金属表面处理工艺（PPT31页)

现代表面技术金属表面改性技T1133-2陈从胜表面改性技术及应用表面改性技术是指采用某种工艺使材料表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。被广泛的应用在航空航天领域、军事领域、机械制造领域，和生产生活紧密相连。作用及内容使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨、耐腐蚀、耐高温、超导、润滑性等）。掩盖基体材料表面缺陷，延长材料和构建使用寿命。节约稀少、珍贵材料，节约能源，改善环境。促进高新技术的发展。主要包含表面变形强化、表面热处理、表面化学热处理以及其他技术。一、金属的表面强化工艺通过机械手段在金属表面产生压缩变形，使表面形成硬化层，提高金属疲劳强度重要工艺之一。既要求表面有较高的硬度和耐磨性，又要求心部具有足够的韧性，必须采用各种表面强化工艺。工艺简单，成本低廉，是提高钢件抗疲劳能力，延长其使用寿命的重要工艺措施。1、喷丸喷丸强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上，使零件表层和次表层发生一定的塑性变形,形成硬化层并引进残余压应力，从而实现强化的一种技术。应用：形状较复杂的零件，广泛应用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件，可显著的提高抗弯曲疲劳、抗击腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀能力。在磨削、电镀等工序后进行2、滚压处理利用自由旋转的淬火钢滚子对钢件的已加工表面进行滚压，使之产生塑性变形，压平钢件表面的粗糙凸峰，形成有利的残余压应力，从而提高工件的耐磨性和抗疲劳能力。应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件一、表面热处理1、表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。火焰加热感应加热表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。轴的感应加热表面淬火①表面淬火用材料⑴0.4-0.5%C的中碳钢。含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；⑵铸铁提高其表面耐磨性。机床导轨表面淬火齿轮③表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200℃。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。④表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。回火索氏体索氏体感应加热表面淬火示意图⑤表面淬火常用加热方法⑴感应加热表面处理:利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。感应加热分为：高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图中频感应加热频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm。各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度10-15mm近些年又发展了超音频、双频感应加热淬火工艺。实际上，硬化层深度取决于加热层深度，淬火加热温度、冷却速度和材料本身的淬透性等。由于感应电流的“集肤效应”，电流透入工件深度主要与交流电频率有关，近似公式表示：f/600⑵火焰加热:利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。⑶激光热处理:利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。此外还有接触电阻加热表面淬火、浴炉加热表面淬火、电解液加热表面淬火等火焰加热表面淬火示意图激光表面热处理火焰加热表面淬火三、化学表面热处理化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等。可控气氛渗碳炉渗碳回火炉常用的化学热处理：渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮化）等。化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。①化学热处理的基本过程⑴介质(渗剂)的分解:分解的同时释放出活性原子。如：渗碳CH4→2H2+[C]氮化2NH3→3H2+2[N]⑵活性元素的吸收:活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。⑶活性元素内部扩散。氮化扩散层②钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。⑴渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。⑵渗碳用钢为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。经渗碳的机车从动齿轮气体渗碳法示意图③渗碳方法⑴气体渗碳法将工件放入密封炉内，在900-950℃时滴入醇、煤油、丙酮，在高温下分解为CO、CO2、CH4等渗碳气氛并生成活性碳原子被工件吸收溶入奥氏体，形成渗碳层。优点:质量好,效率高；缺点:渗层成分与深度不易控制⑵固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。⑶真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点:表面质量好,渗碳速度快。真空渗碳炉④渗碳温度：为900-950℃。渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为0.5-2mm。低碳钢渗碳缓冷后的组织渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3CⅡ;心部为F+P;中间为过渡区。⑤渗碳后的热处理要使渗碳层发挥应有的作用，渗碳后还须淬火+低温回火处理,回火温度为160-180℃。淬火方法有：⑴直接淬火法渗碳后预冷到800-850℃后直接淬火，再在180-200℃温度下回火。⑵一次淬火法：即渗碳空冷后重新加热到830-860℃淬火。⑶二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透时）渗碳淬火后的表层组织M+F⑥钢的氮化氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。⑴氮化用钢井式气体氮化炉为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。⑵氮化温度为500-570℃氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。⑶常用氮化方法气体氮化法与离子氮化法。气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。离子氮化炉气体渗氮常采用的工艺为：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→去应力→粗磨→渗氮→精磨或研磨渗氮的特点：1、高硬度、高耐磨性。2、疲劳极限高。3、工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。4、耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。G:\钢的表面热处理_标清.flv氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。主要应用在交变载荷下工作工作并要求具有高的耐磨性工件上，如高速转动精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床主轴、模具等缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴滲氮与滲碳相比：滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达69~72HRC，且在600～650℃高温下仍能保持较高硬度；滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性；滲氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和其他缺陷；滲氮温度较低。只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能达到要求的滲氮层。