第3篇 材料改性技術

第3篇材料改性技術一．簡介作用與發(fā)展歷史二．主要內(nèi)容熱處理表面技術

第6章熱處理原理及工藝6.1序一.定義:

材料加熱到一定溫度，保溫,再以規(guī)定的速度冷卻到室溫的工藝

二．熱處理發(fā)展概況周朝:石墨化退火西漢:清水焠青鋒；19世紀后期：發(fā)現(xiàn)熱處理時的組織變化顯微技術及X射線衍射技術使熱處理從技術發(fā)展為科學三.熱處理的作用

1．改變組織:鋼可分別得到F+Cm;A;B;M

2．改變性能:力學性能,物理性能,化學性能四.熱處理分類熱處理整體熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學熱處理火焰加熱感應加熱激光加熱滲碳滲氮碳氮共滲氮碳共滲滲硼滲硫其他6.2鋼的熱處理原理6.2.1鋼在加熱時的組織轉變一.奧氏體的形成形核長大碳化物溶解成分均勻化加熱/冷卻時相圖的變化c----加熱r-----冷卻二.奧氏體晶粒晶粒度:每平方英寸上的平均晶粒數(shù)

n=2G-1,n-晶粒度,G-晶粒度等級

G=1~4,粗晶粒;G=5~10,細晶粒本質(zhì)晶粒度:在(930±10)OC保溫3-8小時后測定的奧氏體晶粒大小.

主要決定于成分和脫氧劑.實際晶粒度:具體條件下奧氏體實際晶粒大小.

與加熱條件和熱加工條件相關.標準奧氏體晶粒度級別三.影響奧氏體晶粒大小的因素加熱溫度和保溫時間:溫度越高,時間越長,晶粒增大加熱速度:快,起始晶粒小化學成分:穩(wěn)定碳化物元素阻礙晶粒長大原始組織:原始組織細,則加熱后晶粒也小四、熱處理過程基本要素

1、加熱速度2、(最高）加熱溫度3、保溫時間4、冷卻速度5、加熱介質(zhì)6.2.2過冷奧氏體的冷卻轉變1.過冷奧氏體：低于奧氏體平衡轉變溫度的奧氏體2．分類：等溫轉變（TTT）:相變在恒溫下進行連續(xù)轉變（CCT）:相變在連續(xù)冷卻過程中進行3.非平衡組織:貝氏體,馬氏體一.過冷奧氏體等溫轉變1．TTT圖或C曲線1)各線的意義:相變起始線相變結束線Ms-M相變起始溫度Mf-M相變終了溫度2)符號P—珠光體；S—索氏體；T—托氏體；B上—上貝氏體；B下—下貝氏體；M—馬氏體3)鼻溫：對應最短孕育期的溫度共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線珠光體在A1--650℃范圍內(nèi)形成的片層較粗，片層間距平均大于0.3μm,在放大400倍以上光學顯微鏡下可分辨出層片間距。索氏體在650--600℃范圍內(nèi)形成的層片比較細。片層間距平均為0.1—0.3μm,在大于800倍的光學顯微鏡下可分辨出片層間距。屈氏體在600--550℃范圍內(nèi)所形成的層片更細，片層間距平均小于0.1μm，即使在高倍光學顯微鏡下也難于分辨出層片來。片狀珠光體粒狀珠光體板條馬氏體針狀馬氏體貝氏體轉變示意圖a)B上b)B下2．C曲線影響因素1）成分越接近共析點，C曲線越右移；除Co外，合金元素使曲線向右移動。合金元素還改變C曲線形狀。2）晶粒度晶粒粗，C曲線越右移3）奧氏體化溫度和時間：↑，C曲線越右移。二.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變1.CCT圖2.TTT曲線與CCT曲線的對比1)CCT曲線位于TTT曲線的右下方;2)共析鋼(和共析鋼)的CCT曲線無貝氏體區(qū);3)臨界冷卻速度Vc由CCT曲線獲得.冷卻速度Vc:可獲得全部馬氏體的最小冷速2.TTT曲線與CCT曲線的應用1）根據(jù)溫度和冷速預測組織與性能。2）確定熱處理工藝。6.3鋼的退火與正火

一．退火1．定義：加熱到一定溫度，保溫后隨爐緩慢冷卻，獲得平衡組織的工藝。2.分類:完全退火均勻化退火球化退火再結晶退火去應力退火去氫退火一.退火工藝1)完全退火目的：消除不均勻的內(nèi)部組織和過熱組織加熱溫度：Ac3+20~50OC應用：消除鑄、鍛件過熱組織。其他:等溫退火:完全奧氏體化后快冷至Ar下等穩(wěn),再空冷至室溫不完全退火:加熱到兩相區(qū)保溫2）均勻化退火（擴散退火）目的：消除成分的不均勻性加熱溫度：Ac3+100~150OC應用：鑄件枝晶偏析的消除3）球化退火目的：得到球狀珠光體組織→穩(wěn)定碳化物，塑性提高，硬度下降。工藝一次加熱球化:Ac1+20~30OC，爐冷等溫球化:在Ar下保溫周期球化:在A1線上下循環(huán)加熱-保溫-冷卻-保溫-加熱應用：共析、過共析鋼預先熱處理；低、中碳鋼提高冷成形性。4）去應力退火目的：消除殘余應力加熱溫度：550~650OC冷卻：緩冷5）再結晶退火目的：消除加工硬化加熱溫度：TR+150~250OC應用：冷變形金屬制品

6）去氫退火目的：去氫工藝：加熱溫度>Ac3，鼻溫處等溫

二.正火1.定義：加熱到一定溫度，保溫后空冷，獲得近平衡組織的工藝。2.組織特征：珠光體含量↑；晶粒尺寸↓；珠光體片間距↓3.性能特征：硬度、強度↑4.目的及應用低、中碳鋼改善切削性能消除網(wǎng)狀滲碳體（球化退火預處理）代替調(diào)質(zhì)處理（感應淬火預處理）最終熱處理(鑄件)三.退火、正火常見缺陷與控制1.退火硬度偏高原因：退火溫度低、冷速快改善：重新退火2.球化不完全特征:出現(xiàn)細片狀或點狀珠光體改善：重新球化3.退火時形成石墨（黑脆）原因：退火溫度高、保溫時間長、反復退火改善：正火4.正火組織出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體原因：冷速不足改善：加快冷速5.反常組織特征:亞共析鋼中出現(xiàn)非共析滲碳體,過共析鋼中出現(xiàn)游離鐵素體.原因:在Ar1附近冷卻過慢改善:重新退火6.4鋼的淬火

1．定義：經(jīng)過奧氏體化的鋼以大于臨界冷速VC的速度冷卻，獲得不平衡組織的工藝。2．淬火目的提高強度、硬度及耐磨性與回火結合提高綜合力學性能改變物理或化學性能一.淬火加熱

1．加熱溫度亞共析鋼：Ac3+30~50OC共析、過共析鋼：Ac1+30~50OC合金鋼：2．加熱時間經(jīng)驗公式：t=αΚDα—加熱系數(shù)K-裝爐系數(shù)D-工件有效厚度二.淬火介質(zhì)

1．理想淬火介質(zhì)鼻溫處快冷，其余慢冷原因：既得到非平衡組織，又減小應力2.常用冷卻介質(zhì)1）分類有物態(tài)變化：水、油、鹽水、堿水、聚合物無物態(tài)變化：熔鹽、熔堿、熔融金屬,氣體2）冷卻能力鹽水、堿水>水>聚合物>油≈熔鹽、熔堿；氣體隨壓力變化冷卻能力范圍很寬；流動介質(zhì)>靜態(tài)介質(zhì)不足：前者低溫冷速太快，后者高溫冷速不足三.淬火方法1．單介質(zhì)淬火：一種介質(zhì)（包括預冷淬火）優(yōu)點：簡便應用：簡單工件2．雙介質(zhì)淬火：接近MS點時換緩冷介質(zhì)優(yōu)點：可減小淬火開裂缺點：技術要求高應用：高碳鋼3．分級淬火：先在稍高于MS點的熔鹽、熔堿介質(zhì)保溫，溫度均勻后再空冷。優(yōu)點：形狀復雜、小尺寸合金鋼4．等溫淬火：在大于或小于MS的熔鹽、熔堿介質(zhì)中長時間保溫，形成貝氏體或部分馬氏體，再空冷。優(yōu)點：淬火應力最小應用：獲得下貝氏體或馬氏體5.冰冷處理：在零度以下的冷卻，稱冰冷處理特點：應力大應用：減少殘余奧氏體;作用:提高硬度、提高尺寸穩(wěn)定性、尺寸修復常用淬火方法單介質(zhì)淬火雙介質(zhì)淬火分級淬火等溫淬火四.鋼的淬透性1.淬透性：鋼淬火時獲得馬氏體的傾向（能力）。取決于VC。2.淬硬性：鋼在正常淬火條件下能夠得到的最高硬度值。主要取決于含碳量。3.淬硬層深度：工件表面至半馬氏體區(qū)的厚度。4.淬透性與淬硬層深度的關系當工件中心淬硬時稱淬透。淬硬層深度與淬透性、工件大小、淬火工藝有關。5.淬透性的應用材料選擇冷卻介質(zhì)選擇預測截面上硬度分布不同截面的鋼淬火時淬硬層深度的變化五.淬火缺陷及質(zhì)量控制變形、開裂硬度不足軟點過熱、過燒、脫碳、氧化1.熱處理應力1)分類熱應力:由于各部位冷速不同而造成的收縮受阻所產(chǎn)生的應力。相變（組織）應力:由于固態(tài)相變時的體積變化受阻而產(chǎn)生的應力。2)淬火時的組織應力最大。2.變形1)形式：體積變化形狀變化2)原因:應力大于屈服強度3.淬火開裂類型根本原因：

拉應力作用常見因素：淬火冷速過快原材料缺陷鍛造缺陷表面嚴重脫碳加熱過快應力集中未及時回火淬火開裂鋼球4.硬度不足原因未淬透；有未溶鐵素體；殘余奧氏體過多控制提高冷速提高加熱溫度冰冷處理5.軟點定義：工件表面局部硬度不足原因：工件表面氣泡、涂料等。6.5回火一．定義：淬火工件加熱至共析溫度以下某一溫度保溫，以適當?shù)姆绞嚼鋮s的工藝。二．回火的目的1．強韌調(diào)制：犧牲部分強度，提高塑、韌性。2．消除淬火應力：提高尺寸穩(wěn)定性、消除開裂傾向?；鼗饻囟葘μ间摿W性能影響三．回火工藝

1．低溫回火溫度：150~250OC組織：回火馬氏體性能：高硬度、強度、耐磨性和疲勞強度。應用：高碳鋼：工模具、滾動軸承、表面淬火件等低碳鋼：結構件低合金高強度鋼：結構件

2．中溫回火溫度：350~500OC組織：回火托氏體性能：高彈性極限、疲勞強度及良好的韌性應用：彈簧3．高溫回火溫度：>500OC組織：回火索氏體性能：一定的強度、高韌性應用：軸類零件淬火+高溫回火稱調(diào)質(zhì)處理四．回火脆性1．定義：淬火件在一定溫度回火時出現(xiàn)韌性降低的現(xiàn)象。2．分類：第一類回火脆（250~400OC）、第二類回火脆（450~600OC）3．改善第一類回火脆：細化晶粒、延遲（加硅、鋁、鎳等）第二類回火脆：快冷、加鉬鎢等。

6.6表面淬火

--感應加熱表面淬火1.表面淬火：只使工件表面獲得馬氏體組織，而心部保留原始組織2.分類感應加熱表面淬火火焰加熱表面淬火激光加熱表面淬火電子束加熱表面淬火電接觸加熱表面淬火3.目的心部良好的綜合力學性能，表面高硬度、高耐磨性一．感應加熱的集膚效應

1．概念：感應電流由表向內(nèi)逐漸降低的現(xiàn)象2．電流滲入深度δ：感應電流降至1/e處的深度δ=5.03X104X（ρ/μ?）1/2其中：ρ，電阻率；μ，磁導率；?，電流頻率（高頻、中頻、超音頻、工頻）二．特點1．組織特點1)晶粒尺寸小2)成分不均勻性大3)心表組織不一致:

表面為M,心部原始組織2.性能特點1)表面硬度比普通淬火高2)表面有殘余壓應力3)淬硬層深度增加,韌性下降4)耐磨性好

3.工藝特點1)AC1、AC3高2)氧化、脫碳及變形少3)生產(chǎn)率及自動化程度高感應加熱表面淬火組織及硬度分布三.工藝1．工藝過程調(diào)質(zhì)（正火）——表面淬火——回火2．工藝控制1）加熱溫度高于普通淬火2）硬化層厚度：比功率大，頻率高，則硬化層薄。3）加熱方式：同時加熱、連續(xù)加熱4）冷卻方式：噴射冷卻5）回火：爐內(nèi)回火、自回火、感應加熱回火。6.7化學熱處理一．概述1．定義：將工件在特定的介質(zhì)中加熱，依靠原子擴散，從而改變工件表層的成分和組織結構的熱處理。2．作用：

1）改善表層的力學性能：耐磨性、疲勞強度、硬度、紅硬性2）改善化學性能：耐蝕性、抗氧化特性3．基本過程

1）分解：介質(zhì)通過分解反應，形成“活性原子”——初生的原子態(tài)的原子。2）吸附：活性原子吸附在工件表面

條件——原子可溶于工件材料或形成化合物。3）擴散：依靠成分梯度及高溫下的擴散形成足夠滲層深度。

4．種類按滲入成分：滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲、滲硼、滲硫等按介質(zhì)分：氣體、液體、固體二、滲碳

1、滲碳工藝1）溫度：>Ac3，一般930±10OC

溫度提高，滲層增厚。2）滲碳時間：層深∝時間1/23）滲碳介質(zhì)（1）氣體：煤油、丙酮、乙醇、天然氣等（2）固體：木炭+10%碳酸鋇（碳酸鈉）2．碳勢

1）概念：氣氛改變工件表面碳濃度的能力。（與氣相平衡時工件表面的碳含量）2）確定方法：0.1mm的鋼箔置于滲碳爐內(nèi)，測含碳量，即為碳勢3）碳勢控制：根據(jù)探頭檢測，調(diào)節(jié)原料加入。3．滲后熱處理1）熱處理工藝：淬火+低溫回火2）淬火工藝：直接淬火一次加熱淬火二次加熱淬火:消除網(wǎng)狀滲碳體，細化晶粒4．滲碳層組織及性能1）組織（1）滲后組織表→里：過共析—共析—亞共析（2）淬后組織表→里：Cm+M片+A‘—M片+M板+A‘—M板2）性能：硬度：58~64HRC耐磨性：疲勞強度高沖擊韌性：下降滲碳淬火后硬度分布6.8其他熱處理工藝一.形變熱處理1.概念：將塑性變形與熱處理相結合的工藝2.工藝，見圖(下頁)特點：1）綜合改善強度及韌性2）簡化工藝流程，易于實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)二.強韌化處理1.超高溫淬火加熱溫度：高于普通淬火（超300OC左右）組織：增加板條馬氏體之間奧氏體數(shù)量應用：低、中碳鋼，提高斷裂韌性2.亞共析鋼兩相區(qū)淬火加熱溫度：Ac1~Ac3之間組織：F+M性能：塑韌性高3.高碳鋼低溫、快速淬火工藝：溫度低于普通淬火，短時保溫組織：未溶碳化物多性能：韌性改善三.循環(huán)熱處理工藝：循環(huán)相變目的：細化晶粒本章重點各個熱處理工藝及其用途淬火、回火有那些方法表面熱處理、化學熱處理的組織及性能特點淬火應力分布特點主要概念：淬透性、淬硬性、淬硬層深度、碳勢、集膚效應第7章表面技術（surfaceengineering）定義：賦予材料表面特殊的成分及性能的方法作用表面防護——耐蝕、防護、潤滑等表面強化——力學性能改善表面裝飾——美觀表面修復——3.

主要內(nèi)容電鍍化學鍍化學轉化膜熱噴涂涂裝特種表面技術7.1電鍍1、電鍍的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢電鍍隸屬于表面處理技術領域，在金屬精飾中按噸位計占加工的首位。電鍍的發(fā)展分三個時期：第一個時期是為了改善光澤或耐蝕性。第二個時期是因為勞力不足而邁向省力化、自動化。第三個時期為減輕公害時期，以拓展自身的生存空間總之,電鍍工業(yè)在全世界已經(jīng)發(fā)展了160多年，是一門既成熟又年輕的科學.未來電鍍的發(fā)展方向:合金和復合鍍層等功能性電鍍的研究,更加節(jié)能的電鍍工藝,低污染化,以及新型電鍍的研究,以適應科技和生產(chǎn)的需要,拓展行業(yè)的生存空間2、電鍍分類：掛具滾桶電鍍方式常規(guī)電鍍脈沖電鍍電刷鍍電鑄滾鍍連續(xù)電鍍掛鍍自動掛鍍線滾鍍連續(xù)電鍍2、電鍍原理借助外界直流電的作用，在溶液中進行電解反應，使導電體的表面沉積一金屬或合金層的方法，稱為電鍍?！顖D例：陰極主要反應:

Cu2++2e-→Cu

陽極主要反應:

Cu→Cu2++2e-陰極副反應:2H3O++2e-→H2+2H2O

陽極副反應:6H2O→O2+4H3O++4e-3、鍍層的分類使用目的功能性鍍層耐磨和減磨性鍍層抗高溫氧化鍍層修復性鍍層熱處理用鍍層磁性鍍層導電性鍍層其他可焊性鍍層防護-裝飾性鍍層保護基體金屬,賦予美麗外觀.提高制品表面硬度,增加其抗磨能力(Sn-Pb)磁環(huán)`磁盤`磁膜(Ni-Fe、Co-Ni)保護制品在熱處理時不改變性能(Cu、Sn)修復損壞部位(Fe、Cu、Cr)改善焊接性能(Sn)改善光學性能鍍層等(Cr,黑鉻)防止制品在高溫下被氧化腐蝕(Pt-rh)提高表面導電性能(Au-Co)鍍層結構簡單鍍層復合鍍層組合鍍層單一金屬鍍層(Zn、Cr)幾層相同或不同金屬疊加而成的鍍層(暗Ni-半光Ni-光NiNi-AuNi-Cu)固體微粒均勻地分散在金屬中而形成的鍍層(Ni-SiCCu-Al3O2)4、影響電鍍質(zhì)量的因素因素電源基件溶液電流密度添加劑、導電鹽、金屬離子濃度等直接影響鍍層的好壞電流密度影響鍍層的結晶效果電流波形電極電流波形對鍍層的結晶組織、光亮、鍍液的分散能力和覆蓋能力等都有影響.現(xiàn)在多使用脈沖電流電極的形狀、尺寸、位置影響鍍層的分布效果成分溫度攪拌適當?shù)臏囟瓤梢蕴岣呷芤旱膶щ娦?，促進陽極溶解，提高陰極電流效率，減少針孔，降低鍍層內(nèi)應力等加速溶液對流，降低陰極的濃差極化作用表面狀態(tài)形狀清潔、平整的基件表面鍍層效果越好影響電流分布，位置定位等5.電鍍液組成及作用主鹽：在陰極上沉淀出所要求的鍍層金屬的鹽；導電鹽：增強溶液導電性，提高分散能力；活化劑：促進陽極溶解；絡合劑：使待鍍金屬離子以絡合物形式存在；緩沖劑：穩(wěn)定鍍液pH值；添加劑：光亮劑：使鍍層光亮。整平劑：能使鍍件微觀谷處獲得微觀峰處更厚的鍍層。濕潤劑：能降低電極溶液間的界面張力，使溶液易于在電極表面鋪展。鍍層細化劑：能使鍍層結晶細致。上料脫脂酸洗活化預鍍電鍍水洗鈍化封孔干燥下料前處理電鍍后處理6、電鍍流程前處理:電鍍前的所有工序統(tǒng)稱為前處理,目的是修整工件表面,去除工件表面的油脂,銹皮,氧化膜等,為后面鍍層沉積提供所需的電鍍表面.前處理主要影響到外觀結合力,據(jù)統(tǒng)計,60%的電鍍不良品由于前處理不良所造成.前處理的方式有:噴砂、磨光、拋光、熱浸脫脂、超音波脫脂、電脫脂、酸洗活化等。電鍍:在工件表面得到所需鍍層。整個流程的核心程序。后處理：電鍍后對鍍層進行各種處理以增強鍍層的各種性能。如耐腐蝕性、抗變色能力、可焊性等。后處理的方式有：鈍化、中和、著色、防變色、封孔等7.2化學鍍一．定義：利用化學反應，在具有催化作用的制件表面上沉積金屬或合金的方法。二．特點1．還原電子由還原劑提供，不需電源;2．沉積速度慢;3．均鍍能力強。例：Ni-P化學鍍一、鍍液配方硫酸鎳：30g/L次磷酸鈉：40g/L檸檬酸鈉：20g/L乳酸：20g/L甘氨酸：5g/L乙酸鈉：10g/LPH值：4.2~5.2鍍覆溫度：86~90℃二、鍍液組分及作用鎳鹽：硫酸鎳還原劑：次磷酸鈉絡合劑：檸檬酸鈉、乳酸緩沖劑：乙酸鈉

絡合劑檸檬酸鈉、乳酸同時具有一定的緩沖作用。三、反應機理Ni2++H2PO2-+O2-=HPO32-+H++Ni3H2PO2-+H+=HPO3+3H2O+2P四、影響Ni-P鍍層厚度及質(zhì)量的工藝因素1.溫度：溫度過高,將導致鍍液發(fā)生分解，而溫度過低時反應不會發(fā)生。2.pH值：當pH值較低時,不利于鎳的沉積。但pH值過高,不但增加了鍍液的不穩(wěn)定因素,而且使鍍層磷含量下降,因此,選擇和維持一定的pH值,對于保證一定的鍍速及穩(wěn)定性至關重要。3.鍍液組分：控制合理的鍍液組份是保證鍍液穩(wěn)定和獲得良好鍍層的關鍵之一。五．工藝過程鍍前處理——鍍膜——（電鍍）六．非金屬材料鍍前處理1．封閉處理2．去應力：退火3．除油：表面去污4．粗化：化學粗化、機械粗化5．敏化：在材料表面吸附一層易被氧化的物質(zhì)：如SnCl2+H2O——Sn2(OH)3Cl6．活化：通過還原反應在材料表面形成具有催化作用的金屬膜

2Ag++Sn+2——Sn+4+2Ag7.3化學轉化膜一、定義：金屬表面原子與某些介質(zhì)中的負離子反應形成的膜二、分類：陽極氧化、微弧氧化、磷化、發(fā)藍（發(fā)黑）三、鋼鐵材料的化學氧化（發(fā)蘭或發(fā)黑）原理：用強的氧化劑將鋼件表面氧化成致密、光滑的四氧化三鐵分類：在高溫下（約550℃）氧化成的四氧化三鐵呈天藍色，稱發(fā)藍處理。在低溫下（約350℃）形成的四氧化三鐵呈暗黑色，稱發(fā)黑處理。3.反應：3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+NH3+H2O6Na2FeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+NH3+7NaOHNa2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O=Fe3O4↓+4NaOH4.發(fā)黑液：5.工藝：工件裝夾→去油→清洗→酸洗→清洗→氧化→清洗→皂化→熱水煮洗→檢查。注：發(fā)黑的工藝溫度是130～145℃。浸入時間是50～80min。原料名稱氫氧化鈉NaOH亞硝酸鈉NaNO2磷酸三鈉Na3PO4水H2O質(zhì)量組成（％）33102557.4熱噴涂將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熱噴涂。利用熱噴涂技術可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術在內(nèi)的幾乎所有領域。等離子熱噴涂7.5特種表面技術一、真空蒸鍍1