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1、材料表面工程主讲教师：吕 祥 鸿西安石油大学材料科学与工程学院2/120l 一、绪论l 二、表面热处理l 三、表面形变强化技术目 录定义定义- -表面工程技术是指为满足特定工程需要，使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。分类分类- -1、表面热处理技术；2、表面形变强化技术；3、热扩渗；4、热喷涂；5、热喷焊和堆焊；6、电镀；7、化学镀；8、化学转化膜与着色技术；9、气相沉积技术；10、高能束表面处理。一、绪 论 随着现代工业的迅猛发展,对机械工业产品提出了更高的要求。要求产品能在高参数(如高温,高压,高速)、高度自动化和恶劣的工况条件下长期稳定运转。这就
2、必然对机件表面的耐磨、耐蚀等性能提出了更高的要求。为了满足这样的要求,在某些情况下我们可以选用贵金属或合金来制造整体设备及零件。 有时虽然也可满足表面性能要求,但这往往会造成设备的成本成倍或成百倍的增加,降低了产品的竞争力。 （例：H2S油气田广泛采用镍基合金， 镍基合金是钢铁的几十倍甚至上百倍。） 更何况在许多情况下也无法找到一种能够同时满足整体和表面要求的材料。 （例：油气田用双相不锈钢（冷拔成型）满足耐蚀性满足不了强度要求，主要是由于温度升高，强度下降）。 一、绪 论而表面技术则可以在不增加或不增加太多材料成本的同时使产品表面受到保护和强化,从而提高产品的使用寿命和可靠性,改善机械设备的
3、性能、质量、增强产品的竞争能力,所以，研究和发展机械产品的表面保护和表面强化技术，对于推动高技术和新技术的发展,对于节约材料,节约能源等都具有重要意义。定义：表面工程技术是指为满足特定的工程需要，使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。一、绪 论表面工程技术的内涵应该包括如下几个方面：（1）表面改性技术；（提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性，或装饰零部件表面）（2）表面加工技术；（能够在材料表面加工或制作各种功能元器件的有关技术）（3）表面合成材料技术；（借助各种手段在材料表面合成新材料的技术）（4）表面加工三维合成技术；（将二维表面加工累积成三维
4、零件的快速原型制造技术）（5）上述几个要点的组合或综合。一、绪 论2. 表面工程技术的特点与意义（1）它主要作用在基体表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大；（2）采用表面涂（镀）、表面合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本；（3）表面工程技术可以兼有装饰和防护功能，在人们周围创造五彩缤纷的世界，推动产品的更新换代；一、绪 论（4）以化学气相沉积技术（chemical vapor deposition简称CVD) 、物理气相沉积技术（physical vapor deposition简
5、称PVD) 、掩膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成电路、太阳能薄膜电池等元器件的基本技术；（5）计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维的表面处理技术发展成为三维零件制造技术，创造了全新的制造方法生长型制造法，不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高；一、绪 论（6）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法（金属基复合材料(MMC) Metal Matrix Composite及陶瓷基复合材料(CMC)Ceramic Matrix Composite的制备），如可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能
6、合金等。图11 纤维涂层法制备钛基复合材料 纤维涂层涂层纤维堆垛热压或热等静压成形 纤维 碳芯或钨芯CVDPVD一、绪 论图1-2 CVD、PVD法制备钛基复合材料一、绪 论3. 表面工程技术的分类材料表面工程是一门新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。如：按作用原理可分为： 原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。 颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热
7、喷涂、搪瓷涂覆等。 整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。 表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。 一、绪 论按表面强化层材料可分为：金属材料层；陶瓷材料层；高分子材料层。按工艺特点可分为：电镀，化学镀，热渗镀，热喷涂，堆焊，化学转化膜，涂装，表面彩色，气相沉积，“三束”改性，表面热处理，形变强化，衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。按表面改质的目的或性质可分为：表面耐磨和减磨技术，表面耐蚀抗氧化技术，表面强化（提高疲劳强度）技术，表面装饰技术，功
8、能表面技术，表面修复技术。一、绪 论 实际上，表面技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分：1）表面改性技术 表面改性技术主要赋予材料（或零部件、元器件）表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。 表面组织转化技术； 表面涂镀技术； 表面合金化和掺杂技术。一、绪 论2）表面微细加工技术 表面微细加工技术主要指在材料表面（不大于100m）区域内进行各种形状或尺寸的精密、微细加工，使其成为具有各种功能的元器件（或零部件）的技术。3）表面加工三维成型技术快速原型制造 表面加工三维成型技术主要指通过计算机控制，在材料表面不断实现特定形状的涂镀加工与堆积，形成三维零部件（或元器件）的快速原
9、型制造技术。4）表面合成新材料技术 表面合成新材料技术主要指采用特定的表面工程技术，在材料表面合成常规工艺方法无法获得的新材料，或者利用材料的表面加工过程获得全新材料的工艺。一、绪 论16/120l 一、绪论l 二、表面热处理l 三、表面形变强化技术目 录u1.表面淬火技术的原理与特点u2.表面淬火层的组织与性能u3.分类 二、表面热处理v在表面工程技术中，不需要外加其他材料，主要依靠材料自身组织与结构转变来进行表面改性的工艺主要有两类：一类是表面淬火与退火技术，另一类就是表面形变强化技术。主要介绍表面淬火技术的基本原理和特点。1、铁碳合金相图2、钢的普通热处理包括哪些工艺? 正火、退火、淬火
10、和回火，统称“四把火”。3、什么是调质？调质处理后钢的组织和性能怎样？淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质。调质后的组织为回火索氏体，具有综合力学性能。4、什么是钢的淬透性？钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。 二、表面热处理 1 表面淬火技术术的原理与特点原理v采用特定热热源将钢铁钢铁 材料表面快速加热热到Ac3（对亚对亚 共析钢钢）或者Ac1（过过共析钢钢）之上，然后使其快速冷却并发发生马马氏体相变变，形成表面强化层层的工艺过艺过 程，称为为表面淬火技术术。不仅仅仅仅 是钢铁钢铁 ，凡是能通过过整体淬火强化的金属材料，都可以进进行表面淬火。v原则则上，碳的质质量分数
11、在0.351.20的中、高碳钢钢及基体相当于碳钢钢的普通灰铸铸铁铁、球墨铸铁铸铁 、可锻铸铁锻铸铁 、合金铸铁铸铁 均可以实现实现 表面淬火，但中碳钢钢与球墨铸铁铸铁最适合于表面淬火的材料。这这是由于中碳调质钢经过预调质钢经过预 先热处热处 理（正火或调质调质 ），再进进行表面淬火，即可以保证证心部有较较高的综综合力学性能，又使表面具有较较高的硬度（50HRC）和耐磨性。 二、表面热处理为解决工件不同厚度处表面硬化层不均匀，开发发出低淬透性钢钢和限制淬透性钢钢。低淬透性钢钢是通过过提高钢钢中碳的质质量分数来提高钢钢的强度及耐磨性，同时严时严 格控制钢钢中合金元素的含量以降低钢钢材的淬透性，表面
12、淬火后，其硬化层层可控制在1.52.5mm范围围内。限制淬透型钢钢则则是在低淬透性钢钢基础础上适当提高了增加淬透性元素，并加入钛钛（质质量分数0.060.12），以阻碍奥氏体晶粒的长长大。 二、表面热处理特点表面淬火时加热与冷却速度很快, 使得与普通淬火技术有较大区别，主要体现在：v在相变温度、组织和性能上存在差异:加热速度快：使得Ac3与Accm相变温度大幅度提高;使奥氏体晶粒显著细化。加热速度很高时，甚至产生无扩散奥氏体相变。冷却速度快：使得表面淬火硬度比普通淬火后要高。v快速加热条件下渗碳体难以充分溶解，形成奥氏体成分也相当不均匀。不均匀的奥氏体实际上包含:未熔碳化物、高碳偏聚区(原珠光
13、体区)和贫碳区(铁素体区)，在淬火过程中形成低碳马氏体区和高碳马氏体区，造成显微硬度不均匀。所以表面淬火处理常需要进行预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、细小地分布。 二、表面热处理 2.表面淬火层的组织与性能l（1） 表面淬火层的组织表面淬火后的金相组织与加热温度沿试样横截面分布有关.一般分为:v淬硬区;v过渡区;v心部组织。145钢; 2T8钢;硬化区; 淬硬区; 过渡区; 心部表面淬火后组织与硬度的分布 二、表面热处理l （2） 表面淬硬层的性能v正常情况下，表面淬火层硬度一般比普通淬火工艺高25HRC,淬火后工件耐磨性也比普通淬火要好。这主要是因为表面淬火冷却速度比常规淬火快得多，奥
14、氏体晶粒的细化 。v此外，表面淬火还可在零件表面产生压应力，抑制裂纹的萌生和扩展过程，能大幅提高轴类零件疲劳强度，降低缺口敏感性。 二、表面热处理l （3）表面淬火分类依据表面淬火的热源不同，可分为:v感应加热淬火v火焰淬火v激光淬火v电子束淬火v电阻加热表面淬火 二、表面热处理F 感应加热淬火原理-集肤效应v感应线圈通交流电，工件内产生感应电流，并在工件内自成回路，称为“涡流”。v涡流的分布是不均匀的，表面电流密度最大，心部电流密度几乎为零。v由于钢本身具有电阻，集中于工件表面的涡流，几秒种可使工件表面温度升至8001000，而心部温度仍接近室温，随即喷水(合金钢浸油)快速冷却后，达到表面淬
15、火目的。 二、表面热处理v 感应加热淬火加工工艺预先调质处理确定加热温度与加热方式选择比功率设计感应加热器确定冷却方式与冷却介质制定回火工艺参数 预先调质处理的目的是为感应加热淬火作好准备,同时也使工件在整个截面上具备良好的力学性能。 工件的加热温度对淬硬层性能影响很大。感应加热淬火时存在一最佳温度范围, 所得到的强度与硬度可比普通淬火高23HRC。 比功率(单位面积上供给的电功率) 高频淬火时，比功率对工件的淬火加热过程有重要的影响。 当工件尺寸一定时，比功率越大，加热速度越快，工件表面能达到的温度越高； 比功率太低将导致加热不足，加热层深度增大，过渡区增大。 比功率的大小要综合考虑淬硬层深
16、度和淬火区温度来确定。 二、表面热处理加热方式同时加热:通电时工件需硬化的表面同时加热;连续加热:加热过程中感应器与工件的相对移动使工件表面逐渐加热。同时加热 二、表面热处理淬火介质 生产上一般为水，常采用喷射冷却法，通过调节喷射压力、温度与时间来控制冷速。淬火后进行回火 感应加热淬火后进行回火，回火温度一般较低，以使淬硬层保持有一定的残余应力。 二、表面热处理v 表面感应加热淬火优缺点 是迄今为止国内外使用最为普遍的表面淬火技术,但存在如下局限性： 与普通淬火相比，设备成本较高； 感应加热时，容易使零件尖角棱边处过热，即导致 “尖角效应”； 对形状复杂零件而言，难以保证所有表面淬火后都能获得均匀的硬化层。 二、表面热处理F火焰加热表面淬火 原理-将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，在一定淬火介质中冷却的表面淬火方法。 二、表面热处理v 火焰加热表面淬火工艺表面淬火常用火焰 乙炔氧火焰(最高温度3200) 煤气氧火焰(最高温度2000)加热前热处理火焰加热前要对工件进行正火或调质处理。防止过烧和受热不足如何控制工件表面温度、加热速度和深度 通过控制燃烧火焰
