 进行表面精加工，可作为最后一道进行表面精加工，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）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。进行局部表面淬火。6465电子束加热表面淬火电子束加热表面淬火