表面硬化处理

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1、表面硬化处理所谓表面硬化法是指通过适当的方法使零件的表层硬化而零件的心部仍然 具有强韧性的处理。通过这种处理，可以改善零件的耐磨性以及耐疲劳性，而由 于零件的心部仍然具有良好的韧性和强度，因此对冲击载荷有良好的抵抗作用。 常用的表面硬化处理方法主要有渗碳、氮化、硬质阳极氧化、镀铬、表面淬火以 及渗金属等。一. 渗碳 钢的渗碳就是含碳量较低的钢制零件在渗碳介质中加热或者保温，使碳原子渗入表面 获得一定的表面含碳量，在淬火之后，含碳量高的表层硬度很高，而含碳量低的心部硬度低 仍具有良好的韧性。目的是使零件获得高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲 疲劳强度。主要用于承受磨损、交变接触应力或

2、者弯曲应力和冲击载荷的零件，如轴、齿轮、 凸轮轴等，这些零件要求表面有很高的硬度而心部要有足够的强度和韧性。渗碳法分为固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法三种。另外还有真空渗碳法。固体渗碳法就是把零件放入固体渗碳剂（由木炭粉以及BaCO3和Na2CO3等促进剂组成） 中然后放入渗碳容器里加热到900C930C保温一定时间。液体渗碳是把工件浸入以氰化 钠（NaCN）为主（含NaCl、NaCO3和Na2CO3等添加剂） 的熔融盐浴里，氰化钠分解所生成的C和N渗入工件中。气体渗碳是把零件放入通有CH4 和 CO 的容器里加热使碳原子渗入工件表面。渗碳层的深度可以达到几个毫米，其深度随渗碳时间的增加而增

3、加，随渗碳温度的升高 而加深，但是渗碳速度随时间的延长而减慢。对不要渗碳的部位一般采用镀铜保护或者预留 加工余量、渗碳后把该处切掉的方法进行防护。渗碳后必须进行淬火和低温回火处理以得到零件所需要的硬度（可达HRC5565）,注 重高硬度时在150C左右回火，而为了保持零件的尺寸精度，防止时效变形时在180C 200 C左右回火。最后必须要提及一点是，我们经常提到的渗碳层深度是指淬火后的有效硬化层深度，国 标GB945088上规定为从零件表面到维氏硬度值为550HV的距离，实际碳在零件中扩散达 到的距离比这个要大得多。附图：Q235钢和20#钢渗碳淬火后显微组织（100倍、200倍）二. 氮化氮

4、化是指把合金钢（一般含有Al、Cr、Mo）在无水氨气（NH3）流中在500C570C 左右长时间加热，使钢的表面形成一层硬度很高又耐腐蚀的氮化物（主要为 Fe2N、 Fe3N、 Fe4N）。一般有气体渗氮、液体渗氮和辉光离子渗氮。氮化时合金钢的含碳量一般在 0.2%0.5%，主要由零件心部的机械性能来决定含碳量， 含碳量高时阻碍 N 的扩散，从而减少氮化层的厚度，而含碳量少时，零件截面上的硬度梯 度变化就会大，从而造成氮化层容易剥离。Al的作用是增加渗氮后钢的表面硬度，Cr可以 增加氮化层的厚度，Mo可以防止在500C570C长时间加热造成的回火脆性，Cr、Mo对 材质的改良也很重要。历史最久

5、国际上普遍采用的渗氮钢是38CrMoAl。一般的氮化零件的工艺流程为锻造退火粗加工调质精加工氮化。不需要氮化 的部位可以镀Ni或者镀Sn或者镀Pb20%+Sn80%。氮化处理前先对零件进行调质处理，使其具有良好的塑性和韧性，氮化处理后不再实施 淬火、回火，并且氮化处理本身的温度就比较低，所以工件的变形小。氮化处理后工件表面的硬度可以达到HRC6572,比渗碳处理后的硬度更高更耐磨， 并且耐腐蚀性能要好。辉光离子渗氮法是把零件置于真空反应炉内，用真空泵把炉内抽真空，然后通入n2和 H2的混合气体，把炉内压力调整到100lOOOPa,以炉体接阳极，工件接阴极，在两极间通 数百伏的直流电时产生辉光放

6、电，这时所产生的氮离子就会高速向工件表面运动。而处在阴 极的工件被冲击出铁原子，与氮离子结合成FeN，随即被工件表面吸附，在离子轰击作用下， 逐步分解为低价氮化物和氮原子，氮原子就向内部渗入及扩散。辉光离子渗氮的时间与普通 渗氮相比要短的多，普通渗氮要几十个小时，而辉光离子渗氮最快只要几个小时。附图：20#钢和40Cr钢氮化后显微组织（400倍）三. 硬质阳极氧化 铝的阳极氧化是以铝或铝合金作阳极，以铅板作阴极在电解液中电解，使其表面生成氧 化膜层。经过阳极氧化，铝表面能生成厚度为几个至几百微米的氧化膜。这层氧化膜的表面 是多孔蜂窝状的，比起铝合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显

7、的改善和 提高。采用不同的电解液和工艺条件，就能得到不同性质的阳极氧化膜。阳极氧化的主要工艺流程：脱脂除油碱腐蚀抛光阳极氧化染色封孔处理。 碱腐蚀的目的是去除铝合金表面致密但不均匀的氧化膜，对高硅铝合金，采用HN03、 HF混合溶液，其他铝合金采用以NaOH溶液为主的碱性槽液。抛光的目的是得到光亮的基体表面，分为机械抛光、电解抛光和化学抛光。机械抛光就 是采用机械方法磨出光亮表面。电解抛光是利用电流的作用，使铝合金发生电化学反应，在 铝合金表面凸凹不平的部分发生不同程度的溶解，使铝件表面产生光滑的镜面效果。化学抛 光就是把零件浸在化学溶液里面发生反应从而得到光亮的表面，分为酸性抛光和碱性抛光。

8、染色就是利用阳极氧化膜的多孔结构和强吸附性能，将已阳极氧化处理 的铝制件浸渍在有机染料或无机染料的溶液中，则氧化膜针孔吸附染料而 着 色 。 另外还有电解着色、整体着色等。由于铝及铝合金生成的氧化膜具有高的孔隙率和吸附性，很容易被污 染，尤其在腐蚀性环境中，腐蚀介质容易进入膜层孔隙而引起腐蚀。氧化 膜 染 色 后 应 进 行 封 闭 处 理 ，以 增 加 色 泽 的 耐 晒 性 和 耐 蚀 性 。在 工 业 生 产 中 ， 经过阳极氧化的膜层，不管染色与否，一般都要进行封闭处理。一般采用 的是 热 水 封闭 和 蒸汽封 闭 ，其 原 理为 氧化膜 表面 和 孔 壁的 三氧化二 铝 在 热 水

9、中 发 生 水 化 反 应 ， 生 成 水 合 氧 化 铝 ， 使 原 来 氧 化 膜 的 体 积 增 加 33 100% ， 氧化膜体积的膨胀使膜孔显著缩小，从而达到封孔的目的。反应式为： Al O+nHO= Al O nHO2 3 2 2 3 2此 外 还可以采用各种化学溶液封闭，如重铬酸钾溶液封闭，封闭后的阳极氧化膜呈浅 黄色，有特别高的耐蚀性。阳极氧化采用的电解液主要有硫酸、草酸、铬酸，其中硫酸阳极氧化处理应用最为广泛。 如果没有特别指明，一般指的是硫酸阳极氧化。硫酸阳极氧化具有槽液成本低、成分简单、操作维护简便、氧化膜透明度高、着色性高 等特点，因而得到广泛应用。硫酸阳极氧化操作条件

10、为：HSO（体积）10% 30%24温度。C1822Al/g.L-i20电流密度/A.dm-20.63时间/min1060草酸氧化膜的特点和硫酸氧化膜相近，孔隙率低于硫酸氧化膜，耐蚀性和硬度高于硫酸 氧化膜。草酸的槽液成本和操作电压高于硫酸，有些合金的草酸氧化膜颜色较深。草酸和硫 酸阳极氧化都需要良好的冷却系统配套。铬酸阳极氧化膜特别耐腐蚀，主要应用干飞机制造工业，铬酸氧化膜和油漆的附着力强， 也用于作油漆的底层，铬酸阳极氧化膜灰色不透明，一般不用于装饰。为了提高阳极氧化膜的硬度和厚度，把硫酸氧化槽的温度降低至0C,电流密度提高至 2.74.0A/dm2，可以获得2550“m的“硬质氧化膜”。

11、用草酸加少量硫酸可以在515C 得到硬质氧化膜。有些专利用优化硫酸的浓度，加有机酸或其他添加剂，进行硬质阳极氧化。阳极氧化膜厚度一般为520p m,硬质阳极氧化膜最厚可以达到60250m,硬度一 般为HV240500,熔点高达2050C，短时间能耐15002000C的高温，并且导热系数低， 电阻率好，具有很高的绝缘性能但是阳极氧化膜都很脆，随着厚度的增加脆性增大，因此硬 质阳极氧化膜不能承受冲击、弯曲和变形。硬质阳极氧化膜的耐腐蚀性也比一般的阳极氧化 膜要好。附图：阳极氧化膜（前者为电镜扫描照片，后者为结构示意图）四. 镀铬铬的硬度可以达到8001000HV，是最硬的金属。它有很强的钝化性能，

12、在大气中很快 钝化，因而铬层在大气中很稳定，能长期保持其光泽，在碱、硝酸、硫化物、碳酸盐以及有 机酸等腐蚀介质中非常稳定，但可溶于盐酸等氢卤酸和热的浓硫酸中。铬镀层优点为硬度高、耐磨性好、光反射性强。并且耐热性佳，在480C以下不变色， 500 C以上才开始氧化，700C则硬度下降。铬镀层缺点为太硬易脆、易脱落。铬镀层具多 孔性，所以对钢铁腐蚀性不很理想，所以一般先镀铜，再镀镍最后再镀一层铬才能达到防腐 蚀及装饰的目的。传统的镀铬工艺，其电镀液以铬酸为基础，以硫酸作催化剂，两者的比例为 100：1。 经典的常规镀铬溶液配方为CrO3 250 g/LH2SO4 2.5 g/L Cr3+ 3g /

13、L常规镀铬中，只有12-15%的电流用于沉积铬层， 80-85%的电流用于析出氢气。氢气会 渗入铬层，也会渗入基体达几十微米。氢气的渗入，使得钢的疲劳强度下降约 30-40%。因 此镀后必须进行去氢处理。而镀前也必须先做去应力处理: 因为镀铬对应力的敏感性很高， 镀铬表面必须没有应力存在，一般镀件经机械加工、研磨，或硬化热处理都有残留应力，可 加热150至230C消除残留应力。镀硬铬就是比一般的镀铬层厚一点，所以相应的时间也要延长，一般需要十几个小时。五. 表面淬火表面淬火是指将工件表面一定深度范围内迅速加热到淬火温度，然后迅速冷却，在一定 深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。目的是在工件表面

14、一定深度范围内获得马氏体组 织，而心部仍保持淬火前的组织状态（调质或者正火状态），从而使表面硬而耐磨，而心部 又有足够的塑性和韧性。主要用于中碳调质钢和球墨铸铁制的机器零件。主要的表面淬火方式有感应加热表面淬火、火焰淬火以及激光加热和电子束加热表面淬 火。感应加热表面淬火，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速 淬火的一种金属热处理方法。感应加热原理:工件放到感应器内，感应器一般是通入中频或高频交流电（500-300000Hz） 的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布 是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，叫做集肤效应

15、。利用这个集肤效 应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000C,而心部温度升高很小。 根据电流频率的不同，可将感应加热表面淬火分为三类:第一类是高频感应加热淬火，常用电流频率范围为200300千赫兹，一般淬硬层深度为0.52.0m m。适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等。第二类是中频感应加热淬火，常用电流频率范围为2500800赫兹，一般淬硬层深度为210m m。适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。第三类是工频感应加热淬火，电流频率为50赫兹，不需要变频设备，淬硬层深度可达1015m m。适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮等的表面淬火。感应加热表面淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小等优点， 所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。火焰加热淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却， 以获得表面硬化效果的淬火方法。火焰加热温度很高（约3000C以上），能将工件迅速加热 到淬火温度，通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。表面淬火淬硬层深度一般计至半马氏体区。附图：感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火示意图淬火喷水套水工件间隙加热感应圈进水水加热淬火层电疣集中层出水表 1 几种常用材料和工艺的选择序 号工 艺时