金属热处理工艺学表面淬火.pptx

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1、表面淬火方法分类能量供给形式能量供给形式以高能量密度加热、快速加热工件表面，而不向心部传递。p感应加热：电磁感应、集肤效应和热传导p火焰加热：极高温可燃气体加热工件表面p电接触加热p电解液加热p激光加热p电子束加热p等离子束加热第1页/共54页钢的表面淬火钢的表面淬火钢在非平衡加热时的相变特点表面淬火后的组织表面淬火后的性能钢在非平衡加热时的相变特点第2页/共54页钢在非平衡加热时的相变特点制订热处理工艺制订热处理工艺成分成分温度温度相图相图时间时间速度速度 钢在表面淬火的基本条件是有足够的能量密度提供表面以足够快的速度加热至相变点以上的温度。加热速度可达每秒钟百摄氏度。因此，在表面淬火时，钢

2、处于非平衡加热状态非平衡加热状态。第3页/共54页钢在非平衡加热时的相变特点图1.快速加热条件下非平衡Fe-C相图图2.加热速度对珠光体向奥氏体转变温度范围的影响特点特点1.1.在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高。在快速在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高。在快速加热时，珠光体向奥氏体转变是在一个温度范围内完成的。加热时，珠光体向奥氏体转变是在一个温度范围内完成的。第4页/共54页钢在非平衡加热时的相变特点特点特点2.2.奥氏体成分不均匀性随加热速度的增加而增大。奥氏体成分不均匀性随加热速度的增加而增大。特点特点3.3.提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒。提高加

3、热速度可显著细化奥氏体晶粒。特点特点4.4.快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响。快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响。u加热速度快、时间短，碳及合金元素来不及扩散，造成奥氏体中加热速度快、时间短，碳及合金元素来不及扩散，造成奥氏体中成分不均匀。成分不均匀。u形核处增加：铁素体与碳化物相界、铁素体亚晶界；形核处增加：铁素体与碳化物相界、铁素体亚晶界；u形核时间短、晶粒来不及长大。形核时间短、晶粒来不及长大。u奥氏体成分不均及晶粒细化，减小了过冷奥氏体稳定性，奥氏体成分不均及晶粒细化，减小了过冷奥氏体稳定性，C C曲线左移；曲线左移；成分不均使马氏体转变点和形态都不相同，

4、出现低碳、高碳马氏体。成分不均使马氏体转变点和形态都不相同，出现低碳、高碳马氏体。第5页/共54页知识回顾图 Fe-C相图及其平衡组织第6页/共54页图3.共析钢表面淬火沿截面温度分布(a)及淬火后金相组织(b)钢表面淬火的金相组织 钢经过表面淬火后的金相组织与钢的成分钢的成分、淬火前的原始组织淬火前的原始组织以及淬火淬火加热时截面的温度梯度分布加热时截面的温度梯度分布有关。原始材料：退火态共析钢原始材料：退火态共析钢第7页/共54页钢表面淬火的金相组织图4.45钢表面淬火沿截面温度分布(a)及淬火后金相组织(b)原始材料：正火状态原始材料：正火状态4545号钢号钢第8页/共54页钢表面淬火后

5、的性能(1)(1)表面硬度。表面硬度。图6.原始组织为调质状态45钢表面淬火后沿截面硬度第9页/共54页图7.各种加热速度下，表面硬度与淬火温度的关系（CrWMn钢）钢表面淬火后的性能(1)(1)表面硬度。表面硬度。第10页/共54页钢表面淬火后的性能图8.高频淬火与普通淬火试样耐磨性的比较（摩擦载荷1471N）(2)(2)耐磨性。耐磨性。第11页/共54页钢表面淬火后的性能(3)(3)疲劳强度。疲劳强度。表面淬火工艺可以显著提高工件的抗疲劳性能。表面淬火工艺可以显著提高工件的抗疲劳性能。原因：原因：1.1.淬火后表面本身强度增高；淬火后表面本身强度增高；2.2.表层大的残余压应力。表层大的残

6、余压应力。过冷奥氏体向马氏体转变有三个特性.1.其转变属于相成份不发生变化的相变.2.其转变不能进行到底,总保留一部分未转变的奥氏体(残留奥氏体).3.其转变会引起大的应力.原子在马氏体体心立方晶格中紧密程度,要比在面心立方晶格稀松,即在同等重量条件下,马氏体的体积要比奥氏体更大.因此当奥氏体向马氏体转变时,体积会发生膨胀,最大约4%.由于奥氏体向马氏体的转变是在低于Ms点(对共析钢约240)降温过程中进行的,体积的这一变化不可能在钢体表里层之间,各晶粒之间,甚至一晶粒内各部分之间同时均匀地进行.这样,由组织转变而引起体积变化的不均匀性,会在钢体内部造成很大的应力(组织应力).这一应力足以使塑

7、性很差的钢,特别是含碳量大于0.35%的钢,在室温停放过程中变形和开裂.第12页/共54页钢表面淬火后的残余应力图9.表面强化与承载应力匹配示意图表面加热、表面胀缩，因此产生表面应力。表面加热、表面胀缩，因此产生表面应力。1.1.热应力：淬火冷却时体积收缩，表面的热应力为拉应力；热应力：淬火冷却时体积收缩，表面的热应力为拉应力；2.2.组织应力：形成马氏体时体积膨胀，产生压应力。组织应力：形成马氏体时体积膨胀，产生压应力。第13页/共54页钢表面淬火后的残余应力图10.球墨铸铁高频感应加热表面淬火后的应力分布对小尺寸和中等尺寸的钢制零件：硬对小尺寸和中等尺寸的钢制零件：硬化层总深度为零件半径的

8、化层总深度为零件半径的10%-20%10%-20%时，时，残余应力的分布最有利。残余应力的分布最有利。对于大型零件，其比例比上述小一些。对于大型零件，其比例比上述小一些。第14页/共54页钢表面淬火后的残余应力图11.残余应力与马氏体过渡区宽度的关系马氏体过渡区（硬度变化程度分析）马氏体过渡区（硬度变化程度分析）过渡区过小：表面压应力大、紧靠过渡区的拉应力峰值也大。易产生残余变形甚至破坏；过渡区过小：表面压应力大、紧靠过渡区的拉应力峰值也大。易产生残余变形甚至破坏；过渡区过大：虽然拉应力峰值降低且向工件内部移动，但表面压应力也减小，表面性能下降。过渡区过大：虽然拉应力峰值降低且向工件内部移动，

9、但表面压应力也减小，表面性能下降。从残余应力观点来看，过渡区与硬化层应有合适比例，保证零件既处于安全状态，又有从残余应力观点来看，过渡区与硬化层应有合适比例，保证零件既处于安全状态，又有良好的性能，一般认为比例关系：过渡区是硬化层的良好的性能，一般认为比例关系：过渡区是硬化层的25%-30%25%-30%。第15页/共54页钢表面淬火后的残余应力图12.不同钢材硬化层深度与残余压应力的关系1-45号钢；2-18Cr2Ni4W；3-40CrMnMo；4-40CrNiMo第16页/共54页ox钢表面淬火强化层应与工件负载匹配图13.表面强化与承载应力匹配示意图1.1.截面为圆形的工件负载时的应力分

10、布情况截面为圆形的工件负载时的应力分布情况2.2.表面淬火较浅时，沿表面向内部的应力承载能力曲线表面淬火较浅时，沿表面向内部的应力承载能力曲线3.3.表面淬火较深时，沿表面向内部的应力承载能力曲线表面淬火较深时，沿表面向内部的应力承载能力曲线第17页/共54页钢表面淬火强化层应与工件负载匹配图14.局部表面淬火工件表面的硬度和残余应力分布第18页/共54页钢表面淬火强化层应与工件负载匹配图15.轴径表面淬火后淬硬层及其应力分布第19页/共54页表面淬火的方法第20页/共54页（1）感应加热表面淬火（2）火焰加热表面淬火（3）激光加热表面淬火（4）电子束加热表面淬火（5）离子束加热表面淬火（6）

11、电解液加热表面淬火（7）电接触加热表面淬火（8）火花放电加热表面淬火第21页/共54页 （1）感应加热表面淬火 感应加热表面淬火：利用感应加热表面淬火：利用电磁感应电磁感应的原理，使零件置于感应器内，当有一定电的原理，使零件置于感应器内，当有一定电流频率的交流电通过感应器，零件表面产生感应电流。此电流分布在零件表面（流频率的交流电通过感应器，零件表面产生感应电流。此电流分布在零件表面（集集肤效应）肤效应），以涡流形式将零件表面快速加热，而后极冷的淬火方法。，以涡流形式将零件表面快速加热，而后极冷的淬火方法。表表1 1 感应加热方法的分类感应加热方法的分类加热方法加热方法频率频率/Hz功率密度功

12、率密度/(102W/cm2)工频500.1-1中频10k 5高频、超声频20-1000k2-10超高频脉冲27120k100-300电流频率不同，加热时感应电流透入深度也不同。电流频率不同，加热时感应电流透入深度也不同。1.高频：感应电流透入深度很小，约高频：感应电流透入深度很小，约0.5mm，主要用于小模数齿轮和小轴类零件；，主要用于小模数齿轮和小轴类零件；2.中频：感应电流透入深度约中频：感应电流透入深度约5-10mm，主要用于中、小模数齿轮、凸轮轴、曲轴等；，主要用于中、小模数齿轮、凸轮轴、曲轴等；3.超高频：感应电流透入深度极小，主要用于锯齿、刀刃、薄件的表面淬火；超高频：感应电流透入

13、深度极小，主要用于锯齿、刀刃、薄件的表面淬火；4.工频：电流透入深度大于工频：电流透入深度大于10mm，主要用于冷轧辊表面淬火。，主要用于冷轧辊表面淬火。第22页/共54页 感应加热基本原理电磁感应电磁感应 将零件置于感应器内，当感应器中通有交变电流时，感应器内部和周围产生与将零件置于感应器内，当感应器中通有交变电流时，感应器内部和周围产生与电流频率相同的交变磁场，周围分布变化的磁力线，磁力线切割零件，在零件内产电流频率相同的交变磁场，周围分布变化的磁力线，磁力线切割零件，在零件内产生感应电势，从而在零件表面产生感应电流，这种现象成为电磁感应。生感应电势，从而在零件表面产生感应电流，这种现象成

14、为电磁感应。图 感应加热原理示意图 零件内产生的感应电流零件内产生的感应电流在零件内形成闭合回路，其在零件内形成闭合回路，其方向与通入的电源电流方向方向与通入的电源电流方向相反，呈涡流状，故又称涡相反，呈涡流状，故又称涡流。零件表面通过涡流加热流。零件表面通过涡流加热到淬火温度。到淬火温度。第23页/共54页 感应加热基本原理感应电势的瞬时值：感应电势的瞬时值：-感应电势的瞬时值，感应电势的瞬时值，V V；-感应线圈电流回路包围面积内的总磁通感应线圈电流回路包围面积内的总磁通,Wb,Wb，随交变电流强度和，随交变电流强度和零件磁导率增加而增加，并于零件与感应器之间的间隙有关；零件磁导率增加而增

15、加，并于零件与感应器之间的间隙有关；感应电流（涡流）值：感应电流（涡流）值：Z -自感电抗，自感电抗，；R R -零件材料的电阻，零件材料的电阻，；X X -零件材料的电阻，零件材料的电阻，；涡流在零件上产生的热量：涡流在零件上产生的热量：假设无漏磁条件下，假设无漏磁条件下，1cm1cm高单匝感应圈中零件表面吸收功率为：高单匝感应圈中零件表面吸收功率为：R0 -零件半径，零件半径，cm；-零件电阻率，零件电阻率，cm；-零件磁导率，零件磁导率，H/m；f -交变电流频率，交变电流频率，Hz第24页/共54页 感应加热基本原理感应电流的基本特性感应电流的基本特性 集肤效应（表面效应）：当金属零件

16、中通过直流电时，金属零件截面上的电流集肤效应（表面效应）：当金属零件中通过直流电时，金属零件截面上的电流分布是均匀的；当通过交流电时，沿金属零件截面的电流分布不均匀，最大电流密分布是均匀的；当通过交流电时，沿金属零件截面的电流分布不均匀，最大电流密度出现在金属零件的最表面。交变电流频率越高，这种现象越严重。这种电流通过度出现在金属零件的最表面。交变电流频率越高，这种现象越严重。这种电流通过导体时，沿导体表面电流密度最大，越往中心电流密度越小的现象称为高频电流的导体时，沿导体表面电流密度最大，越往中心电流密度越小的现象称为高频电流的集肤效应。集肤效应。图 感应电流在金属截面上的分布 工程上规定，

17、当电流强工程上规定，当电流强度从表面向内部降低到表面度从表面向内部降低到表面最大电流强度的最大电流强度的0.3680.368（即（即I I0 0/e e）时，则该处到表面的）时，则该处到表面的距离称为电流透入深度距离称为电流透入深度，单位用单位用mmmm表示。表示。第25页/共54页 感应加热基本原理感应电流的基本特性感应电流的基本特性图 高频加热时零件截面上电流密度与温度的分布(a)(a)电流强度；电流强度；(b)(b)电流透入深度平均值；电流透入深度平均值；(c)(c)电流平方（温度）电流平方（温度）第26页/共54页 感应加热基本原理感应电流的基本特性感应电流的基本特性图 钢的磁导率，电

18、阻率与加热温度的关系 钢的磁导率和电阻率随温度变化而变化。电阻率随温度升高而增大，钢的磁导率和电阻率随温度变化而变化。电阻率随温度升高而增大，在在800-900800-900摄氏度时，各类钢的电阻率基本相等，约为摄氏度时，各类钢的电阻率基本相等，约为1010-4-4cmcm；磁导率；磁导率在温度低于磁性转变点在温度低于磁性转变点A A2 2（居里点（居里点768768摄氏度）或铁素体摄氏度）或铁素体-奥氏体转变点时奥氏体转变点时基本不变，而超过后变成奥氏体则急剧下降，失去磁性。基本不变，而超过后变成奥氏体则急剧下降，失去磁性。冷态电流透入深度：冷态电流透入深度：热态电流透入深度：热态电流透入深

19、度：通常把居里点以下的电流透入深度称为冷通常把居里点以下的电流透入深度称为冷态透入电流深度，而居里点以上（一般态透入电流深度，而居里点以上（一般800-800-900900摄氏度时）的电流透入深度称为热态透入摄氏度时）的电流透入深度称为热态透入深度。深度。本质区别是热态时钢材是顺磁体，磁导率本质区别是热态时钢材是顺磁体，磁导率极低，因此热态比冷态透入深度大几十倍。极低，因此热态比冷态透入深度大几十倍。第27页/共54页 感应加热基本原理感应加热的物理过程感应加热的物理过程图 高频加热时零件截面电流密度与温度变化 感应加热过程分为三个阶段：冷态、过渡态感应加热过程分为三个阶段：冷态、过渡态和热态

20、。和热态。感应加热开始时，零件处于室温，电流透入感应加热开始时，零件处于室温，电流透入深度很小（冷态电流分布）。当表面温度升高到深度很小（冷态电流分布）。当表面温度升高到达磁性转变温度，加热层被分为两层，外层磁性达磁性转变温度，加热层被分为两层，外层磁性消失，而与其紧密相连的磁性未消失层。在磁性消失，而与其紧密相连的磁性未消失层。在磁性消失层中，由于磁导率和加热层中功率消耗急剧消失层中，由于磁导率和加热层中功率消耗急剧下降，因此电流强度大大降低，最大电流密度内下降，因此电流强度大大降低，最大电流密度内移到磁性未消失层（过渡态），使高温层不断向移到磁性未消失层（过渡态），使高温层不断向内移动，这

21、种加热方式称为内移动，这种加热方式称为透入式加热透入式加热。当磁性。当磁性消失层厚度超过热态电流透入深度，则是热态电消失层厚度超过热态电流透入深度，则是热态电流分布。继续加热时，电能只能在热态电流透入流分布。继续加热时，电能只能在热态电流透入层内变成热量，此层温度继续升高。同时由于热层内变成热量，此层温度继续升高。同时由于热传导作用，热量向零件内部传递，加热层厚度增传导作用，热量向零件内部传递，加热层厚度增加，为加，为传导式加热传导式加热。第28页/共54页 感应加热基本原理透入式加热的特点：透入式加热的特点：1.1.表面温度超过表面温度超过A A2 2点以后，最大电流密度区向零件内层移动，表

22、层加热速度开始变慢。点以后，最大电流密度区向零件内层移动，表层加热速度开始变慢。不易使零件表面过热；不易使零件表面过热；2.2.加热迅速，热损失小，热效率高。实际有效功率可达总功率加热迅速，热损失小，热效率高。实际有效功率可达总功率50%-60%50%-60%，其余为表层，其余为表层过热及内部传导消耗的功率；过热及内部传导消耗的功率；3.3.热量分布较陡，淬火后的过渡层较窄，表面压应力提高。热量分布较陡，淬火后的过渡层较窄，表面压应力提高。传导式（表面式）加热的特点：传导式（表面式）加热的特点：1.1.靠表面的过热度通过热传导方式向内部传递热量，加热层厚度靠时间延长而增加，靠表面的过热度通过热

23、传导方式向内部传递热量，加热层厚度靠时间延长而增加，容易过热；容易过热；2.2.加热温度沿零件截面向内比透入式平缓，热效率较低，为加热温度沿零件截面向内比透入式平缓，热效率较低，为20%-50%20%-50%左右；左右；3.3.由于温度曲线平缓，过渡区较宽，表面残余压应力小。由于温度曲线平缓，过渡区较宽，表面残余压应力小。图 两种加热方式零件截面温度变化曲线第29页/共54页 感应加热表面淬火工艺（1 1）材料）材料 中碳或高碳钢，合金钢。预先热处理获得细小碳化物分布在铁素体上的组织。中碳或高碳钢，合金钢。预先热处理获得细小碳化物分布在铁素体上的组织。例如：机床齿轮、拖拉机曲轴、凸轮轴等零件一

24、般用例如：机床齿轮、拖拉机曲轴、凸轮轴等零件一般用4545钢，钢，4040钢，钢，40Cr40Cr，40CrNiMo40CrNiMo，40Mn240Mn2，50Mn50Mn等。等。（2 2）设备（频率和功率）设备（频率和功率）：依据零件尺寸、硬化层深度要求合理选择设备。依据零件尺寸、硬化层深度要求合理选择设备。热态电流透入深度：热态电流透入深度：实际透入深度小于热态电流透入深度时才能实际透入深度小于热态电流透入深度时才能实现透入式加热。实现透入式加热。因此电流频率上限为：因此电流频率上限为：为实际硬化层深度，为实际硬化层深度，mmmm。但频率也不适宜过低，否则要用很大功率才能达到所需硬化层深度

25、，且无功损耗但频率也不适宜过低，否则要用很大功率才能达到所需硬化层深度，且无功损耗增大，若损耗过大会烧毁感应器。因此规定硬化层厚度不小于热态电流透入深度的增大，若损耗过大会烧毁感应器。因此规定硬化层厚度不小于热态电流透入深度的1/41/4。因此所选频率的下限为：因此所选频率的下限为：取硬化层深度为热态电流透入深度取硬化层深度为热态电流透入深度40%-50%时热效率最高，此时的频率为最佳时热效率最高，此时的频率为最佳频率：频率：第30页/共54页 感应加热表面淬火工艺 因频率不是随意可调的，若现有设备频率满足不了上述条件，可采用弥补办法：因频率不是随意可调的，若现有设备频率满足不了上述条件，可采

26、用弥补办法：感应加热前预热、调整功率、调整感应器与工件之间的间隙等。感应加热前预热、调整功率、调整感应器与工件之间的间隙等。比功率的选择：比功率的选择：比功率是加热时零件单位表面积上吸收的电功率（比功率是加热时零件单位表面积上吸收的电功率（kW/cm2）。）。频率一定时，比功率越大，加热速度越快；比功率一定时，频率越高，透入深度频率一定时，比功率越大，加热速度越快；比功率一定时，频率越高，透入深度越浅，加热速度越快。越浅，加热速度越快。比功率的选择主要取决于频率和要求硬化层的深度。工件上的比功率很难测定，比功率的选择主要取决于频率和要求硬化层的深度。工件上的比功率很难测定，常用设备比功率来表示

27、：常用设备比功率来表示：工件的比功率与设备比功率之间的关系是：工件的比功率与设备比功率之间的关系是：实际生产中还需要考虑零件尺寸、加热方式及后续组织性能调整。实际生产中还需要考虑零件尺寸、加热方式及后续组织性能调整。（频率与功率参见公司设备产品宣传单（频率与功率参见公司设备产品宣传单-上海子林机电设备有限公司）上海子林机电设备有限公司）P设：设备输出功率，kW；A：同时被设备加热工件表面积，cm2：设备总效率，一般为0.4-0.6。第31页/共54页 感应加热表面淬火工艺 （3）淬火加热温度和方式）淬火加热温度和方式 感应淬火加热温度感应淬火加热温度：（：（快速加热）一般比普通淬火加热温度高快

28、速加热）一般比普通淬火加热温度高30-200摄氏度。已摄氏度。已获得较均匀的组织。获得较均匀的组织。感应加热方式：同时加热淬火、连续加热淬火。感应加热方式：同时加热淬火、连续加热淬火。图 同时加热表面淬火图 连续加热表面淬火第32页/共54页 感应加热表面淬火工艺 （4）冷却方式和冷却介质）冷却方式和冷却介质 最常用的冷却方式：喷射冷却和浸液冷却法。最常用的冷却方式：喷射冷却和浸液冷却法。最常用冷却介质：水、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯醇水溶液、乳化液和油。最常用冷却介质：水、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯醇水溶液、乳化液和油。（5）回火工艺）回火工艺 感应加热淬火后一般只进行低温回火，用以降低残余应力和脆

29、性，而不降低硬度。感应加热淬火后一般只进行低温回火，用以降低残余应力和脆性，而不降低硬度。一般采用炉中回火、自回火和感应加热回火。一般采用炉中回火、自回火和感应加热回火。炉中回火：一般炉中回火：一般150-180150-180摄氏度，摄氏度，1-21-2小时；小时；自回火：温度比炉中回火高自回火：温度比炉中回火高8080度左右，靠自身尚未完全冷却的工件内热量进行回度左右，靠自身尚未完全冷却的工件内热量进行回火，时间很短。该方法工艺简化。但不宜掌握；火，时间很短。该方法工艺简化。但不宜掌握；感应加热回火：降低过度拉应力，加热层深度比硬化层深一些，一般使用中频或感应加热回火：降低过度拉应力，加热层

30、深度比硬化层深一些，一般使用中频或工频加热回火，但要求加热速度小于工频加热回火，但要求加热速度小于15-10C/s15-10C/s。第33页/共54页 感应器的设计 感应器是能量转换器，将高频电流转化为高频磁场对工件实行感应加热的能量。感应器是能量转换器，将高频电流转化为高频磁场对工件实行感应加热的能量。一般用紫铜制成。一般用紫铜制成。图 感应器示意图图 几种常见的感应器示意图第34页/共54页 感应器的设计感应圈形状与结构的确定：感应圈形状与结构的确定：主要根据工件加热部分的几何形状、尺寸及加热方式确定。主要根据工件加热部分的几何形状、尺寸及加热方式确定。确定感应圈几何形状时需考虑以下几种效

31、应：确定感应圈几何形状时需考虑以下几种效应：（1 1）邻近效应）邻近效应 （2 2）环状效应（导磁体）环状效应（导磁体）（3 3）尖角效应）尖角效应 感应圈匝数的确定：单匝、多匝。感应圈匝数的确定：单匝、多匝。第35页/共54页 感应器的设计感应圈尺寸的确定：感应圈尺寸的确定：感应圈截面形状一般为长方形。感应圈截面形状一般为长方形。为保证有均匀分布的硬化层，对长圆柱体局部段落表面淬火时，感应圈高度应该为保证有均匀分布的硬化层，对长圆柱体局部段落表面淬火时，感应圈高度应该比硬化去长度增加比硬化去长度增加5%-20%5%-20%。对短零件一次加热时，为了避免尖角效应，感应圈高度比。对短零件一次加热

32、时，为了避免尖角效应，感应圈高度比零件高度低相当于一个感应圈与工件间的间隙。零件高度低相当于一个感应圈与工件间的间隙。感应圈与工件间的间隙大小：太大效率降低；太小则几何精度和安装精度增高。感应圈与工件间的间隙大小：太大效率降低；太小则几何精度和安装精度增高。一般高频感应圈与工件间的间隙为：直径小于一般高频感应圈与工件间的间隙为：直径小于30mm的工件，间隙的工件，间隙1.5-2.5mm；大于；大于30mm的弓箭，间隙的弓箭，间隙2.5-5mm。对于内孔、平面感应加热用的感应圈效率较低，间隙应。对于内孔、平面感应加热用的感应圈效率较低，间隙应该尽量小，一般为该尽量小，一般为0.5-2mm。感应加

33、热时的驱流及屏蔽：感应加热时的驱流及屏蔽：导磁体：改变电流走向；减少磁力线逸散；导磁体：改变电流走向；减少磁力线逸散；屏蔽：采用铜环屏蔽，避免不需要加热的相邻部位加热。屏蔽：采用铜环屏蔽，避免不需要加热的相邻部位加热。第36页/共54页 （2）火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火：利用氧：利用氧-乙炔气体或其他可燃气体（如天然气、石油气等）乙炔气体或其他可燃气体（如天然气、石油气等）以一定比例混合进行燃烧，形成强烈的高温火焰，将零件迅速加热至淬火温度，然以一定比例混合进行燃烧，形成强烈的高温火焰，将零件迅速加热至淬火温度，然后极冷（常用水）的方法。后极冷（常用水）的方法。火焰加热

34、表面淬火的火焰加热表面淬火的优点优点：1.1.设备简单、使用方便、成本低；设备简单、使用方便、成本低；2.2.设备体积小。可灵活搬动使用；设备体积小。可灵活搬动使用；火焰加热表面淬火的火焰加热表面淬火的缺点缺点：1.1.工件表面容易过热过烧，质量不稳定；工件表面容易过热过烧，质量不稳定；2.2.硬化层深度一般大于硬化层深度一般大于2mm2mm；3.3.混合气体有爆炸危险。混合气体有爆炸危险。图 不同形状火焰喷嘴结构第37页/共54页 （2）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火方法方法：（1 1）同时加热淬火）同时加热淬火（2 2）旋架淬火）旋架淬火（3 3）摆动淬火）摆动淬火（4

35、4）推进淬火）推进淬火（5 5）旋转连续淬火）旋转连续淬火（6 6）周边连续淬火）周边连续淬火图 火焰加热淬火方法示意图第38页/共54页 （2）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火，影响表面温度及淬硬层的主要因素：火焰加热表面淬火，影响表面温度及淬硬层的主要因素：1.1.火焰喷嘴与工件表面的距离：火焰最高温度区在距焰心顶端火焰喷嘴与工件表面的距离：火焰最高温度区在距焰心顶端2-3mm2-3mm处，工件表面与处，工件表面与其的距离直接影响工件表面的加热速度。其的距离直接影响工件表面的加热速度。2.2.加热时间：加热时间越长，表面温度越高，加热深度越深。推进式加热时，推进加热时间：加热时间越长，表面

36、温度越高，加热深度越深。推进式加热时，推进速度越慢，表面温度越高。速度越慢，表面温度越高。3.3.加热停止与喷水冷却的间隔时间：间隔时间越长，表面温度下降阅读，加热深度加热停止与喷水冷却的间隔时间：间隔时间越长，表面温度下降阅读，加热深度加深。一般停留加深。一般停留5-6s5-6s为宜。对于连续加热淬火或者推进式加热淬火时，要控制火焰为宜。对于连续加热淬火或者推进式加热淬火时，要控制火焰喷嘴与喷水孔之间的距离，一般为喷嘴与喷水孔之间的距离，一般为10-15mm10-15mm。火焰加热表面淬火后的回火：火焰加热表面淬火后的回火：炉中回火：炉中回火：180-220C180-220C，1-21-2小

37、时。小时。自回火：靠自身剩余热量进行回火，时间短。自回火：靠自身剩余热量进行回火，时间短。第39页/共54页1.1.什么是透入式加热，什么是透入式加热，传导式加热？它们各自的特点？使用这两种加热方式进行表传导式加热？它们各自的特点？使用这两种加热方式进行表面淬火处理的方法举例。面淬火处理的方法举例。2.高频感应加热淬火和火焰加热淬火之间的异同点及表面淬火时的特点。试论述两高频感应加热淬火和火焰加热淬火之间的异同点及表面淬火时的特点。试论述两种方法进行热处理后，同种材料零件组织和性能的主要区别。种方法进行热处理后，同种材料零件组织和性能的主要区别。课堂作业第40页/共54页 激光加热表面淬火：以

38、高能量密度的激光束作为热源，扫描金属零件激光加热表面淬火：以高能量密度的激光束作为热源，扫描金属零件表面，其红外能量被零件表面吸收而迅速形成很高的温度，激光束离开金表面，其红外能量被零件表面吸收而迅速形成很高的温度，激光束离开金属表面，零件表面热量依靠金属自身的热传导而迅速向内部床底，形成极属表面，零件表面热量依靠金属自身的热传导而迅速向内部床底，形成极大的冷却速度，靠自激冷却使零件表面淬火。大的冷却速度，靠自激冷却使零件表面淬火。激光的特点：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。激光的特点：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。激光加热表面淬火优点：激光加热表面淬火优点：（1 1）加热速度极

39、快、零件热变形极小。）加热速度极快、零件热变形极小。（2 2）可对形状复杂的零件（盲孔、小槽、薄壁零件等）处理或局部处理。）可对形状复杂的零件（盲孔、小槽、薄壁零件等）处理或局部处理。（3 3）通用性强，对零件尺寸、大小没有严格限制。）通用性强，对零件尺寸、大小没有严格限制。（4 4）操作简单，便于实现自动化生产。）操作简单，便于实现自动化生产。（5 5）生产重复性好、质量稳定，可纳入流水线。）生产重复性好、质量稳定，可纳入流水线。（6 6）冷却速度很高、不需要冷却介质。）冷却速度很高、不需要冷却介质。（7 7）不需要加热介质、有利于环保。）不需要加热介质、有利于环保。（8 8）表面清洁、后续

40、不需要修磨，可作为零件精加工最后工序。）表面清洁、后续不需要修磨，可作为零件精加工最后工序。激光加热表面淬火缺点：激光加热表面淬火缺点：成本高，不能用于重负荷零件和大型零件。成本高，不能用于重负荷零件和大型零件。（3）激光加热表面淬火第41页/共54页激光加热表面淬火工艺参数：激光加热表面淬火工艺参数：功率：为使材料表面不熔化，功率密度一般小于功率：为使材料表面不熔化，功率密度一般小于104W/cm2，通常采用，通常采用 1000-6000W/cm2。光斑尺寸：光斑尺寸：扫描速度：扫描速度：（3）激光加热表面淬火应用实例：应用实例：卡尺激光表面淬火：卡尺激光表面淬火：1.5kW CO2工业激光

41、器及专用淬火机床对卡尺和游标卡尺进行激光表面淬火。工业激光器及专用淬火机床对卡尺和游标卡尺进行激光表面淬火。激光加热前对表面预先进行激光加热前对表面预先进行“黑化黑化”处理（磷化或涂覆光涂料）。处理（磷化或涂覆光涂料）。材料：材料：T10A钢（优质碳素工具钢）卡尺钢（优质碳素工具钢）卡尺工艺参数：输出功率工艺参数：输出功率800-1200W，光斑直径，光斑直径6-6.5mm，扫描速度扫描速度700-1600mm/min结果：得到组织为：细针状马氏体结果：得到组织为：细针状马氏体+少量残余奥氏体少量残余奥氏体+细小碳化物。细小碳化物。硬化层深度：硬化层深度：0.6-0.8mm；硬度；硬度800-

42、820HV。第42页/共54页 电子束加热表面淬火：利用电子流和金属原子碰撞传递能量加热，将零件电子束加热表面淬火：利用电子流和金属原子碰撞传递能量加热，将零件放置在高能密度（最高可达放置在高能密度（最高可达10109 9W/cmW/cm2 2）的电子枪下，保持一定真空度（）的电子枪下，保持一定真空度（0.1-1Pa0.1-1Pa），），用电子流轰击零件表面，在极短时间内（用电子流轰击零件表面，在极短时间内（1010-1-1-10-10-3-3s s）内，使其加热到相变温度）内，使其加热到相变温度以上，靠自身激烈冷却进行淬火。以上，靠自身激烈冷却进行淬火。电子束加热表面淬火的优点：电子束加热表

43、面淬火的优点：（1）加热速度极快，零件热影响区小、变形极小；）加热速度极快，零件热影响区小、变形极小；（2）电子束可以聚焦和转动，与激光有相同的加热特性；）电子束可以聚焦和转动，与激光有相同的加热特性；（3）真空条件进行，无氧化、无脱碳，不影响零件表面粗糙度；）真空条件进行，无氧化、无脱碳，不影响零件表面粗糙度；（4 4）操作简单，适用于生产线；）操作简单，适用于生产线；（5 5）冷却速度很高，不需要冷却介质；）冷却速度很高，不需要冷却介质；（6 6）不需加热介质，环保。）不需加热介质，环保。（7 7）与激光表面淬火相比，）与激光表面淬火相比，零件表面不需黑化处理。零件表面不需黑化处理。电子束

44、加热表面淬火的缺点：电子束加热表面淬火的缺点：不能用于重负荷零件和大型零件；装置复杂，需真空系统、电子束发生器，不能用于重负荷零件和大型零件；装置复杂，需真空系统、电子束发生器，设备成本高。可控性比激光差。设备成本高。可控性比激光差。（4）电子束加热表面淬火第43页/共54页电子束加热表面淬火工艺参数：电子束加热表面淬火工艺参数：能量密度：一般为能量密度：一般为30-120kW/cm2。聚焦点直径：一般不大于聚焦点直径：一般不大于2mm。扫描速度：扫描速度：10-500mm/s。照射时间：小于照射时间：小于1s。（4）电子束加热表面淬火第44页/共54页 离子束加热表面淬火：利用常压气体中电弧

45、放电产生等离子体，压缩成离子束加热表面淬火：利用常压气体中电弧放电产生等离子体，压缩成高温高速等离子体束，加热工件表面进行表面淬火的工艺。将零件放置在高能高温高速等离子体束，加热工件表面进行表面淬火的工艺。将零件放置在高能密度（大于密度（大于10104 4W/cmW/cm2 2）等离子电弧高温（可达）等离子电弧高温（可达10104 4摄氏度）作用下，短时间内摄氏度）作用下，短时间内加热至相变温度以上，自身或喷射冷却淬火。加热至相变温度以上，自身或喷射冷却淬火。离子束加热表面淬火的优点：离子束加热表面淬火的优点：（1 1）加热速度极快，零件热影响区小、变形极小；）加热速度极快，零件热影响区小、变

46、形极小；（2 2）离子束加热淬火在氩气保护气中进行，无氧化；）离子束加热淬火在氩气保护气中进行，无氧化；（3 3）装置结构简单，热效率高；）装置结构简单，热效率高；（4 4）操作简单，离子束发生器维修保养方便；）操作简单，离子束发生器维修保养方便；（5 5）设备简单，成本低；）设备简单，成本低；（6 6）零件不需黑化处理，不需真空室；）零件不需黑化处理，不需真空室；（7 7）等离子体束枪可任意移动；）等离子体束枪可任意移动；（5）离子束加热表面淬火第45页/共54页离子束加热表面淬火工艺参数：离子束加热表面淬火工艺参数：电流电流电压电压弧长弧长弧柱直径弧柱直径等离子气体等离子气体气体流量气体流

47、量喷嘴与零件距离喷嘴与零件距离喷嘴移动速度喷嘴移动速度（5）离子束加热表面淬火第46页/共54页（6）电解液加热表面淬火 电解液加热表面淬火：将零件放置在电解液中，以零件作为阴极，电解电解液加热表面淬火：将零件放置在电解液中，以零件作为阴极，电解液槽作为阳极，并加以一定的直流电压，使电解液电解，而产生阴极效应，液槽作为阳极，并加以一定的直流电压，使电解液电解，而产生阴极效应，将零件加热。将零件加热。图1.电解液加热表面淬火示意图第47页/共54页电解液加热表面淬火工作原理：电解液加热表面淬火工作原理：电解液：电解液：NaNa2 2COCO3 3水溶液（水溶液（5%-15%5%-15%）阴极：零

48、件阴极：零件阳极：一定位置上放置铝、不锈钢或铜，或直接使用电解槽阳极：一定位置上放置铝、不锈钢或铜，或直接使用电解槽电压：两极之间加直流电压电压：两极之间加直流电压150-300V150-300V电流密度：电流密度：3-5A/cm3-5A/cm2 2 零件表面大量析出氢气，形成氢气膜，将零件与电解液隔开；该膜的电阻零件表面大量析出氢气，形成氢气膜，将零件与电解液隔开；该膜的电阻很大，当有电流通过时产生大量热，使零件浸入部分迅速加热，直到沸点温度很大，当有电流通过时产生大量热，使零件浸入部分迅速加热，直到沸点温度产生大量水蒸气，氢气和水蒸气排挤掉零件表面液体，形成稳定蒸汽膜。蒸汽产生大量水蒸气，

49、氢气和水蒸气排挤掉零件表面液体，形成稳定蒸汽膜。蒸汽膜是不良导体，有极高电阻，大电流通过时时零件周围产生很大热量，可达膜是不良导体，有极高电阻，大电流通过时时零件周围产生很大热量，可达20002000摄氏度，零件浸入部分可迅速达到淬火温度。断电后，蒸汽膜立即被破坏，摄氏度，零件浸入部分可迅速达到淬火温度。断电后，蒸汽膜立即被破坏，周围的电解液使零件迅速冷却，达到表面淬火的目的。周围的电解液使零件迅速冷却，达到表面淬火的目的。（6）电解液加热表面淬火第48页/共54页优点：优点：成本低、装置结构简单、安全；成本低、装置结构简单、安全；加热时间短（几秒至几十秒）、加热效果显著；加热时间短（几秒至几

50、十秒）、加热效果显著；对零件没有腐蚀作用、无氧化；对零件没有腐蚀作用、无氧化；电压可作为固定参数，不必经常调整。电压可作为固定参数，不必经常调整。适合批量生产。适合批量生产。缺点：缺点：只适合只适合处理处理形状简单的零件端部；形状简单的零件端部；操作不当极易使加热表面过热或者烧熔；操作不当极易使加热表面过热或者烧熔；电解液加热表面淬火操作调整时间较长；电解液加热表面淬火操作调整时间较长；不适合单件及小批量生产。不适合单件及小批量生产。（6）电解液加热表面淬火第49页/共54页（6）电解液加热表面淬火图2.气门顶端电解液加热表面淬火示意图例：例：发动机气门杆部电解液加热表面淬火。发动机气门杆部电