材料表面改性技术

感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并 使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的 淬火方法。
• 当感应圈中通过一定频率交流电时， 在其内外将产生与电流变化频率相同 的交变磁场。将工件放入感应圈内， 在交变磁场作用下，工件内就会产生 与感应圈频率相同而方向相反的感应 电流。感应电流沿工件表面形成封闭 回路，通常称之为涡流。
3、喷丸表面质量及影响因素
（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化
金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层 位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷 丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将 产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。
如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥 氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。
（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响
表面粗糙度随弹丸粒度的增加而增加。
（3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响
（4）喷丸表层的残余应力 喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变，其中
以不均匀的塑性变形最重要。 工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强
度、硬度关系密切。材料强度高，表层最大残余应力大，但压应力层深 度较浅。反之，强度低的材料表层残余应力较小，但压应力层深度较 深。 在相同喷丸压力下，大直径弹丸产生的压应力较低，压应力层较深； 小直径弹丸产生的表面压应力较高，压应力层较浅。
• 感应电流透入深度：从电流密度最大的表面到电流值为表面的 1/e(e=2.718)处的距离。 56.386 f
超过失磁点的的电流透入深度称为热态电流透入深度（热），低于 失磁点的电流透入深度称为冷态电流透入深度（冷）。对于钢
冷
20 f
500 热 f
硬化层深度：硬化层深度总小于感应电流透入深度
1.4.4金属材料的表面改性技术
采用某种工艺手段使材料表面获得与基体材 料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料 的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性 能。
一、金属表面形变强化
• 原理：通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等） 在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化 层，此形变硬化层的深度可达0.5mm~1.5mm。
• 形变硬化层中产生两种变化： • （1）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密
度增加，晶格畸变度增大。 • （2）形成了高的宏观残余压应力。 • 作用：提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和
疲劳强度
（一）形变强化的主要方法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1、滚压
主要有滚压、内挤压和喷丸
2、喷丸 利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残
2、升温速度快，保温时间极短。和一般淬火相比，淬火加热温度高，过 热度大，奥氏体形核多，又不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐 晶马氏体，故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高 HRC2～3。
3、工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表面产生 很大的残余压应力，可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。
2、喷丸强化用的设备 按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。 （1）机械离心式喷丸机 功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。 适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。 （2）气动式喷丸机 适用于喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。
• 此涡流能将电能变成热能，使工件加 热。涡流在被加热工件中的分布由表 面至心部呈指数规律衰减。因此涡流 主要分布在工件表面，工件内部几乎 没有电流通过。这种现象叫做表面效 应或集肤效应。
• 感应加热就是利用集肤效应，依靠电 流热效应把工件表面迅速加热到淬火 温度的。当工件表面在感应圈内加热 到相变温度时，立即喷水或浸水冷却， 实现表面淬火工艺。
4、工件的耐磨性比普通淬火高。这与奥氏体晶粒细化、表面硬度 高以及表面压应力状态等因素有关。
3 工频感应加热表面淬火：电流频率50Hz，表面硬化层深度 10~15mm。适用于大直径钢材的穿透加热及要求淬硬层深的大 工件的表面淬火。
工件表面淬火后应进行低温回火以降低残余应力和脆性，并保持表面高硬度 和高耐磨性。 淬火前的原始组织应为调质态或正火态。
（三）感应加热表面淬火的特点
1、感应加热时，由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间内达到 Ac3以上很高的温度，而工件心部仍处于相变点之下。中碳钢高频淬 火后，工件表面得到马氏体组织，往里是马氏体加铁素体加屈氏体组 织，心部为铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织。
（二）感应加热表面淬火的分类 1 高频感应加热表面淬火：电流频率80－1000kHz，表面硬化层深
度0.5~2mm。主要用于中小模数齿轮和小轴的表面淬火 2 中频感应加热表面淬火：电流频率2500－8000Hz，表面硬化层
深度3~6mm。主要用于淬硬层要求较深的零件，如发动机曲轴、 凸轮轴、大模数齿轮等。
余压应力。 广泛应用在弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件，可显
著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点 蚀能力。
（二）喷丸表面形变强化工艺及应用
1、喷丸材料 铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液 体喷丸介质 黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷 丸 有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸
二、表面热处理
定义：表面热处理是指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变表 层组织和性能而不改变成份的一种工艺，是最基本、应用最广 泛的材料表面改性技术之一。
原理：当工件表面层快速加热时，工件截面上的温度分布是不均 匀的，工件表层温度高且由表及里逐渐降低。如果表面的温度 超过相变点以上达到奥氏体状态时，随后的快冷可获得马氏体 组织，而心部扔保留原组织状态，从而得到硬化的表面层，即 通过表面层的相变达到强化工件表面的目的。