鋼的表面強化工藝培訓(xùn)課程

1、既要求表面有較高的硬度和耐磨性，又要既要求表面有較高的硬度和耐磨性，又要求心部具有足夠的韌性，必須采用各種表求心部具有足夠的韌性，必須采用各種表面強化工藝。面強化工藝。一、表面熱處理一、表面熱處理1、表面淬火、表面淬火n表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火以況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火以強化零件表面的熱處理方法。強化零件表面的熱處理方法。感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱n表面淬火目的：表面淬火目的：n 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限;n 心部在保持一定的強度、硬

2、度的條件下，具有足夠的心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。塑性和韌性。即表硬里韌。n適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。n表面淬火用材料表面淬火用材料n 0.4-0.5%C的中碳鋼。的中碳鋼。n含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降。含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降。n含碳量過高，心部韌性下降；含碳量過高，心部韌性下降；n 鑄鐵鑄鐵 提高其表面耐磨性。提高其表面耐磨性。機床導(dǎo)軌機床導(dǎo)軌表面淬火齒輪表面淬火齒輪n預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理n工藝：工藝：n對于結(jié)構(gòu)鋼為調(diào)質(zhì)或正火。對于結(jié)構(gòu)鋼為調(diào)質(zhì)或正火。n前者性能高，用于要求高的

3、重前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普要件，后者用于要求不高的普通件。通件。n目的目的:n為表面淬火作組織準(zhǔn)備；為表面淬火作組織準(zhǔn)備；n獲得最終心部組織。獲得最終心部組織。 回火索氏體回火索氏體索氏體索氏體n表面淬火后的回火表面淬火后的回火n采用低溫回火采用低溫回火，溫度不高于，溫度不高于200。n回火目的為降低內(nèi)應(yīng)力，保留淬火高硬度、耐磨性?；鼗鹉康臑榻档蛢?nèi)應(yīng)力，保留淬火高硬度、耐磨性。n表面淬火表面淬火+低溫回火后的組織低溫回火后的組織n表層組織為表層組織為M回回；心部組織為；心部組織為S回回(調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì))或或F+S(正火正火)。感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱感應(yīng)加

4、熱表面淬火表面淬火示意圖示意圖n表面淬火常用加熱方法表面淬火常用加熱方法n 感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱: 利用交變電流利用交變電流在工件表面感應(yīng)巨大渦流，在工件表面感應(yīng)巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。使工件表面迅速加熱的方法。n感應(yīng)加熱分為：感應(yīng)加熱分為：n高頻感應(yīng)加熱高頻感應(yīng)加熱 頻率為頻率為250-300KHz，淬，淬硬層深度硬層深度0.5-2mm傳動軸連續(xù)淬傳動軸連續(xù)淬火感應(yīng)器火感應(yīng)器感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面圖感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面圖n中頻感應(yīng)加熱中頻感應(yīng)加熱 頻 率 為頻 率 為 2 5 0 0 -8000Hz，淬硬層深，淬硬層深度度2-10mm。各種感應(yīng)器各種感應(yīng)器中頻感應(yīng)加熱表面淬

5、火的機車凸輪軸中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機車凸輪軸n工頻感應(yīng)加熱工頻感應(yīng)加熱n頻率為頻率為50Hz,淬硬層淬硬層深度深度10-15 mm各種感應(yīng)器各種感應(yīng)器感應(yīng)穿透加熱感應(yīng)穿透加熱n 火焰加熱火焰加熱: 利用乙炔火焰直接加利用乙炔火焰直接加熱工件表面的方法。熱工件表面的方法。成本低，但質(zhì)成本低，但質(zhì)量不易控制。量不易控制。n 激光熱處理激光熱處理: 利用高能量密度的利用高能量密度的激光對工件表面進(jìn)行加熱的方法。激光對工件表面進(jìn)行加熱的方法。效率高，質(zhì)量好。效率高，質(zhì)量好?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗疽鈭D火焰加熱表面淬火示意圖激光表面熱處理激光表面熱處理火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火一、表面熱處理一、表面熱

6、處理2、化學(xué)表面熱處理、化學(xué)表面熱處理n化學(xué)熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，使化學(xué)熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，使介質(zhì)中活性原子介質(zhì)中活性原子滲入工件表層從滲入工件表層從而改變工件表層而改變工件表層化學(xué)成分和組織化學(xué)成分和組織,進(jìn)而改變其性能進(jìn)而改變其性能的熱處理工藝。的熱處理工藝。n與表面淬火相比，化學(xué)熱處理不僅改變鋼的表層組織，還改與表面淬火相比，化學(xué)熱處理不僅改變鋼的表層組織，還改變其化學(xué)成分。變其化學(xué)成分。n化學(xué)熱處理也是獲得表硬里韌性能的方法之一?；瘜W(xué)熱處理也是獲得表硬里韌性能的方法之一。n根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、多元根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處

7、理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等。共滲、滲其他元素等。 可控氣氛滲碳爐可控氣氛滲碳爐滲碳回火爐滲碳回火爐常用的化學(xué)熱處理：常用的化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮（俗稱氮化）、碳氮共滲（俗稱氰滲碳、滲氮（俗稱氮化）、碳氮共滲（俗稱氰化和軟氮化）等?；蛙浀┑?。滲硫、滲硼、滲鋁、滲釩、滲鉻等。發(fā)蘭、磷滲硫、滲硼、滲鋁、滲釩、滲鉻等。發(fā)蘭、磷化可以歸為表面處理，不屬于化學(xué)熱處理?；梢詺w為表面處理，不屬于化學(xué)熱處理?；瘜W(xué)熱處理過程包括化學(xué)熱處理過程包括分解、吸收、擴散分解、吸收、擴散三個基三個基本過程。本過程。化學(xué)熱處理的基本過程化學(xué)熱處理的基本過程 n介質(zhì)介質(zhì)(滲劑滲劑)的分解的分解: 分解的

8、同分解的同時釋放出活性原子。時釋放出活性原子。n如：滲碳如：滲碳 CH42H2+C 氮化氮化 2NH33H2+2Nn工件表面的吸收工件表面的吸收: 活性原子向活性原子向固溶體溶解或與鋼中某些元素固溶體溶解或與鋼中某些元素形成化合物。形成化合物。n原子向內(nèi)部擴散。原子向內(nèi)部擴散。 氮化擴散層氮化擴散層鋼的滲碳鋼的滲碳是指向鋼的表面滲入碳原子的過程。是指向鋼的表面滲入碳原子的過程。n滲碳目的滲碳目的n提高工件表面硬度、耐提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度，同時磨性及疲勞強度，同時保持心部良好的韌性保持心部良好的韌性。n滲碳用鋼滲碳用鋼l為含為含0.1-0.25%C的低的低碳鋼。碳鋼。碳高則心部韌性

9、碳高則心部韌性降低。降低。 經(jīng)滲碳的機車從動齒輪經(jīng)滲碳的機車從動齒輪氣體滲碳?xì)怏w滲碳法示意圖法示意圖n滲碳方法滲碳方法n 氣體滲碳法氣體滲碳法n將工件放入密封爐內(nèi)，在高將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳?xì)夥罩袧B碳。溫滲碳?xì)夥罩袧B碳。n滲劑為氣體滲劑為氣體 (煤氣、液化氣等煤氣、液化氣等)或有機液體或有機液體(煤油、甲醇等煤油、甲醇等)。n優(yōu)點優(yōu)點: 質(zhì)量好質(zhì)量好, 效率高；效率高；n缺點缺點: 滲層成分與深度不易控滲層成分與深度不易控制制n 固體滲碳法固體滲碳法n將工件埋入滲劑中，裝箱密封后在高溫下加熱滲碳。將工件埋入滲劑中，裝箱密封后在高溫下加熱滲碳。n滲劑為木炭。滲劑為木炭。n優(yōu)點：操作簡單；

10、優(yōu)點：操作簡單；n缺點：滲速慢，勞動條件差。缺點：滲速慢，勞動條件差。l 真空滲碳法真空滲碳法l將工件放入真空滲碳爐中，抽真空將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。l優(yōu)點優(yōu)點: 表面質(zhì)量好表面質(zhì)量好, 滲碳速度快。滲碳速度快。真空滲碳爐真空滲碳爐n滲碳溫度滲碳溫度：為：為900-950。n滲碳層厚度滲碳層厚度（由表面到過度層一半處的厚度）：（由表面到過度層一半處的厚度）： 一般為一般為0.5-2mm。低碳鋼滲碳緩冷后的組織低碳鋼滲碳緩冷后的組織l滲碳層表面含碳量：滲碳層表面含碳量：以以0.85-1. 05為最好。為最好。l滲碳緩冷后組織：滲碳緩冷后組織：

11、表層表層為為P+網(wǎng)狀網(wǎng)狀Fe3C; 心部心部為為F+P; 中間為過渡區(qū)。中間為過渡區(qū)。n滲碳后的熱處理滲碳后的熱處理n淬火淬火+低溫回火低溫回火, 回火溫度為回火溫度為160-180。淬火方法有：淬火方法有：n 預(yù)冷淬火法預(yù)冷淬火法n滲碳后預(yù)冷到略高于滲碳后預(yù)冷到略高于Ar1溫度直接淬火。溫度直接淬火。滲碳后的熱處理示意圖滲碳后的熱處理示意圖n一次淬火法一次淬火法：即滲碳緩冷后重新加熱淬火。：即滲碳緩冷后重新加熱淬火。n 二次淬火法：二次淬火法：n即滲碳緩冷后即滲碳緩冷后第一次加熱為心部第一次加熱為心部Ac3+30-50，細(xì)化心部細(xì)化心部；第二次加熱為第二次加熱為Ac1+30-50，細(xì)化表層細(xì)

12、化表層。 滲碳后的熱處理示意圖滲碳后的熱處理示意圖n常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30-50淬火淬火+低低溫回火。溫回火。此時組織為：此時組織為：n表層：表層：M回回+顆粒狀碳化物顆粒狀碳化物+A(少量少量)n心部：心部：M回回+F（淬透時）（淬透時）滲碳淬火后的表層組織滲碳淬火后的表層組織M+F鋼的氮化鋼的氮化 n氮化是指向鋼的表面滲入氮原子的過程。氮化是指向鋼的表面滲入氮原子的過程。n氮化用鋼氮化用鋼井式氣體氮化爐井式氣體氮化爐l為含為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中的中碳鋼。碳鋼。l常用鋼號為常用鋼號為38CrMoAl。l氮化溫度氮化溫度為為50

13、0-570l氮化層厚度氮化層厚度不超過不超過0.6-0.7mm。n常用氮化方法常用氮化方法n氣體氮化法與離子氮化法。氣體氮化法與離子氮化法。n氣體氮化法與氣體滲碳法類似，氣體氮化法與氣體滲碳法類似，滲劑為氨。滲劑為氨。n離子氮化法是在電場作用下，離子氮化法是在電場作用下，使電離的氮離子高速沖擊作為使電離的氮離子高速沖擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時間短，氮化層脆性小。氮化時間短，氮化層脆性小。離子氮化爐離子氮化爐n氮化的特點及應(yīng)用氮化的特點及應(yīng)用n氮化件表面硬度高（氮化件表面硬度高（6972HRC），耐磨性高。），耐磨性高。n疲勞強度高。疲勞強度高。由于表面

14、存在壓應(yīng)力。由于表面存在壓應(yīng)力。氮化層組織氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度氮化層硬度n工件變形小。工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進(jìn)行熱處原因是氮化溫度低，氮化后不需進(jìn)行熱處理。理。 n 耐蝕性好。耐蝕性好。因為表層形成的氮化物化學(xué)穩(wěn)定性高。因為表層形成的氮化物化學(xué)穩(wěn)定性高。n氮化的缺點：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。氮化的缺點：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。n用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等。 縫紉機用氮化件縫紉機用氮化件經(jīng)氮化的機車曲軸經(jīng)氮化

15、的機車曲軸滲氮與滲碳相比：滲氮與滲碳相比：u滲氮層硬度和耐磨性高于滲碳層，硬度可達(dá)滲氮層硬度和耐磨性高于滲碳層，硬度可達(dá)6972HRC，且在且在600650高溫下仍能保持較高硬度；高溫下仍能保持較高硬度；u滲氮層具有很高的抗疲勞性和耐蝕性；滲氮層具有很高的抗疲勞性和耐蝕性；u滲氮后不需再進(jìn)行熱處理，可避免熱處理帶來的變形和其滲氮后不需再進(jìn)行熱處理，可避免熱處理帶來的變形和其他缺陷；他缺陷；u滲氮溫度較低。滲氮溫度較低。u只適用于中碳合金鋼，需要較長的工藝時間才能達(dá)到要求只適用于中碳合金鋼，需要較長的工藝時間才能達(dá)到要求的滲氮層。的滲氮層。二、表面形變強化二、表面形變強化n表面形變強化指使鋼件在

16、常溫下發(fā)生塑性變形表面形變強化指使鋼件在常溫下發(fā)生塑性變形，以，以提高其表面硬度并產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力分布的表提高其表面硬度并產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力分布的表面強化工藝。面強化工藝。n工藝簡單，成本低廉，是提高鋼件抗疲勞能力，延工藝簡單，成本低廉，是提高鋼件抗疲勞能力，延長其使用壽命的重要工藝措施。長其使用壽命的重要工藝措施。1、噴丸、噴丸n噴丸強化是將大量高速運動的彈丸噴射到零件表面上，猶如噴丸強化是將大量高速運動的彈丸噴射到零件表面上，猶如無數(shù)個小無數(shù)個小錘錘擊錘錘擊金屬表面，使零件表層和次表層發(fā)生一定的金屬表面，使零件表層和次表層發(fā)生一定的塑性變形而實現(xiàn)強化的一種技術(shù)。塑性變形而實現(xiàn)強化的一

17、種技術(shù)。n應(yīng)用：形狀較復(fù)雜的零件應(yīng)用：形狀較復(fù)雜的零件n在磨削、電鍍等工序后進(jìn)行在磨削、電鍍等工序后進(jìn)行2、滾壓處理、滾壓處理n利用自由旋轉(zhuǎn)的淬火鋼滾子對鋼件的已加工表面進(jìn)行滾壓，利用自由旋轉(zhuǎn)的淬火鋼滾子對鋼件的已加工表面進(jìn)行滾壓，使之產(chǎn)生塑性變形，壓平鋼件表面的粗糙凸峰，形成有利的使之產(chǎn)生塑性變形，壓平鋼件表面的粗糙凸峰，形成有利的殘余壓應(yīng)力，從而殘余壓應(yīng)力，從而提高工件的耐磨性和抗疲勞能力提高工件的耐磨性和抗疲勞能力。n應(yīng)用：圓柱面、錐面、平面等形狀比較簡單的零件應(yīng)用：圓柱面、錐面、平面等形狀比較簡單的零件三、表面覆層強化三、表面覆層強化n表面覆層強化是通過物理或化學(xué)的方法在金屬表面表面覆

18、層強化是通過物理或化學(xué)的方法在金屬表面涂覆一層或多層其他金屬或非金屬的表面強化工藝。涂覆一層或多層其他金屬或非金屬的表面強化工藝。n目的：提高鋼件的耐磨性、耐蝕性、耐熱性或進(jìn)行目的：提高鋼件的耐磨性、耐蝕性、耐熱性或進(jìn)行表面裝飾。表面裝飾。1、金屬噴涂技術(shù)、金屬噴涂技術(shù) n將金屬粉末加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧將金屬粉末加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為熱噴涂熱噴涂。l利用熱噴涂技術(shù)可改善材料利用熱噴涂技術(shù)可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。及絕緣性等。l廣泛用于包括航空

19、航天、原廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術(shù)在內(nèi)子能、電子等尖端技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有領(lǐng)域。的幾乎所有領(lǐng)域。等離子熱噴涂等離子熱噴涂2、金屬鍍層、金屬鍍層 n在基體材料的表面覆上一層或多層金屬鍍層，可以顯著改在基體材料的表面覆上一層或多層金屬鍍層，可以顯著改善其耐磨性、耐蝕性和耐熱性，或獲得其他特殊性能。善其耐磨性、耐蝕性和耐熱性，或獲得其他特殊性能。n電鍍：工件作為陰極電鍍：工件作為陰極n化學(xué)鍍：不外加電源的條件下，利用化學(xué)還原的方法在基化學(xué)鍍：不外加電源的條件下，利用化學(xué)還原的方法在基體材料表面催化膜上沉積一層金屬的表面強化方法。體材料表面催化膜上沉積一層金屬的表面強化方法。特點：特點

20、：形狀工件復(fù)雜上也能得到均勻厚度鍍層；鍍層晶粒細(xì)小致密，形狀工件復(fù)雜上也能得到均勻厚度鍍層；鍍層晶粒細(xì)小致密，孔隙與裂紋少；可以在非金屬材料表面沉積金屬層?？紫杜c裂紋少；可以在非金屬材料表面沉積金屬層。n復(fù)合鍍：電鍍或化學(xué)鍍的溶液中加入適量金屬或非金屬微復(fù)合鍍：電鍍或化學(xué)鍍的溶液中加入適量金屬或非金屬微粒，借助于強烈的攪拌，與基質(zhì)金屬一起均勻沉積而獲得粒，借助于強烈的攪拌，與基質(zhì)金屬一起均勻沉積而獲得特殊性能鍍層的表面強化方法。特殊性能鍍層的表面強化方法。應(yīng)用：對材料有特殊要求。原子能工業(yè)和航天航空工業(yè)應(yīng)用：對材料有特殊要求。原子能工業(yè)和航天航空工業(yè)3、金屬碳化物覆層氣相沉積法、金屬碳化物覆層

21、氣相沉積法 n氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過物理是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過物理或化學(xué)的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技或化學(xué)的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術(shù)。術(shù)。l根據(jù)沉積過程的原理不同，根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術(shù)可分為氣相沉積技術(shù)可分為物理物理氣相沉積氣相沉積(PVD) 和和化學(xué)氣化學(xué)氣相沉積相沉積(CVD)兩大類。兩大類。n物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）n物理氣相沉積物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，是指在真空條件下，用物理的方法， 使材料汽化成原子、分子使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣或電離

22、成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術(shù)。一層薄膜的技術(shù)。l物理沉積技術(shù)主要包括物理沉積技術(shù)主要包括真真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍?nèi)N基本方法。三種基本方法。磁控濺射鍍膜設(shè)備磁控濺射鍍膜設(shè)備n真空蒸鍍真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。膜的方法。真空蒸鍍真空蒸鍍TiN活塞環(huán)活塞環(huán)真空蒸鍍真空蒸鍍Al膜的塑料制品膜的塑料制品n濺射鍍?yōu)R射鍍是在真空下通過輝光是在真空下通過輝光放電來電離氬氣，氬離子在放電來電離氬氣，氬離子在電場作用下加速轟擊陰極，電場作用下加速轟擊陰極，

23、濺射下來的粒子沉積到工件濺射下來的粒子沉積到工件表面成膜的方法。表面成膜的方法。濺射鍍示意圖濺射鍍示意圖磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍磁控濺射鍍AlAl的塑料制品的塑料制品n離子鍍離子鍍是在真空下利用氣體放電技術(shù)，將蒸發(fā)的原子部分是在真空下利用氣體放電技術(shù)，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時產(chǎn)生的大量高能中性粒電離成離子，與同時產(chǎn)生的大量高能中性粒子一起沉積到子一起沉積到工件表面成膜的方法。工件表面成膜的方法。多弧離子鍍膜機多弧離子鍍膜機n物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強、膜層簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。n廣泛用于機械、航空航天、電子、光學(xué)和輕工業(yè)等領(lǐng)域制廣