材料的表面強(qiáng)化

1、4.4 材料的表面強(qiáng)化Surface Strengthening of Materials4.4.1 表面強(qiáng)化概述 ( Introduction of surface reinforcing )4.4.2 表面淬火 ( Surface quenching )443 化學(xué)熱處理 ( Chemical heat-treatment )4.4.1 表面強(qiáng)化概述 ( Introduction of surface reinforcing ) 我國著名材料學(xué)專家、兩院院士師昌緒先生指出：表面工程，是應(yīng)用物理、化學(xué)、機(jī)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

2、命的各種技術(shù)的總稱。國際著名學(xué)者Bell教授給出了目前得到國際認(rèn)可的表面工程定義：“表面工程就是將傳統(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(jì)，所以理論上說，表面工程就是要采用表面處理的構(gòu)件的設(shè)計(jì)”。這標(biāo)志著表面工程作為一種新的工程技術(shù)領(lǐng)域正在形成，同時(shí)它正在形成一門新興科學(xué)。表面工程技術(shù)包括表面強(qiáng)化技術(shù)、表面加工和表面預(yù)處理（簡稱表面處理）技術(shù)。 表面強(qiáng)化技術(shù)定義為增強(qiáng)材料表面強(qiáng)度、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(jī)械的、物理的、化學(xué)的以及物理化學(xué)的一系列表面強(qiáng)化處理方

3、法。其主要目的在于增強(qiáng)材料的使用性能。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(qiáng)材料的使用性能。 4.4.1 表面強(qiáng)化概述 ( Introduction of surface reinforcing )可見，表面強(qiáng)化是表面工程的核心內(nèi)容，是決定強(qiáng)化表層的成分、組織、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵技術(shù)。按表面強(qiáng)化的工藝特點(diǎn)可分為如下6類：表面冶金強(qiáng)化（它包括堆焊、熱噴涂、激光重熔等）；表面形變（機(jī)械）強(qiáng)化（它包括噴丸、滾壓、擠壓等）；表面熱處理強(qiáng)化（它包括表面淬火、化學(xué)熱處理等）；表面薄膜強(qiáng)化（它包括電鍍、電刷鍍、氣相沉積、化學(xué)鍍等）；表面非金屬化處理（它包括噴塑、粘涂、

4、涂裝等）；高能束（密度）表面強(qiáng)化（它包括電子束、離子束、激光束等）。 其中以表面淬火和化學(xué)熱處理等應(yīng)用最為普遍。表面強(qiáng)化的性能要求 - “表硬內(nèi)韌”。4.4.2 表面淬火 ( Surface quenching ) 1. 表面淬火的定義與分類定義：將工件表面快速加熱到淬火溫度，在熱量尚未傳到心部時(shí)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。 鋼經(jīng)表面淬火（一般指表面淬火低溫回火）后，其表層組織為極細(xì)回火馬氏體(隱晶M)，而心部則為原始組織，一般為回火索氏體或正火索氏體。 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、激光加熱表面淬火法

5、、火焰加熱表面淬火法、電接觸加熱表面淬火法等。 2. 感應(yīng)加熱表面淬火簡介 （1）基本原理： “電磁感應(yīng)”、“集膚效應(yīng)” （2）感應(yīng)加熱的分類 （3）感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn) （4）感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及加工工藝路線 3. 火焰加熱表面淬火簡介（1）定義 感應(yīng)加熱表面淬火是采用一定方法使工件表面產(chǎn)生一定頻率的感應(yīng)電流，將工件表面迅速加熱然后快速冷卻的一種熱處理工藝操作。 （2）基本原理： = 。 式中:感應(yīng)電流透入深度，mm; f電流頻率，HZ 。 “電磁感應(yīng)”: 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)生交變磁場，于是工件內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感生電流。

6、 “集膚效應(yīng)”: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。愈靠近表面、電流密度愈大;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)。 2.感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火操作示意圖 2. 感應(yīng)加熱表面淬火 （3）感應(yīng)加熱的分類、工作電流頻率及應(yīng)用 如表4-9所示。表4-9 感應(yīng)加熱種類、工作電流頻率及應(yīng)用范圍 回顧：奧氏體晶粒大小及其控制奧氏體晶粒度的控制：快速加熱法。 它可以使AC1、AC3相變點(diǎn)升高，轉(zhuǎn)變溫度范圍擴(kuò)大，但轉(zhuǎn)變所需時(shí)間縮短。2. 感應(yīng)加熱表面淬火（4）感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn) 與普通加熱淬火相比，感應(yīng)加熱表面淬火有以下特點(diǎn):感應(yīng)加熱速度極快（快速加熱） 一般

7、只需幾秒至幾十秒時(shí)間就可使工件達(dá)淬火溫度。由于快速加熱，使相變臨界點(diǎn)(Acl、c3)升高，轉(zhuǎn)變溫度范圍擴(kuò)大但轉(zhuǎn)變所需時(shí)間縮短。工件表層獲得極細(xì)小的M(稱隱晶M)組織 使工件表層具有比普通淬火稍高的硬度(高23HRC)且脆性較低。由于表層淬火時(shí)M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(qiáng)度。工件表面質(zhì)量好 由于快速加熱，工件表面不易氧化、脫碳，且淬火時(shí)工件變形小。 生產(chǎn)效率高 便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。淬硬層深度也易于控制。上述特點(diǎn)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(diǎn)是工藝設(shè)備較貴，維修調(diào)整困難，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件的感應(yīng)器不易制造等。45鋼高頻淬火后的金相組織（4）

8、感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及加工工藝路線用作表面淬火最適宜、用量最大的鋼種是中碳碳鋼與中碳低合金鋼，如45，40Cr，40MnB等。感應(yīng)加熱表面淬火零件的典型加工工藝路線如下: 下料鍛造退火或正火粗加工調(diào)質(zhì)或正火精加工感應(yīng)加熱表面淬火+低溫回火精磨時(shí)效(100150、1015h加熱，以穩(wěn)定工件尺寸，消除內(nèi)應(yīng)力)精磨成品。應(yīng)注意點(diǎn):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(shí)，一般可采用正火作為預(yù)先熱處理。感應(yīng)加熱表面淬火后工件必須隨即進(jìn)行低溫回火。低溫回火一般在170200左右爐中進(jìn)行，也可采用“自回火”方式，即當(dāng)淬火冷至200時(shí)停止

9、噴水，利用工件中的余熱傳到表面而達(dá)到回火目的。零件經(jīng)感應(yīng)加熱表面淬火+低溫回火后，其表層組織M回，心部組織S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)。3. 火焰加熱表面淬火簡介443 化學(xué)熱處理 ( Chemical heat-treatment )1.基本過程 （分解吸收擴(kuò)散）2. 滲碳工藝的分類與適用材料 低碳碳鋼與低碳合金鋼3.滲碳工藝特點(diǎn) 880950=0.52mm 58h 0.851.15%C4. 滲碳緩冷后組織 表層P + Cm 心部 F + P 5. 滲碳經(jīng)熱處理及相應(yīng)組織 熱處理：滲碳+淬火+低溫回火 組織：表層M回+K+AR， 心部M回+F（或F+P）1.基本過程 （分解吸收擴(kuò)散） 分解：

10、2COC+CO2，CH42H2+C， CO+H2C+H2O吸收：吸附，吸收固溶體進(jìn)而形成化合物擴(kuò)散：在濃度梯度作用下，由表及里擴(kuò)散層2. 滲碳工藝的分類與適用材料圖4.43 氣體滲碳示意圖 固體滲碳裝箱示意圖滲 碳 適 用 材 料 低碳碳鋼與低碳合金鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.10%0.25%，隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，將降低工件心部的韌性。3. 滲碳工藝特點(diǎn) 880950 （920930 ），保溫58h；滲層深度：1mm左右滲碳層表面碳含量為：0.80%1.10%。滲碳溫度、滲碳時(shí)間與滲碳層深度的關(guān)系圖4. 滲碳緩冷后組織 5. 滲碳經(jīng)熱處理及相應(yīng)組織 圖4.45 滲碳后常用的熱處理工藝曲線滲碳淬

11、火組織滲碳淬火后的表層組織基體組織M回火+F經(jīng)滲碳的機(jī)車從動(dòng)齒輪滲碳+淬火+低溫回火后組織表層：回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體心部：鐵素體+回火馬氏體（或鐵素體+珠光體）滲碳件的加工工藝路線：下料 鍛造 正火 機(jī)械加工 滲碳 淬火+低溫回火 精加工 成品。 表4.10 常用化學(xué)熱處理的特點(diǎn)及應(yīng)用比較6. 鋼的滲氮（習(xí)慣稱氮化）（1）定義 在一定溫度下使活性N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。目前應(yīng)用的滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮法。井式氣體氮化爐離子滲氮爐（2）滲氮用鋼及處理溫度滲氮用鋼 為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳合金鋼

12、?？尚纬筛鞣N合金氮化物，如ANCNNN等，它們以極高的彌散度分布在滲氮層中，從而獲得極高硬度和耐磨性。其典型鋼號(hào)為38CrMoAlA。滲氮處理溫度為500570，滲氮時(shí)間取決于所需滲氮層深度，一般滲氮層深度為0.40.6mm，其滲氮時(shí)間約需4070h，故氣體滲氮的生產(chǎn)周期很長。滲氮層深度一般不超過0.60.7mm。鋼件滲氮前需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以保證滲氮件心部具有較高強(qiáng)度和韌性。（3）滲氮層組織38CrMoAl鋼的滲氮層顯微組織圖 化合物白亮層 浸蝕較深色的 心部S回（4）氣體滲氮（氣體氮化）滲氮原理 通常是在預(yù)先已排除了空氣的井式爐內(nèi)進(jìn)行，將已除油凈化了的工件放在密封的爐內(nèi)加熱，并通入氨氣。氨氣

13、在380以上就能按下式分解出活性氮原子。2NH3活性N原子被工件表面吸收，形成固溶體和氮化物，隨滲氮時(shí)間的延長，N原子逐漸向里擴(kuò)散，而獲得一定深度的滲氮層。（4）氣體滲氮（氣體氮化）滲氮特點(diǎn) i工件表面形成一層極硬的合金氮化物。其硬度可達(dá)9501200HV（相當(dāng)于6872HRC），故不需再經(jīng)淬火便具有很高表面硬度和耐磨性，且還可保持至600650而不明顯下降。ii疲勞極限可提高1535。由于滲氮層體積增大，導(dǎo)致工件表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。iii工件具有很高的抗腐蝕能力。因滲氮層表面系由致密、抗蝕氮化物所組成，可代替鍍鎳、鍍鋅、發(fā)藍(lán)等處理。iv滲氮工件的變形很小。由于滲氮溫度低，且滲氮后又不需進(jìn)行

14、任何其他熱處理，僅需精磨或研磨、拋光即可。（4）氣體滲氮（氣體氮化）氣體滲氮的應(yīng)用 廣泛用于各種高速傳動(dòng)的精密齒輪，高精度機(jī)床主軸，如鏜桿、磨床的主軸等；在交變載荷條件下工作要求疲勞極限很高的零件，如高速柴油機(jī)曲軸等；要求變形很小和具有一定抗熱、耐蝕能力的耐磨零件，如閥門等。（5）離子滲氮原理簡介 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(jìn)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，滲氮時(shí)先把爐內(nèi)真空度抽到13.331.33Pa，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（400750V）

15、直流電，氨氣被電離成N+、H+的正離子及電子，這時(shí)陰極（鋼件）離子滲氮法的原理及設(shè)備示意圖表面形成一層紫色輝光。具有高能量的N+以很大速度轟擊鋼件表面，由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使鋼件表面溫度升至所需滲氮溫度（450650）；同時(shí)N+在陰極上得到電子后還原成N原子而滲入鋼件表面，并向內(nèi)層擴(kuò)散形成滲氮層。另外轟擊鋼件表面時(shí)，還能產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)而濺射出Fe+，這些Fe+與N+化合，形成含N量很高的FeN，F(xiàn)eN又重新附著在鋼件表面上，依次分解為Fe2N、Fe3N、Fe4N等，并放出N原子向鋼件內(nèi)部擴(kuò)散，于是在鋼件表面形成滲氮層（如圖左所示）。隨時(shí)間增加，滲氮層逐漸加深。（5）離子滲氮離子滲氮特點(diǎn)i滲氮速度快，生產(chǎn)周期短。如