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1、WUXI Bele Industry Co.,Ltd.,无锡市朗力机械有限公司,金属材料表面处理简介 2015-07-31,金属材料的表面处理,课题引入 课题说明 课题目标 1 金属材料表面处理概述 2 表面淬火 3 表面化学热处理技术 4 化学氧化与磷化处理 5 电镀技术 6 其他表面处理技术,1 金属材料表面处理概述,1.1 表面处理技术的作用 1.2 表面处理技术的分类,1.1 表面处理技术的作用,.提高表面耐蚀性和耐磨性，减缓、消除和修复材料表面的变化及损伤 .使普通材料获得具有特殊功能的表面 .表面处理技术可用于节约能源，降低成本，改善环境,1.2 表面处理技术的分类,()表面合金化
2、技术 包括喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆等。 ()表面覆盖与覆膜技术 包括电镀、化学镀、化学转化膜、气相沉积等。 ()表面组织转化技术 包括表面淬火、化学热处理等热处理技术及喷丸、滚压等表面加工硬度技术。 (4)表面热处理(如表面淬火、表面化学热处理等)。 (5)电镀与化学镀(如纯金属电镀、合金电镀、电刷镀等)。 (6)化学转化膜(如化学氧化处理、磷化处理等)。 (7)气相沉积(如化学气相沉积、物理气相沉积等)。 (8)形变强化(如喷丸、机械镀等)。,1.2 表面处理技术的分类,(9)热喷涂(如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等)。 (10)堆焊(如手工堆焊、埋弧堆焊、等离子堆焊等)。,2 表面
3、淬火,2.1 火焰淬火 2.2 感应淬火,2.1 火焰淬火,.火焰淬火原理 .火焰淬火方法及应用,.火焰淬火原理,图1-1 火焰淬火示意图,.火焰淬火方法及应用,()固定法 零件和喷嘴都不动，用火焰喷嘴直接加热淬火部分，使零件加热到淬火温度后立即喷水冷却(如图1-2a所示)。,图1-2 火焰表面淬火方法示意图,.火焰淬火方法及应用,()前进法 火焰喷嘴和冷却装置沿零件表面作平行移动，一边加热，一边冷却。 ()旋转法 用一个或几个固定火焰喷嘴对旋转零件表面进行加热，表面加热至淬火温度后进行冷却(如图5-2c所示)。 ()联合法 淬火零件绕其轴线旋转，喷嘴和喷水装置同时沿零件轴线移动(如图 1-2
4、d所示)。,2.2 感应淬火,.感应淬火原理 .常用感应淬火方法及应用,.感应淬火原理,感应淬火是利用感应电流通过零件所产生的热效应，使零件表面很快加热到淬火温度，然后迅速冷却的热处理方法。感应淬火是目前应用最广泛的一种表面淬火。 当一定频率的电流通过空心铜管制成的感应器时，在感应器的内部及周围便产生一个交变磁场，于是，在工件内部产生了同频率的感应电流。电流在工件内的分布是不均匀的，表面电流密度大，心部电流密度小，通过感应器的电流频率越高，电流就越集中于工件的表面，这种现象称为集肤效应。依靠感应电流的热效应，可将工件表层迅速加热到淬火温度，而此时心部温度还很低，淬火介质通过感应器内侧的小孔及时
5、喷射到工件上，形成淬硬层。 感应电流频率越高，电流透入深度越小，工件加热层越薄，淬硬层越浅。因此，感应加热进入工件表层的深度主要取决于电流频率。,.常用感应淬火方法及应用,()工频感应淬火 电流频率为50Hz，可获得1015mm以上的淬硬层，适用于大直径的穿透加热及要求淬硬层深的大工件的表面淬火。 ()中频感应淬火 常用电流频率为25008000Hz，可获得36mm深的淬硬层，主要用于要求淬硬层较深的零件，如发动机曲轴、凸轮轴、大模数齿轮、较大尺寸的轴和钢轨的表面淬火。 ()高频感应淬火 常用电流频率为200300kHz，可获得的表面淬硬层深度为0.52mm，主要用于中小模数齿轮和小轴的表面淬
6、火。,.感应淬火的特点,图1-3 感应淬火示意图 1加热淬火层 2水 3间隙 4工件 5加热感应圈 6进水 7出水 8淬火喷水套 9水,.感应淬火的特点,图1-4 高频感应加热设备,3 表面化学热处理技术,(1)分解 富有渗入元素的介质在一定的条件下进行化学反应，分解产生具有一定活性的渗入元素原子。 (2)吸收 分解产生渗入元素的活性原子(初生状态原子)被工件表面吸收(溶解)，这一过程的进行必须具备下列两个条件：有渗入元素的活性原子存在，渗入元素呈分子状态存在时，不能被工件吸收；渗入元素能渗入工件中形成固溶体或金属化合物。 (3)扩散 被工件表面吸收的渗入元素原子，由表面向内部移动，并达到一定
7、的浓度和深度。 (1) 强化工件表面 提高工件表层的力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳强度等。,3 表面化学热处理技术,(2) 保护工件表面 改善工件表层的物理、化学性能，如耐高温及耐蚀性等。 3.1 渗碳技术 3.2 渗氮技术 3.3 碳氮共渗技术 3.4 渗硼技术,3.1 渗碳技术,()固体渗碳 固体渗碳是将工件置于填满木炭(90%)和碳酸钡(BaCO3)(10%)的固体渗碳箱内进行的，如图5-5所示。 ()气体渗碳 气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。,3.1 渗碳技术,图5-5 固体渗碳箱 1渗碳剂 2工件 3箱体46mm 铁板 4泥封 5试棒10mm 6盖：铁板厚68mm,
8、()气体渗碳 气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。,图5-6 井式气体渗碳炉 1风扇电动机 2废气火焰 3炉盖 4砂封 5电阻丝 6耐热罐 7工件 8炉体,()气体渗碳 气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。,图5-7 气体渗碳典型工艺曲线,()气体渗碳 气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。,1)排气阶段 零件在装炉时使炉温下降，同时带入大量空气。 2)强渗阶段 到温后保温约30min，排气阶段结束即关闭排气孔，进入强渗阶段。 3)扩散阶段 进入扩散阶段应减少煤油滴量，使表面高浓度的碳向心部扩散，同时滴入少量甲醇，最终达到规定的渗层深度和合适的碳浓度分布。 4)降温
9、阶段 提前0.51h检查试棒，当渗层深度达到规定要求时间时即可降温出炉。,3.2 渗氮技术,.气体渗氮 .离子渗氮,.气体渗氮,图5-8 气体渗氮装置示意图 1氨气分解率测定器 2冒泡瓶 3、9U形气压计 4安置架 5缓冲箱 6箱式电阻炉 7渗氮箱 8热电偶 10干燥箱 11氨气瓶,.离子渗氮,图5-9 离子渗氮装置 1温度表 2热电偶 3接真空系统 4阀 5绝缘体 6工件 7观察窗 8、13开关 9阀 10电源 11气源 12温度控制器,3.3 碳氮共渗技术,(1)渗层性能好 碳氮共渗与渗碳相比，其渗层硬度差别不大，但其耐磨性、耐蚀性及疲劳强度比渗碳层高。 (2)渗入速度快 在碳氮共渗的情况
10、下，由于碳氮原子能互相促进渗入过程，所以在相同温度下，共渗速度比渗碳和渗氮都快，仅是渗氮时间的1/31/4。 (3)工件变形小 由于氮的渗入提高了共渗层奥氏体的稳定性，故使渗层的淬透性得到提高，这样不仅可以用较缓慢的淬火介质进行淬火而减少变形，而且可以用较便宜的碳素钢来代替合金钢制造某些工模具。 (4)不受钢种的限制,3.4 渗硼技术,(1)硬度与耐磨性 钢铁渗硼后表面具有极高的硬度，显微硬度可达12902300HV，所以具有很高的耐磨性。 (2)高温抗氧化性及热硬性 钢铁渗硼后所形成的铁硼化合物(FeB、Fe2B)是一种十分稳定的金属化合物，它具有良好的高温抗氧化性和热硬性，经渗硼处理的模具
11、一般可在600以下可靠地工作。 (3)耐蚀性 渗硼层在酸(除硝酸外)、碱和盐的溶液中都具有较高的耐蚀性，特别是在盐酸、硫酸和磷酸中具有很高的耐蚀性。 (4)渗硼层的脆性 渗硼层的硬度高，脆性较大。,4 化学氧化与磷化处理,4.1 化学氧化处理 4.2 磷化处理,4.1 化学氧化处理,1.氧化处理工艺 2.发蓝处理后的质量检查 3.氧化处理设备 4.氧化处理的应用,1.氧化处理工艺,()高温氧化工艺流程 碱性化学脱脂热水洗酸洗冷水洗两次氧化处理回收温水洗冷水洗浸3%5%肥皂水(皂化)或3%5%铬酸钾溶液(钝化)干燥浸油。 ()常温氧化工艺流程 化学脱脂热水洗冷水洗除锈酸洗冷水洗中和处水洗常温氧化
12、水洗肥皂水处理干燥浸热油水洗热水烫干浸清漆封闭。,2.发蓝处理后的质量检查,()外观观察法 将工件放在荧光灯下，离肉眼300mm，观察其表面，若颜色均匀一致，无明显花斑与锈迹存在，则为良好。 ()氧化膜疏松的测定 在脱脂后的工件上滴上数滴3%的中性硫酸铜，若在30s内不显示铜色即为合格。,3.氧化处理设备,()酸洗槽 应采用玻璃钢耐酸缸，耐酸塑料桶、耐酸搪瓷缸等。 ()氧化槽 应保证一定的氧化速度所具有的功率。 ()其他辅助设备 清洗槽、皂化槽、热油槽等都无一定技术规定，按需选用即可。,4.氧化处理的应用,氧化处理适用于碳素钢和低合金钢，广泛应用于机械零件、仪器仪表、枪械等的精密零件及不能以其
13、他覆层替代的防护装饰性工件。在不影响精密度及力学性能的前提下，它能使工件增加美观和防锈等，但在使用过程中应定期擦油。 由于操作不同及金属本身的化学成分不同，获得的氧化膜颜色也不同，有蓝黑色、黑色、红棕色等，碳素钢及一般合金钢为黑色；铬硅钢为红棕色到黑棕色；高速钢是黑褐色；铸铁为紫褐色。,4.2 磷化处理,.磷化工艺的基本原理 .磷化工艺分类及应用特点,.磷化工艺的基本原理,()利用酸的浸蚀使基体金属表面H+浓度降低 ()促进剂(氧化剂)加速 ()磷酸根的多级离解 ()磷酸盐沉淀结晶成为磷化膜,.磷化工艺分类及应用特点,()防锈磷化工艺 磷化工艺的早期应用是防锈，钢铁件经磷化处理形成一层磷化膜，
14、起到防锈作用。 ()耐磨减摩润滑磷化工艺 对于发动机活塞环、齿轮、制冷压缩机一类工件，它不仅承受一次载荷，而且还有运动摩擦，要求工件能减摩、耐磨。 ()漆前磷化工艺 涂装底漆前的磷化处理，将提高漆膜与基体金属的附着力，提高整个涂层系统的耐腐蚀能力，提供工序间保护以免形成二次生锈。 ()高温磷化 钢铁零件的高温磷化是在9098温度下处理1030min。 ()中温磷化 钢铁零件中温磷化，是在5070温度下处理1015min。,.磷化工艺分类及应用特点,()常(低)温磷化 钢铁零件常温磷化，是指不加热，在自然室温条件下的磷化，正常为1035。 (1)浸渍磷化 适用于高、中、低温磷化。 (2)喷淋磷化
15、 适用于中、低温磷化工艺，可处理大面积工件，如汽车、冰箱、洗衣机壳体。 (3)刷涂磷化 上述两种方法无法实施时，采用本法。,5 电镀技术,5.1 普通电镀 5.2 电刷镀,5.1 普通电镀,.电镀原理 .镀铬 .镀锌 4. 镀锡 5. 镀镍 6. 镀铜,.电镀原理,图5-10 电镀锌装置示意图,.镀铬,()镀前准备 包括镀前机械加工以提高工件表面质量；绝缘处理，即在工件不需镀铬表面，先刷绝缘清漆，再包塑料胶带。 ()吊入镀槽进行电镀。 ()镀后加工与处理，镀后检查，不合格处用酸洗或反极退镀，重新电镀。,.镀锌,锌镀层大多镀覆于钢铁制品的表面，经钝化后，在空气中几乎不发生变化，有很好的防锈功能。
16、这是因为钝化膜紧密细致及锌镀层表面生成的碱式碳酸盐薄膜保护了下面的金属不再受腐蚀的缘故。另一方面，由于锌有较高的负电位，比铁的电位高，因此，形成铁锌原电池时，锌镀层是阳极，它会自身溶解而保护钢铁基体，即使表面锌镀层不也能起到这个作用。锌镀层对铁基体既有物理保护作用，又有电化学保护作用，所以，耐蚀性能相当优良。 锌镀层钝化后，通常视所用钝化液不同而得到彩虹色钝化膜或白色钝化膜。彩虹色钝化膜的耐蚀性比无色钝化膜高5倍以上，这是因为彩虹色钝化膜比白色钝化膜厚。另一方面，彩虹色钝化膜表面被划伤后，表面能自行再钝化，使钝化膜恢复完整，因此镀锌多采用彩虹色钝化。白色钝化膜外观洁白，多用于日用五金、建筑五金等要求有均匀白色表面的制品。此外，还有黑色钝化、军绿色钝化等，在工业上也有应用。镀
