金属表面处理工艺

1、金属外表处理工艺金属外表处理工艺 一、外表热处理一、外表热处理1、外表淬火、外表淬火n外表淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情外表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外表的热处理方法。强化零件外表的热处理方法。感应加热感应加热n外表淬火目的：外表淬火目的：n 使外表具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限使外表具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;n 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的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。塑性和韧性。即表硬里韧。n适用于承受弯曲、

2、扭转、摩擦和冲击的零件。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。n外表淬火用材料外表淬火用材料n 0.4-0.5%C的中碳钢。的中碳钢。n含碳量过低，那么外表硬度、耐磨性下降。含碳量过低，那么外表硬度、耐磨性下降。n含碳量过高，心部韧性下降；含碳量过高，心部韧性下降；n 铸铁铸铁 提高其外表耐磨性。提高其外表耐磨性。机床导轨机床导轨表面淬火齿轮表面淬火齿轮n预备热处理预备热处理n工艺：工艺：n对于结构钢为调质或正火。对于结构钢为调质或正火。n前者性能高，用于要求高的重前者性能高，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为外表淬火作组织准备；为

3、外表淬火作组织准备；n获得最终心部组织。获得最终心部组织。 回火索氏体回火索氏体索氏体索氏体n外表淬火后的回火外表淬火后的回火n采用低温回火，温度不高于采用低温回火，温度不高于200。n回火目的为降低内应力，保存淬火高硬度、耐磨性。回火目的为降低内应力，保存淬火高硬度、耐磨性。n外表淬火外表淬火+低温回火后的组织低温回火后的组织n表层组织为表层组织为M回；心部组织为回；心部组织为S回回(调质调质)或或F+S(正火正火)。感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热感应加热表面淬火表面淬火示意图示意图n外表淬火常用加热方法外表淬火常用加热方法n 感应加热感应加热: 利用交变电流利用交变电流在工件外表

4、感应巨大涡流，在工件外表感应巨大涡流，使工件外表迅速加热的方法。使工件外表迅速加热的方法。n感应加热分为：感应加热分为：n高频感应加热高频感应加热 频率为频率为250-300KHz，淬，淬硬层深度硬层深度传动轴连续淬传动轴连续淬火感应器火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图感应加热表面淬火齿轮的截面图n中频感应加热中频感应加热 频 率 为频 率 为 2 5 0 0 -8000Hz，淬硬层深，淬硬层深度度2-10mm。各种感应器各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴n工频感应加热工频感应加热n频率为频率为50Hz,淬硬层淬硬层深度深度10-15 mm各种感应器各

5、种感应器感应穿透加热感应穿透加热n 火焰加热火焰加热: 利用乙炔火焰直接加利用乙炔火焰直接加热工件外表的方法。本钱低，但质热工件外表的方法。本钱低，但质量不易控制。量不易控制。n 激光热处理激光热处理: 利用高能量密度的利用高能量密度的激光对工件外表进行加热的方法。激光对工件外表进行加热的方法。效率高，质量好。效率高，质量好。火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图激光表面热处理激光表面热处理火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火二、化学外表热处理二、化学外表热处理n化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子介质中活性原子渗入工件表层从

6、渗入工件表层从而改变工件表层而改变工件表层化学成分和组织化学成分和组织,进而改变其性能进而改变其性能的热处理工艺。的热处理工艺。n与外表淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改与外表淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。变其化学成分。n化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。n根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元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。共渗、渗其他元素等。 可控气氛渗碳炉可控气氛渗碳炉渗碳回火炉渗碳回火炉常用的化学热处理：常用的化学热处理：渗碳、渗氮俗称氮化、

7、碳氮共渗俗称氰渗碳、渗氮俗称氮化、碳氮共渗俗称氰化和软氮化等。化和软氮化等。渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。发兰、磷渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。发兰、磷化可以归为外表处理，不属于化学热处理。化可以归为外表处理，不属于化学热处理。化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个根化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个根本过程。本过程。化学热处理的根本过程化学热处理的根本过程 n介质介质(渗剂渗剂)的分解的分解: 分解的同分解的同时释放出活性原子。时释放出活性原子。n如：渗碳如：渗碳 CH42H2+Cn 氮化氮化 2NH33H2+2Nn工件外表的吸收工件外表的吸收: 活性原子向活性原子向固溶体溶解或与钢

8、中某些元素固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。形成化合物。n原子向内部扩散。原子向内部扩散。 氮化扩散层氮化扩散层钢的渗碳钢的渗碳是指向钢的外表渗入碳原子的过程。是指向钢的外表渗入碳原子的过程。n渗碳目的渗碳目的n提高工件外表硬度、耐提高工件外表硬度、耐磨性及疲劳强度，同时磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。保持心部良好的韧性。n渗碳用钢渗碳用钢n为含为含0.1-0.25%C的低的低碳钢。碳高那么心部韧碳钢。碳高那么心部韧性降低。性降低。 经渗碳的机车从动齿轮经渗碳的机车从动齿轮气体渗碳气体渗碳法示意图法示意图n渗碳方法渗碳方法n 气体渗碳法气体渗碳法n将工件放入密封炉内，在高将工件放入

9、密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。温渗碳气氛中渗碳。n渗剂为气体渗剂为气体 (煤气、液化气等煤气、液化气等)或有机液体或有机液体(煤油、甲醇等煤油、甲醇等)。n优点优点: 质量好质量好, 效率高；效率高；n缺点缺点: 渗层成分与深度不易控渗层成分与深度不易控制制n 固体渗碳法固体渗碳法n将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。n渗剂为木炭。渗剂为木炭。n优点：操作简单；优点：操作简单；n缺点：渗速慢，劳动条件差。缺点：渗速慢，劳动条件差。l 真空渗碳法真空渗碳法l将工件放入真空渗碳炉中，抽真空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

10、。后通入渗碳气体加热渗碳。l优点优点: 外表质量好外表质量好, 渗碳速度快。渗碳速度快。真空渗碳炉真空渗碳炉n渗碳温度：为渗碳温度：为900-950。n渗碳层厚度由外表到过度层一半处的厚度：渗碳层厚度由外表到过度层一半处的厚度：n 一般为。一般为。低碳钢渗碳缓冷后的组织低碳钢渗碳缓冷后的组织l渗碳层外表含碳量：以渗碳层外表含碳量：以0.85-1. 05为最好。为最好。l渗碳缓冷后组织：表层渗碳缓冷后组织：表层为为P+网状网状Fe3C; 心部心部为为F+P; 中间为过渡区。中间为过渡区。n渗碳后的热处理渗碳后的热处理n淬火淬火+低温回火低温回火, 回火温度为回火温度为160-180。淬火方法有：

11、淬火方法有：n 预冷淬火法预冷淬火法n渗碳后预冷到略高于渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。温度直接淬火。渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图n一次淬火法一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。：即渗碳缓冷后重新加热淬火。n 二次淬火法：二次淬火法：n即渗碳缓冷后即渗碳缓冷后第一次加热为心部第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部细化心部；第二次加热为第二次加热为Ac1+30-50，细化表层细化表层。 渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图n常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火淬火+低低温回火。此时组织为：温回火。此时组织为：n表层：

12、表层：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)n心部：心部：M回回+F淬透时淬透时渗碳淬火后的表层组织渗碳淬火后的表层组织M+F钢的氮化钢的氮化 n氮化是指向钢的外表渗入氮原子的过程。氮化是指向钢的外表渗入氮原子的过程。n氮化用钢氮化用钢井式气体氮化炉井式气体氮化炉l为含为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中的中碳钢。碳钢。l常用钢号为常用钢号为38CrMoAl。l氮化温度氮化温度为为500-570l氮化层厚度氮化层厚度不超过。不超过。n常用氮化方法常用氮化方法n气体氮化法与离子氮化法。气体氮化法与离子氮化法。n气体氮化法与气体渗碳法类似，气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。渗剂为氨。n

13、离子氮化法是在电场作用下，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，阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。氮化时间短，氮化层脆性小。离子氮化炉离子氮化炉n氮化的特点及应用氮化的特点及应用n氮化件外表硬度高氮化件外表硬度高6972HRC，耐磨性高。，耐磨性高。n疲劳强度高。由于外表存在压应力。疲劳强度高。由于外表存在压应力。氮化层组织氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度n工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。理。 n 耐蚀性好。因为表层形成的氮化

14、物化学稳定性高。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。n氮化的缺点：工艺复杂，本钱高，氮化层薄。氮化的缺点：工艺复杂，本钱高，氮化层薄。n用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。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。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。 缝纫机用氮化件缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴经氮化的机车曲轴滲氮与滲碳相比：滲氮与滲碳相比：滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达6972HRC，且在且在600650高温下仍能保持较高硬度；高温下仍能保持较高硬度；滲氮层具有很高的抗疲劳性和

15、耐蚀性；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，可防止热处理带来的变形和其滲氮后不需再进行热处理，可防止热处理带来的变形和其他缺陷；他缺陷；滲氮温度较低。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到达要求只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能到达要求的滲氮层。的滲氮层。三、外表形变强化三、外表形变强化n外表形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形，以外表形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形，以提高其外表硬度并产生有利的剩余压应力分布的外提高其外表硬度并产生有利的剩余压应力分布的外表强化工艺。表强化工艺。n工艺简单，本钱低廉，是提高钢件抗疲劳能力，延工艺简单，本钱

16、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。长其使用寿命的重要工艺措施。1、喷丸、喷丸n喷丸强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件外表上，犹如喷丸强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件外表上，犹如无数个小锤锤击金属外表，使零件表层和次表层发生一定的无数个小锤锤击金属外表，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。塑性变形而实现强化的一种技术。n应用：形状较复杂的零件应用：形状较复杂的零件n在磨削、电镀等工序后进行在磨削、电镀等工序后进行2、滚压处理、滚压处理n利用自由旋转的淬火钢滚子对钢件的已加工外表进行滚压，利用自由旋转的淬火钢滚子对钢件的已加工外表进行滚压，使之产

17、生塑性变形，压平钢件外表的粗糙凸峰，形成有利的使之产生塑性变形，压平钢件外表的粗糙凸峰，形成有利的剩余压应力，从而提高工件的耐磨性和抗疲劳能力。剩余压应力，从而提高工件的耐磨性和抗疲劳能力。n应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件四、外表覆层强化四、外表覆层强化n外表覆层强化是通过物理或化学的方法在金属外表外表覆层强化是通过物理或化学的方法在金属外表涂覆一层或多层其他金属或非金属的外表强化工艺。涂覆一层或多层其他金属或非金属的外表强化工艺。n目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行外表装饰。外表装

18、饰。1、金属喷涂技术、金属喷涂技术 n将金属粉末加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾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外表形成涂层的工艺称为热喷涂。化并喷射于工件外表形成涂层的工艺称为热喷涂。l利用热喷涂技术可改善材料利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。及绝缘性等。l广泛用于包括航空航天、原广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。的几乎所有领域。等离子热喷涂等离子热喷涂2、金属镀层、金属镀层 n在基体材料的外表覆上一层或多层金属镀层，可以显著改在基体材料的外表覆上一

19、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。善其耐磨性、耐蚀性和耐热性，或获得其他特殊性能。n电镀：工件作为阴极电镀：工件作为阴极n化学镀：不外加电源的条件下，利用化学复原的方法在基化学镀：不外加电源的条件下，利用化学复原的方法在基体材料外表催化膜上沉积一层金属的外表强化方法。体材料外表催化膜上沉积一层金属的外表强化方法。n特点：形状工件复杂上也能得到均匀厚度镀层；镀层晶粒特点：形状工件复杂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；可以在非金属材料外表沉积金细小致密，孔隙与裂纹少；可以在非金属材料外表沉积金属层。属层。n复合镀：电镀或化学镀的溶液中

20、参加适量金属或非金属微复合镀：电镀或化学镀的溶液中参加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外表强化方法。特殊性能镀层的外表强化方法。n应用：对材料有特殊要求。原子能工业和航天航空工业应用：对材料有特殊要求。原子能工业和航天航空工业3、金属碳化物覆层气相沉积法、金属碳化物覆层气相沉积法 n气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料外表形成薄膜的一种新型镀膜技或化学的方法沉积在材料外表形成薄膜的一种新型镀膜技术。术。l根据沉

21、积过程的原理不同，根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为气相沉积技术可分为物理物理气相沉积气相沉积(PVD) 和和化学气化学气相沉积相沉积(CVD)两大类。两大类。n物理气相沉积物理气相沉积PVDn物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法， 使材料汽化成原子、分子使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气或电离成离子，并通过气相过程，在材料外表沉积相过程，在材料外表沉积一层薄膜的技术。一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三蒸镀、溅射镀、离子镀三种根本方法。种根本方法。磁控溅射镀膜设备磁控溅射镀膜

22、设备n真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件外表形成薄化或升华沉积到工件外表形成薄膜的方法。膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiN活塞环活塞环真空蒸镀真空蒸镀Al膜的塑料制品膜的塑料制品n溅射镀是在真空下通过辉光溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离子在放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件溅射下来的粒子沉积到工件外表成膜的方法。外表成膜的方法。溅射镀示意图溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀膜机磁控溅射镀磁控溅射镀AlAl的塑料制品的塑料制品n离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子局部离子镀是在真空下利用气体放电技术