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1、金属表面处理工艺 一、表面热处理 1、表面淬火 n表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情 况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以 强化零件表面的热处理方法。 火焰加热火焰加热 感应加热 n表面淬火目的： n 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; n 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的 塑性和韧性。即表硬里韧。 n适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。 轴的感应加热表面淬火轴的感应加热表面淬火 n表面淬火用材料 n 0.4-0.5%C的中碳钢。 n含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。 n含碳量过高，心部韧性下降； n 铸铁 提高其表面耐磨性。 机床导轨表面淬火齿轮 n
2、预备热处理 n工艺： n对于结构钢为调质或正火。 n前者性能高，用于要求高的重 要件，后者用于要求不高的普 通件。 n目的: n为表面淬火作组织准备； n获得最终心部组织。 回火索氏体 索氏体 n表面淬火后的回火 n采用低温回火，温度不高于200。 n回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。 n表面淬火+低温回火后的组织 n表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。 感应加热表面淬火感应淬火机床 感应淬火机床 感应加热 表面淬火 示意图 n表面淬火常用加热方法 n 感应加热: 利用交变电流 在工件表面感应巨大涡流， 使工件表面迅速加热的方法 。 n感应加热分为： n高频感应
3、加热 频率为250-300KHz，淬 硬层深度0.5-2mm 传动轴连续淬 火感应器 感应加热表面淬火齿轮的截面图 n中频感应加热 频率为2500- 8000Hz，淬硬层深 度2-10mm。 各种感应器 中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴 n工频感应加热 n频率为50Hz,淬硬层 深度10-15 mm 各种感应器 感应穿透加热 n 火焰加热: 利用乙炔火焰直接加 热工件表面的方法。成本低，但质 量不易控制。 n 激光热处理: 利用高能量密度的 激光对工件表面进行加热的方法。 效率高，质量好。 火焰加热表面淬火示意图 激光表面热处理 火焰加热表面淬火 二、化学表面热处理 n化学热处理是将工件置于特
4、定介质中加热保温，使 介质中活性原子 渗入工件表层从 而改变工件表层 化学成分和组织, 进而改变其性能 的热处理工艺。 n与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改 变其化学成分。 n化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。 n根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元 共渗、渗其他元素等。 可控气氛渗碳炉 渗碳回火炉 常用的化学热处理： 渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰 化和软氮化）等。 渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。发兰、磷 化可以归为表面处理，不属于化学热处理。 化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基 本过程。 化学热处理的基本过程 n介质(渗剂)的分解
5、: 分解的同 时释放出活性原子。 n如：渗碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N n工件表面的吸收: 活性原子向 固溶体溶解或与钢中某些元素形 成化合物。 n原子向内部扩散。 氮化扩散层 钢的渗碳 是指向钢的表面渗入碳原子的过程。 n渗碳目的 n提高工件表面硬度、耐 磨性及疲劳强度，同时 保持心部良好的韧性。 n渗碳用钢 l为含0.1-0.25%C的低 碳钢。碳高则心部韧性 降低。 经渗碳的机车从动齿轮 气体渗碳 法示意图 n渗碳方法 n 气体渗碳法 n将工件放入密封炉内，在高 温渗碳气氛中渗碳。 n渗剂为气体 (煤气、液化气等 )或有机液体(煤油、甲醇等) 。 n优点: 质量好,
6、效率高； n缺点: 渗层成分与深度不易控 制 n 固体渗碳法 n将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。 n渗剂为木炭。 n优点：操作简单； n缺点：渗速慢，劳动条件差。 l 真空渗碳法 l将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后 通入渗碳气体加热渗碳。 l优点: 表面质量好, 渗碳速度快。 真空渗碳炉 n渗碳温度：为900-950。 n渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）： 一般为0.5-2mm。 低碳钢渗碳缓冷后的组织 l渗碳层表面含碳量：以 0.85-1. 05为最好。 l渗碳缓冷后组织：表层 为P+网状Fe3C; 心部 为F+P; 中间为过渡区 。 n渗碳后的热处理 n淬火+低温回火
7、, 回火温度为160-180。淬火方法有： n 预冷淬火法 n渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。 渗碳后的热处理示意图 n一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。 n 二次淬火法： n即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部； 第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。 渗碳后的热处理示意图 n常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火+低 温回火。此时组织为： n表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量) n心部：M回+F（淬透时） 渗碳淬火后的表层组织 M+F 钢的氮化 n氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。 n氮化用钢 井式气体氮化炉 l为含Cr、Mo、Al、Ti
8、、V的 中碳钢。 l常用钢号为38CrMoAl。 l氮化温度为500-570 l氮化层厚度不超过0.6-0.7mm 。 n常用氮化方法 n气体氮化法与离子氮化法。 n气体氮化法与气体渗碳法类似 ，渗剂为氨。 n离子氮化法是在电场作用下， 使电离的氮离子高速冲击作为 阴极的工件。与气体氮化相比 ，氮化时间短，氮化层脆性小 。 离子氮化炉 n氮化的特点及应用 n氮化件表面硬度高（6972HRC），耐磨性高。 n疲劳强度高。由于表面存在压应力。 氮化层组织 38CrMoAl氮化层硬度 n工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理 。 n 耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。 n氮化的
9、缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。 n用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如 仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。 缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴 滲氮与滲碳相比： u滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达6972HRC， 且在600650高温下仍能保持较高硬度； u滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性； u滲氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和 其他缺陷； u滲氮温度较低。 u只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能达到要 求的滲氮层。 三、表面形变强化 n表面形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形，以 提高其表面硬度并产生有利的残余压应力分布的表 面强化工艺。 n工艺简
10、单，成本低廉，是提高钢件抗疲劳能力，延 长其使用寿命的重要工艺措施。 1、喷丸 n喷丸强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上，犹如 无数个小锤锤击金属表面，使零件表层和次表层发生一定的 塑性变形而实现强化的一种技术。 n应用：形状较复杂的零件 n在磨削、电镀等工序后进行 2、滚压处理 n利用自由旋转的淬火钢滚子对钢件的已加工表面进行滚压， 使之产生塑性变形，压平钢件表面的粗糙凸峰，形成有利的 残余压应力，从而提高工件的耐磨性和抗疲劳能力。 n应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件 四、表面覆层强化 n表面覆层强化是通过物理或化学的方法在金属表面 涂覆一层或多层其他金属或非金属的表面强
11、化工艺 。 n目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行 表面装饰。 1、金属喷涂技术 n将金属粉末加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾 化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。 l利用热喷涂技术可改善材料 的耐磨性、耐蚀性、耐热性 及绝缘性等。 l广泛用于包括航空航天、原 子能、电子等尖端技术在内 的几乎所有领域。 等离子热喷涂 2、金属镀层 n在基体材料的表面覆上一层或多层金属镀层，可以显著改 善其耐磨性、耐蚀性和耐热性，或获得其他特殊性能。 n电镀：工件作为阴极 n化学镀：不外加电源的条件下，利用化学还原的方法在基 体材料表面催化膜上沉积一层金属的表面强化方法。 特点：形状工件
12、复杂上也能得到均匀厚度镀层；镀层晶粒细小致密 ，孔隙与裂纹少；可以在非金属材料表面沉积金属层。 n复合镀：电镀或化学镀的溶液中加入适量金属或非金属微 粒，借助于强烈的搅拌，与基质金属一起均匀沉积而获得 特殊性能镀层的表面强化方法。 应用：对材料有特殊要求。原子能工业和航天航空工业 3、金属碳化物覆层气相沉积法 n气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理 或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技 术。 l根据沉积过程的原理不同 ，气相沉积技术可分为物 理气相沉积(PVD) 和化学 气相沉积(CVD)两大类。 物理气相沉积物理气相沉积TiAlTiAl靶靶 n物理气相沉积（PVD
13、） n物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法， 使材料汽化成原子、分子 或电离成离子，并通过气 相过程，在材料表面沉积 一层薄膜的技术。 l物理沉积技术主要包括真 空蒸镀、溅射镀、离子镀 三种基本方法。 磁控溅射镀膜设备 n真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽 化或升华沉积到工件表面形成薄 膜的方法。 真空蒸镀TiN活塞环 真空蒸镀Al膜的塑料制品 n溅射镀是在真空下通过辉光 放电来电离氩气，氩离子在 电场作用下加速轰击阴极， 溅射下来的粒子沉积到工件 表面成膜的方法。 溅射镀示意图 磁控溅射镀膜机 磁控溅射镀Al的塑料制品 n离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分 电离成离子，与同时
14、产生的大量高能中性粒子一起沉积到 工件表面成膜的方法。 多弧离子镀膜机 n物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简 单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度 均匀、致密、针孔少等优点。 n广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备 耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润 、超导等薄膜。 离子镀产品 n化学气相沉积(CVD) n化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体 CVD设备 表面相互作用而在基体 表面形成金属或化合物 薄膜的方法。 例如，气态的TiCl4与N2 和H2在受热钢的表面反 应生成TiN，并沉积在 钢的表面形成耐磨抗蚀 的沉积层
15、。 由于化学气相沉积膜 层具有良好的耐磨性 、耐蚀性、耐热性及 电学、光学等特殊性 能，已被广泛用于机 械制造、航空航天、 交通运输、煤化工等 工业领域。 经CVD处理的模具 经CVD处理 的活塞环 表面处理技术 表面修复处理 一、表面处理概述 1表面处理概念 利用现代物理化学、金属学和热处理等学科的边缘性新 技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化 组合，以达到预定性能要求的工艺方法，称为表面处理。 2表面处理技术的分类 表面强化处理 表面洁化处理 表面装饰处理 表面防蚀处理 3常用表面处理方法 喷漆与喷塑等 热喷涂、喷丸、表面滚压 表面胀光、离子镀 激光表面强化、抛光 普通电镀
16、、特种电镀 钢铁发蓝、钢铁磷化 铝阳极氧化及着色处理 二、热喷涂 热喷涂是将金属或非金属材 料加热熔化，靠压缩气体连续吹 喷到制件表面上，形成与基体牢 固结合的涂层，从制件表层获得 所需要的物理化学性能。 1热喷涂原理 说明： 喷涂的涂层厚度为几十微米至数毫米。 喷涂热源可用燃气火焰、电弧、等离子弧或激光束等。 喷涂材料可为金属、合金、金属氧化物和碳化物、陶 瓷和塑料等，材料形态可为线材、棒料或粉末。 喷涂的基体可为金属、陶瓷、玻璃、塑料、石膏、木 材、布、纸等固体材料。 2热喷涂的特点 生产效率高。每小时喷涂材料重量从几千克到几十千克，沉 积效率很高。 工艺灵活，适用范围广。热喷涂施工对象可大可小，小的可 到10mm内孔(线爆喷涂)，大的可到桥梁、铁塔(火焰线材喷 涂或电孤喷涂)，可在室内喷涂，也可在野外现场作业；可 整体喷涂，也可以局部喷涂。 基体及喷涂材料广泛。可通过
