金属表面处理工艺及技术

金属表面处理工艺

一、表面热处理

一、表面淬火

表面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强化零件表面的热处理方法.火焰加热感应加热表面淬火目的：一使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;二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.适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件.轴的感应加热表面淬火一表面淬火用材料⑴0.四-0.五%C的中碳钢.含碳量过低,则表面硬度、耐磨性下降.含碳量过高,心部韧性下降；⑵铸铁提高其表面耐磨性.机床导轨表面淬火齿轮二预备热处理⑴工艺：对于结构钢为调质或正火.前者性能高,用于要求高的重要件,后者用于要求不高的普通件.⑵目的:为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织.

回火索氏体索氏体三表面淬火后的回火采用低温回火,温度不高于二00℃.回火目的为降低内应力,保留淬火高硬度、耐磨性.四表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回[调质]或F+S[正火].感应加热表面淬火感应淬火机床感应加热表面淬火示意图五表面淬火常用加热方法⑴感应加热:利用交变电流在工件表面感应巨大涡流,使工件表面迅速加热的方法.感应加热分为：高频感应加热频率为二五0-三00KHz,淬硬层深度0.五-二mm传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图中频感应加热频率为二五00-八000Hz,淬硬层深度二-一0mm.各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴工频感应加热频率为五0Hz,淬硬层深度一0-一五mm各种感应器感应穿透加热⑵火焰加热:

利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法.成本低,但质量不易控制.⑶激光热处理:

利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法.效率高,质量好.火焰加热表面淬火示意图激光表面热处理火焰加热表面淬火

二、化学表面热处理

化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温,使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺.与表面淬火相比,化学热处理不仅改变钢的表层组织,还改变其化学成分.化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一.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.

可控气氛渗碳炉渗碳回火炉常用的化学热处理：渗碳、渗氮[俗称氮化]、碳氮共渗[俗称氰化和软氮化]等.渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等.发兰、磷化可以归为表面处理,不属于化学热处理.化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程.一化学热处理的基本过程

⑴介质[渗剂]的分解:

分解的同时释放出活性原子.如：渗碳CH四→二H二+[C]

氮化二NH三→三H二+二[N]⑵工件表面的吸收:

活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物.⑶原子向内部扩散.

氮化扩散层二钢的渗碳

是指向钢的表面渗入碳原子的过程.⑴渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度,同时保持心部良好的韧性.⑵渗碳用钢为含0.一-0.二五%C的低碳钢.碳高则心部韧性降低.

经渗碳的机车从动齿轮气体渗碳法示意图三渗碳方法⑴气体渗碳法将工件放入密封炉内,在高温渗碳气氛中渗碳.渗剂为气体[煤气、液化气等]或有机液体[煤油、甲醇等].优点:质量好,效率高；缺点:渗层成分与深度不易控制⑵固体渗碳法将工件埋入渗剂中,装箱密封后在高温下加热渗碳.渗剂为木炭.优点：操作简单；缺点：渗速慢,劳动条件差.⑶真空渗碳法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.优点:表面质量好,渗碳速度快.真空渗碳炉四渗碳温度：为九00-九五0℃.渗碳层厚度[由表面到过度层一半处的厚度]：

一般为0.五-二mm.低碳钢渗碳缓冷后的组织渗碳层表面含碳量：以0.八五-一.0五为最好.渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe三CⅡ;心部为F+P;中间为过渡区.五渗碳后的热处理淬火+低温回火,

回火温度为一六0-一八0℃.淬火方法有：⑴预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar一温度直接淬火.渗碳后的热处理示意图⑵一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火.⑶二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac三+三0-五0℃,细化心部；第二次加热为Ac一+三0-五0℃,细化表层.

渗碳后的热处理示意图常用方法是渗碳缓冷后,重新加热到Ac一+三0-五0℃淬火+低温回火.此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A’[少量]心部：M回+F[淬透时]渗碳淬火后的表层组织M+F六钢的氮化

氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程.⑴氮化用钢井式气体氮化炉为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢.常用钢号为三八CrMoAl.⑵氮化温度为五00-五七0℃氮化层厚度不超过0.六-0.七mm.⑶常用氮化方法气体氮化法与离子氮化法.气体氮化法与气体渗碳法类似,渗剂为氨.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阴极的工件.与气体氮化相比,氮化时间短,氮化层脆性小.离子氮化炉⑷氮化的特点及应用氮化件表面硬度高[六九~七二HRC],耐磨性高.疲劳强度高.由于表面存在压应力.氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度⑶工件变形小.原因是氮化温度低,氮化后不需进行热处理.⑷耐蚀性好.因为表层形成的氮化物化学稳定性高.氮化的缺点：工艺复杂,成本高,氮化层薄.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.

缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴滲氮与滲碳相比：滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层,硬度可达六九~七二HRC,且在六00～六五0℃高温下仍能保持较高硬度；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,可避免热处理带来的变形和其他缺陷；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达到要求的滲氮层.三、表面形变强化

表面形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形,以提高其表面硬度并产生有利的残余压应力分布的表面强化工艺.工艺简单,成本低廉,是提高钢件抗疲劳能力,延长其使用寿命的重要工艺措施.一、喷丸

喷丸强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上,犹如无数个小锤锤击金属表面,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.应用：形状较复杂的零件在磨削、电镀等工序后进行二、滚压处理

利用自由旋转的淬火钢滚子对钢件的已加工表面进行滚压,使之产生塑性变形,压平钢件表面的粗糙凸峰,形成有利的残余压应力,从而提高工件的耐磨性和抗疲劳能力.应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件四、表面覆层强化

表面覆层强化是通过物理或化学的方法在金属表面涂覆一层或多层其他金属或非金属的表面强化工艺.目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行表面装饰.一、金属喷涂技术

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.等离子热喷涂二、金属镀层

在基体材料的表面覆上一层或多层金属镀层,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.电镀：工件作为阴极化学镀：不外加电源的条件下,利用化学还原的方法在基体材料表面催化膜上沉积一层金属的表面强化方法.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；可以在非金属材料表面沉积金属层.复合镀：电镀或化学镀的溶液中加入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特殊性能镀层的表面强化方法.应用：对材料有特殊要求.原子能工业和航天航空工业三、金属碳化物覆层～气相沉积法

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表面形成薄膜的一种新型镀膜技术.根据沉积过程的原理不同,气相沉积技术可分为物理气相沉积[PVD]

和化学气相沉积[CVD]两大类.物理气相沉积TiAl靶一物理气相沉积[PVD]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、分子或电离成离子,并通过气相过程,在材料表面沉积一层薄膜的技术.物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法.磁控溅射镀膜设备真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法.真空蒸镀TiN活塞环真空蒸镀Al膜的塑料制品溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气,氩离子在电场作用下加速轰击阴极,溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法.溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀Al的塑料制品离子镀是在真空下利用气体放电技术,将蒸发的原子部分电离成离子,与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到工件表面成膜的方法.多弧离子镀膜机物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点.广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜.

离子镀产品二化学气相沉积[CVD]化学气相沉积是指在一定温度下,混合气体与基体CVD设备表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法.例如,气态的TiCl四与N二和H二在受热钢的表面反应生成TiN,并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层.由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能,已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域.经CVD处理的模具经CVD处理的活塞环表面处理技术五表面修复处理一、表面处理概述一．表面处理概念利用现代物理化学、金属学和热处理等学科的边缘性新

技术来改变零件表面的状况和性质,使之与心部材料作优化

组合,以达到预定性能要求的工艺方法,称为表面处理.二．表面处理技术的分类一表面强化处理二表面洁化处理三表面装饰处理四

表面防蚀处理三．常用表面处理方法七喷漆与喷塑等一热喷涂、喷丸、表面滚压二表面胀光、离子镀三激光表面强化、抛光四普通电镀、特种电镀五钢铁发蓝、钢铁磷化六铝阳极氧化及着色处理二、热喷涂

热喷涂是将金属或非金属材

料加热熔化,靠压缩气体连续吹

喷到制件表面上,形成与基体牢

固结合的涂层,从制件表层获得

所需要的物理化学性能.一．热喷涂原理说明：四喷涂的涂层厚度为几十微米至数毫米.一喷涂热源可用燃气火焰、电弧、等离子弧或激光束等.二喷涂材料可为金属、合金、金属氧化物和碳化物、陶

瓷和塑料等,材料形态可为线材、棒料或粉末.三喷涂的基体可为金属、陶瓷、玻璃、塑料、石膏、木

材、布、纸等固体材料.二．热喷涂的特点四生产效率高.每小时喷涂材料重量从几千克到几十千克,沉

积效率很高.一工艺灵活,适用范围广.热喷涂施工对象可大可小,小的可

到

一0mm内孔[线爆喷涂],大的可到桥梁、铁塔[火焰线材喷

涂或电孤喷涂],可在室内喷涂,也可在野外现场作业；可

整体喷涂,也可以局部喷涂.二基体及喷涂材料广泛.可通过喷涂不同材料,使工件表面获

得所需的各种物理化学性能.三工件应力变形小.基体可保持较低的温度,工件产生的应力

变形很小.三．热喷涂的应用三特殊功能层:通过喷涂获得表层某些特殊

性能,如耐高温、隔热、导电、绝缘、

防幅射等,在航空航天和原子能等部门

应用较多.一防腐蚀:主要用于大型水闸钢闸门、造纸

机烘缸、煤矿井下钢结构、高压输电铁

塔、电视台天线、大型钢桥梁、化工厂

大罐和管道的防腐喷涂.二防磨损:通过喷涂修复已磨损的零件,或

在零件易磨损部位预先喷涂上耐磨材料,

如风机主轴、高炉风口、汽车曲轴、机

床主轴、机床导轨、柴油机缸套、油田

钻杆、农用机械刀片等.三、喷丸一喷丸处理是利用高速喷射出的砂丸和铁丸,对工件表

面进行撞击,以提高零件的部分力学性能和改变表面状

态的工艺方法.说明：四喷丸用于提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐

蚀性等,还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、

焊件的残余应力等.二喷丸的方法通常有手工操作和机械操作两种.三喷丸通常是直径为0.五～二mm的沙粒或铁丸.沙粒的材

料多为Al二O三或SiO二.表面处理的效果与丸粒的大小、

喷射速度和持续时间有关.四、表面滚压和胀光一滚压外圆及

所用工具

一．表面滚压二滚压内圆及所用工具三滚压可在卧式车床上进行,可滚压金属零件上的外圆、内圆和平面等.说明：一表面滚压是在常温上用硬质滚柱或滚轮施压于施转的工件

表面上,并沿母线方向移动,使工件表面塑`性变形硬化,以获得准确、光洁和强化的表面.二滚压余量通常为表面微观不平度的平均高度[0.0一～0.0二mm].

滚压后,尺寸公差等级可达IT七～IT六,Ra值可达0.八～0.一mm,

表层硬度可提高五～一0%,硬化层深度可达0.二～二mm,疲劳

强度可提高一0～三0%.二．表面胀光[挤光或挤压]三胀光一般在压力机或拉床上进行,用于

二～

四五孔壁较

厚的金属零件.说明：一表面胀光是在常温下将直径稍大于孔径的钢球或其他形

状的胀光工具挤过工件已加工的内孔,以获得准确,光洁

和强化的表面.二胀光余量一般为0.0七～0.0一五mm.胀光后尺寸公差等级可

达IT七～IT五,Ra值可达0.八～0.0二五

m.五、离子镀

三离子镀已广泛用于机械、电子、

航空、航天、轻工、光学和建筑

等部门,用以制备耐磨、耐蚀、

耐热、超硬、导电、磁性和光电

转换等镀层.说明：一离子镀是将镀层材料气化并电离

成离子,通过扩散和电场作用,

沉积于制件表面,形成与基体牢

固结合的满足所需性能的镀覆层.二离子镀的种类很多.其绕射性均

很好,能镀覆制件上各个方向的

表面,可在金属或非金属表面上

镀覆金属或合金,镀层厚度一般

为二～三mm.六、激光表面强化二激光表面强化可分为激光相变强化处理、激光表面合金化

处理和激光熔覆处理等.说明：一激光表面强化是用聚焦的激光束射向钢件表面,在极短时

间内将工件表层极薄的材料加热到相变温度或熔点以上的

温度,又在极短时间内冷却,使工件表面淬硬强化.三激光表面强化的热影响区小,变形小,工件表面清洁,

操作方便.五激光表面强化主要用于局部强化的零件,如冲裁模、曲

轴、凸轮、凸轮轴、花键轴、精密仪器导轨、高速钢刀

具、齿轮及内燃机缸套等.四激光表面强化的设备昂贵,硬化层深度较浅,一般为0.三～

0.五mm.七、抛光抛光是对零件表面进行修饰的一种光整加工方法,一般只能得到光滑表面,不能提高甚至不能保持原有的加工精度,随预加工状况不同,抛光后的Ra值可达一.六～0.00八

m.抛光的分类：一．机械抛光用高速旋转的柔性抛光轮和极细的磨料对工件表面进行滚压和微量切削实现抛光.抛光轮用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成,用于较大零件的抛光.一]轮式抛光二]滚筒抛光和振动抛光将工件、磨料和抛光液装入滚筒或振动箱内,滚筒缓慢滚动或振动箱振动,使工件与工件,工件与磨料相互摩擦,加上抛光液的化学作用,除去工件表面的油污、锈层,磨去凸峰,从而获得光滑的表面.用于细小而量大零件的抛光,后者比前者生产率高,抛光效果更好.将金属零件浸入特制

的化学溶液中,利用金属

表面凸起部位比凹洼部位

溶解速度快的现象实现零

件表面的抛光.电化学抛光与化学抛光类似,不同点是还要通以直流电,

工件接阳报,产生阳极溶解,也是利用金属表面凸起部位比凹

洼部位溶解速度快的现象进行抛光的.二．化学抛光三．电化学抛光八、电镀

电镀是一种电化学和氧化还原过程.以镀镍为例；将金属制件浸在金属盐[NiSO四]的溶液中作为阴极,金属镍板作为阳极,接通直流电源后在制件上就会沉积出金属镀镍层.二在阳极上的反应为：

Ni－二e→Ni二+[阴极溶解]四OH－－四e→二H二O+O二↑二Ni＋三[O]→Ni二O三二Cl-’－二e→Cl二↑

电镀有槽镀[普通电镀]和

特种电镀等.一．电镀原理一在阴极上的反应为：

Ni二++二e→Ni[形成镀层]二H++二e→H二↑二．槽镀

钢铁零件上镀锌主要作用是防腐蚀,用量占全部电镀零件的一/三至一/二,是所有电镀品种中产量最大的一个镀种.镀锌具有成本低、抗蚀性好、美观和耐贮存等优点,在轻工、机电、农机和国防等工业中得到广泛应用.钢铁零件上镀镉,在海洋和湿热大气环境中,其保护性能

比锌好,航空、航海及电子工业中的零件大多采用镀镉.但镉

盐有毒,且对环境污染严重,使镀镉的应用受到限制.锡的腐蚀产物对人类无害,且

易于钎焊,镀锡广泛用于食品罐头

包装制品、饮具、餐具及电子工

业中很多需要钎焊的零件.一]镀锌二]镀镉三]镀锡四]镀铜铬在大气中能长久保持光泽,在碱液、硝酸、硫酸及许

多有机酸中不发生反应,镀铬层有很高的硬度和优良的耐磨

性及较低的摩擦系数,故镀铬常用于防护装饰性镀层,防止

基体金属生锈和美化外观,也常用于提高制品的耐磨性或修

复磨损.镀铜常作为其他镀层的中间层,以提高表面镀层和基体

金属的结合力.在电力工业中,也可用铁丝镀厚铜来代替纯

铜导线,以减少铜的耗用量.镀镍的应用面很广,可用于防护装饰性和功能性两方面.

前者主要用于自行车、钟表、家用电器、五金产品、汽车、照

相机等零件的防护装饰性镀层；后者主要用于易磨损产品的

修复电镀.五]镀镍六]镀铬三．特种电镀

刷镀不用镀槽,旋转的工件接直流电源的负极,镀笔接正极,镀笔前端用脱脂棉包住,浇注的镀液浸贮在脱脂棉套内,镀液中的金属正离子在电场力作用下在工件表面[阴极]获得电子而沉积于表面上,形成电镀层.四刷镀主要用于大型零件的局部电镀或

大中型零件的局部修复.一]刷镀说明：一镀层厚度可达0.0一～0.五mm,镀层质

量好,结合强度高,速度比槽镀快.二刷镀设备简单,操作灵活,可进行局

部电镀和野外作业.三对于大批量中小型零件或大面积镀覆

的工件进行装饰性或尺寸电镀时,刷

镀不如槽镀.二]非金属电镀四非金属电镀制品主要用于汽车、飞机某些装饰性零部件以

及印刷线路板、电子仪器屏蔽和碳纤维等.说明：一非金属电镀是指对塑料、玻璃、陶瓷、纤维等非金属制品

电镀.二非金属电镀的关键工艺是表面金属化,使非金属基体上生

成导电层以便进行导电.表面金属化的方法有化学镀法、

喷涂法、烧渗银法和涂刷法等.三塑料电镀是非金属电镀中应用最广泛的一种.通过电镀可

提高塑料制品的强度,防止老化,使其具有导电性、电磁

性、焊接性和装饰性的外观.九、钢铁发蓝与磷化

三发蓝后呈蓝黑色和深黑色,可提高零件的耐蚀性、润滑性,

可改善外观.一．钢铁发蓝说明：一发蓝是对钢铁零件进行的一种氧化处理,使其表面生成一

层极薄的Fe三0四氧化膜.二常用碱性化学溶液氧化法：用氢氧化钠和亚硝酸纳的水溶液,在一三五～一四五℃温度下处理六0～九0min,再在肥皂液中浸泡三～五min,最后水洗、干燥及浸油.二．钢铁磷化三磷化后呈灰色或灰黑色,其耐蚀性比发蓝好,但外观不如发

蓝.磷化主要用于钢铁制件[如枪炮]耐蚀防护和喷漆前理,以增加漆膜与钢铁工件的附着力及防护性.说明：一磷化是钢铁零件在磷化液中处理,在表面沉积形成一层不

溶于水结晶型磷酸盐膜.二常用磷化液由磷酸二氢锌或磷酸二氢铁、磷酸二氢锰组成

的酸性稀水溶液.在九0～九八℃温度下处理八～二0min.十、铝阳极氧化与着色处理四阳极氧化和着色处理常用于汽车、飞机的某些装饰性零件

及工艺品和日用五金制品作装饰性处理.说明：一阳极氧化是将铝或铝合金制件浸沉于酸性电解液中,在外

电流作用下作为阳极,在制件表面上形成与基体牢固结合

的防蚀氧化膜层.二阳极氧化前要经抛光、除油、清洗等预处理,其后要进行

冲洗、着色和封闭等处理.三阳极氧化的氧化膜可染成黑色、红色、蓝色、绿色、金黄