材料的表面強化

1、 l 我國著名材料學(xué)專家、兩院院士我國著名材料學(xué)專家、兩院院士師昌緒師昌緒先生指出：先生指出：，是應(yīng)用物理、化是應(yīng)用物理、化學(xué)、機械等方法改變固體材料表面成分或組織結(jié)構(gòu)，獲得所要求的性能，以提高產(chǎn)學(xué)、機械等方法改變固體材料表面成分或組織結(jié)構(gòu)，獲得所要求的性能，以提高產(chǎn)品的可靠性或延長使用壽命的各種技術(shù)的總稱。品的可靠性或延長使用壽命的各種技術(shù)的總稱。國際著名學(xué)者國際著名學(xué)者BellBell教授教授給出了目前給出了目前得到國際認(rèn)可的表面工程定義得到國際認(rèn)可的表面工程定義：“表面工程表面工程就是將傳統(tǒng)的和新型的表面技術(shù)應(yīng)用到就是將傳統(tǒng)的和新型的表面技術(shù)應(yīng)用到工程構(gòu)件和工程材料上，從而得到具有基體和

2、表面材料均無法獲得的復(fù)合材料。由工程構(gòu)件和工程材料上，從而得到具有基體和表面材料均無法獲得的復(fù)合材料。由于各種表面技術(shù)經(jīng)常用于工程構(gòu)件設(shè)計，所以理論上說，于各種表面技術(shù)經(jīng)常用于工程構(gòu)件設(shè)計，所以理論上說，就是要采用表面就是要采用表面處理的構(gòu)件的設(shè)計處理的構(gòu)件的設(shè)計”。這標(biāo)志著這標(biāo)志著表面工程表面工程作為一種新的工程技術(shù)領(lǐng)域正在形成，同作為一種新的工程技術(shù)領(lǐng)域正在形成，同時它正在形成一門新興科學(xué)。時它正在形成一門新興科學(xué)。包括包括表面加工和表面預(yù)表面加工和表面預(yù)處理（簡稱表面處理）技術(shù)。處理（簡稱表面處理）技術(shù)。l 定義為定義為增強材料表面強度、硬度、耐磨性、耐蝕性、物理性能以增強材料表面強度、

3、硬度、耐磨性、耐蝕性、物理性能以及美觀等表面處理方法的總稱，它包括機械的、物理的、化學(xué)的以及物理化學(xué)的一及美觀等表面處理方法的總稱，它包括機械的、物理的、化學(xué)的以及物理化學(xué)的一系列表面強化處理方法。系列表面強化處理方法。而表面加工技術(shù)和而表面加工技術(shù)和表面預(yù)處理技術(shù)兩者的目的旨在改變材料的外形和表面狀態(tài)，一般不增強材料的使表面預(yù)處理技術(shù)兩者的目的旨在改變材料的外形和表面狀態(tài)，一般不增強材料的使用性能。用性能。 l可見，可見，是表面工程的核心內(nèi)容，是決定強化表層的成分、組織、是表面工程的核心內(nèi)容，是決定強化表層的成分、組織、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵技術(shù)。l按按可分為如下可分為如下6

4、 6類：類：l表面冶金強化（它包括堆焊、熱噴涂、激光重熔等）；表面冶金強化（它包括堆焊、熱噴涂、激光重熔等）；l表面形變（機械）強化（它包括噴丸、滾壓、擠壓等）；表面形變（機械）強化（它包括噴丸、滾壓、擠壓等）；l表面熱處理強化（它包括表面淬火、化學(xué)熱處理等）；表面熱處理強化（它包括表面淬火、化學(xué)熱處理等）；l表面薄膜強化（它包括電鍍、電刷鍍、氣相沉積、化學(xué)鍍等）；表面薄膜強化（它包括電鍍、電刷鍍、氣相沉積、化學(xué)鍍等）；l表面非金屬化處理（它包括噴塑、粘涂、涂裝等）；表面非金屬化處理（它包括噴塑、粘涂、涂裝等）；l高能束（密度）表面強化（它包括電子束、離子束、激光束等）。高能束（密度）表面強化

5、（它包括電子束、離子束、激光束等）。l 其中以其中以應(yīng)用最為普遍。應(yīng)用最為普遍。 l定義：定義：將工件表面快速加熱到淬火溫度，在熱量尚未傳到心部時立即迅速冷卻，使將工件表面快速加熱到淬火溫度，在熱量尚未傳到心部時立即迅速冷卻，使工件表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。工件表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。 l 鋼經(jīng)表面淬火（一般指表面淬火低溫回火）后，其鋼經(jīng)表面淬火（一般指表面淬火低溫回火）后，其為為而而則為原始組織，一般為則為原始組織，一般為。l 表面淬火方法很多，當(dāng)前工業(yè)中廣泛應(yīng)用的就是感應(yīng)加熱表面淬火法、激光加熱表表面淬火

6、方法很多，當(dāng)前工業(yè)中廣泛應(yīng)用的就是感應(yīng)加熱表面淬火法、激光加熱表面淬火法、火焰加熱表面淬火法、電接觸加熱表面淬火法等。面淬火法、火焰加熱表面淬火法、電接觸加熱表面淬火法等。 l （1 1）基本原理：）基本原理： “ “電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)”、“集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)”l （2 2）感應(yīng)加熱的分類）感應(yīng)加熱的分類l （3 3）感應(yīng)加熱表面淬火的特點）感應(yīng)加熱表面淬火的特點 l （4 4）感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及加工工藝路線）感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及加工工藝路線l = = 。 式中式中:感應(yīng)電流透感應(yīng)電流透入深度，入深度，mm; fmm; f電流頻率，電流頻率，H HZ Z 。 “電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)”: : 把工

7、件放入由空心銅管繞成的感應(yīng)器線圈中，把工件放入由空心銅管繞成的感應(yīng)器線圈中，感應(yīng)器中通入一定頻率的交流電以產(chǎn)生感應(yīng)器中通入一定頻率的交流電以產(chǎn)生交變磁場交變磁場，于是，于是工件工件內(nèi)就會產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感生電流。內(nèi)就會產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感生電流。 這種感生電流在工件中的分布是不均勻的，這種感生電流在工件中的分布是不均勻的，主要集中在表面層。主要集中在表面層。愈靠近表面、電流密度愈大愈靠近表面、電流密度愈大; ;頻率愈高，頻率愈高，電流集中的表面層愈薄，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)電流集中的表面層愈薄，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。 f600500 ： 一般只需幾秒至幾十秒時間就一般只需幾秒至幾十

8、秒時間就可使工件達淬火溫度。由于快速加熱，使相變臨界點可使工件達淬火溫度。由于快速加熱，使相變臨界點( (AcAcl l、c c3 3) )升高，升高，轉(zhuǎn)變溫度范圍擴大但轉(zhuǎn)變所需時間縮短。轉(zhuǎn)變溫度范圍擴大但轉(zhuǎn)變所需時間縮短。 使工件表層具有比普通使工件表層具有比普通淬火稍高的硬度淬火稍高的硬度( (高高2 23HRC)3HRC)且脆性較低。由于表層淬火時且脆性較低。由于表層淬火時MM體積體積膨脹，使工件表層存在殘余壓應(yīng)力，因而具有較高的疲勞強度。膨脹，使工件表層存在殘余壓應(yīng)力，因而具有較高的疲勞強度。 由于快速加熱，工件表面不易氧化、脫碳，且由于快速加熱，工件表面不易氧化、脫碳，且淬火時工件變

9、形小。淬火時工件變形小。 便于實現(xiàn)機械化、自動化。淬硬層深度也易于控制。便于實現(xiàn)機械化、自動化。淬硬層深度也易于控制。l上述特點使感應(yīng)加熱表面淬火在工業(yè)上獲得日益廣泛的應(yīng)用。但上述特點使感應(yīng)加熱表面淬火在工業(yè)上獲得日益廣泛的應(yīng)用。但其缺點是工藝設(shè)備較貴，維修調(diào)整困難，對于形狀復(fù)雜的零件的感其缺點是工藝設(shè)備較貴，維修調(diào)整困難，對于形狀復(fù)雜的零件的感應(yīng)器不易制造等。應(yīng)器不易制造等。l用作表面淬火最適宜、用量最大的鋼種是用作表面淬火最適宜、用量最大的鋼種是，如，如4545，40Cr40Cr，40MnB40MnB等。等。l感應(yīng)加熱表面淬火零件的感應(yīng)加熱表面淬火零件的 下料下料鍛造鍛造退火或正火退火或正

10、火粗加工粗加工調(diào)質(zhì)或正火調(diào)質(zhì)或正火精加工精加工感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火+ +低溫回火低溫回火精磨精磨時效時效(100(100150150、101015h15h加熱，以穩(wěn)定工件尺寸，消除內(nèi)應(yīng)加熱，以穩(wěn)定工件尺寸，消除內(nèi)應(yīng)力力)精磨精磨成品。成品。l應(yīng)注意點應(yīng)注意點: :感應(yīng)加熱表面淬火零件的預(yù)先熱處理有調(diào)質(zhì)和正火兩種感應(yīng)加熱表面淬火零件的預(yù)先熱處理有調(diào)質(zhì)和正火兩種，調(diào)質(zhì)處理后，調(diào)質(zhì)處理后工件的力學(xué)性能比正火的好。然而當(dāng)心部性能要求不高時，一般可采用正火作為預(yù)工件的力學(xué)性能比正火的好。然而當(dāng)心部性能要求不高時，一般可采用正火作為預(yù)先熱處理。先熱處理。l感應(yīng)加熱表面淬火后工件必須隨即進行低溫

11、回火。感應(yīng)加熱表面淬火后工件必須隨即進行低溫回火。低溫回火一般在低溫回火一般在170170200200左右爐中進行，也可采用左右爐中進行，也可采用“自回火自回火”方式，即當(dāng)淬火冷至方式，即當(dāng)淬火冷至200200時停止噴水，利用時停止噴水，利用工件中的余熱傳到表面而達到回火目的。工件中的余熱傳到表面而達到回火目的。l零件經(jīng)感應(yīng)加熱表面淬火零件經(jīng)感應(yīng)加熱表面淬火+ +低溫回火后，其低溫回火后，其 l 低碳碳鋼與低碳合金鋼低碳碳鋼與低碳合金鋼 880880950950=0.5=0.52mm 2mm l 5 58h 8h 0.850.851.15%C1.15%C 表層表層P + CmP + Cm 心部

12、心部 F + P F + P 熱處理：熱處理： 組織：組織： （分解（分解吸收吸收擴散）擴散） 分解分解：2COC+CO2，CH42H2+C， CO+H2C+H2Ol吸收吸收：吸附，吸收吸附，吸收固溶體固溶體進而形成化合物進而形成化合物l擴散擴散：在濃度梯度作用下，由表及里在濃度梯度作用下，由表及里擴散層擴散層l 低碳碳鋼與低碳合金鋼，碳的質(zhì)低碳碳鋼與低碳合金鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為量分?jǐn)?shù)一般為0.10%0.10%0.25%0.25%，隨，隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，將降低工件碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，將降低工件心部的韌性。心部的韌性。 經(jīng)經(jīng)滲碳的機車從動齒輪滲碳的機車從動齒輪 在一定溫度下使活性在一定溫度

13、下使活性N N原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞極限及耐蝕性等。工藝。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞極限及耐蝕性等。l目前應(yīng)用的滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮法。目前應(yīng)用的滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮法。井式井式氣體氣體氮化氮化爐爐 在一定真空度下，利用鋼件（陰極）和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)在一定真空度下，利用鋼件（陰極）和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象進行的，又稱輝光離子滲氮。下右圖為離子滲氮裝置示意圖。將鋼件置于專門的象進行的，又稱輝光離子滲氮。下右圖為離子滲氮裝置示意圖。將鋼件置于專門的離子滲氮爐（真空室）中

14、，滲氮時先把爐內(nèi)真空度抽到離子滲氮爐（真空室）中，滲氮時先把爐內(nèi)真空度抽到13.3313.331.33Pa1.33Pa，然后慢慢，然后慢慢通入氨氣使氣壓維持在此范圍，以需滲氮的鋼件為陰極，以爐壁為陽極，通過高壓通入氨氣使氣壓維持在此范圍，以需滲氮的鋼件為陰極，以爐壁為陽極，通過高壓（400400750V750V）直流電，氨氣被電離成）直流電，氨氣被電離成N N+ +、H H+ +的正離子及電子，這時陰極（鋼件）的正離子及電子，這時陰極（鋼件）表面形成一層紫色輝光。具有高能量的表面形成一層紫色輝光。具有高能量的N+以很大以很大速度轟擊鋼件表面，由動能轉(zhuǎn)化為熱能，使鋼件速度轟擊鋼件表面，由動能轉(zhuǎn)化

15、為熱能，使鋼件表面溫度升至所需滲氮溫度（表面溫度升至所需滲氮溫度（450450650650）；）；同時同時N+在陰極上得到電子后還原成在陰極上得到電子后還原成N N原子而滲入原子而滲入鋼件表面，并向內(nèi)層擴散形成滲氮層。另外轟擊鋼件表面，并向內(nèi)層擴散形成滲氮層。另外轟擊鋼件表面時，還能產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)而濺射出鋼件表面時，還能產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)而濺射出FeFe+ +，這些，這些Fe+與與N+化合，形成含化合，形成含N N量很高的量很高的FeNFeN，F(xiàn)eN又重新附著在鋼件表面上，又重新附著在鋼件表面上，依次分解為依次分解為FeFe2 2N N、FeFe3 3N N、FeFe4 4N N等，并放出等，并放出N N原子向鋼件內(nèi)部擴散，原子向鋼件內(nèi)部擴散，于是在鋼件表面形成于是在鋼件表面形成滲氮層（如圖左所示）滲氮層（如圖左所示）。隨。隨時間增加，時間增加，滲氮層滲氮層逐漸加深。逐漸加深。如如38CMAA38CMAA鋼，滲氮層深度要求為鋼，滲氮層深度要求為0.530.530.7mm0.7mm、硬度、硬度900HV900HV時，采用氣體滲氮法需時，采用氣體滲氮法需50h50h，而離子滲氮只需，而離子滲氮只需151520h20h。因離子滲氮的陰極濺射有抑制生成脆性層的作用，故可因離子滲氮的陰極濺射有抑制生成脆性層的作用，故