小学教育4金属热处理及表面处理

[小学教育]4金属热处理及表面处理第一页，共75页。金属是晶体。在晶体中，原子按一定的几何规律作周期性地排列，称为有序排列。晶体有固定的熔点和凝固点，晶体的性能呈各向异性。金属材料绝大多数是晶体。一、金属的结构第二页，共75页。常见金属的晶体结构体心立方：-Fe,Cr,W,V等。面心立方：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等密排六方：Mg、Zn、Be、Ti、Cd等第三页，共75页。合金的结构金属中加入合金后可形成固溶体或金属化合物。第四页，共75页。固溶体合金各组元在液态下互相溶解，结晶为固态后仍然保持溶解状态的合金相，称为固溶体。固溶体的特征是：溶剂为含量较多的基体金属，晶格类型保持不变。溶质为含量较少的合金元素，晶格类型消失。例如碳原子溶解到-Fe的晶格中，形成的固溶体(称铁素体)具有-Fe原来的体心立方晶格，而碳失去原来的密排六方结构，以单个原子溶入-Fe的晶格，-Fe是溶剂，碳是溶质。第五页，共75页。固溶体溶质原子置换了溶剂晶格中溶剂原子的部分位置而形成的固溶体称为置换固溶体，溶质原子位于溶剂晶格间隙中所形成的固溶体称间隙固溶体，如图所示。溶剂溶质(b)溶质(a)溶剂第六页，共75页。固溶强化因溶质原子的溶入而导致固溶体原子间作用力发生变化，使晶格发生畸变，增加了位错移动的阻力，提高了合金的强度和硬度。这种通过溶入溶质元素而使溶剂金属强度、硬度提高的现象称为固溶强化。原子尺寸相差越大，畸变就越严重。第七页，共75页。金属化合物合金中各组元按一定方式形成的一种新晶体称为金属化合物。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂晶格，如碳钢中的渗碳体(Fe3C)是铁与碳形成的金属化合物，其晶格类型既不同于铁，也不同于碳的复杂结构。第八页，共75页。弥散强化复杂的结构使金属化合物具有较高的熔点，很高的硬度与脆性。合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韧性降低。由于金属化合物硬而脆，通常不能作为合金的基体材料，而是以弥散状态(细粒状、细点状)分布于合金基体上作为强化相。弥散度越高，金属强度、硬度越高。这种以弥散粒子作为第二强化相使金属强度、硬度提高的现象称为弥散强化。第九页，共75页。金属的同素异构转变多数金属结晶后，晶格类型不再发生变化。但有少数金属如铁、钴、钛、锡等，在结晶完成后继续冷却的过程中还会发生晶体结构的转变。这种金属在固态下由一种晶格向另一种晶格的转变称为同素异构转变。第十页，共75页。金属变形和强化金属的塑性变形及其对金属组织性能的影响金属在外力作用下产生变形，当外力去除后不能恢复的永久性变形称为塑性变形。塑性变形不仅使金属获得所需的形状和尺寸，而且能改变金属的组织和性能。第十一页，共75页。金属的结合键是金属键

金属键决定金属的特性：导电、导热、良好的塑性+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++第十二页，共75页。

相邻金属原子间的相互作用力处于平衡位置的金属原子引力斥力距离第十三页，共75页。1.单晶体的塑性变形第十四页，共75页。1.单晶体的塑性变形当受力较小时，晶体内原子间距发生微小变化，原子稍偏离平衡位置处于不稳定状态，当外力去除后原子则返回平衡位置，晶体变形随之消失，这就是弹性变形阶段；当外力进一步增加达到一定程度，原子就沿着某些晶面滑移，达到新的平衡位置，这时外力去除后，原子不再恢复到原来的位置，晶体产生了永久性的塑性变形。在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分产生滑动,称为滑移。发生滑移的晶面称为滑移面。第十五页，共75页。经过计算，滑移面上的原子同时滑移时所需的剪切力是很大的，约为E/10。对于钢铁：E=214000MPa。屈服强度应为21400MPa，而实际钢铁的强度为300~1700MPa。第十六页，共75页。塑性变形的产生并不是沿着整个滑移面同时进行的简单的刚性滑移造成的，而是由位错在滑移面上的运动来实现的。第十七页，共75页。1’3’4’5’6’6543212’566’5’44’3211’2’3’1234566’5’4’3’2’1’1234561’2’3’4’5’6’第十八页，共75页。金属的强化一般金属产生塑性变形后在变形较大的地方产生裂纹，随着裂纹的扩大最终产生断裂。因此，要想避免金属断裂就要防止金属产生塑性变形。提高金属强度，防止塑性变形和断裂的方法叫作金属的强化。第十九页，共75页。金属的强化方法金属的强化主要是通过各种方法阻止位错移动，从而提高金属的强度。怎样阻止位错移动呢？使滑移面崎岖不平：使晶格变形、扭曲，增加晶界。缠住位错：增加位错密度、形成大量杂质颗粒或第二相。第二十页，共75页。二、金属热处理在固态下加热金属,并在一定的温度下保温一定的时间,再以一定的方式冷却,通过金属内部的组织转变改变金属性能的工艺。第二十一页，共75页。金属热处理工艺一般地说，热处理工艺的基本过程包括加热、保温和冷却三个阶段。由于热处理时起作用的主要因素是温度和时间，所以各种热处理都可以用温度—时间曲线来表示，叫做热处理工艺曲线，临界温度保温淬火回火加热冷却温度时间图3-14热处理工艺曲线示意图第二十二页，共75页。1.8~2.5MJ/m2ak50~80HBSHB30~50%δ100~170MN/m2σ0.270~80%ψ180~280MN/m2σb1、铁碳合金中的相(1)铁素体——碳在α-Fe中的固溶体，用“F”表示。特点：①在727℃有最大溶解度，为0.0218%C；②强度和硬度低，韧性塑性好。其力学性能大致为；第二十三页，共75页。(2)Fe3C—渗碳体由铁和碳组成的一种具有复杂结构的间隙化合物，含碳量为6.69%，用“Fe3C”表示。渗碳体的性能特点——硬度高，脆性大。硬度HB=800kgf/mm2;抗拉强度бb＝30MPa;塑性、韧性几乎为零。第二十四页，共75页。(3)奥氏体

碳在γ-Fe中的固溶体，用“A”表示。特点：①在1148℃时有最大溶解度2.11%C，727℃时可固溶0.77%C；②其力学性能与含碳量及晶粒大小有关，一般170～220HBS、δ=40～50%；③形变能力好，形变抗力小。第二十五页，共75页。（4）珠光体珠光体：（P）

由铁素体和渗碳体组成成分：0.77%C综合性能好。第二十六页，共75页。2、碳含量与钢组织之间的关系FFe3CFe3CPLd’00.772.114.36.69C%0.0218第二十七页，共75页。3.碳钢的机械性能与碳含量的关系400MPa800MPa1200MPaHB(100HB)(200HB)(300HB)00.40.81.2akdysbsbHB60%14J/cm2d,y40%12J/cm220%8J/cm2akC%第二十八页，共75页。4、常用热处理工艺常用热处理工艺可分为普通热处理和表面热处理两大类:a.普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。b.表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等。渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处理。第二十九页，共75页。1）退火退火是将钢件加热，保温后以极缓慢的速度冷却的一种热处理工艺。退火可以达到的目的：降低硬度，以利于切削加工。细化晶粒，改善组织，提高力学性能。消除内应力，为下一道淬火工序作好准备。提高钢的塑性和韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。第三十页，共75页。常用退火工艺完全退火、球化退火、等温退火、去应力退火等。第三十一页，共75页。2）正火正火是将钢件加热，保温后在空气中冷却的热处理工艺。正火的作用与完全退火相似，两者的主要差别是冷却速度。退火冷却速度慢，获得珠光体组织；正火冷却速度较快，得到的是索氏体组织。因此，同样钢件在正火后强度和硬度比退火高，而且钢的含碳量愈高，用这两种方法处理后的强度和硬度的差别愈大。第三十二页，共75页。碳钢退火.正火加热温度1000110040060080000.40.81.2扩散退火完全退火正火再结晶退火去应力退火T℃C%图3-15碳钢退火.正火加热温度第三十三页，共75页。3）淬火与回火（1）淬火将钢加热至Ac3线或Ac1线以上的某一温度，保温一定时间使之奥氏体化后，迅速冷却，从而获得马氏体组织的工艺叫淬火。第三十四页，共75页。碳在α—铁中的过饱和固溶体叫马氏体。马氏休的硬度很高，而塑性韧性差。第三十五页，共75页。4）回火将淬火后的钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后取出空冷或油冷的热处理工艺过程称为回火。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。第三十六页，共75页。a.低温回火加热温度在150～250℃之间，回火组织为回火马氏体。这种回火主要是为了降低钢中的残余应力和脆性，而保持淬火后得到的高硬度和耐磨性。主要用于各种工具，滚珠轴承及渗碳件等。硬度一般为HRC58～64。第三十七页，共75页。b.中温回火加热温度在350～500℃之间,回火组织为回火屈氏体。中温回火后钢的内应力大大降低，同时具有较高的弹性极限的屈服极限，硬度为HRC35～45。主要用于弹簧元件、锻模等。第三十八页，共75页。c.高温回火加热温度在500～600℃之间，回火组织为回火索氏体。淬火加高温回火又称为“调质处理”。它可以消除钢的内应力，获得较高的韧性，使钢具有良好的综合性能。因此，调质被广泛用于要求具有一定强度和较高塑性、韧性的各类机械零件。调质处理后的硬度一般为HRC25～35。在硬度相同的情况下调质钢的各项力学性能明显高于正火。第三十九页，共75页。5）表面淬火表面淬火是将钢件表面进行快速加热，使其表面组织转变为奥氏体，然后快速冷却，表面层转变为马氏体的一种局部淬火的方法。工件冷却水冷却水感应线圈淬火喷水套进水图3-17感应加热淬火示意图第四十页，共75页。a.渗碳渗碳是向钢的表面渗入碳原子，使其表面达到高碳钢的含碳量渗碳主要有固体渗碳和气体渗碳两种方法，应用广泛的是气体渗碳法。液体渗碳剂废气沙封加热元件耐热罐工件风扇图3-18气体渗碳示意图第四十一页，共75页。b.渗氮(氮化)渗氮是将氮原子渗入钢件表面，形成以氮化物为主的渗氮层，以提高渗层的硬度、耐磨性、抗蚀性、疲劳强度等多种性能。渗氮种类很多，有气体渗氮法、盐浴氮化法、软氮化、离子氮化等。第四十二页，共75页。3.2金属的表面处理3.2.1表面防护为防止金属腐蚀而采用各种方法叫金属表面防护。常用的金属表面防护方法有表面涂层和表面转化膜工艺。3.2.2金属的表面改性金属的表面改性也称表面优化，就是借助于离子束、激光、等离子体等新技术手段，改变材料表面及近表面的组分、结构与性质，第四十三页，共75页。（1）电镀Electroplate金属涂层是与被保护金属不同的材料，其作用是把介质与金属隔开，达到防腐的目的。形成金属涂层的工艺主要有电镀、化学镀、喷镀、热镀等。其中电镀是目前我国应用最广的一种价廉而有效的防护方法。第四十四页，共75页。第四十五页，共75页。阴极：主反应Zn2++2e---Zn 副反应2H++2e---H2阳极：主反应Zn---Zn2++2e副反应4OH----2H2O+O2+4e图3-20镀锌过程示意图HZnFeH+Zn2+ZnSO4阳极(Zn)阴极(Fe)第四十六页，共75页。第四十七页，共75页。（2）电泳涂装电泳涂装是一种水溶性漆液施工方法。其原理是在外加电场的影响下，漆液中的带电胶体粒子在水溶性分散介质中作定向移动，沉积到作为阳极工件的表面上，形成涂层。水溶性漆用树脂，有环氧酯、丙烯酸、聚氨酯、酚醛和醇酸等水溶性漆品种。第四十八页，共75页。第四十九页，共75页。第五十页，共75页。（3）静电喷漆

electrostaticspraypaining此法是使已雾化的油漆微粒在直流高压电场中带电，而在静电场的作用下，带电油漆微粒迅速地向异极性的工件表面结集成膜。第五十一页，共75页。第五十二页，共75页。第五十三页，共75页。2、转化膜conversioncoating转化膜是用化学和电化学的方法使金属表面层发生反应，形成有自身参与的氧化物或金属盐类防护膜层也可起到防护作用。最常见的工艺有黑色金属的氧化、磷化和铝合金的阳极化。第五十四页，共75页。（1）钢的氧化处理Blackoxide

钢在加热的硝酸钠、氢氧化钠水溶液中氧化处理。钢氧化处理后零件表面上能生成保护性磁性氧化铁（Fe3O4）和氧化亚铁膜。膜的颜色一般呈黑色和蓝黑色。又称发兰或发黑。膜层的厚度约为0.6～1.5微米，因此氧化处理不影响零件的精度。发兰后的零件再进行浸油和其他填充处理，能进一步提高膜层的耐蚀性和润滑能力。第五十五页，共75页。第五十六页，共75页。（2）钢的磷化处理Phosphating

钢铁零件在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中，进行化学处理，使其表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜的方法，叫做磷化处理。磷化膜的外观由于基体材料及磷化工艺的不同可由暗灰到黑灰色。磷化膜的主要成分由磷酸盐Me3(PO4)2或磷酸氢盐（MeHPO4)的晶体组成。用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力。第五十七页，共75页。（3）阳极化anodizing所谓阳极化是指用电化学的方法在铝及铝合金表面获得一层氧化膜的方法，由于在处理时零件为阳极，所以称为阳极氧化处理（阳极化）。氧化膜的性质：a．多孔：b．硬度高c．化学稳定性好d．绝缘性好：e．结合能力好：f．耐高温：第五十八页，共75页。第五十九页，共75页。3.2.2金属的表面改性金属的表面改性也称表面优化，就是借助于离子束、激光、等离子体等新技术手段，改变材料表面及近表面的组分、结构与性质，从而获得传统的冶金和表面处理技术无法得到的新薄层材料，或者使传统材料具有更好的性能。第六十页，共75页。1.物理气相沉积（PVD)（1）蒸发镀膜（2）溅射（3）离子镀2.化学气相沉积（CVD)第六十一页，共75页。（1）蒸发镀膜蒸发镀膜通常是在真空中进行，例如图3-21所示的真空蒸镀。将零件和涂层材料同时放在钟罩形的真空室内，涂层材料受热蒸发，蒸发出的分子或原子在自由行程内与受镀零件表面相遇，不断凝结成膜。图3-21电阻加热真空蒸镀真空泵蒸发源基体蒸发料加热灯丝第六十二页，共75页。（2）溅射沉射在真空度不太高的环境中，在强电场的作用下，充入的氩气产生辉光放电，并部分电离，在阴极负高压的吸引下，Ar+离子被加速，以极高的速度轰击材料靶，溅射出来的原子或分子以足够高的速度飞向周围的基体（被镀零件）上，形成镀覆层。Ar靶基体溅射原子图3-22阴极溅射镀示意图

第六十三页，共75页。1)具有严格的晶格生长方向，可制造单晶结构层；

(2)膜层致密，均匀，结合力更高；

第六十四页，共75页。金属，合金，陶瓷，硼化物陶瓷，碳化物陶瓷，氟化物陶瓷，氮化物陶瓷，氧化物陶瓷靶材，硒化物陶瓷，硅化物陶瓷，硫化物陶瓷，碲化物陶瓷第六十五页，共75页。（3）离子镀离子镀的原理见图3-23。阳极为镀覆材料，阴极为被镀基体零件。1~5kv基体金属离子Ar电子蒸发源~真空泵Ar+阴极暗区图3-23离子