4.4材料的表面强化Surface Strengthening of Materials4.4.1表面强化概述（Introductionofsurfacereinforcing)4.4.2表面萍火（Surfacequenching）化学热处理（Chemicalheat-4. 4. 3treatment)
4.4 材料的表面强化 Surface Strengthening of Materials ⚫4.4.1 表面强化概述 ( Introduction of surface reinforcing ) ⚫4.4.2 表面淬火( Surface quenching ) ⚫4．4．3 化学热处理 ( Chemical heattreatment )
表面强化概述4. 4. 1（Introductionof surface reinforcing我国著名材料学专家、两院院士师昌绪先生指出：表面工程，是应用物理、化学、机械等方法改变固体材料表面成分或组织结构，获得所要求的性能，以提高产品的可靠性或延长使用寿命的各种技术的总称。国际著名学者Be11教授给出了目前得到国际认可的表面工程定义：“表面工程就是将传统的和新型的表面技术应用到工程构件和工程材料上，从而得到具有基体和表面材料均无法获得的复合材料。由于各种表面技术经常用于工程构件设计，所以理论上说，来表面工程就是要采用表面处理的构件的设计”。这标志着表面工程作为一种新的工程技术领域正在形成，同时它正在形成一门新兴科学。表面工程技术包括表面强化技术、表面加工和表面预处理（简称表面处理）技术。表面强化技术定义为增强材料表面强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、物理性能以及美观等表面处理方法的总称，它包括机械的、物理的、化学的以及物理化学的一系列表面强化处理方法。其主要自的在于增强材料的使用性能。而表面加工技术和表面预处理技术两者的目的旨在改变材料的外形和表面状态，一般不增强材料的使用性能
4.4.1 表面强化概述 ( Introduction of surface reinforcing ) ⚫ 我国著名材料学专家、两院院士师昌绪先生指出：表面工程，是应用物理、化 学、机械等方法改变固体材料表面成分或组织结构，获得所要求的性能，以提高产 品的可靠性或延长使用寿命的各种技术的总称。国际著名学者Bell教授给出了目前 得到国际认可的表面工程定义：“表面工程就是将传统的和新型的表面技术应用到 工程构件和工程材料上，从而得到具有基体和表面材料均无法获得的复合材料。由 于各种表面技术经常用于工程构件设计，所以理论上说，表面工程就是要采用表面 处理的构件的设计”。这标志着表面工程作为一种新的工程技术领域正在形成，同 时它正在形成一门新兴科学。表面工程技术包括表面强化技术、表面加工和表面预 处理（简称表面处理）技术。 ⚫ 表面强化技术定义为增强材料表面强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、物理性能以 及美观等表面处理方法的总称，它包括机械的、物理的、化学的以及物理化学的一 系列表面强化处理方法。其主要目的在于增强材料的使用性能。而表面加工技术和 表面预处理技术两者的目的旨在改变材料的外形和表面状态，一般不增强材料的使 用性能
4.4.1表面强化概述(Introduction ofsurface reinforcing可见，表面强化是表面工程的核心内容，是决定强化表层的成分、组织结构与性能的关键技术。按表面强化的工艺特点可分为如下6类：①表面冶金强化（它包括堆焊、热喷涂、激光重熔等）；②表面形变（机械）强化（它包括喷丸、滚压、挤压等）：③表面热处理强化（它包括表面萍火、化学热处理等）；④表面薄膜强化（它包括电镀、电刷镀、气相沉积、化学镀等）；表面非金属化处理（它包括喷塑、粘涂、涂装等）；③高能束（密度）表面强化（它包括电子束、离子束、激光束等）。其中以表面萍火和化学热处理等应用最为普遍。表面强化的性能要求“表硬内韧
4.4.1 表面强化概述 ( Introduction of surface reinforcing ) ⚫可见，表面强化是表面工程的核心内容，是决定强化表层的成分、组织、 结构与性能的关键技术。 ⚫按表面强化的工艺特点可分为如下6类： ⚫①表面冶金强化（它包括堆焊、热喷涂、激光重熔等）； ⚫②表面形变（机械）强化（它包括喷丸、滚压、挤压等）； ⚫③表面热处理强化（它包括表面淬火、化学热处理等）； ⚫④表面薄膜强化（它包括电镀、电刷镀、气相沉积、化学镀等）； ⚫⑤表面非金属化处理（它包括喷塑、粘涂、涂装等）； ⚫⑥高能束（密度）表面强化（它包括电子束、离子束、激光束等）。 ⚫ 其中以表面淬火和化学热处理等应用最为普遍。 ⚫表面强化的性能要求 - “表硬内韧
表面萍火（Surfacequenching）4.4.2 31.表面萍火的定义与分类定义：将工件表面快速加热到率火温度，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未萍火状态的一种局部萍火方法钢经表面萍火（一般指表面萍火十低温回火）后，其表层组织为极细回火马氏体（隐晶M)，而心部则为原始组织，一般为回火索氏体或正火索氏体表面萍火方法很多，当前工业中广泛应用的就是感应加热表面萍火法、激光加热表面萍火法、火焰加热表面火法、电接触加热表面萍火法等。12002.感应加热表面萍火简介0（1）基本原理：“电磁感应”、“集肤效应”（2）感应加热的分类0150140SK（3）感应加热表面淬火的特点（4）感应加热表面萍火用钢及加工工艺路线3.火焰加热表面萍火简介图7-5机床导轨接触电热表面凉火示围
4.4.2 表面淬火 ( Surface quenching ) 1. 表面淬火的定义与分类 ⚫定义：将工件表面快速加热到淬火温度，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使 工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。 ⚫ 钢经表面淬火（一般指表面淬火＋低温回火）后，其表层组织为极细回火马氏体 (隐晶M)，而心部则为原始组织，一般为回火索氏体或正火索氏体。 ⚫ 表面淬火方法很多，当前工业中广泛应用的就是感应加热表面淬火法、激光加热表 面淬火法、火焰加热表面淬火法、电接触加热表面淬火法等。 2. 感应加热表面淬火简介 ⚫ （1）基本原理： “电磁感应” 、 “集肤效应” ⚫ （2）感应加热的分类 ⚫ （3）感应加热表面淬火的特点 ⚫ （4）感应加热表面淬火用钢及加工工艺路线 ⚫ 3. 火焰加热表面淬火简介
2.感应加热表面萍火(1）定义感应加热表面淬火是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速工件加热感应圈闯限加热然后快速冷却的一种热处理工艺操作。（接高频电源）(1.5-3mm)(2)基本原理：进水500~600出水8=式中：8一感应电流透淳火喷水餐入深度，mm；f—一电流频率，Hz。水加热火层“电磁感应”：把工件放入由空心铜管绕成的感应器线圈中，感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，于是工件N内就会产生频率相同、方向相反的感生电流流“集肤效应”这种感生电流在工件中的分布是不均匀的，主密要集中在表面层。愈靠近表面、电流密度愈大；频率愈高，电文电流集中层流集中的表面层愈薄，这种现象称为集肤效应
（1）定义 感应加热表面淬火是采用一定方法使 工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速 加热然后快速冷却的一种热处理工艺操作。 （2）基本原理： δ= 。 式中:δ——感应电流透 入深度，mm; f——电流频率，HZ 。 “电磁感应”: 把工件放入由空心铜管绕成的感应器线圈中， 感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，于是工件 内就会产生频率相同、方向相反的感生电流。 “集肤效应”:这种感生电流在工件中的分布是不均匀的，主 要集中在表面层。愈靠近表面、电流密度愈大;频率愈高，电 流集中的表面层愈薄，这种现象称为集肤效应。 2.感应加热表面淬火 f 500 ~ 600
感应加热表面淬火操作示意图感应加热表面淬火示意图加热感应进水+→出水一泽火喷水面水start
感应加热表面淬火操作示意图
2.感应加热表面淬火(3)感应加热的分类、工作电流频率及应用如表4-9所示表4-9感应加热种类、工作电流频率及应用范围应用范面浮硬层深度/mm感应加热类型工作电流频率100~200kHz0.52中小模数齿轮（m<3），中小轴，机床导轨等高频感应加热（常用200~300kH）20-60kHz中小模数齿轮（m=3~6），花链轴，曲轴，凸轮轴等2. 5 ~ 3. 5超音频感应加热（常用30~40kHz）大中模数齿轮（m=812），大直径轴类，机床导500-10000Hz2 -10中频感应加热轨等（常用800~2500Hz）10~20大型零件，如冷乾辑、火车车轮、柱塞等50Hz工频感皮加热
2. 感应加热表面淬火 （3）感应加热的分类、工作电流频率及应用 如表4-9所示。 表4-9 感应加热种类、工作电流频率及应用范围
回顾：奥奥氏体晶粒大小及其控制奥氏体晶粒度的控制：转变开始线快速加热法。均匀化02它可以使Ac1Vl2转变终止线Ac3相变点升高，转变L1O-温度范围扩大，但转727Ap变所需时间缩短。T2TI时间
回顾：奥氏体晶粒大小及其控制 奥氏体晶粒度 的控制： 快速加热法。 它可以使AC1、 AC3相变点升高，转变 温度范围扩大，但转 变所需时间缩短
2.感应加热表面萍火（4）感应加热表面萍火的特点与普通加热率火相比，感应加热表面火有以下特点：①感应加热速度极快（快速加热）一般只需儿秒至儿十秒时间就可使工件达萍火温度。由于快速加热，使相变临界点(AcI、AC3)升高，转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。②工件表层获得极细小的M称隐晶M)组织使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高2～3HRC)且脆性较低。由于表层淬火时M体积膨胀，使工件表层存在残余压应力，因而具有较高的疲劳强度。由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且③工件表面质量好淬火时工件变形小。④生产效率高便于实现机械化、自动化。萍硬层深度也易于控制。上述特点使感应加热表面萍火在工业上获得日益广泛的应用。但其缺点是工艺设备较贵，维修调整困难，对手形状复杂的零件的感应器不易制造等
2. 感应加热表面淬火 ⚫（4）感应加热表面淬火的特点 与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火有以下特点: ⚫①感应加热速度极快（快速加热） 一般只需几秒至几十秒时间就 可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点(Acl、Ａc3)升高， 转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。 ⚫②工件表层获得极细小的M(称隐晶M)组织 使工件表层具有比普通 淬火稍高的硬度(高2～3HRC)且脆性较低。由于表层淬火时M体积 ⚫③工件表面质量好 由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且 ⚫④生产效率高 便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。 ⚫ 其缺点是工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应
45钢高频淬火后的金相组织图6-18高频表面净火后，45钢的金镜组织a）马氏体层b）过改层c）心部
45钢高频淬火后的金相组织