材料科學(xué)與工程專業(yè)金屬熱處理原理及工藝表面熱處理課件市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

第十一章表面熱處理一、表面淬火二、少無氧化熱處理三、離子注入四、電子束處理第1頁(yè)一、表面淬火什么是表面淬火表面淬火有何特點(diǎn)表面淬火主要處理哪些問題表面淬火發(fā)展表面－心部不一樣性能要求，高效率生產(chǎn)不改變表面化學(xué)成份，只改變表面組織第2頁(yè)

?

關(guān)鍵點(diǎn)：用快速加熱法，使零件表面層很快地到達(dá)淬火溫度（A化），在熱量傳至內(nèi)部之前，馬上冷卻使表面層淬硬。?材料：中碳鋼及中碳合金鋼，如40、45、40Cr。感應(yīng)加熱?分類（加熱方法）激光加熱火焰加熱一、表面淬火第3頁(yè)（一）感應(yīng)加熱表面淬火1、感應(yīng)加熱原理*感應(yīng)電流---渦流*集膚效應(yīng)*電流透入深度(δ)與電流頻率(f)關(guān)系:利用電磁感應(yīng)原理集膚效應(yīng)示意圖感應(yīng)加熱表面淬火示意圖零件處于交變磁場(chǎng)（感應(yīng)線圈產(chǎn)生）中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），從而產(chǎn)生熱量（零件阻抗通電流產(chǎn)生熱量）使零件被加熱，隨即冷卻淬火。一、表面淬火第4頁(yè)ρ—工件電阻率μ——工件相對(duì)導(dǎo)磁率f——電流頻率可見：1）f愈高，δ越小，淬硬層深度越淺。2）ρ愈大，μ愈小，δ越大。第5頁(yè)2、分類（按電源頻率）工頻：50Hz，功率密度0.1～100W/cm2；中頻：＜10kHz，功率密度＜5W/cm2；高頻、超高頻：20～1000kHz，功率密度2～10W/cm2；普通地：淬火硬化層厚度隨感應(yīng)加熱器頻率↗而↘；但感應(yīng)電流隨感應(yīng)加熱器頻率↗而↗，即表面加熱熱效率高（易過熱）。應(yīng)依據(jù)工件尺寸和要求淬硬層深度選擇合理電流頻率。δ=10～15mmδ>2mmδ=0.5～2mm第6頁(yè)3、高頻感應(yīng)加熱表面淬火后組織和性能快速加熱時(shí)鋼相變特點(diǎn)1）臨界溫度升高，轉(zhuǎn)變?cè)谳^寬溫度范圍內(nèi)完成2）奧氏體晶粒較細(xì)3）奧氏體成份不均勻高頻感應(yīng)淬火后組織

M→M+F→原始組織高頻感應(yīng)淬火后性能

硬度比普通淬火高2～3HRC疲勞強(qiáng)度提升強(qiáng)度提升

第7頁(yè)4、感應(yīng)加熱淬火主要工藝原因

預(yù)處理：表面淬火前，須對(duì)零件進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，以確保零件心部含有良好綜合性能。硬化層深度確實(shí)定：抗磨損：1～6.5mm抗疲勞：2～12mm感應(yīng)加熱淬火溫度因?yàn)楦袘?yīng)加熱速度快，但組織轉(zhuǎn)變又含有熱滯后，為使組織轉(zhuǎn)變充分，所以感應(yīng)加熱溫度應(yīng)比常規(guī)加熱溫度提升30～50℃。加熱比功率（單位面積加熱功率W/cm2）比功率大，加熱熔化充分、相對(duì)晶粒較大。所以：大加熱比功率：原始組織較細(xì)、硬化層較深、移動(dòng)式連續(xù)加熱；小加熱比功率：原始組織較粗、零件形狀復(fù)雜、同時(shí)加熱。第8頁(yè)感應(yīng)器（感應(yīng)線圈）感應(yīng)器普通為中空、內(nèi)通冷卻介質(zhì)純銅管制造而成。（加熱方式、感應(yīng)器形狀、應(yīng)用情況等P133圖4—8）

后處理：表面淬火后，普通要對(duì)零件進(jìn)行低溫（160～200℃）回火處理，以降低淬火應(yīng)力和脆性。

冷卻：水，油，有機(jī)溶液噴射冷卻，浸淬第9頁(yè)5、工藝特點(diǎn)加熱速度快，熱效率高達(dá)60%以上，生產(chǎn)率高；產(chǎn)品質(zhì)量高，工件變形小，不易氧化及脫碳；易實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)品機(jī)械化和自動(dòng)化，清潔無污染。設(shè)備投資大,不適于復(fù)雜形狀零件和小批量生產(chǎn)。第10頁(yè)6、感應(yīng)加熱淬火舉例45鋼曲軸熱處理工藝。調(diào)質(zhì)處理：淬火加高溫回火淬火加熱溫度810～830℃，回火加熱溫度560℃，取得回火索氏體組織感應(yīng)加熱淬火：淬火加熱溫度830～870℃，噴水冷卻

Ac3Ac1T/℃HRC距表面距離淬硬層深度M+FMS回50％M點(diǎn)第11頁(yè)（二）火焰加熱表面淬火使用火焰燃燒器和冷卻噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬零件進(jìn)行表面加熱淬火熱處理工藝過程。燃燒氣體：煤氣、甲烷氣、丙烷氣、乙炔氣、氫氣等；冷卻介質(zhì)：水、油、合成水溶液等。一、表面淬火第12頁(yè)工藝特點(diǎn)：簡(jiǎn)單靈活加熱速度慢，冷卻速度也慢。在工件內(nèi)部?jī)?chǔ)存較多熱量，硬化層較深，不易淬裂，淬火硬度不高。適合用于中碳鋼（調(diào)質(zhì)鋼、工具鋼、模具鋼等）和鑄鐵零件表面淬火；適合用于大型零件，不適合用于薄壁零件。加熱溫度不易控制、工件表面易過熱、淬火質(zhì)量不夠穩(wěn)定。第13頁(yè)火焰加熱方式固定加熱旋轉(zhuǎn)加熱連續(xù)加熱

火焰加熱應(yīng)用趨勢(shì)帶壓力火焰加熱，提升加熱速度；帶保護(hù)氣氛加熱，降低氧化和脫碳；發(fā)展各種火焰噴涂和噴焊技術(shù)第14頁(yè)（三）電接觸加熱表面淬火工藝介紹利用觸頭（銅滾輪或碳棒）和工件之間形成電回路，在低電壓大電流作用下，利用電極與工件之間接觸電阻使工件表面局部加熱，并靠工件其它未被加熱部位傳導(dǎo)進(jìn)行自冷卻工藝。講義P142圖4-16工藝特點(diǎn)顯著提升工件表面耐磨和抗擦傷能力；淬硬層薄，形成局部硬質(zhì)點(diǎn)，屬于局部表面淬火；淬火后無須任何精加工，尺寸精度高，適合用于精密加工后零件表面淬火。應(yīng)用機(jī)床導(dǎo)軌、工模具、汽缸套等。一、表面淬火第15頁(yè)第16頁(yè)二、激光熱處理激光知識(shí)何為激光：受輻射光放大而產(chǎn)生光。含有單色性好、光亮度高、輻射方向性強(qiáng)等特點(diǎn)。激光主要應(yīng)用：(材料學(xué)科領(lǐng)域）

激光熱處理激光焊接激光快速成型激光切割激光檢測(cè)

視頻（激光淬火）第17頁(yè)激光熱處理加熱設(shè)備組成

透射式工件平面發(fā)射鏡控制系統(tǒng)工作平臺(tái)工件和激光束相對(duì)位置。工件反射式球面鏡平面發(fā)射鏡激光發(fā)射器

導(dǎo)光系統(tǒng)

第18頁(yè)M+ArM+F+ArS回1、激光表面淬火

一束高能激光束照射到金屬表面，使金屬表面局部溫度快速上升到奧氏體相變溫度以上，激光束移開后，靠工件未被加熱部位自冷卻淬火工藝過程。

調(diào)質(zhì)熱處理后表面激光淬火第19頁(yè)激光表面淬火性能硬度，碳鋼提升10％，鑄鐵提升1～2倍耐磨性提升近20倍殘余壓應(yīng)力高激光表面淬火特點(diǎn)快速加熱，快速冷卻處理層與基體結(jié)合強(qiáng)度高零件變形極小加工柔性好需吸光涂層第20頁(yè)相對(duì)前面而言,假如提升激光功率、降低光斑直徑、降低掃描速度時(shí)，工件表面薄層被熔化——激光表面熔化淬火。作用：（1）細(xì)化晶粒普通情況下能使降低9/10，硬度提升30%以上（2）消除表面夾雜對(duì)于鑄件粗大數(shù)枝晶常伴氧化物、硫化物、金屬化合物、氣孔等夾雜，激光表面重熔使雜質(zhì)釋放出來，同時(shí)表面細(xì)化（3）提升鑄鐵耐磨性為提升灰口鑄鐵和球墨鑄鐵耐磨性，采取激光表面熔化淬火，取得表面熔化區(qū)白口，組織為樹枝馬氏體+殘余奧氏體、樹枝間馬氏體+萊氏體+滲碳體；相變區(qū)馬氏體+殘余奧氏體+石墨；過渡區(qū)隱針形馬氏體+殘余奧氏體+石墨+未熔滲碳體2激光表面熔化淬火第21頁(yè)激光熱處理應(yīng)用應(yīng)用于缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、活塞環(huán)等；如大連機(jī)車車輛廠、西安內(nèi)燃機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、首都汽車企業(yè)、長(zhǎng)春一汽、多個(gè)激光加工中心等。例：38CrNi3MoV炮管內(nèi)膛激光熱處理。第22頁(yè)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體金屬表面，經(jīng)過激光加熱使其（預(yù)涂層）與基體表面共熔而混合，形成表面特種合金層。合金粉末添加方法：（1）預(yù)沉積法：預(yù)先在涂上一層合金涂膜層，然后用激光重熔。如粉末涂刷、熱噴涂、真空鍍、電鍍、化學(xué)鍍、預(yù)置薄板或金屬箔等。（2）共沉積法：在激光照射同時(shí)將合金粉末送入。第23頁(yè)激光表面合金化應(yīng)用（1）鐵基金屬將Cr、Ni等金屬在碳鋼表面激光合金化，在金屬表面形成表面鈍化膜；Mo在金屬表面形成減摩膜（2）有色金屬將Ni金屬表面激光合金化Au，電接觸點(diǎn)；Ti金屬表面激光合金化Pd,降低Ti金屬在還原酸中腐蝕速率；Cu表面激光合金化Cr，形成氧化膜；Al金屬表面激光合金化Si,提升表面硬度（3）金屬硅化物將Pt、Pd、Ni等合金化到Si表面，形成金屬觸點(diǎn)第24頁(yè)4激光表面熔覆在金屬基體表面上預(yù)涂一層金屬、合金或陶瓷粉末，在進(jìn)行激光重熔時(shí)，控制能量輸入?yún)?shù)，使添加層熔化并使基體表面層微熔，從而到達(dá)一外加熔覆層。（1）自溶合金粉末（Ni、Fe、Co、Cu基）（2）陶瓷粉末（碳化鎢、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鉻、氮化硼等）（3）熔覆基體——碳鋼和有色金屬第25頁(yè)5激光表面非晶化（激光上釉）利用激光伎倆在金屬表面上制得一非晶層。

非晶態(tài)與晶體相比，強(qiáng)度、韌性、硬度、導(dǎo)磁、耐腐蝕性均取得顯著提升。如對(duì)Fe-P-Si合金，2.1%C-12%Cr合金激光處理取得非晶層,但不是全部金屬都能取得非晶體.美國(guó)F-15戰(zhàn)斗機(jī)F100型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤激光制備非晶層，使其重量降低50%。第26頁(yè)6激光表面納米化利用激光束照射金屬表面，取得納米組織，或形成表面納米覆層。此項(xiàng)工作屬國(guó)際前沿科研項(xiàng)目，當(dāng)前正在進(jìn)行科學(xué)研究。7激光退火對(duì)于半導(dǎo)體材料（硅片、砷化鎵），當(dāng)某種工藝（如離子注入出現(xiàn)晶格缺點(diǎn)，失去電子活性），激光退火能夠消除缺點(diǎn)，使晶體結(jié)構(gòu)有序化。美國(guó)半導(dǎo)體太陽(yáng)能生產(chǎn)線均采取此項(xiàng)工藝。8激光沖擊硬化利用107W/mm2以上高功率密度脈沖激光照射金屬表面，使金屬表面猛烈氣化，形成沖擊波（104Mpa）反作用表面使其硬化。第27頁(yè)一）真空熱處理1、金屬在真空中加熱2、金屬在真空中冷卻3、真空熱處理工藝真空退火真空淬火及回火真空滲碳4、真空熱處理后鋼機(jī)械性能5、真空熱處理時(shí)應(yīng)注意問題三、少無氧化熱處理降低鋼氧化燒損、降低鋼脫碳熱處理工藝。第28頁(yè)降低鋼氧化燒損、降低鋼脫碳熱處理工藝。鋼在幾個(gè)氣氛中氧化和脫碳空氣：氧化：Fe+O2FeOFe2O3Fe3O4脫碳：C+O2CO2CO-CO2：

氧化—還原：3Fe+4CO2Fe3O4+CO

脫碳—增碳：C+CO22CO

Fe3C+CO2Fe+2CO

三、少無氧化熱處理二）可控氣氛熱處理不可控第29頁(yè)

H2-H2O：

氧化—還原：Fe+H2OFeO+H2

脫碳—增碳：Fe3C+H2O

3Fe+CO+H2

H2-CH4：

脫碳—增碳：C+2H2CH4

Fe3C+2H23Fe+CH4

第30頁(yè)

Fe3O4+H2Fe+H2O還原Fe3O4+

H2

Fe+

H2O氧化Fe3O4+COFe+CO2還原

Fe3O4+COFe+CO2氧化

T2

T1T/℃A-A’B-B’氣體百分比可控氣氛無氧化加熱原理普通燃料制備氣氛多為CO-CO2-H2-H2O混合氣體,所以必須考慮Fe+CO2

=FeO+CO和Fe+H2O

=FeO+H2綜合影響.①④③②C-C’

T3

第31頁(yè)普通地：燃料氣氛中多為CO-CO2-H2-H2O混合氣體。必定存在兩個(gè)反應(yīng)：

曲線左側(cè)為還原區(qū)，右側(cè)為氧化區(qū)

曲線左側(cè)為還原區(qū)，右側(cè)為氧化區(qū)A-A’線：氣氛H2O/H2為固定值，當(dāng)T＞T1是還原區(qū)，T＜T1是氧化區(qū)；所以冷卻氧化。C-C’線：氣氛CO2/CO為固定值，當(dāng)T＞T3是氧化區(qū)，T＜T3是還原區(qū)；所以加熱氧化。FeO+H2

Fe+H2O

FeO+COFe+CO2第32頁(yè)B-B’線：氣氛H2O/H2中加入氣氛CO2/CO混合氣氛時(shí)，T＞T3前，CO2/CO氣氛使鋼處于輕微氧化，但H2O/H2使鋼處于還原區(qū)被保護(hù)，還原作用大于氧化，所以高溫控制CO2、增加H2，有利降低鋼氧化。T＜T3后，CO2/CO氣氛使鋼處于還原，但H2O/H2使鋼處于氧化，還原作用大于氧化，所以低溫控制H2O、增加CO，有利降低鋼氧化。這么能夠取得光亮熱處理。第33頁(yè)四、表面離子注入將幾萬到幾十萬電子伏特高能離子流注入到固體材料表面,從而使材料表面機(jī)械、物理、化學(xué)性能發(fā)生改變。1離子注入改性機(jī)理（1）損傷強(qiáng)化離子注入使晶格大量損傷，晶格原子發(fā)生位移，形成空位—間隙原子對(duì)，隨即又撞擊其它晶格原子，形成損傷區(qū)，使金屬長(zhǎng)程有序變?yōu)槎坛逃行?，甚至非晶態(tài)，空位集結(jié)在位錯(cuò)周圍，產(chǎn)生釘扎強(qiáng)化。（2）摻雜強(qiáng)化N、B等被注入金屬后，會(huì)形成金屬化合物嵌于材料中，組成硬質(zhì)合金彌散強(qiáng)化相。（3）噴丸強(qiáng)化（4）增強(qiáng)氧化膜、提升潤(rùn)滑性離子注入促進(jìn)粘附性表面氧化物生長(zhǎng)，降低摩擦系數(shù)。第34頁(yè)2離子注入應(yīng)用（1）降低表面摩擦力注入離子對(duì)位錯(cuò)妨礙，使摩擦副表面邊得更脆；注入離子使表面氧化膜更易形成。（2）提升表面抗磨損性（3）提升表面耐腐蝕性利用鈍化、氧化膜理論，使注入離子能形成鈍化膜、氧化膜，從而實(shí)現(xiàn)防腐蝕第35頁(yè)五、表面電子束技術(shù)電子束射到材料表面會(huì)同材料原子核和電子發(fā)生交互作用，經(jīng)過與基體電子碰撞傳遞能量，改變材料表面原子點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化．（電子與原子核之間為彈性碰撞）1電子束強(qiáng)化特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)上電子束改性與激光含有大致相同特點(diǎn).二者差異:(1)能量利用率:金屬對(duì)激光吸收率低,而對(duì)電子束吸收率非常高,甚至高達(dá)99%,所以電子束含有更