金屬表面處理工藝【研究特選】

1、3.46 鋼的表面強(qiáng)化工藝,既要求表面有較高的硬度和耐磨性，又要求心部具有足夠的韌性，必須采用各種表面強(qiáng)化工藝。,1,行業(yè)實(shí)操,一、表面熱處理1、表面淬火,表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。,2,行業(yè)實(shí)操,表面淬火目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限; 心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。 適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。,軸的感應(yīng)加熱表面淬火,3,行業(yè)實(shí)操,表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳鋼。 含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降。 含碳量過高，心部韌性下降

2、； 鑄鐵 提高其表面耐磨性。,4,行業(yè)實(shí)操,預(yù)備熱處理 工藝： 對于結(jié)構(gòu)鋼為調(diào)質(zhì)或正火。 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。 目的: 為表面淬火作組織準(zhǔn)備； 獲得最終心部組織。,5,行業(yè)實(shí)操,表面淬火后的回火 采用低溫回火，溫度不高于200。 回火目的為降低內(nèi)應(yīng)力，保留淬火高硬度、耐磨性。 表面淬火+低溫回火后的組織 表層組織為M回；心部組織為S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)。,6,行業(yè)實(shí)操,感應(yīng)加熱表面淬火示意圖,表面淬火常用加熱方法 感應(yīng)加熱: 利用交變電流在工件表面感應(yīng)巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。,7,行業(yè)實(shí)操,感應(yīng)加熱分為： 高頻感應(yīng)加熱 頻率為250-30

3、0KHz，淬硬層深度0.5-2mm,8,行業(yè)實(shí)操,中頻感應(yīng)加熱 頻率為2500-8000Hz，淬硬層深度2-10mm。,9,行業(yè)實(shí)操,工頻感應(yīng)加熱 頻率為50Hz,淬硬層深度10-15 mm,10,行業(yè)實(shí)操, 火焰加熱: 利用乙炔火焰直接加熱工件表面的方法。成本低，但質(zhì)量不易控制。 激光熱處理: 利用高能量密度的激光對工件表面進(jìn)行加熱的方法。效率高，質(zhì)量好。,11,行業(yè)實(shí)操,12,行業(yè)實(shí)操,一、表面熱處理2、化學(xué)表面熱處理,化學(xué)熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，使,介質(zhì)中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學(xué)成分和組織,進(jìn)而改變其性能的熱處理工藝。,13,行業(yè)實(shí)操,與表面淬火相比，化學(xué)熱

4、處理不僅改變鋼的表層組織，還改變其化學(xué)成分。 化學(xué)熱處理也是獲得表硬里韌性能的方法之一。 根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等。,14,行業(yè)實(shí)操,常用的化學(xué)熱處理： 滲碳、滲氮（俗稱氮化）、碳氮共滲（俗稱氰化和軟氮化）等。 滲硫、滲硼、滲鋁、滲釩、滲鉻等。發(fā)蘭、磷化可以歸為表面處理，不屬于化學(xué)熱處理。 化學(xué)熱處理過程包括分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過程。,15,行業(yè)實(shí)操,化學(xué)熱處理的基本過程,介質(zhì)(滲劑)的分解: 分解的同時(shí)釋放出活性原子。 如：滲碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N 工件表面的吸收: 活性原子向固溶體溶解或與鋼中某些元素形成化合物。

5、原子向內(nèi)部擴(kuò)散。,氮化擴(kuò)散層,16,行業(yè)實(shí)操,鋼的滲碳是指向鋼的表面滲入碳原子的過程。,滲碳目的 提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，同時(shí)保持心部良好的韌性。 滲碳用鋼 為含0.1-0.25%C的低碳鋼。碳高則心部韌性降低。,經(jīng)滲碳的機(jī)車從動(dòng)齒輪,17,行業(yè)實(shí)操,氣體滲碳法示意圖,滲碳方法 氣體滲碳法 將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳?xì)夥罩袧B碳。 滲劑為氣體 (煤氣、液化氣等)或有機(jī)液體(煤油、甲醇等)。 優(yōu)點(diǎn): 質(zhì)量好, 效率高； 缺點(diǎn): 滲層成分與深度不易控制,18,行業(yè)實(shí)操, 固體滲碳法 將工件埋入滲劑中，裝箱密封后在高溫下加熱滲碳。 滲劑為木炭。 優(yōu)點(diǎn)：操作簡單； 缺點(diǎn)：滲速慢，勞動(dòng)條件

6、差。, 真空滲碳法 將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。 優(yōu)點(diǎn): 表面質(zhì)量好, 滲碳速度快。,真空滲碳爐,19,行業(yè)實(shí)操,20,行業(yè)實(shí)操,滲碳溫度：為900-950。 滲碳層厚度（由表面到過度層一半處的厚度）： 一般為0.5-2mm。,低碳鋼滲碳緩冷后的組織,滲碳層表面含碳量：以0.85-1. 05為最好。 滲碳緩冷后組織：表層為P+網(wǎng)狀Fe3C; 心部為F+P; 中間為過渡區(qū)。,21,行業(yè)實(shí)操,滲碳后的熱處理 淬火+低溫回火, 回火溫度為160-180。淬火方法有： 預(yù)冷淬火法 滲碳后預(yù)冷到略高于Ar1溫度直接淬火。,滲碳后的熱處理示意圖,22,行業(yè)實(shí)操,一次淬火法：即滲碳

7、緩冷后重新加熱淬火。 二次淬火法： 即滲碳緩冷后第一次加熱為心部Ac3+30-50，細(xì)化心部；第二次加熱為Ac1+30-50，細(xì)化表層。,滲碳后的熱處理示意圖,23,行業(yè)實(shí)操,常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30-50淬火+低溫回火。此時(shí)組織為： 表層：M回+顆粒狀碳化物+A(少量) 心部：M回+F（淬透時(shí)）,24,行業(yè)實(shí)操,鋼的氮化,氮化是指向鋼的表面滲入氮原子的過程。 氮化用鋼,井式氣體氮化爐,為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼。 常用鋼號為38CrMoAl。 氮化溫度為500-570 氮化層厚度不超過0.6-0.7mm。,25,行業(yè)實(shí)操,常用氮化方法 氣體氮化法與離子氮化法。

8、 氣體氮化法與氣體滲碳法類似，滲劑為氨。 離子氮化法是在電場作用下，使電離的氮離子高速?zèng)_擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時(shí)間短，氮化層脆性小。,離子氮化爐,26,行業(yè)實(shí)操,氮化的特點(diǎn)及應(yīng)用 氮化件表面硬度高（6972HRC），耐磨性高。 疲勞強(qiáng)度高。由于表面存在壓應(yīng)力。,27,行業(yè)實(shí)操,工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進(jìn)行熱處理。 耐蝕性好。因?yàn)楸韺有纬傻牡锘瘜W(xué)穩(wěn)定性高。 氮化的缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。 用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等。,28,行業(yè)實(shí)操,滲氮與滲碳相比： 滲氮層硬度和耐磨性高于滲碳層，硬度可達(dá)6

9、972HRC，且在600650高溫下仍能保持較高硬度； 滲氮層具有很高的抗疲勞性和耐蝕性； 滲氮后不需再進(jìn)行熱處理，可避免熱處理帶來的變形和其他缺陷； 滲氮溫度較低。 只適用于中碳合金鋼，需要較長的工藝時(shí)間才能達(dá)到要求的滲氮層。,29,行業(yè)實(shí)操,二、表面形變強(qiáng)化,表面形變強(qiáng)化指使鋼件在常溫下發(fā)生塑性變形，以提高其表面硬度并產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力分布的表面強(qiáng)化工藝。 工藝簡單，成本低廉，是提高鋼件抗疲勞能力，延長其使用壽命的重要工藝措施。,30,行業(yè)實(shí)操,1、噴丸,噴丸強(qiáng)化是將大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸噴射到零件表面上，猶如無數(shù)個(gè)小錘錘擊金屬表面，使零件表層和次表層發(fā)生一定的塑性變形而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的一種技術(shù)。

10、 應(yīng)用：形狀較復(fù)雜的零件 在磨削、電鍍等工序后進(jìn)行,31,行業(yè)實(shí)操,2、滾壓處理,利用自由旋轉(zhuǎn)的淬火鋼滾子對鋼件的已加工表面進(jìn)行滾壓，使之產(chǎn)生塑性變形，壓平鋼件表面的粗糙凸峰，形成有利的殘余壓應(yīng)力，從而提高工件的耐磨性和抗疲勞能力。 應(yīng)用：圓柱面、錐面、平面等形狀比較簡單的零件,32,行業(yè)實(shí)操,三、表面覆層強(qiáng)化,表面覆層強(qiáng)化是通過物理或化學(xué)的方法在金屬表面涂覆一層或多層其他金屬或非金屬的表面強(qiáng)化工藝。 目的：提高鋼件的耐磨性、耐蝕性、耐熱性或進(jìn)行表面裝飾。,33,行業(yè)實(shí)操,1、金屬噴涂技術(shù),將金屬粉末加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為熱噴涂。,利用熱噴

11、涂技術(shù)可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。 廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有領(lǐng)域。,等離子熱噴涂,34,行業(yè)實(shí)操,2、金屬鍍層,在基體材料的表面覆上一層或多層金屬鍍層，可以顯著改善其耐磨性、耐蝕性和耐熱性，或獲得其他特殊性能。 電鍍：工件作為陰極 化學(xué)鍍：不外加電源的條件下，利用化學(xué)還原的方法在基體材料表面催化膜上沉積一層金屬的表面強(qiáng)化方法。 特點(diǎn)：形狀工件復(fù)雜上也能得到均勻厚度鍍層；鍍層晶粒細(xì)小致密，孔隙與裂紋少；可以在非金屬材料表面沉積金屬層。 復(fù)合鍍：電鍍或化學(xué)鍍的溶液中加入適量金屬或非金屬微粒，借助于強(qiáng)烈的攪拌，與基質(zhì)金屬一起均勻沉積而獲得特殊性能鍍

12、層的表面強(qiáng)化方法。 應(yīng)用：對材料有特殊要求。原子能工業(yè)和航天航空工業(yè),35,行業(yè)實(shí)操,3、金屬碳化物覆層氣相沉積法,氣相沉積技術(shù)是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過物理或化學(xué)的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術(shù)。,根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術(shù)可分為物理氣相沉積(PVD) 和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩大類。,物理氣相沉積TiAl靶,36,行業(yè)實(shí)操,物理氣相沉積（PVD） 物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，,使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術(shù)。 物理沉積技術(shù)主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍?nèi)N基本方法。,磁控濺射鍍膜設(shè)備,37,

13、行業(yè)實(shí)操,真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。,38,行業(yè)實(shí)操,濺射鍍是在真空下通過輝光放電來電離氬氣，氬離子在電場作用下加速轟擊陰極，濺射下來的粒子沉積到工件表面成膜的方法。,39,行業(yè)實(shí)操,離子鍍是在真空下利用氣體放電技術(shù)，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時(shí)產(chǎn)生的大量高能中性粒子一起沉積到工件表面成膜的方法。,多弧離子鍍膜機(jī),40,行業(yè)實(shí)操,物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強(qiáng)、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點(diǎn)。 廣泛用于機(jī)械、航空航天、電子、光學(xué)和輕工業(yè)等領(lǐng)域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、光學(xué)、磁性、壓電、滑潤、超導(dǎo)等薄膜。,離子鍍產(chǎn)品,41,行業(yè)實(shí)操,化學(xué)氣相沉積(CVD) 化學(xué)氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體,CVD設(shè)備,表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。 例如，氣態(tài)的TiCl4與N2和H2在受熱鋼的表面反應(yīng)生成TiN，并沉積在鋼的表面形成耐磨抗蝕的沉積層。,42,行業(yè)實(shí)操,由于化學(xué)氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學(xué)、光學(xué)等特殊性能，已被廣泛用于機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域。,43,行業(yè)實(shí)操,4、非金屬覆層,根據(jù)不同目的，在金屬表面涂覆各種非金屬覆層