表面改性技術(shù)

1表面改性技術(shù)表面改性定義：

采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材料的組織結(jié)構(gòu)、性能不同的一種技術(shù)。材料經(jīng)表面改性處理后，既能發(fā)揮基體材料的力學(xué)性能，又能使材料表面獲得各種特殊性能。2主要內(nèi)容金屬表面形變強(qiáng)化表面熱處理金屬表面化學(xué)熱處理離子束表面擴(kuò)滲處理高能束表面處理離子注入表面改性31金屬表面形變強(qiáng)化一、表面形變強(qiáng)化原理原理：通過機(jī)械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達(dá)0.5mm~1.5mm。形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化：（1）在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變度增大。（2）形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。作用：提高了金屬表面強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度4（一）形變強(qiáng)化的主要方法1、滾壓主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸二、形變強(qiáng)化的主要方法及應(yīng)用圖表面滾壓強(qiáng)化示意圖52、噴丸

利用高速彈丸強(qiáng)烈沖擊零部件表面，使之產(chǎn)生形變硬化層并引進(jìn)殘余壓應(yīng)力。廣泛應(yīng)用在彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件，可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動(dòng)磨損、耐點(diǎn)蝕能力。6（二）噴丸表面形變強(qiáng)化工藝及應(yīng)用2、噴丸強(qiáng)化用的設(shè)備按驅(qū)動(dòng)彈丸的方式可分為機(jī)械離心式彈丸機(jī)和氣動(dòng)式彈丸機(jī)兩大類。1、噴丸材料鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液體噴丸介質(zhì)黑色金屬制件可以用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸有色金屬和不銹鋼件需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。模具表面處理常用二氧化硅液態(tài)噴丸（1）機(jī)械離心式噴丸機(jī)功率小，生產(chǎn)效率高，噴丸質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備制造成本高。適用于要求噴丸強(qiáng)度高、品種少批量大、形狀簡單尺寸較大的零部件。（2）氣動(dòng)式噴丸機(jī)適用于噴丸強(qiáng)度低、品種多、批量少、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件。73、噴丸表面質(zhì)量及影響因素（1）噴丸表層的塑性變形和組織變化金屬表面經(jīng)噴丸后，表面產(chǎn)生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯(cuò)密度大大增加，而且還會(huì)出現(xiàn)亞晶界和晶粒細(xì)化現(xiàn)象。噴丸后的零件如果受到交變載荷或溫度的影響，表層組織結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變化，由噴丸引起的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變。如：滲碳鋼表層存在大量殘余奧氏體。噴丸后，這些殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體而提高零件的疲勞強(qiáng)度。8（2）彈丸粒度對噴丸表面粗糙度的影響表面粗糙度隨彈丸粒度的增加而增加。（3）彈丸硬度對噴丸表面形貌的影響（4）噴丸表層的殘余應(yīng)力噴丸后的殘余應(yīng)力來源于表層不均勻的塑性變形和金屬的相變，其中以不均勻的塑性變形最重要。工件噴丸后，表層塑性變形量和由此導(dǎo)致的殘余應(yīng)力與受噴材料的強(qiáng)度、硬度關(guān)系密切。材料強(qiáng)度高，表層最大殘余應(yīng)力大，但壓應(yīng)力層深度較淺。反之，強(qiáng)度低的材料表層殘余應(yīng)力較小，但壓應(yīng)力層深度較深。在相同噴丸壓力下，大直徑彈丸產(chǎn)生的壓應(yīng)力較低，壓應(yīng)力層較深；小直徑彈丸產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力較高，壓應(yīng)力層較淺。92表面熱處理

定義

對零部件表面進(jìn)行加熱、冷卻、改變表層組織和性能，不改變其表層成分的熱處理工藝。也稱作表面淬火技術(shù)。10

表面淬火的原理

零件表面材料快速加熱到相變臨界點(diǎn)(AC3（亞共析鋼）或者AC1（過共析鋼）)以上而轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的奧氏體組織，心部材料仍保持在相變臨界點(diǎn)以下，保持原有組織。其后用快速冷卻，達(dá)到淬火目的，獲得微細(xì)的馬氏體組織，提高零件的表面硬度和耐磨性，零件心部未發(fā)生相變。11

表面淬火工藝主要有：

感應(yīng)加熱表面淬火、脈沖表面淬火、火焰加熱表面淬火、接觸電阻加熱表面淬火、浴爐加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火及表面保護(hù)加熱處理等。122.1表面熱處理技術(shù)一、傳統(tǒng)表面熱處理技術(shù)二、幾種新型表面熱處理技術(shù)13表1傳統(tǒng)表面處理技術(shù)14一、傳統(tǒng)表面熱處理技術(shù)

感應(yīng)加熱表面淬火

1.感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)

2.感應(yīng)加熱表面淬火原理

3.感應(yīng)加熱表面淬火設(shè)備

4.感應(yīng)加熱表面淬火工藝

5.感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用火焰加熱表面淬火151.感應(yīng)加熱表面淬火特點(diǎn)

①

感應(yīng)加熱時(shí)，由于電磁感應(yīng)和集膚效應(yīng)，工件表面在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到Ac3以上很高的溫度，而工件心部仍處于相變點(diǎn)之下。中碳鋼高頻淬火后，工件表面得到馬氏體組織，往里是馬氏體加鐵素體加屈氏體組織，心部為鐵素體加珠光體或回火索氏體原始組織。

②

升溫速度快，保溫時(shí)間極短。和一般淬火相比，淬火加熱溫度高，過熱度大，奧氏體形核多，又不易長大，因此淬火后表面得到細(xì)小的隱晶馬氏體，故感應(yīng)加熱表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高2～3HRC。

感應(yīng)加熱表面淬火16

④

工件的耐磨性比普通淬火高。這與奧氏體晶粒細(xì)化、表面硬度高以及表面壓應(yīng)力狀態(tài)等因素有關(guān)。

⑤

由于加熱速度快，無保溫時(shí)間，工件一般不產(chǎn)生氧化和脫碳問題，又因工件內(nèi)部未被加熱，故工件淬火變形小。

⑥

生產(chǎn)率高，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化；淬火層深度易于控制，適于批量生產(chǎn)形狀簡單的機(jī)器零件，因此得到廣泛的應(yīng)用。

缺點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)用昂貴，不適用于單件生產(chǎn)。

③

工件表層強(qiáng)度高。由于馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積膨脹，故在工件表面產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，因此淬火后表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，因此可以顯著提高其疲勞強(qiáng)度并降低缺口敏感性。172.感應(yīng)加熱表面淬火原理圖感應(yīng)加熱表面淬火原理圖18當(dāng)感應(yīng)圈中通過一定頻率交流電時(shí)，在其內(nèi)外將產(chǎn)生與電流變化頻率相同的交變磁場。將工件放入感應(yīng)圈內(nèi)，在交變磁場作用下，工件內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生與感應(yīng)圈頻率相同而方向相反的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流沿工件表面形成封閉回路，通常稱之為渦流。此渦流能將電能變成熱能，使工件加熱。渦流在被加熱工件中的分布由表面至心部呈指數(shù)規(guī)律衰減。因此渦流主要分布在工件表面，工件內(nèi)部幾乎沒有電流通過。這種現(xiàn)象叫做表面效應(yīng)或集膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱就是利用集膚效應(yīng)，依靠電流熱效應(yīng)把工件表面迅速加熱到淬火溫度的。當(dāng)工件表面在感應(yīng)圈內(nèi)加熱到相變溫度時(shí)，立即噴水或浸水冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火工藝。19圖感應(yīng)加熱表面淬火裝置示意圖20感應(yīng)電流透入深度：從電流密度最大的表面到電流值為表面的1/e(e=2.718)處的距離。

硬化層深度：硬化層深度總小于感應(yīng)電流透入深度超過失磁點(diǎn)的的電流透入深度稱為熱態(tài)電流透入深度（△），低于失磁點(diǎn)的電流透入深度稱為冷態(tài)電流透入深度（）。對于鋼2.感應(yīng)加熱表面淬火原理213.感應(yīng)加熱溫度和方式的選擇淬火加熱溫度：一般高頻加熱淬火溫度可比普通加熱淬火溫度高30-200℃。加熱速度較快的，采用較高的溫度。淬火前的原始組織也不同，也可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整淬火加熱溫度。調(diào)質(zhì)處理的組織比正火的均勻，可采用較低的溫度。感應(yīng)加熱方式：一種稱同時(shí)加熱法，即對工件需淬火表面同時(shí)加熱，一般在設(shè)備功率足夠、生產(chǎn)批量比較大的情況下采用；另一種稱連續(xù)加熱法，即對工件需淬火部位中的一部分同時(shí)就愛熱，通過感應(yīng)器與工件之間的相對位移速度來實(shí)現(xiàn)。224.冷卻方式和冷卻介質(zhì)的選擇最常用的冷卻方式是噴射冷卻法和漫液冷卻法

噴射冷卻法即當(dāng)感應(yīng)加熱終了時(shí)把工件置于噴射器之中，向工件噴射淬火介質(zhì)進(jìn)行淬火冷卻。其冷卻速度可以通過調(diào)節(jié)液體壓力、溫度及噴射時(shí)間來控制。

漫液淬火法即當(dāng)工件加熱終了時(shí)，浸入淬火介質(zhì)中進(jìn)行冷卻。對細(xì)、薄工件或合金鋼齒輪，為減少變形、開裂、可將感應(yīng)器與工件同時(shí)放入油槽中加熱，斷電后冷卻，也稱為埋油淬火法。235.回火工藝

感應(yīng)加熱淬火后一般只進(jìn)行低溫回火。其目的是為了降低殘余應(yīng)力和脆性，而又不致降低硬度。一般采用酶回火方式有爐中回火、自回火和感應(yīng)加熱回火。246.感應(yīng)加熱表面淬火設(shè)備按輸出電流的頻率工頻中頻高頻淬火前的原始組織應(yīng)為調(diào)質(zhì)態(tài)或正火態(tài)。工件表面淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火以降低殘余應(yīng)力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性。25①高頻感應(yīng)加熱電流頻率范圍250～300kHz，淬硬層深度為0.5～2.0mm，適用于中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類零件。②中頻感應(yīng)加熱電流頻率范圍2500～8000Hz，淬硬層深度2～10mm，適用于較大的軸和大中模數(shù)齒輪。③工頻感應(yīng)加熱電流頻率50Hz，淬硬層深度可達(dá)10～15mm，適用于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件如軋輥、火車車輪的表面淬火。6.感應(yīng)加熱表面淬火設(shè)備26圖感應(yīng)加熱淬火設(shè)備277.感應(yīng)加熱表面淬火工藝①表面淬火一般用于中碳鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，用以制造機(jī)床、汽車及拖拉機(jī)齒輪、軸等。也可以采用碳素工具鋼和低合金工具鋼，用以制造量具、模具、銼刀等。②表面淬火前的預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理為表面淬火作準(zhǔn)備，以獲得最終的心部組織。方法有調(diào)質(zhì)和正火等。③表面淬火后的組織表層組織為回火馬氏體，心部組織為回火索氏體（調(diào)質(zhì)）或鐵素體加索氏體（正火）。28

感應(yīng)加熱淬火工藝流程圖感應(yīng)加熱淬火工藝流程圖29

感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用①齒輪的表面淬火圖大型齒輪表面淬火30

感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用②軸類的表面淬火圖凸輪軸表面淬火31

感應(yīng)加熱表面淬火應(yīng)用③機(jī)床導(dǎo)軌表面淬火圖機(jī)床導(dǎo)軌表面淬火32

火焰加熱表面淬火定義：利用氧－乙炔或其他可燃?xì)怏w對零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。特點(diǎn)：與感應(yīng)加熱表面淬火相比，具有設(shè)備簡單，操作靈活，適用鋼種廣泛。一般無氧化和脫碳、畸變小等優(yōu)點(diǎn)。常用于大尺寸和重量大的工件，尤其適用于批量少品種多的零件或局部區(qū)域的表面淬火，如大型齒輪、軸、導(dǎo)軌等。但加熱溫度不易控制，噪音大，勞動(dòng)條件差，混合氣體不夠安全，不易獲得薄的表面淬火層。參數(shù)：加熱面積、工件移動(dòng)速度、加熱溫度時(shí)間33常用材料：從機(jī)械制造的范圍來分有45、55、40Cr、40CrV、42CrMo、42SiMn、50Mn、5CrMnMo等。另外近年來我國研制成功專用的火焰加熱空冷淬硬冷作模具鋼7CrSiMnMoV。34圖火焰加熱表面淬火示意圖35火焰表面淬火應(yīng)用實(shí)例

火焰表面淬火工藝可以在模具淬硬之前完成全部的裝配工作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因?yàn)槌锌诓课槐砻娲阌惨酝?，其余部位并未淬硬，仍可進(jìn)行鉆孔等加工。這些優(yōu)點(diǎn)對于像汽車覆蓋件一類的大型模具的制造是非常有利的，既節(jié)省了工時(shí)，又保證了模具的精度。近年來，7CrSiMnMoV專用火焰淬火模具鋼的研制成功，使火焰表面淬火工藝在汽車覆蓋件的制造中占據(jù)了主導(dǎo)地位。3637

二、幾種新型表面熱處理技術(shù)1.高頻脈沖感應(yīng)加熱表面淬火

用高頻脈沖感應(yīng)加熱進(jìn)行淬火，使用20~30MHz的高頻脈沖，通過感應(yīng)圈在毫秒級極短時(shí)間內(nèi)使工件表面急速加熱到淬火溫度，然后自冷，這種方法也叫高頻感應(yīng)沖擊淬火。381.高頻脈沖感應(yīng)加熱表面淬火參數(shù)普通高頻淬火沖擊淬火頻率200kHz27.12MHz功率密度2*106W/m2（1~3）*108W/m2實(shí)用最短淬火時(shí)間0.1~5s1~100ms最低淬火深度0.5mm0.1mm可淬火面積如連續(xù)移動(dòng)，無限制以每次沖擊淬火帶最大寬度3mm計(jì)，為10~100mm2感應(yīng)器的感應(yīng)系數(shù)2~3μH常用范圍10~100nH感應(yīng)器的冷卻方式水冷感應(yīng)器截面積約5mm2的細(xì)線或薄板感應(yīng)器每次沖擊用壓縮空氣冷卻時(shí)，無須用其他方法冷卻淬火方式噴水自冷，無須冷卻劑組織普通馬氏體極其微細(xì)的針狀馬氏體變形量變形量較小變形量極