金属的表面强化工艺

金属的表面强化工艺供应链公司技术管理部金属的表面处理表面技术是一门广博精深和具有极高实用价值的基础技术。也是一门新兴的边缘性科学。人们研究、开发和使用表面技术已有很长的历史。自上个世纪60年代以来，表面技术的发展异常迅速。人们对传统表面技术进行一系列改进、复合和创新，涌现了大量的现代表面技术，在冶金、机械、电子、建筑、宇航、船舶、兵器、能源、化工、轻工、仪表等各个工业部门有着广泛的应用。世界各国都把表面技术列入重点发展的科学技术。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。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②预备热处理⑴工艺：对于结构钢为调质或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。⑵目的:为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织。回火索氏体索氏体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)。感应加热表面淬火感应淬火机床⑤表面淬火常用加热方法⑴感应加热: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。感应加热表面淬火示意图感应加热分为：高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm中频感应加热频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm。工频感应加热频率为50Hz,淬硬层深度10-15mm感应加热表面淬火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。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。化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使2、化学表面热处理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、多元共渗、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。渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。发兰、磷化可以归为表面处理，不属于化学热处理。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工件表面的吸收:活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。⑶原子向内部扩散。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，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。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淬火+低温回火,回火温度为160-180℃。淬火方法有：⑴预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。渗碳后的热处理示意图⑵一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。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。渗碳后的热处理示意图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⑷氮化的特点及应用氮化件表面硬度高（69~72HRC），耐磨性高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。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。钢的化学热处理二、表面形变强化表面形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形，以提高其表面硬度并产生有利的残余压应力分布的表面强化工艺。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。喷丸强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上，犹如无数个小锤锤击金属表面，使零件表层和次表层发生一定的塑性变形而实现强化的一种技术。应用：形状较复杂的零件在磨削、电镀等工序后进行1、喷丸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2、液压处理表面覆层强化是通过物理或化学的方法在金属表面涂覆一层或多层其他金属或非金属的表面强化工艺。目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行表面装饰。三、表面覆层1、金属喷涂技术将金属粉末加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。等离子热喷涂2、金属镀层在基体材料的表面覆上一层或多层金属镀层，可以显著改善其耐磨性、耐蚀性和耐热性，或获得其他特殊性能。电镀：工件作为阴极,镀层金属或其他不溶性材料做阳极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。化学镀：不外加电源的条件下，利用化学还原的方法在基体材料表面催化膜上沉积一层金属的表面强化方法。特点：形状复杂的工件上也能得到均匀厚度镀层；镀层晶粒细小致密，孔隙与裂纹少；可以在非金属材料表面沉积金属层。复合镀：电镀或化学镀的溶液中加入适量金属或非金属微粒，借助于强烈的搅拌，与基质金属一起均匀沉积而获得特殊性能镀层的表面强化方法。应用：对材料有特殊要求。原子能工业和航天航空工业电镀electroforming：•利用电解在制件表面形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层的过程。原理：•在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层。常见形式：•镀铜、镀镍、镀金、镀银、镀锌、镀铬等等。金属覆盖层（电镀）电镀原理39电镀时，镀层金属或其他不溶性材料做阳极，待镀的工件做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。镀锌特点机械保护作用阴极保护装饰外观成本低廉弹性好锌镀层硬度低，不耐磨锌离子对人体有害钝化处理可提高镀层保护性能40电镀锌应用广泛用于钢铁零部件和结构件的防护镀层。近年来，使用热浸镀锌表面对防腐能力非常强，但其价格相对很高。镀锌桥架富士康热浸镀锌机箱41类型典型外观膜层表面密度ΡA/(g/m2)代号名称A光亮膜透明,透明至浅蓝色ΡA≤0.5B*漂白膜带轻微彩虹色的白色ΡA≤1.0C彩虹膜偏黄的彩虹色0.5＜ΡA＜1.5D不透明膜橄榄绿ΡA＞1.5F黑色膜黑色0,5≤ΡA≤1.0注:此表中对铬酸盐涂层的描述不一定指色漆和清漆附着的改善.所有的铬酸盐膜可能含有或不含有六价铬离子.*此为两步骤工艺锌镀层钝化铬酸盐转化膜的类型,外观和表面密度代号处理类型T1涂覆涂料,油漆,粉色末涂层或类似材料T2涂覆有机或无机封闭剂T3有机染色T4涂动物油脂或油或其他润滑剂T5涂蜡镀锌层非转化后处理标识标识标识按顺序•明确指出基体材料、降低应力要求、底镀层的类型和厚度（有底镀层时）、锌电镀层的厚度、镀后热处理要求、转化膜的类型和/或辅助处理。示例1：钢或铁（Fe）上厚12μm的锌电镀层（Zn12）镀层经彩虹色化学转化处理（C）•其标志为：电镀层GB/T9799-Fe/Zn12/C示例2:钢或铁（Fe）上厚25μm的锌电镀层（Zn25）;为降低氢脆，镀后在190℃下热处理8h•标识为：ER(190)8,•镀层经过不透明铬酸盐处理（D），并用有机封闭剂进行封闭（T2）•其标识为：电镀层GB/T9799-Fe/Zn25/ER(190)8/D/T2示例3：同示例2，但工件在镀前进行降低应力热处理，200℃下持续最短时间为3h。•其标识为：电镀层GB/T9799-Fe/SR(200)3/Zn25/ER(190)8/D/T2锌电镀件的标识可能出现在工程图、订购单、合同或详细的产品说明中。镀铜特点BRIGHT光亮GOODLEVELING好的填平DUCTILE延展性好STRESSFREE无应力FINEGRAINDEPOSITS镀层结晶细致EASILYBUFFED容易抛光GOODELONGATION好的延展性GOODMICROTHROW好的微观均镀性MACHINEABLE好的机械加工性能GOODELECTRICALONDUCTIVITY好的电导性铜镀层45电镀铜应用MirrorSmoothSurface180GritScratches钢铁工件防护—装饰镀层的底层或中间层，以提高基体与表层或中间层的结合力和镀层防护功能镀层：导电镀层，防渗碳或防渗氮镀层（碳和氮在铜中扩散困难），减摩镀层（铜质软），防磁镀层（铜无磁性）等。抛/磨光后提供好的填平效果复古镀铜打火机46镀镍特点耐蚀性较高稳定性高抛光后光泽度好一般是与铬镀层联合使用硬度较高，耐磨性好多层镀镍可提高耐蚀性、机械性能镍镀层47电镀镍应用化工设备、微电子器件也用镀镍层作为防护层；一些医疗器械和家庭日用品常用镀镍作为防护-装饰镀层；防护—装饰镀层的底层或中间镀层，如Cu-Ni-Cr，Ni-Cu-Ni-Cr等。印刷工业中铅板表面镀镍，提高金属工件或制品表面耐磨性能。挂镀镍龙头镀镍热管（散热器）48镀铬特点装饰性（略带兰色的银白色