表面硬化處理

1、 表面硬化處理所謂表面硬化法是指通過適當?shù)姆椒ㄊ沽慵谋韺佑不慵男牟咳匀痪哂袕婍g性的處理。通過這種處理，可以改善零件的耐磨性以及耐疲勞性，而由于零件的心部仍然具有良好的韌性和強度，因此對沖擊載荷有良好的抵抗作用。常用的表面硬化處理方法主要有滲碳、氮化、硬質(zhì)陽極氧化、鍍鉻、表面淬火以及滲金屬等。一. 滲碳鋼的滲碳就是含碳量較低的鋼制零件在滲碳介質(zhì)中加熱或者保溫，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含碳量，在淬火之后，含碳量高的表層硬度很高，而含碳量低的心部硬度低仍具有良好的韌性。目的是使零件獲得高的表面硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。主要用于承受磨損、交變接觸應力或者彎曲應力和

2、沖擊載荷的零件，如軸、齒輪、凸輪軸等，這些零件要求表面有很高的硬度而心部要有足夠的強度和韌性。滲碳法分為固體滲碳法、液體滲碳法和氣體滲碳法三種。另外還有真空滲碳法。固體滲碳法就是把零件放入固體滲碳劑（由木炭粉以及BaCO3和Na2CO3等促進劑組成）中然后放入滲碳容器里加熱到900930保溫一定時間。液體滲碳是把工件浸入以氰化鈉（NaCN）為主（含NaCl、NaCO3和Na2CO3等添加劑）的熔融鹽浴里，氰化鈉分解所生成的C和N滲入工件中。氣體滲碳是把零件放入通有CH4和CO的容器里加熱使碳原子滲入工件表面。滲碳層的深度可以達到幾個毫米，其深度隨滲碳時間的增加而增加，隨滲碳溫度的升高而加深，但

3、是滲碳速度隨時間的延長而減慢。對不要滲碳的部位一般采用鍍銅保護或者預留加工余量、滲碳后把該處切掉的方法進行防護。滲碳后必須進行淬火和低溫回火處理以得到零件所需要的硬度（可達HRC5565），注重高硬度時在150左右回火，而為了保持零件的尺寸精度，防止時效變形時在180200左右回火。最后必須要提及一點是，我們經(jīng)常提到的滲碳層深度是指淬火后的有效硬化層深度，國標GB945088上規(guī)定為從零件表面到維氏硬度值為550HV的距離，實際碳在零件中擴散達到的距離比這個要大得多。 附圖：Q235鋼和20#鋼滲碳淬火后顯微組織（100倍、200倍） 二.氮化氮化是指把合金鋼（一般含有Al、Cr、Mo）在無水

4、氨氣（NH3）流中在500570左右長時間加熱，使鋼的表面形成一層硬度很高又耐腐蝕的氮化物（主要為Fe2N、Fe3N、Fe4N）。一般有氣體滲氮、液體滲氮和輝光離子滲氮。氮化時合金鋼的含碳量一般在0.2%0.5%，主要由零件心部的機械性能來決定含碳量，含碳量高時阻礙N的擴散，從而減少氮化層的厚度，而含碳量少時，零件截面上的硬度梯度變化就會大，從而造成氮化層容易剝離。Al的作用是增加滲氮后鋼的表面硬度，Cr可以增加氮化層的厚度，Mo可以防止在500570長時間加熱造成的回火脆性，Cr、Mo對材質(zhì)的改良也很重要。歷史最久國際上普遍采用的滲氮鋼是38CrMoAl。一般的氮化零件的工藝流程為鍛造退火粗

5、加工調(diào)質(zhì)精加工氮化。不需要氮化的部位可以鍍Ni或者鍍Sn或者鍍Pb20%+Sn80%。氮化處理前先對零件進行調(diào)質(zhì)處理，使其具有良好的塑性和韌性，氮化處理后不再實施淬火、回火，并且氮化處理本身的溫度就比較低，所以工件的變形小。氮化處理后工件表面的硬度可以達到HRC6572，比滲碳處理后的硬度更高更耐磨，并且耐腐蝕性能要好。輝光離子滲氮法是把零件置于真空反應爐內(nèi)，用真空泵把爐內(nèi)抽真空，然后通入N2和H2的混合氣體，把爐內(nèi)壓力調(diào)整到1001000Pa，以爐體接陽極，工件接陰極，在兩極間通數(shù)百伏的直流電時產(chǎn)生輝光放電，這時所產(chǎn)生的氮離子就會高速向工件表面運動。而處在陰極的工件被沖擊出鐵原子，與氮離子結

6、合成FeN，隨即被工件表面吸附，在離子轟擊作用下，逐步分解為低價氮化物和氮原子，氮原子就向內(nèi)部滲入及擴散。輝光離子滲氮的時間與普通滲氮相比要短的多，普通滲氮要幾十個小時，而輝光離子滲氮最快只要幾個小時。 附圖：20#鋼和40Cr鋼氮化后顯微組織（400倍） 三.硬質(zhì)陽極氧化拋光的目的是得到光亮的基體表面，分為機械拋光、電解拋光和化學拋光。機械拋光就是采用機械方法磨出光亮表面。電解拋光是利用電流的作用，使鋁合金發(fā)生電化學反應，在鋁合金表面凸凹不平的部分發(fā)生不同程度的溶解，使鋁件表面產(chǎn)生光滑的鏡面效果?；瘜W拋光就是把零件浸在化學溶液里面發(fā)生反應從而得到光亮的表面，分為酸性拋光和堿性拋光。 染色就是

7、利用陽極氧化膜的多孔結構和強吸附性能，將已陽極氧化處理的鋁制件浸漬在有機染料或無機染料的溶液中，則氧化膜針孔吸附染料而著色。由于鋁及鋁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，尤其在腐蝕性環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)容易進入膜層孔隙而引起腐蝕。氧化膜染色后應進行封閉處理，以增加色澤的耐曬性和耐蝕性。在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)過陽極氧化的膜層，不管染色與否，一般都要進行封閉處理。一般采用的是熱水封閉和蒸汽封閉其原理為氧化膜表面和孔壁的三氧化二鋁在熱水中發(fā)生水化反應，生成水合氧化鋁，使原來氧化膜的體積增加33100%，氧化膜體積的膨脹使膜孔顯著縮小，從而達到封孔的目的。反應式為：Al2O3+nH2O= Al

8、2O3nH2O此外，短時間能耐15002000的高溫，并且導熱系數(shù)低，電阻率好，具有很高的絕緣性能但是 四.鍍鉻鉻的硬度可以達到 80010OOHV，是最硬的金屬。鉻鍍層優(yōu)點為硬度高、耐磨性好、光反射性強。并且耐熱性佳，在480"C以下不變色，50O 以上才開始氧化，700"C則硬度下降。鉻鍍層缺點為太硬易脆、易脫落。鉻鍍層具多孔性，所以對鋼鐵腐蝕性不很理想，所以一般先鍍銅，再鍍鎳最后再鍍一層鉻才能達到防腐蝕及裝飾的目的。幾十微米鍍前也必須先做去應力處理: 因為鍍鉻對應力的敏感性很高，鍍鉻表面必須沒有應力存在，一般鍍件經(jīng)機械加工、研磨，或硬化熱處理都有殘留應力，可加熱 15

9、0至230"C消除殘留應力。五.表面淬火表面淬火是指將工件表面一定深度范圍內(nèi)迅速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，在一定深度范圍內(nèi)達到淬火目的的熱處理工藝。目的是在工件表面一定深度范圍內(nèi)獲得馬氏體組織，而心部仍保持淬火前的組織狀態(tài)（調(diào)質(zhì)或者正火狀態(tài)），從而使表面硬而耐磨，而心部又有足夠的塑性和韌性。主要用于中碳調(diào)質(zhì)鋼和球墨鑄鐵制的機器零件。主要的表面淬火方式有感應加熱表面淬火、火焰淬火以及激光加熱和電子束加熱表面淬火。感應加熱表面淬火，是使工件表面產(chǎn)生一定的感應電流，迅速加熱零件表面，然后迅速淬火的一種金屬熱處理方法。感應加熱原理：工件放到感應器內(nèi)，感應器一般是通入中頻或高頻交流電(50

10、0-300000Hz)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應電流，這種感應電流在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，叫做集膚效應。利用這個集膚效應，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800-1000ºC，而心部溫度升高很小。感應加熱表面淬火具有表面質(zhì)量好，脆性小，淬火表面不易氧化脫碳，變形小等優(yōu)點，所以感應加熱設備在金屬表面熱處理中得到了廣泛應用。表面淬火淬硬層深度一般計至半馬氏體區(qū)。 表1幾種常用材料和工藝的選擇序號工藝時間硬化層深度材料力學性能使用范圍特點示例1滲碳較長中等低碳鋼或者低碳低合金鋼硬度高，耐磨性高，抗接觸載荷能力最好，良好的彎曲疲勞強度，良好的抗粘著性用于耐磨、承受高接觸應力的零件，可整體也可局部滲碳處理溫度高，時間中等，變形大2020Cr15CrMn20CrMn12CrNi3A18CrNiWA2氮化長（一般的氮化方法要390小時）淺（一般不超過0.5mm）合金鋼（含C量一般為0.2%0.5%）硬度高，耐磨性高，抗接觸載荷能力較好，良好的彎曲疲勞強度，最好的抗粘著性用于有一定接觸應力或在500以下工作的耐磨零件。有時用來提高疲勞強度的表面強化。通常采用整體表面氮化處理溫度低，時間最長，變形最小，好的抗磨蝕性和尺寸穩(wěn)定性42CrMo38CrMoAl