第3篇 材料改性技术

第3篇材料改性技术一．简介作用与发展历史二．主要内容热处理表面技术

第6章热处理原理及工艺6.1序一.定义:

材料加热到一定温度，保温,再以规定的速度冷却到室温的工艺

二．热处理发展概况周朝:石墨化退火西汉:清水焠青锋；19世纪后期：发现热处理时的组织变化显微技术及X射线衍射技术使热处理从技术发展为科学三.热处理的作用

1．改变组织:钢可分别得到F+Cm;A;B;M

2．改变性能:力学性能,物理性能,化学性能四.热处理分类热处理整体热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热激光加热渗碳渗氮碳氮共渗氮碳共渗渗硼渗硫其他6.2钢的热处理原理6.2.1钢在加热时的组织转变一.奥氏体的形成形核长大碳化物溶解成分均匀化加热/冷却时相图的变化c----加热r-----冷却二.奥氏体晶粒晶粒度:每平方英寸上的平均晶粒数

n=2G-1,n-晶粒度,G-晶粒度等级

G=1~4,粗晶粒;G=5~10,细晶粒本质晶粒度:在(930±10)OC保温3-8小时后测定的奥氏体晶粒大小.

主要决定于成分和脱氧剂.实际晶粒度:具体条件下奥氏体实际晶粒大小.

与加热条件和热加工条件相关.标准奥氏体晶粒度级别三.影响奥氏体晶粒大小的因素加热温度和保温时间:温度越高,时间越长,晶粒增大加热速度:快,起始晶粒小化学成分:稳定碳化物元素阻碍晶粒长大原始组织:原始组织细,则加热后晶粒也小四、热处理过程基本要素

1、加热速度2、(最高）加热温度3、保温时间4、冷却速度5、加热介质6.2.2过冷奥氏体的冷却转变1.过冷奥氏体：低于奥氏体平衡转变温度的奥氏体2．分类：等温转变（TTT）:相变在恒温下进行连续转变（CCT）:相变在连续冷却过程中进行3.非平衡组织:贝氏体,马氏体一.过冷奥氏体等温转变1．TTT图或C曲线1)各线的意义:相变起始线相变结束线Ms-M相变起始温度Mf-M相变终了温度2)符号P—珠光体；S—索氏体；T—托氏体；B上—上贝氏体；B下—下贝氏体；M—马氏体3)鼻温：对应最短孕育期的温度共析钢过冷奥氏体等温转变曲线珠光体在A1--650℃范围内形成的片层较粗，片层间距平均大于0.3μm,在放大400倍以上光学显微镜下可分辨出层片间距。索氏体在650--600℃范围内形成的层片比较细。片层间距平均为0.1—0.3μm,在大于800倍的光学显微镜下可分辨出片层间距。屈氏体在600--550℃范围内所形成的层片更细，片层间距平均小于0.1μm，即使在高倍光学显微镜下也难于分辨出层片来。片状珠光体粒状珠光体板条马氏体针状马氏体贝氏体转变示意图a)B上b)B下2．C曲线影响因素1）成分越接近共析点，C曲线越右移；除Co外，合金元素使曲线向右移动。合金元素还改变C曲线形状。2）晶粒度晶粒粗，C曲线越右移3）奥氏体化温度和时间：↑，C曲线越右移。二.过冷奥氏体连续冷却转变1.CCT图2.TTT曲线与CCT曲线的对比1)CCT曲线位于TTT曲线的右下方;2)共析钢(和共析钢)的CCT曲线无贝氏体区;3)临界冷却速度Vc由CCT曲线获得.冷却速度Vc:可获得全部马氏体的最小冷速2.TTT曲线与CCT曲线的应用1）根据温度和冷速预测组织与性能。2）确定热处理工艺。6.3钢的退火与正火

一．退火1．定义：加热到一定温度，保温后随炉缓慢冷却，获得平衡组织的工艺。2.分类:完全退火均匀化退火球化退火再结晶退火去应力退火去氢退火一.退火工艺1)完全退火目的：消除不均匀的内部组织和过热组织加热温度：Ac3+20~50OC应用：消除铸、锻件过热组织。其他:等温退火:完全奥氏体化后快冷至Ar下等稳,再空冷至室温不完全退火:加热到两相区保温2）均匀化退火（扩散退火）目的：消除成分的不均匀性加热温度：Ac3+100~150OC应用：铸件枝晶偏析的消除3）球化退火目的：得到球状珠光体组织→稳定碳化物，塑性提高，硬度下降。工艺一次加热球化:Ac1+20~30OC，炉冷等温球化:在Ar下保温周期球化:在A1线上下循环加热-保温-冷却-保温-加热应用：共析、过共析钢预先热处理；低、中碳钢提高冷成形性。4）去应力退火目的：消除残余应力加热温度：550~650OC冷却：缓冷5）再结晶退火目的：消除加工硬化加热温度：TR+150~250OC应用：冷变形金属制品

6）去氢退火目的：去氢工艺：加热温度>Ac3，鼻温处等温

二.正火1.定义：加热到一定温度，保温后空冷，获得近平衡组织的工艺。2.组织特征：珠光体含量↑；晶粒尺寸↓；珠光体片间距↓3.性能特征：硬度、强度↑4.目的及应用低、中碳钢改善切削性能消除网状渗碳体（球化退火预处理）代替调质处理（感应淬火预处理）最终热处理(铸件)三.退火、正火常见缺陷与控制1.退火硬度偏高原因：退火温度低、冷速快改善：重新退火2.球化不完全特征:出现细片状或点状珠光体改善：重新球化3.退火时形成石墨（黑脆）原因：退火温度高、保温时间长、反复退火改善：正火4.正火组织出现网状渗碳体原因：冷速不足改善：加快冷速5.反常组织特征:亚共析钢中出现非共析渗碳体,过共析钢中出现游离铁素体.原因:在Ar1附近冷却过慢改善:重新退火6.4钢的淬火

1．定义：经过奥氏体化的钢以大于临界冷速VC的速度冷却，获得不平衡组织的工艺。2．淬火目的提高强度、硬度及耐磨性与回火结合提高综合力学性能改变物理或化学性能一.淬火加热

1．加热温度亚共析钢：Ac3+30~50OC共析、过共析钢：Ac1+30~50OC合金钢：2．加热时间经验公式：t=αΚDα—加热系数K-装炉系数D-工件有效厚度二.淬火介质

1．理想淬火介质鼻温处快冷，其余慢冷原因：既得到非平衡组织，又减小应力2.常用冷却介质1）分类有物态变化：水、油、盐水、碱水、聚合物无物态变化：熔盐、熔碱、熔融金属,气体2）冷却能力盐水、碱水>水>聚合物>油≈熔盐、熔碱；气体随压力变化冷却能力范围很宽；流动介质>静态介质不足：前者低温冷速太快，后者高温冷速不足三.淬火方法1．单介质淬火：一种介质（包括预冷淬火）优点：简便应用：简单工件2．双介质淬火：接近MS点时换缓冷介质优点：可减小淬火开裂缺点：技术要求高应用：高碳钢3．分级淬火：先在稍高于MS点的熔盐、熔碱介质保温，温度均匀后再空冷。优点：形状复杂、小尺寸合金钢4．等温淬火：在大于或小于MS的熔盐、熔碱介质中长时间保温，形成贝氏体或部分马氏体，再空冷。优点：淬火应力最小应用：获得下贝氏体或马氏体5.冰冷处理：在零度以下的冷却，称冰冷处理特点：应力大应用：减少残余奥氏体;作用:提高硬度、提高尺寸稳定性、尺寸修复常用淬火方法单介质淬火双介质淬火分级淬火等温淬火四.钢的淬透性1.淬透性：钢淬火时获得马氏体的倾向（能力）。取决于VC。2.淬硬性：钢在正常淬火条件下能够得到的最高硬度值。主要取决于含碳量。3.淬硬层深度：工件表面至半马氏体区的厚度。4.淬透性与淬硬层深度的关系当工件中心淬硬时称淬透。淬硬层深度与淬透性、工件大小、淬火工艺有关。5.淬透性的应用材料选择冷却介质选择预测截面上硬度分布不同截面的钢淬火时淬硬层深度的变化五.淬火缺陷及质量控制变形、开裂硬度不足软点过热、过烧、脱碳、氧化1.热处理应力1)分类热应力:由于各部位冷速不同而造成的收缩受阻所产生的应力。相变（组织）应力:由于固态相变时的体积变化受阻而产生的应力。2)淬火时的组织应力最大。2.变形1)形式：体积变化形状变化2)原因:应力大于屈服强度3.淬火开裂类型根本原因：

拉应力作用常见因素：淬火冷速过快原材料缺陷锻造缺陷表面严重脱碳加热过快应力集中未及时回火淬火开裂钢球4.硬度不足原因未淬透；有未溶铁素体；残余奥氏体过多控制提高冷速提高加热温度冰冷处理5.软点定义：工件表面局部硬度不足原因：工件表面气泡、涂料等。6.5回火一．定义：淬火工件加热至共析温度以下某一温度保温，以适当的方式冷却的工艺。二．回火的目的1．强韧调制：牺牲部分强度，提高塑、韧性。2．消除淬火应力：提高尺寸稳定性、消除开裂倾向。回火温度对碳钢力学性能影响三．回火工艺

1．低温回火温度：150~250OC组织：回火马氏体性能：高硬度、强度、耐磨性和疲劳强度。应用：高碳钢：工模具、滚动轴承、表面淬火件等低碳钢：结构件低合金高强度钢：结构件

2．中温回火温度：350~500OC组织：回火托氏体性能：高弹性极限、疲劳强度及良好的韧性应用：弹簧3．高温回火温度：>500OC组织：回火索氏体性能：一定的强度、高韧性应用：轴类零件淬火+高温回火称调质处理四．回火脆性1．定义：淬火件在一定温度回火时出现韧性降低的现象。2．分类：第一类回火脆（250~400OC）、第二类回火脆（450~600OC）3．改善第一类回火脆：细化晶粒、延迟（加硅、铝、镍等）第二类回火脆：快冷、加钼钨等。

6.6表面淬火

--感应加热表面淬火1.表面淬火：只使工件表面获得马氏体组织，而心部保留原始组织2.分类感应加热表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火电子束加热表面淬火电接触加热表面淬火3.目的心部良好的综合力学性能，表面高硬度、高耐磨性一．感应加热的集肤效应

1．概念：感应电流由表向内逐渐降低的现象2．电流渗入深度δ：感应电流降至1/e处的深度δ=5.03X104X（ρ/μƒ）1/2其中：ρ，电阻率；μ，磁导率；ƒ，电流频率（高频、中频、超音频、工频）二．特点1．组织特点1)晶粒尺寸小2)成分不均匀性大3)心表组织不一致:

表面为M,心部原始组织2.性能特点1)表面硬度比普通淬火高2)表面有残余压应力3)淬硬层深度增加,韧性下降4)耐磨性好

3.工艺特点1)AC1、AC3高2)氧化、脱碳及变形少3)生产率及自动化程度高感应加热表面淬火组织及硬度分布三.工艺1．工艺过程调质（正火）——表面淬火——回火2．工艺控制1）加热温度高于普通淬火2）硬化层厚度：比功率大，频率高，则硬化层薄。3）加热方式：同时加热、连续加热4）冷却方式：喷射冷却5）回火：炉内回火、自回火、感应加热回火。6.7化学热处理一．概述1．定义：将工件在特定的介质中加热，依靠原子扩散，从而改变工件表层的成分和组织结构的热处理。2．作用：

1）改善表层的力学性能：耐磨性、疲劳强度、硬度、红硬性2）改善化学性能：耐蚀性、抗氧化特性3．基本过程

1）分解：介质通过分解反应，形成“活性原子”——初生的原子态的原子。2）吸附：活性原子吸附在工件表面

条件——原子可溶于工件材料或形成化合物。3）扩散：依靠成分梯度及高温下的扩散形成足够渗层深度。

4．种类按渗入成分：渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗硼、渗硫等按介质分：气体、液体、固体二、渗碳

1、渗碳工艺1）温度：>Ac3，一般930±10OC

温度提高，渗层增厚。2）渗碳时间：层深∝时间1/23）渗碳介质（1）气体：煤油、丙酮、乙醇、天然气等（2）固体：木炭+10%碳酸钡（碳酸钠）2．碳势

1）概念：气氛改变工件表面碳浓度的能力。（与气相平衡时工件表面的碳含量）2）确定方法：0.1mm的钢箔置于渗碳炉内，测含碳量，即为碳势3）碳势控制：根据探头检测，调节原料加入。3．渗后热处理1）热处理工艺：淬火+低温回火2）淬火工艺：直接淬火一次加热淬火二次加热淬火:消除网状渗碳体，细化晶粒4．渗碳层组织及性能1）组织（1）渗后组织表→里：过共析—共析—亚共析（2）淬后组织表→里：Cm+M片+A‘—M片+M板+A‘—M板2）性能：硬度：58~64HRC耐磨性：疲劳强度高冲击韧性：下降渗碳淬火后硬度分布6.8其他热处理工艺一.形变热处理1.概念：将塑性变形与热处理相结合的工艺2.工艺，见图(下页)特点：1）综合改善强度及韧性2）简化工艺流程，易于实现连续化生产二.强韧化处理1.超高温淬火加热温度：高于普通淬火（超300OC左右）组织：增加板条马氏体之间奥氏体数量应用：低、中碳钢，提高断裂韧性2.亚共析钢两相区淬火加热温度：Ac1~Ac3之间组织：F+M性能：塑韧性高3.高碳钢低温、快速淬火工艺：温度低于普通淬火，短时保温组织：未溶碳化物多性能：韧性改善三.循环热处理工艺：循环相变目的：细化晶粒本章重点各个热处理工艺及其用途淬火、回火有那些方法表面热处理、化学热处理的组织及性能特点淬火应力分布特点主要概念：淬透性、淬硬性、淬硬层深度、碳势、集肤效应第7章表面技术（surfaceengineering）定义：赋予材料表面特殊的成分及性能的方法作用表面防护——耐蚀、防护、润滑等表面强化——力学性能改善表面装饰——美观表面修复——3.

主要内容电镀化学镀化学转化膜热喷涂涂装特种表面技术7.1电镀1、电镀的现状和发展趋势电镀隶属于表面处理技术领域，在金属精饰中按吨位计占加工的首位。电镀的发展分三个时期：第一个时期是为了改善光泽或耐蚀性。第二个时期是因为劳力不足而迈向省力化、自动化。第三个时期为减轻公害时期，以拓展自身的生存空间总之,电镀工业在全世界已经发展了160多年，是一门既成熟又年轻的科学.未来电镀的发展方向:合金和复合镀层等功能性电镀的研究,更加节能的电镀工艺,低污染化,以及新型电镀的研究,以适应科技和生产的需要,拓展行业的生存空间2、电镀分类：挂具滚桶电镀方式常规电镀脉冲电镀电刷镀电铸滚镀连续电镀挂镀自动挂镀线滚镀连续电镀2、电镀原理借助外界直流电的作用，在溶液中進行电解反应，使导电体的表面沉积一金属或合金层的方法，称为电镀。☆图例：阴极主要反应:

Cu2++2e-→Cu

阳极主要反应:

Cu→Cu2++2e-阴极副反应:2H3O++2e-→H2+2H2O

阳极副反应:6H2O→O2+4H3O++4e-3、镀层的分类使用目的功能性镀层耐磨和减磨性镀层抗高温氧化镀层修复性镀层热处理用镀层磁性镀层导电性镀层其他可焊性镀层防护-装饰性镀层保护基体金属,赋予美丽外观.提高制品表面硬度,增加其抗磨能力(Sn-Pb)磁环`磁盘`磁膜(Ni-Fe、Co-Ni)保护制品在热处理时不改变性能(Cu、Sn)修复损坏部位(Fe、Cu、Cr)改善焊接性能(Sn)改善光学性能镀层等(Cr,黑铬)防止制品在高温下被氧化腐蚀(Pt-rh)提高表面导电性能(Au-Co)镀层结构简单镀层复合镀层组合镀层单一金属镀层(Zn、Cr)几层相同或不同金属叠加而成的镀层(暗Ni-半光Ni-光NiNi-AuNi-Cu)固体微粒均匀地分散在金属中而形成的镀层(Ni-SiCCu-Al3O2)4、影响电镀质量的因素因素电源基件溶液电流密度添加剂、导电盐、金属离子浓度等直接影响镀层的好坏电流密度影响镀层的结晶效果电流波形电极电流波形对镀层的结晶组织、光亮、镀液的分散能力和覆盖能力等都有影响.现在多使用脉冲电流电极的形状、尺寸、位置影响镀层的分布效果成分温度搅拌适当的温度可以提高溶液的导电性，促进阳极溶解，提高阴极电流效率，减少针孔，降低镀层内应力等加速溶液对流，降低阴极的浓差极化作用表面状态形状清洁、平整的基件表面镀层效果越好影响电流分布，位置定位等5.电镀液组成及作用主盐：在阴极上沉淀出所要求的镀层金属的盐；导电盐：增强溶液导电性，提高分散能力；活化剂：促进阳极溶解；络合剂：使待镀金属离子以络合物形式存在；缓冲剂：稳定镀液pH值；添加剂：光亮剂：使镀层光亮。整平剂：能使镀件微观谷处获得微观峰处更厚的镀层。湿润剂：能降低电极溶液间的界面张力，使溶液易于在电极表面铺展。镀层细化剂：能使镀层结晶细致。上料脱脂酸洗活化预镀电镀水洗钝化封孔干燥下料前处理电镀后处理6、电镀流程前处理:电镀前的所有工序统称为前处理,目的是修整工件表面,去除工件表面的油脂,锈皮,氧化膜等,为后面镀层沉积提供所需的电镀表面.前处理主要影响到外观结合力,据统计,60%的电镀不良品由于前处理不良所造成.前处理的方式有:喷砂、磨光、抛光、热浸脱脂、超音波脱脂、电脱脂、酸洗活化等。电镀:在工件表面得到所需镀层。整个流程的核心程序。后处理：电镀后对镀层进行各种处理以增强镀层的各种性能。如耐腐蚀性、抗变色能力、可焊性等。后处理的方式有：钝化、中和、着色、防变色、封孔等7.2化学镀一．定义：利用化学反应，在具有催化作用的制件表面上沉积金属或合金的方法。二．特点1．还原电子由还原剂提供，不需电源;2．沉积速度慢;3．均镀能力强。例：Ni-P化学镀一、镀液配方硫酸镍：30g/L次磷酸钠：40g/L柠檬酸钠：20g/L乳酸：20g/L甘氨酸：5g/L乙酸钠：10g/LPH值：4.2~5.2镀覆温度：86~90℃二、镀液组分及作用镍盐：硫酸镍还原剂：次磷酸钠络合剂：柠檬酸钠、乳酸缓冲剂：乙酸钠

络合剂柠檬酸钠、乳酸同时具有一定的缓冲作用。三、反应机理Ni2++H2PO2-+O2-=HPO32-+H++Ni3H2PO2-+H+=HPO3+3H2O+2P四、影响Ni-P镀层厚度及质量的工艺因素1.温度：温度过高,将导致镀液发生分解，而温度过低时反应不会发生。2.pH值：当pH值较低时,不利于镍的沉积。但pH值过高,不但增加了镀液的不稳定因素,而且使镀层磷含量下降,因此,选择和维持一定的pH值,对于保证一定的镀速及稳定性至关重要。3.镀液组分：控制合理的镀液组份是保证镀液稳定和获得良好镀层的关键之一。五．工艺过程镀前处理——镀膜——（电镀）六．非金属材料镀前处理1．封闭处理2．去应力：退火3．除油：表面去污4．粗化：化学粗化、机械粗化5．敏化：在材料表面吸附一层易被氧化的物质：如SnCl2+H2O——Sn2(OH)3Cl6．活化：通过还原反应在材料表面形成具有催化作用的金属膜

2Ag++Sn+2——Sn+4+2Ag7.3化学转化膜一、定义：金属表面原子与某些介质中的负离子反应形成的膜二、分类：阳极氧化、微弧氧化、磷化、发蓝（发黑）三、钢铁材料的化学氧化（发兰或发黑）原理：用强的氧化剂将钢件表面氧化成致密、光滑的四氧化三铁分类：在高温下（约550℃）氧化成的四氧化三铁呈天蓝色，称发蓝处理。在低温下（约350℃）形成的四氧化三铁呈暗黑色，称发黑处理。3.反应：3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+NH3+H2O6Na2FeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+NH3+7NaOHNa2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O=Fe3O4↓+4NaOH4.发黑液：5.工艺：工件装夹→去油→清洗→酸洗→清洗→氧化→清洗→皂化→热水煮洗→检查。注：发黑的工艺温度是130～145℃。浸入时间是50～80min。原料名称氢氧化钠NaOH亚硝酸钠NaNO2磷酸三钠Na3PO4水H2O质量组成（％）33102557.4热喷涂将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表面形成涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。等离子热喷涂7.5特种表面技术一、真空蒸镀1