材料的表面强化

1、 l 我国著名材料学专家、两院院士我国著名材料学专家、两院院士师昌绪师昌绪先生指出：先生指出：，是应用物理、化是应用物理、化学、机械等方法改变固体材料表面成分或组织结构，获得所要求的性能，以提高产学、机械等方法改变固体材料表面成分或组织结构，获得所要求的性能，以提高产品的可靠性或延长使用寿命的各种技术的总称。品的可靠性或延长使用寿命的各种技术的总称。国际著名学者国际著名学者BellBell教授教授给出了目前给出了目前得到国际认可的表面工程定义得到国际认可的表面工程定义：“表面工程表面工程就是将传统的和新型的表面技术应用到就是将传统的和新型的表面技术应用到工程构件和工程材料上，从而得到具有基体和

2、表面材料均无法获得的复合材料。由工程构件和工程材料上，从而得到具有基体和表面材料均无法获得的复合材料。由于各种表面技术经常用于工程构件设计，所以理论上说，于各种表面技术经常用于工程构件设计，所以理论上说，就是要采用表面就是要采用表面处理的构件的设计处理的构件的设计”。这标志着这标志着表面工程表面工程作为一种新的工程技术领域正在形成，同作为一种新的工程技术领域正在形成，同时它正在形成一门新兴科学。时它正在形成一门新兴科学。包括包括表面加工和表面预表面加工和表面预处理（简称表面处理）技术。处理（简称表面处理）技术。l 定义为定义为增强材料表面强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、物理性能以增强材料表面强度、

3、硬度、耐磨性、耐蚀性、物理性能以及美观等表面处理方法的总称，它包括机械的、物理的、化学的以及物理化学的一及美观等表面处理方法的总称，它包括机械的、物理的、化学的以及物理化学的一系列表面强化处理方法。系列表面强化处理方法。而表面加工技术和而表面加工技术和表面预处理技术两者的目的旨在改变材料的外形和表面状态，一般不增强材料的使表面预处理技术两者的目的旨在改变材料的外形和表面状态，一般不增强材料的使用性能。用性能。 l可见，可见，是表面工程的核心内容，是决定强化表层的成分、组织、是表面工程的核心内容，是决定强化表层的成分、组织、结构与性能的关键技术。结构与性能的关键技术。l按按可分为如下可分为如下6

4、 6类：类：l表面冶金强化（它包括堆焊、热喷涂、激光重熔等）；表面冶金强化（它包括堆焊、热喷涂、激光重熔等）；l表面形变（机械）强化（它包括喷丸、滚压、挤压等）；表面形变（机械）强化（它包括喷丸、滚压、挤压等）；l表面热处理强化（它包括表面淬火、化学热处理等）；表面热处理强化（它包括表面淬火、化学热处理等）；l表面薄膜强化（它包括电镀、电刷镀、气相沉积、化学镀等）；表面薄膜强化（它包括电镀、电刷镀、气相沉积、化学镀等）；l表面非金属化处理（它包括喷塑、粘涂、涂装等）；表面非金属化处理（它包括喷塑、粘涂、涂装等）；l高能束（密度）表面强化（它包括电子束、离子束、激光束等）。高能束（密度）表面强化

5、（它包括电子束、离子束、激光束等）。l 其中以其中以应用最为普遍。应用最为普遍。 l定义：定义：将工件表面快速加热到淬火温度，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使将工件表面快速加热到淬火温度，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。 l 钢经表面淬火（一般指表面淬火低温回火）后，其钢经表面淬火（一般指表面淬火低温回火）后，其为为而而则为原始组织，一般为则为原始组织，一般为。l 表面淬火方法很多，当前工业中广泛应用的就是感应加热表面淬火法、激光加热表表面淬火

6、方法很多，当前工业中广泛应用的就是感应加热表面淬火法、激光加热表面淬火法、火焰加热表面淬火法、电接触加热表面淬火法等。面淬火法、火焰加热表面淬火法、电接触加热表面淬火法等。 l （1 1）基本原理：）基本原理： “ “电磁感应电磁感应”、“集肤效应集肤效应”l （2 2）感应加热的分类）感应加热的分类l （3 3）感应加热表面淬火的特点）感应加热表面淬火的特点 l （4 4）感应加热表面淬火用钢及加工工艺路线）感应加热表面淬火用钢及加工工艺路线l = = 。 式中式中:感应电流透感应电流透入深度，入深度，mm; fmm; f电流频率，电流频率，H HZ Z 。 “电磁感应电磁感应”: : 把工

7、件放入由空心铜管绕成的感应器线圈中，把工件放入由空心铜管绕成的感应器线圈中，感应器中通入一定频率的交流电以产生感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场交变磁场，于是，于是工件工件内就会产生频率相同、方向相反的感生电流。内就会产生频率相同、方向相反的感生电流。 这种感生电流在工件中的分布是不均匀的，这种感生电流在工件中的分布是不均匀的，主要集中在表面层。主要集中在表面层。愈靠近表面、电流密度愈大愈靠近表面、电流密度愈大; ;频率愈高，频率愈高，电流集中的表面层愈薄，这种现象称为集肤效应电流集中的表面层愈薄，这种现象称为集肤效应。 f600500 ： 一般只需几秒至几十秒时间就一般只需几秒至几十

8、秒时间就可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点( (AcAcl l、c c3 3) )升高，升高，转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。 使工件表层具有比普通使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度淬火稍高的硬度( (高高2 23HRC)3HRC)且脆性较低。由于表层淬火时且脆性较低。由于表层淬火时MM体积体积膨胀，使工件表层存在残余压应力，因而具有较高的疲劳强度。膨胀，使工件表层存在残余压应力，因而具有较高的疲劳强度。 由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且淬火时工件变

9、形小。淬火时工件变形小。 便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。l上述特点使感应加热表面淬火在工业上获得日益广泛的应用。但上述特点使感应加热表面淬火在工业上获得日益广泛的应用。但其缺点是工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感其缺点是工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应器不易制造等。应器不易制造等。l用作表面淬火最适宜、用量最大的钢种是用作表面淬火最适宜、用量最大的钢种是，如，如4545，40Cr40Cr，40MnB40MnB等。等。l感应加热表面淬火零件的感应加热表面淬火零件的 下料下料锻造锻造退火或正火退火或正

10、火粗加工粗加工调质或正火调质或正火精加工精加工感应加热表面淬火感应加热表面淬火+ +低温回火低温回火精磨精磨时效时效(100(100150150、101015h15h加热，以稳定工件尺寸，消除内应加热，以稳定工件尺寸，消除内应力力)精磨精磨成品。成品。l应注意点应注意点: :感应加热表面淬火零件的预先热处理有调质和正火两种感应加热表面淬火零件的预先热处理有调质和正火两种，调质处理后，调质处理后工件的力学性能比正火的好。然而当心部性能要求不高时，一般可采用正火作为预工件的力学性能比正火的好。然而当心部性能要求不高时，一般可采用正火作为预先热处理。先热处理。l感应加热表面淬火后工件必须随即进行低温

11、回火。感应加热表面淬火后工件必须随即进行低温回火。低温回火一般在低温回火一般在170170200200左右炉中进行，也可采用左右炉中进行，也可采用“自回火自回火”方式，即当淬火冷至方式，即当淬火冷至200200时停止喷水，利用时停止喷水，利用工件中的余热传到表面而达到回火目的。工件中的余热传到表面而达到回火目的。l零件经感应加热表面淬火零件经感应加热表面淬火+ +低温回火后，其低温回火后，其 l 低碳碳钢与低碳合金钢低碳碳钢与低碳合金钢 880880950950=0.5=0.52mm 2mm l 5 58h 8h 0.850.851.15%C1.15%C 表层表层P + CmP + Cm 心部

12、心部 F + P F + P 热处理：热处理： 组织：组织： （分解（分解吸收吸收扩散）扩散） 分解分解：2COC+CO2，CH42H2+C， CO+H2C+H2Ol吸收吸收：吸附，吸收吸附，吸收固溶体固溶体进而形成化合物进而形成化合物l扩散扩散：在浓度梯度作用下，由表及里在浓度梯度作用下，由表及里扩散层扩散层l 低碳碳钢与低碳合金钢，碳的质低碳碳钢与低碳合金钢，碳的质量分数一般为量分数一般为0.10%0.10%0.25%0.25%，随，随碳的质量分数的提高，将降低工件碳的质量分数的提高，将降低工件心部的韧性。心部的韧性。 经经渗碳的机车从动齿轮渗碳的机车从动齿轮 在一定温度下使活性在一定温度

13、下使活性N N原子渗入工件表面的化学热处理原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳极限及耐蚀性等。工艺。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳极限及耐蚀性等。l目前应用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮法。目前应用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮法。井式井式气体气体氮化氮化炉炉 在一定真空度下，利用钢件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电现在一定真空度下，利用钢件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电现象进行的，又称辉光离子渗氮。下右图为离子渗氮装置示意图。将钢件置于专门的象进行的，又称辉光离子渗氮。下右图为离子渗氮装置示意图。将钢件置于专门的离子渗氮炉（真空室）中

14、，渗氮时先把炉内真空度抽到离子渗氮炉（真空室）中，渗氮时先把炉内真空度抽到13.3313.331.33Pa1.33Pa，然后慢慢，然后慢慢通入氨气使气压维持在此范围，以需渗氮的钢件为阴极，以炉壁为阳极，通过高压通入氨气使气压维持在此范围，以需渗氮的钢件为阴极，以炉壁为阳极，通过高压（400400750V750V）直流电，氨气被电离成）直流电，氨气被电离成N N+ +、H H+ +的正离子及电子，这时阴极（钢件）的正离子及电子，这时阴极（钢件）表面形成一层紫色辉光。具有高能量的表面形成一层紫色辉光。具有高能量的N+以很大以很大速度轰击钢件表面，由动能转化为热能，使钢件速度轰击钢件表面，由动能转化

15、为热能，使钢件表面温度升至所需渗氮温度（表面温度升至所需渗氮温度（450450650650）；）；同时同时N+在阴极上得到电子后还原成在阴极上得到电子后还原成N N原子而渗入原子而渗入钢件表面，并向内层扩散形成渗氮层。另外轰击钢件表面，并向内层扩散形成渗氮层。另外轰击钢件表面时，还能产生阴极溅射效应而溅射出钢件表面时，还能产生阴极溅射效应而溅射出FeFe+ +，这些，这些Fe+与与N+化合，形成含化合，形成含N N量很高的量很高的FeNFeN，FeN又重新附着在钢件表面上，又重新附着在钢件表面上，依次分解为依次分解为FeFe2 2N N、FeFe3 3N N、FeFe4 4N N等，并放出等，并放出N N原子向钢件内部扩散，原子向钢件内部扩散，于是在钢件表面形成于是在钢件表面形成渗氮层（如图左所示）渗氮层（如图左所示）。随。随时间增加，时间增加，渗氮层渗氮层逐渐加深。逐渐加深。如如38CMAA38CMAA钢，渗氮层深度要求为钢，渗氮层深度要求为0.530.530.7mm0.7mm、硬度、硬度900HV900HV时，采用气体渗氮法需时，采用气体渗氮法需50h50h，而离子渗氮只需，而离子渗氮只需151520h20h。因离子渗氮的阴极溅射有抑制生成脆性层的作用，故可因离子渗氮的阴极溅射有抑制生成脆性层的作用，故