金屬表面處理工藝

1、現(xiàn)代表面技術(shù)現(xiàn)代表面技術(shù)金屬表面改性技金屬表面改性技T1133-2 陳從勝陳從勝表面改性技術(shù)及應(yīng)用表面改性技術(shù)及應(yīng)用n表面改性技術(shù)是指采用某種工藝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)。n被廣泛的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、機(jī)械制造領(lǐng)域，和生產(chǎn)生活緊密相連。作用及內(nèi)容作用及內(nèi)容n使材料表面獲得各種特殊性能（如耐磨、耐腐蝕、耐高溫、超導(dǎo)、潤(rùn)滑性等）。n掩蓋基體材料表面缺陷，延長(zhǎng)材料和構(gòu)建使用壽命。n節(jié)約稀少、珍貴材料，節(jié)約能源，改善環(huán)境。n促進(jìn)高新技術(shù)的發(fā)展。n主要包含表面變形強(qiáng)化、表面熱處理、表面化學(xué)熱處理以及其他技術(shù)。通過機(jī)械手段在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，通過機(jī)械手段在金屬表

2、面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成硬化層，提高金屬疲勞強(qiáng)度重使表面形成硬化層，提高金屬疲勞強(qiáng)度重要工藝之一。要工藝之一。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(qiáng)化工藝。面強(qiáng)化工藝。工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，是提高鋼件抗疲勞工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，是提高鋼件抗疲勞能力，延長(zhǎng)其使用壽命的重要工藝措施。能力，延長(zhǎng)其使用壽命的重要工藝措施。 1、噴丸n噴丸強(qiáng)化是將大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸噴射到零件表面上，使零件表層噴丸強(qiáng)化是將大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸噴射到零件表面上，使零件表層和次表層發(fā)生一定的塑性變形和次表層發(fā)生一定的塑性

3、變形,形成硬化層并引進(jìn)殘余壓應(yīng)力，從形成硬化層并引進(jìn)殘余壓應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的一種技術(shù)。而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的一種技術(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，廣泛應(yīng)用于彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉，廣泛應(yīng)用于彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件，可顯著的提高抗彎曲疲勞、抗擊腐蝕疲勞、片、火車輪等零部件，可顯著的提高抗彎曲疲勞、抗擊腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動(dòng)磨損、耐點(diǎn)蝕能力。抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動(dòng)磨損、耐點(diǎn)蝕能力。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n利用自由旋轉(zhuǎn)的淬火鋼滾子對(duì)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(duì)鋼件的已加工表面進(jìn)行滾壓，使之產(chǎn)生

4、塑性變形，壓平鋼件表面的粗糙凸峰，形成有利使之產(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，從而的殘余壓應(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(jiǎn)單的零件應(yīng)用：圓柱面、錐面、平面等形狀比較簡(jiǎn)單的零件一、表面熱處理n1、表面淬火、表面淬火n表面淬火是指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，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)行淬火以強(qiáng)化零件表利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。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

5、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(qiáng)度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。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(jī)床導(dǎo)機(jī)床導(dǎo)軌軌表面淬火齒輪表面淬火齒輪n表面淬火后的回

6、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，溫度不n高于高于200。n回火目的為降低內(nèi)應(yīng)力，回火目的為降低內(nèi)應(yīng)力，n保留淬火高硬度、耐磨性。保留淬火高硬度、耐磨性。n表面淬火表面淬火+低溫回火后低溫回火后n的組織的組織n表層組織為表層組織為M回回；心部組；心部組n織為織為S回回(調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì))或或F+S(正火正火)?；鼗鹚魇象w回火索氏體索氏體索氏體感應(yīng)加熱感應(yīng)加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)加熱表面處理表面處理: 利利用交變電流在工件表面感用交變電流在工件表面感應(yīng)巨大渦流，使工件表面應(yīng)巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。迅速加熱的

7、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，淬硬層深度淬硬層深度0.5-2mm傳動(dòng)軸連續(xù)淬傳動(dòng)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，淬硬層深度層深度2-10mm。各種感應(yīng)器各種感應(yīng)器中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機(jī)車凸中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機(jī)車凸輪軸輪軸n工頻感應(yīng)加熱工頻感應(yīng)加熱n頻率為頻率為50Hz,淬硬層深度淬硬層深度10-15 mmn近些年又發(fā)展了超音頻、雙頻感應(yīng)加熱淬火工藝。n實(shí)際上，硬化層深度取決于加熱層深度，

8、淬火加熱溫度、冷卻速度和材料本身的淬透性等。n由于感應(yīng)電流的“集膚效應(yīng)”，電流透入工件深度主要與交流電頻率有關(guān)，近似公式表示：f/600n 火焰加熱火焰加熱: 利用乙炔火焰直接加熱工利用乙炔火焰直接加熱工件表面的方法。件表面的方法。成本低，但質(zhì)量不易控成本低，但質(zhì)量不易控制。制。n 激光熱處理激光熱處理: 利用高能量密度的激光利用高能量密度的激光對(duì)工件表面進(jìn)行加熱的方法。對(duì)工件表面進(jìn)行加熱的方法。效率高，效率高，質(zhì)量好。質(zhì)量好。n此外還有接觸電阻加熱表面淬火、浴爐此外還有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等加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火等火焰加熱表面淬火示意圖火焰加熱

9、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三、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，化學(xué)熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，介質(zhì)中活性原介質(zhì)中活性原子滲入工件表子滲入工件表層從而改變工層從而改變工件表層化學(xué)成件表層化學(xué)成分和組織分和組織,進(jìn)而進(jìn)而改變其性能的改變其性能的熱處理工藝。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，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。還改變其化學(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。化學(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，根據(jù)滲入的

10、元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、化學(xué)熱處理可分為滲碳、氮化、碳氮碳氮共滲、滲其他元素等。共滲、滲其他元素等。 可控氣氛滲碳可控氣氛滲碳爐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┑取；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(kuò)散分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基三個(gè)基本過程。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: 分解的同時(shí)分解的同時(shí)釋放出活性原子。釋放出活性原子。n如：滲碳如：滲碳 CH42H2+C 氮化氮化 2NH33H2+2Nn活性元素活

11、性元素的吸收的吸收: 活性原子向活性原子向固溶體溶解或與鋼中某些元素形固溶體溶解或與鋼中某些元素形成化合物。成化合物。n活性元素活性元素內(nèi)部擴(kuò)散。內(nèi)部擴(kuò)散。 氮化擴(kuò)散層氮化擴(kuò)散層鋼的滲碳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(qiáng)度，同時(shí)磨性及疲勞強(qiáng)度，同時(shí)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。碳高則心部韌性碳高則心部韌性降低。降低。 經(jīng)滲碳的機(jī)車從動(dòng)齒輪經(jīng)滲碳的機(jī)車從動(dòng)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)

12、，將工件放入密封爐內(nèi)，在在900-950時(shí)滴入醇、煤油、丙酮，時(shí)滴入醇、煤油、丙酮，在在高溫高溫下分解為下分解為CO、CO2、CH4等等滲碳?xì)夥諠B碳?xì)夥詹⑸苫钚蕴荚颖徊⑸苫钚蕴荚颖还ぜ杖苋電W氏體，形成工件吸收溶入奧氏體，形成滲碳滲碳層層。n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 質(zhì)量好質(zhì)量好, 效率高；效率高；n缺點(diǎn)缺點(diǎn): 滲層成分與深度不易控制滲層成分與深度不易控制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(diǎn)：操作簡(jiǎn)單；優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單；n缺點(diǎn)：滲速慢，勞動(dòng)條件差。缺點(diǎn)：滲速慢，勞動(dòng)條件差。l 真空滲碳法

13、真空滲碳法l將工件放入真空滲碳爐中，抽真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。空后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 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：表層為表層為P+網(wǎng)狀網(wǎng)狀Fe3C; 心部為心部為F+P; 中間為過渡區(qū)。中間為過渡區(qū)

14、。n滲碳后的熱處理滲碳后的熱處理n要使?jié)B碳層發(fā)揮應(yīng)有的作用，滲碳后還須要使?jié)B碳層發(fā)揮應(yīng)有的作用，滲碳后還須淬火淬火+低溫回火低溫回火處理處理, 回火溫度為回火溫度為160-180。淬火方法有：淬火方法有：n 直接直接淬火法淬火法n滲碳后預(yù)冷到滲碳后預(yù)冷到800-850后后直接淬火直接淬火，再在，再在180-200溫度溫度下回火下回火。n一次淬火法一次淬火法：即滲碳：即滲碳空空冷后重新加熱冷后重新加熱到到830-860淬火。淬火。n 二次淬火法二次淬火法：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

15、表層細(xì)化表層。 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+低溫回火。低溫回火。此時(shí)組織為：此時(shí)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(shí)）（淬透時(shí)）滲碳淬火后的表層組滲碳淬火后的表層組織織M+F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的中碳鋼。的中碳鋼。l常用鋼號(hào)為常用鋼號(hào)為38CrMoAl。l氮化溫度氮化溫度為為500-570l氮化層厚度氮化層厚度不超過不超

16、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氣體氮化法與氣體滲碳法類似，滲劑為氨。類似，滲劑為氨。n離子氮化法是在電場(chǎng)作用離子氮化法是在電場(chǎng)作用下，使電離的氮離子高速下，使電離的氮離子高速?zèng)_擊作為陰極的工件。與沖擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時(shí)間氣體氮化相比，氮化時(shí)間短，氮化層脆性小。短，氮化層脆性小。離子氮化爐離子氮化爐 氣體滲氮常采用的工藝為：鍛造氣體滲氮常采用的工藝為：鍛造正火正火粗加工粗加工調(diào)調(diào)質(zhì)質(zhì)精加工精加工去應(yīng)力去應(yīng)力粗磨粗磨滲氮滲氮精磨或研磨精磨或研磨 滲氮的特點(diǎn)：滲氮的特點(diǎn)：1、高硬度、高耐磨性。、高硬度、高耐磨性。 2、疲勞極限高。、疲勞極限高。 3、工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進(jìn)行熱處理。 4、耐蝕性好。因?yàn)楸韺有纬傻牡锘瘜W(xué)穩(wěn)定性高。 G:鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理_標(biāo)清標(biāo)清.flvn氮化的缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。氮化的缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。n主要應(yīng)用在交變載荷下工作工作并要求具有高的耐磨性主要應(yīng)用在交變載荷下工作工作并要求具有高的耐磨性工件上，如高速轉(zhuǎn)動(dòng)精密齒輪、高速柴油機(jī)曲軸、高精工件上，如高速轉(zhuǎn)動(dòng)精密齒輪、高速柴油機(jī)曲軸、高精度機(jī)床主軸、模具等度機(jī)床主軸、模具等 縫紉機(jī)用氮化件縫紉機(jī)用氮化件經(jīng)氮化的機(jī)車曲軸經(jīng)氮化的機(jī)車曲軸