金属材料的表面处理

金属材料与热处理 主编 课题5金属材料的表面处理 课题引入 课题说明 课题目标5.1金属材料表面处理概述5.2表面淬火5.3表面化学热处理技术5.4化学氧化与磷化处理5.5电镀技术5.6表面气相沉积技术5.7其他表面处理技术5.1思考题 5.1金属材料表面处理概述5.1.1表面处理技术的作用5.1.2表面处理技术的分类 5.1.1表面处理技术的作用.提高表面耐蚀性和耐磨性，减缓、消除和修复材料表面的变化及损伤.使普通材料获得具有特殊功能的表面.表面处理技术可用于节约能源，降低成本，改善环境 5.1.2表面处理技术的分类()表面合金化技术包括喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆等。()表面覆盖与覆膜技术包括电镀、化学镀、化学转化膜、气相沉积等。()表面组织转化技术包括表面淬火、化学热处理等热处理技术及喷丸、滚压等表面加工硬度技术。()表面热处理(如表面淬火、表面化学热处理等)。()电镀与化学镀(如纯金属电镀、合金电镀、电刷镀等)。()化学转化膜(如化学氧化处理、磷化处理等)。()气相沉积(如化学气相沉积、物理气相沉积等)。()形变强化(如喷丸、机械镀等)。 5.1.2表面处理技术的分类()热喷涂(如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等)。()堆焊(如手工堆焊、埋弧堆焊、等离子堆焊等)。()高能束技术(如激光表面合金化、激光熔覆、离子注入等)。 5.2表面淬火5.2.1火焰淬火5.2.2感应淬火 5.2.1火焰淬火.火焰淬火原理.火焰淬火方法及应用.火焰淬火操作要点及注意事项.火焰淬火的特点 .火焰淬火原理 图5-1火焰淬火示意图 .火焰淬火方法及应用( )固 定 法 零 件 和 喷 嘴 都 不 动 ， 用 火 焰 喷 嘴 直 接 加 热 淬 火 部 分 ，使 零 件 加 热 到 淬 火 温 度 后 立 即 喷 水 冷 却 (如 图 5-2a所 示 )。 图5-2火焰表面淬火方法示意图 .火焰淬火方法及应用( )前 进 法 火 焰 喷 嘴 和 冷 却 装 置 沿 零 件 表 面 作 平 行 移 动 ， 一 边 加热 ， 一 边 冷 却 。( )旋 转 法 用 一 个 或 几 个 固 定 火 焰 喷 嘴 对 旋 转 零 件 表 面 进 行 加 热 ，表 面 加 热 至 淬 火 温 度 后 进 行 冷 却 (如 图 5-2c所 示 )。( )联 合 法 淬 火 零 件 绕 其 轴 线 旋 转 ， 喷 嘴 和 喷 水 装 置 同 时 沿 零 件轴 线 移 动 (如 图 所 示 )。 .火焰淬火操作要点及注意事项( )对 被 淬 火 表 面 预 先 进 行 认 真 清 理 和 检 查 ， 淬 火 部 位 不 允 许 有 脱碳 层 、 氧 化 皮 、 气 孔 、 砂 眼 和 裂 纹 等 缺 陷 。( )根 据 零 件 淬 火 部 位 及 技 术 要 求 选 择 合 适 的 喷 嘴 。( )在 淬 火 前 零 件 一 般 应 进 行 预 备 热 处 理 ， 如 正 火 或 调 质 处 理 ， 以保 证 零 件 心 部 的 强 度 和 韧 性 。( )合 理 调 整 氧 、 乙 炔 混 合 气 。( )火 焰 淬 火 温 度 比 普 通 淬 火 温 度 要 高 ， 一 般 取 880 950 。( )合 理 选 择 淬 火 介 质 。( )工 作 结 束 后 ， 先 关 断 氧 气 ， 再 关 断 乙 炔 ， 等 熄 灭 后 再 开 少 量 氧气 吹 出 烧 嘴 中 剩 余 气 体 ， 最 后 再 关 掉 氧 气 。( )工 件 淬 火 后 必 须 立 即 回 火 ， 以 消 除 应 力 ， 防 止 开 裂 。 .火焰淬火的特点火 焰 淬 火 的 主 要 特 点 为 ： 设 备 简 单 、 体 积 小 、 成 本 低 、 使 用 方 便 ，受 工 件 体 积 大 小 的 限 制 ； 淬 火 后 表 面 清 洁 ， 很 少 氧 化 与 脱 碳 ， 变形 小 ； 操 作 简 便 ， 工 艺 灵 活 ， 淬 火 成 本 低 ； 火 焰 加 热 温 度 高 、加 热 快 、 生 产 效 率 高 ； 加 热 温 度 和 淬 硬 层 深 度 不 容 易 控 制 ， 质 量不 稳 定 。 所 以 ， 火 焰 淬 火 一 般 用 于 单 件 、 小 批 量 生 产 以 及 大 型 工 件 （ 如 大 模数 齿 轮 、 大 轴 轴 颈 ） 的 表 面 淬 火 。 5.2.2感应淬火.感应淬火原理.常用感应淬火方法及应用.感应淬火的特点 .感应淬火原理感 应 淬 火 是 利 用 感 应 电 流 通 过 零 件 所 产 生 的 热 效 应 ， 使 零 件 表 面 很快 加 热 到 淬 火 温 度 ， 然 后 迅 速 冷 却 的 热 处 理 方 法 ， 如 图 5 KG*83所 示 。 感 应 淬 火 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 一 种 表 面 淬 火 。 当 一 定 频 率 的 电 流 通 过 空 心 铜 管 制 成 的 感 应 器 时 ， 在 感 应 器 的 内 部及 周 围 便 产 生 一 个 交 变 磁 场 ， 于 是 ， 在 工 件 内 部 产 生 了 同 频 率 的 感应 电 流 。 电 流 在 工 件 内 的 分 布 是 不 均 匀 的 ， 表 面 电 流 密 度 大 ， 心 部电 流 密 度 小 ， 通 过 感 应 器 的 电 流 频 率 越 高 ， 电 流 就 越 集 中 于 工 件 的表 面 ， 这 种 现 象 称 为 集 肤 效 应 。 依 靠 感 应 电 流 的 热 效 应 ， 可 将 工 件表 层 迅 速 加 热 到 淬 火 温 度 ， 而 此 时 心 部 温 度 还 很 低 ， 淬 火 介 质 通 过感 应 器 内 侧 的 小 孔 及 时 喷 射 到 工 件 上 ， 形 成 淬 硬 层 。 感 应 电 流 频 率 越 高 ， 电 流 透 入 深 度 越 小 ， 工 件 加 热 层 越 薄 ， 淬 硬 层越 浅 。 因 此 ， 感 应 加 热 进 入 工 件 表 层 的 深 度 主 要 取 决 于 电 流 频 率 。 .常用感应淬火方法及应用( )工 频 感 应 淬 火 电 流 频 率 为 50Hz， 可 获 得 10 15mm以 上 的 淬硬 层 ， 适 用 于 大 直 径 的 穿 透 加 热 及 要 求 淬 硬 层 深 的 大 工 件 的 表 面淬 火 。( )中 频 感 应 淬 火 常 用 电 流 频 率 为 2500 8000Hz， 可 获 得 3 6mm深 的 淬 硬 层 ， 主 要 用 于 要 求 淬 硬 层 较 深 的 零 件 ， 如 发 动 机 曲 轴 、凸 轮 轴 、 大 模 数 齿 轮 、 较 大 尺 寸 的 轴 和 钢 轨 的 表 面 淬 火 。( )高 频 感 应 淬 火 常 用 电 流 频 率 为 200 300kHz， 可 获 得 的 表 面淬 硬 层 深 度 为 0.5 2mm， 主 要 用 于 中 小 模 数 齿 轮 和 小 轴 的 表 面 淬火 。 .感应淬火的特点 图5-3感应淬火示意图1加热淬火层2水3间隙4工件5加热感应圈6进水7出水8淬火喷水套9水 .感应淬火的特点 图5-4高频感应加热设备 5.3表面化学热处理技术(1)分解富有渗入元素的介质在一定的条件下进行化学反应，分解产生具有一定活性的渗入元素原子。(2)吸收分解产生渗入元素的活性原子(初生状态原子)被工件表面吸收(溶解)，这一过程的进行必须具备下列两个条件：有渗入元素的活性原子存在，渗入元素呈分子状态存在时，不能被工件吸收；渗入元素能渗入工件中形成固溶体或金属化合物。(3)扩散被工件表面吸收的渗入元素原子，由表面向内部移动，并达到一定的浓度和深度。(1) 强化工件表面提高工件表层的力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳强度等。 5.3表面化学热处理技术(2) 保护工件表面改善工件表层的物理、化学性能，如耐高温及耐蚀性等。5.3.1渗碳技术5.3.2渗氮技术5.3.3碳氮共渗技术5.3.4渗硼技术 5.3.1渗碳技术()固体渗碳固体渗碳是将工件置于填满木炭(90%)和碳酸钡(BaCO3)(10%)的固体渗碳箱内进行的，如图5-5所示。()气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。 5.3.1渗碳技术表5-1常见渗碳用钢及其用途 5.3.1渗碳技术 图5-5固体渗碳箱1渗碳剂2工件3箱体46mm铁板4泥封5试棒10mm6盖：铁板厚68mm ()气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。 图5-6井式气体渗碳炉1风扇电动机2废气火焰3炉盖4砂封5电阻丝6耐热罐7工件8炉体 ()气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。 图5-7气体渗碳典型工艺曲线 ()气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。1)排 气 阶 段 零 件 在 装 炉 时 使 炉 温 下 降 ， 同 时 带 入 大 量 空 气 。 2)强 渗 阶 段 到 温 后 保 温 约 30min， 排 气 阶 段 结 束 即 关 闭 排 气 孔 ， 进入 强 渗 阶 段 。3)扩 散 阶 段 进 入 扩 散 阶 段 应 减 少 煤 油 滴 量 ， 使 表 面 高 浓 度 的 碳 向心 部 扩 散 ， 同 时 滴 入 少 量 甲 醇 ， 最 终 达 到 规 定 的 渗 层 深 度 和 合 适 的碳 浓 度 分 布 。4)降 温 阶 段 提 前 0.5 1h检 查 试 棒 ， 当 渗 层 深 度 达 到 规 定 要 求 时 间时 即 可 降 温 出 炉 。 5.3.2渗氮技术.气体渗氮.离子渗氮 .气体渗氮 图5-8气体渗氮装置示意图1氨气分解率测定器2冒泡瓶3、9U形气压计4安置架5缓冲箱6箱式电阻炉7渗氮箱8热电偶10干燥箱11氨气瓶 .离子渗氮 图5-9离子渗氮装置1温度表2热电偶3接真空系统4阀5绝缘体6工件7观察窗8、13开关9阀10电源11气源12温度控制器 5.3.3碳氮共渗技术(1)渗层性能好碳氮共渗与渗碳相比，其渗层硬度差别不大，但其耐磨性、耐蚀性及疲劳强度比渗碳层高。(2)渗入速度快在碳氮共渗的情况下，由于碳氮原子能互相促进渗入过程，所以在相同温度下，共渗速度比渗碳和渗氮都快，仅是渗氮时间的1/31/4。(3)工件变形小由于氮的渗入提高了共渗层奥氏体的稳定性，故使渗层的淬透性得到提高，这样不仅可以用较缓慢的淬火介质进行淬火而减少变形，而且可以用较便宜的碳素钢来代替合金钢制造某些工模具。(4)不受钢种的限制 (4)不受钢种的限制表5-2几种表面热处理工艺的比较 5.3.4渗硼技术(1)硬度与耐磨性钢铁渗硼后表面具有极高的硬度，显微硬度可达12902300HV，所以具有很高的耐磨性。(2)高温抗氧化性及热硬性钢铁渗硼后所形成的铁硼化合物(FeB、Fe2B)是一种十分稳定的金属化合物，它具有良好的高温抗氧化性和热硬性，经渗硼处理的模具一般可在600以下可靠地工作。(3)耐蚀性渗硼层在酸(除硝酸外)、碱和盐的溶液中都具有较高的耐蚀性，特别是在盐酸、硫酸和磷酸中具有很高的耐蚀性。(4)渗硼层的脆性渗硼层的硬度高，脆性较大。.固体渗硼 5.3.4渗硼技术.液体渗硼液体渗硼包括盐浴渗硼和电解盐浴渗硼。盐浴渗硼是利用硼砂作为供硼源，无水硼砂（Na 2 B 4 O 7）在高温熔融状态和还原剂作用下，有活性硼原子产生。在高温下游离状态的活性硼原子，被工件表面吸附，与铁原子生成硼化物FeB和Fe 2 B。盐浴渗硼多采用坩埚电阻炉，而且多是自制设备。炉内放置盐浴坩埚，为了防止腐蚀，盐浴坩埚必须用不锈钢制作。渗硼温度为WTBZ9 0 01 0 0 0 WTBZ，时间为46 h。盐浴配制完成后加热到渗硼温度，保温0 5 h，再搅拌一次，方可放入渗硼工件。渗硼工件要吊装在坩埚内，每隔0 51 h将工件适当地移动，以保证渗硼层均匀。达到渗硼保温时间后，即可出炉。不需淬火的工件从盐浴中取出，空冷，由于有粘在工件上的盐浴液保护， 渗硼层不致损坏。需要淬火的工件应立即转入中性盐浴中加热，然后淬火。电解盐浴渗硼时，以浸在熔融硼砂中的工件作阴极，石墨坩埚作阳极，电流密度为（0 1 50 2）A/cm 2，处理温度为9 3 09 5 0 ，时间为26 h，可得渗层深0 1 50 3 5 mm。电解渗硼速度快，渗剂便宜，渗层深，易调节，但渗层欠均匀，坩埚寿命较短。气体渗硼与固体渗硼的区别是供硼剂为气体。气体渗硼需用易爆的乙硼烷或有毒的氯化硼，在工业生产上很少使用。工件渗硼后一般应进行淬火和回火处理。热处理使基体发生相变，而硼化物层不发生相变，因硼化物与基体的膨胀系数差别较大，渗层易开裂，所以要尽量使用缓和的淬火介质，并及时回火。盐浴渗硼具有设备简单，用盐资源丰富，成本低，无公害等优点。适合渗硼的材料十分广泛，几乎所有钢铁材料，如结构钢、工具钢、模具钢、铸铁均可进行渗硼，硬质合金、有色金属也可以进行渗硼。 .固体渗硼固 体 渗 硼 是 将 工 件 埋 入 含 硼 的 粉 末 或 颗 粒 介 质 中 ， 或 在 其 表 面 涂 以含 硼 膏 剂 ， 装 箱 密 封 再 加 热 保 温 的 化 学 热 处 理 工 艺 。 固 体 渗 硼 不 需要 专 用 设 备 ， 操 作 方 便 ， 适 应 性 强 。 但 固 体 渗 硼 劳 动 强 度 大 、 工 作条 件 差 、 成 本 较 高 。 固 体 渗 硼 分 为 粉 末 渗 硼 和 膏 剂 渗 硼 。 粉 末 渗 剂 一 般 由 供 硼 剂 （ 硼 粉 、 碳 化 硼 B 4C、 硼 铁 合 金 B Fe、 硼砂 Na 2B 4O 7等 ） 、 活 化 剂 （ 氟 硼 酸 盐 、 冰 晶 石 、 氟 化 物 、 氯 化物 、 碳 酸 盐 等 ） 和 填 充 剂 （ 三 氧 化 二 铝 Al 2O 3、 碳 化 硅 SiC、 木炭 、 煤 粉 等 ） 组 成 。 渗 硼 用 铁 箱 可 用 低 碳 钢 板 焊 制 。 装 箱 方 法 与 固体 渗 碳 相 似 ， 先 在 箱 底 铺 上 一 层 厚 20 30mm的 渗 硼 剂 后 ， 再 放 入 工件 。 工 件 与 箱 壁 、 工 件 与 工 件 之 间 要 保 持 10 15mm的 间 隙 ， 然 后 填充 渗 硼 剂 。 盖 上 箱 盖 后 用 耐 火 泥 或 黄 土 泥 密 封 。 对 于 大 型 凹 模 的 模腔 ， 因 非 工 作 部 位 不 需 渗 硼 ， 所 以 只 在 模 腔 内 填 充 渗 硼 剂 ， 其 他 部位 用 木 炭 填 充 ， 防 止 表 面 脱 碳 。 操 作 时 ， 为 了 防 止 活 化 剂 过 早 分 解 ， 影 响 渗 硼 效 果 ， 要 先 将 炉 升 温 ， 采 用 热 炉 装 箱 。 粉 末 渗 硼 的 温 度 一 般 为 850 950 。 提 高 渗 硼 温 度 可 以 缩 短 渗 硼 时间 ， 但 会 引 起 晶 粒 粗 大 。 渗 硼 保 温 时 间 一 般 为 3 5 h， 最 长 不 超 过6h， 渗 硼 层 的 厚 度 为 0 07 0 15mm。 工 件 经 固 体 渗 硼 后 ， 最 好 采用 渗 箱 出 炉 空 冷 ， 至 300 400 以 下 开 箱 取 出 工 件 ， 渗 硼 工 件 表 面呈 光 亮 的 银 灰 色 。 膏 剂 渗 硼 所 用 膏 剂 是 粉 末 渗 硼 剂 与 粘 结 剂 （ 常 用 的 有 松 香 酒 精 溶 液 、硅 酸 乙 酯 水 溶 液 等 ） 混 合 制 成 的 膏 状 物 。 渗 硼 前 将 工 件 去 锈 、 脱 脂清 洗 干 净 后 ， 再 将 膏 剂 涂 于 工 件 表 面 ， 涂 层 厚 度 为 1 2mm， 经 自 然干 燥 或 在 150 烘 箱 中 烘 干 后 便 可 装 箱 。 对 不 需 要 渗 硼 的 部 位 ，可 用 三 氧 化 二 铝 与 水 玻 璃 调 成 糊 状 进 行 保 护 。 工 件 与 箱 底 、 箱 壁 应保 持 20 30mm距 离 。 盖 箱 后 用 水 玻 璃 调 制 耐 火 土 或 黄 土 泥 密 封 ， 然后 装 入 已 升 温 到 渗 硼 温 度 的 箱 式 电 炉 中 加 热 。 膏 剂 渗 硼 温 度 常 用 930 950 ， 保 温 时 间 为 3 6h， 温 度 过 高 或 保温 时 间 过 长 将 引 起 渗 硼 层 脆 性 增 大 ， 反 之 渗 层 过 薄 。 .液体渗硼液 体 渗 硼 包 括 盐 浴 渗 硼 和 电 解 盐 浴 渗 硼 。 盐 浴 渗 硼 是 利 用 硼 砂 作 为 供 硼 源 ， 无 水 硼 砂 （ Na 2B 4O 7） 在高 温 熔 融 状 态 和 还 原 剂 作 用 下 ， 有 活 性 硼 原 子 产 生 。 在 高 温 下 游 离状 态 的 活 性 硼 原 子 ， 被 工 件 表 面 吸 附 ， 与 铁 原 子 生 成 硼 化 物 FeB和 Fe 2B。 盐 浴 渗 硼 多 采 用 坩 埚 电 阻 炉 ， 而 且 多 是 自 制 设 备 。 炉 内 放 置盐 浴 坩 埚 ， 为 了 防 止 腐 蚀 ， 盐 浴 坩 埚 必 须 用 不 锈 钢 制 作 。 渗 硼 温 度 为 900 1000 ， 时 间 为 4 6h。 盐 浴 配 制 完 成 后 加 热 到 渗硼 温 度 ， 保 温 0 5h， 再 搅 拌 一 次 ， 方 可 放 入 渗 硼 工 件 。 渗 硼 工 件 要吊 装 在 坩 埚 内 ， 每 隔 0 5 1h将 工 件 适 当 地 移 动 ， 以 保 证 渗 硼 层 均匀 。 达 到 渗 硼 保 温 时 间 后 ， 即 可 出 炉 。 不 需 淬 火 的 工 件 从 盐 浴 中 取出 ， 空 冷 ， 由 于 有 粘 在 工 件 上 的 盐 浴 液 保 护 ， 渗 硼 层 不 致 损 坏 。 需要 淬 火 的 工 件 应 立 即 转 入 中 性 盐 浴 中 加 热 ， 然 后 淬 火 。 电 解 盐 浴 渗 硼 时 ， 以 浸 在 熔 融 硼 砂 中 的 工 件 作 阴 极 ， 石 墨 坩 埚 作 阳 极 ， 电 流 密 度 为 （ 0 15 0 2） A/cm 2， 处 理 温 度 为 930 950 ，时 间 为 2 6h， 可 得 渗 层 深 0 15 0 35mm。 电 解 渗 硼 速 度 快 ， 渗 剂便 宜 ， 渗 层 深 ， 易 调 节 ， 但 渗 层 欠 均 匀 ， 坩 埚 寿 命 较 短 。 气 体 渗 硼与 固 体 渗 硼 的 区 别 是 供 硼 剂 为 气 体 。 气 体 渗 硼 需 用 易 爆 的 乙 硼 烷 或有 毒 的 氯 化 硼 ， 在 工 业 生 产 上 很 少 使 用 。 工 件 渗 硼 后 一 般 应 进 行 淬 火 和 回 火 处 理 。 热 处 理 使 基 体 发 生 相 变 ，而 硼 化 物 层 不 发 生 相 变 ， 因 硼 化 物 与 基 体 的 膨 胀 系 数 差 别 较 大 ， 渗层 易 开 裂 ， 所 以 要 尽 量 使 用 缓 和 的 淬 火 介 质 ， 并 及 时 回 火 。 盐 浴 渗 硼 具 有 设 备 简 单 ， 用 盐 资 源 丰 富 ， 成 本 低 ， 无 公 害 等 优 点 。适 合 渗 硼 的 材 料 十 分 广 泛 ， 几 乎 所 有 钢 铁 材 料 ， 如 结 构 钢 、 工 具 钢 、模 具 钢 、 铸 铁 均 可 进 行 渗 硼 ， 硬 质 合 金 、 有 色 金 属 也 可 以 进 行 渗 硼 。 5.4化学氧化与磷化处理5.4.1化学氧化处理5.4.2磷化处理 5.4.1化学氧化处理.氧化处理(发蓝)时氧化膜形成的原理.氧化处理工艺.发蓝处理后的质量检查.氧化处理设备5.氧化处理安全要求6.氧化处理的应用 .氧化处理(发蓝)时氧化膜形成的原理 .氧化处理工艺( )高 温 氧 化 工 艺 流 程 碱 性 化 学 脱 脂 热 水 洗 酸 洗 冷 水 洗 两次 氧 化 处 理 回 收 温 水 洗 冷 水 洗 浸 3% 5%肥 皂 水 (皂 化 )或3% 5%铬 酸 钾 溶 液 (钝 化 )干 燥 浸 油 。( )常 温 氧 化 工 艺 流 程 化 学 脱 脂 热 水 洗 冷 水 洗 除 锈 酸 洗 冷 水 洗 中 和 处 水 洗 常 温 氧 化 水 洗 肥 皂 水 处 理 干 燥 浸 热油 水 洗 热 水 烫 干 浸 清 漆 封 闭 。 .发蓝处理后的质量检查( )外 观 观 察 法 将 工 件 放 在 荧 光 灯 下 ， 离 肉 眼 300mm， 观 察 其 表面 ， 若 颜 色 均 匀 一 致 ， 无 明 显 花 斑 与 锈 迹 存 在 ， 则 为 良 好 。( )氧 化 膜 疏 松 的 测 定 在 脱 脂 后 的 工 件 上 滴 上 数 滴 3%的 中 性 硫酸 铜 ， 若 在 30s内 不 显 示 铜 色 即 为 合 格 。 .氧化处理设备( )酸 洗 槽 应 采 用 玻 璃 钢 耐 酸 缸 ， 耐 酸 塑 料 桶 、 耐 酸 搪 瓷 缸 等 。( )氧 化 槽 应 保 证 一 定 的 氧 化 速 度 所 具 有 的 功 率 。( )其 他 辅 助 设 备 清 洗 槽 、 皂 化 槽 、 热 油 槽 等 都 无 一 定 技 术 规 定 ，按 需 选 用 即 可 。 5.氧化处理安全要求( )操 作 人 员 在 操 作 时 必 须 戴 上 眼 镜 、 橡 胶 手 套 、 高 筒 胶 皮 鞋 ， 穿耐 酸 工 作 服 。( )碱 性 溶 液 在 氧 化 阶 段 具 有 强 烈 腐 蚀 性 气 体 ， 蒸 发 时 ， 如 碰 到 操作 人 员 皮 肤 ， 会 导 致 皮 肤 发 痒 甚 至 破 裂 ， 因 此 必 须 采 用 铁 罩 壳 将蒸 气 通 向 屋 外 ， 或 安 装 排 气 扇 把 气 体 排 出 室 外 。 6.氧化处理的应用氧 化 处 理 适 用 于 碳 素 钢 和 低 合 金 钢 ， 广 泛 应 用 于 机 械 零 件 、 仪 器 仪表 、 枪 械 等 的 精 密 零 件 及 不 能 以 其 他 覆 层 替 代 的 防 护 装 饰 性 工 件 。在 不 影 响 精 密 度 及 力 学 性 能 的 前 提 下 ， 它 能 使 工 件 增 加 美 观 和 防 锈等 ， 但 在 使 用 过 程 中 应 定 期 擦 油 。 由 于 操 作 不 同 及 金 属 本 身 的 化 学 成 分 不 同 ， 获 得 的 氧 化 膜 颜 色 也 不同 ， 有 蓝 黑 色 、 黑 色 、 红 棕 色 等 ， 碳 素 钢 及 一 般 合 金 钢 为 黑 色 ； 铬硅 钢 为 红 棕 色 到 黑 棕 色 ； 高 速 钢 是 黑 褐 色 ； 铸 铁 为 紫 褐 色 。 5.4.2磷化处理.磷化工艺的基本原理.磷化工艺分类及应用特点 .磷化工艺的基本原理( )利 用 酸 的 浸 蚀 使 基 体 金 属 表 面 H+浓 度 降 低( )促 进 剂 (氧 化 剂 )加 速( )磷 酸 根 的 多 级 离 解( )磷 酸 盐 沉 淀 结 晶 成 为 磷 化 膜 .磷化工艺分类及应用特点( )防 锈 磷 化 工 艺 磷 化 工 艺 的 早 期 应 用 是 防 锈 ， 钢 铁 件 经 磷 化 处理 形 成 一 层 磷 化 膜 ， 起 到 防 锈 作 用 。( )耐 磨 减 摩 润 滑 磷 化 工 艺 对 于 发 动 机 活 塞 环 、 齿 轮 、 制 冷 压 缩机 一 类 工 件 ， 它 不 仅 承 受 一 次 载 荷 ， 而 且 还 有 运 动 摩 擦 ， 要 求 工件 能 减 摩 、 耐 磨 。( )漆 前 磷 化 工 艺 涂 装 底 漆 前 的 磷 化 处 理 ， 将 提 高 漆 膜 与 基 体 金属 的 附 着 力 ， 提 高 整 个 涂 层 系 统 的 耐 腐 蚀 能 力 ， 提 供 工 序 间 保 护以 免 形 成 二 次 生 锈 。( )高 温 磷 化 钢 铁 零 件 的 高 温 磷 化 是 在 90 98 温 度 下 处 理 1030min。( )中 温 磷 化 钢 铁 零 件 中 温 磷 化 ， 是 在 50 70 温 度 下 处 理 10 15min。 .磷化工艺分类及应用特点( )常 (低 )温 磷 化 钢 铁 零 件 常 温 磷 化 ， 是 指 不 加 热 ， 在 自 然 室 温条 件 下 的 磷 化 ， 正 常 为 10 35 。(1)浸 渍 磷 化 适 用 于 高 、 中 、 低 温 磷 化 。(2)喷 淋 磷 化 适 用 于 中 、 低 温 磷 化 工 艺 ， 可 处 理 大 面 积 工 件 ， 如汽 车 、 冰 箱 、 洗 衣 机 壳 体 。(3)刷 涂 磷 化 上 述 两 种 方 法 无 法 实 施 时 ， 采 用 本 法 。 5.5电镀技术5.5.1普通电镀5.5.2电刷镀 5.5.1普通电镀.电镀原理.镀铬.镀锌 .电镀原理 图5-10电镀锌装置示意图 .镀铬( )镀 前 准 备 包 括 镀 前 机 械 加 工 以 提 高 工 件 表 面 质 量 ； 绝 缘 处 理 ，即 在 工 件 不 需 镀 铬 表 面 ， 先 刷 绝 缘 清 漆 ， 再 包 塑 料 胶 带 。( )吊 入 镀 槽 进 行 电 镀 。( )镀 后 加 工 与 处 理 ， 镀 后 检 查 ， 不 合 格 处 用 酸 洗 或 反 极 退 镀 ， 重新 电 镀 。 .镀锌锌 镀 层 大 多 镀 覆 于 钢 铁 制 品 的 表 面 ， 经 钝 化 后 ， 在 空 气 中 几 乎 不 发生 变 化 ， 有 很 好 的 防 锈 功 能 。 这 是 因 为 钝 化 膜 紧 密 细 致 及 锌 镀 层 表面 生 成 的 碱 式 碳 酸 盐 薄 膜 保 护 了 下 面 的 金 属 不 再 受 腐 蚀 的 缘 故 。 另一 方 面 ， 由 于 锌 有 较 高 的 负 电 位 ， 比 铁 的 电 位 高 ， 因 此 ， 形 成 铁 锌 原 电 池 时 ， 锌 镀 层 是 阳 极 ， 它 会 自 身 溶 解 而 保 护 钢 铁 基 体 ， 即 使表 面 锌 镀 层 不 也 能 起 到 这 个 作 用 。 锌 镀 层 对 铁 基 体 既 有 物 理 保 护 作用 ， 又 有 电 化 学 保 护 作 用 ， 所 以 ， 耐 蚀 性 能 相 当 优 良 。 锌 镀 层 钝 化 后 ， 通 常 视 所 用 钝 化 液 不 同 而 得 到 彩 虹 色 钝 化 膜 或 白 色钝 化 膜 。 彩 虹 色 钝 化 膜 的 耐 蚀 性 比 无 色 钝 化 膜 高 5倍 以 上 ， 这 是 因 为彩 虹 色 钝 化 膜 比 白 色 钝 化 膜 厚 。 另 一 方 面 ， 彩 虹 色 钝 化 膜 表 面 被 划伤 后 ， 表 面 能 自 行 再 钝 化 ， 使 钝 化 膜 恢 复 完 整 ， 因 此 镀 锌 多 采 用 彩虹 色 钝 化 。 白 色 钝 化 膜 外 观 洁 白 ， 多 用 于 日 用 五 金 、 建 筑 五 金 等 要求 有 均 匀 白 色 表 面 的 制 品 。 此 外 ， 还 有 黑 色 钝 化 、 军 绿 色 钝 化 等 ， 在 工 业 上 也 有 应 用 。 锌 是 既 溶 于 酸 又 溶 于 碱 的 两 性 金 属 ， 锌 层 中 含 有 异 类 金 属 越 多 越 容易 溶 解 。 电 镀 所 得 锌 层 较 纯 ， 在 酸 和 碱 中 溶 解 较 慢 。 锌 镀 层 经 特 种处 理 后 可 呈 现 各 种 颜 色 作 装 饰 用 。 锌 镀 层 的 厚 度 视 工 件 的 要 求 而 定 ，一 般 不 低 于 5 m ， 普 通 在 6 12 m ， 恶 劣 环 境 条 件 下 才 超 过20 m 。 镀 锌 具 有 成 本 低 ， 耐 蚀 性 好 、 美 观 和 耐 储 存 等 优 点 ， 在 工 业 中 得 到广 泛 应 用 。 但 锌 镀 层 硬 度 低 ， 又 对 人 体 有 害 ， 所 以 不 能 在 食 品 工 业上 使 用 。 5.5.2电刷镀 图5-11电刷镀原理示意图工件镀层镀液包套阳极导电柄电刷镀电源阳极电缆阴极电缆循环使用溶液拾液盘 5.6表面气相沉积技术5.6.1化学气相沉积5.6.2物理气相沉积5.6.3等离子化学气相沉积(PCVD) 5.6.1化学气相沉积.化学气相沉积的原理.化学气相沉积的特点.化学气相沉积的应用 .化学气相沉积的原理 图5-12化学气相沉积氮化钛设备示意图干燥器净化器流量计TiC包蒸发器反应器加热器工件泵尾气吸收器(1) 反 应 气 体 向 工 件 表 面 扩 散 并 吸 附 。 .化学气相沉积的原理(2) 吸 附 于 工 件 表 面 的 各 种 物 质 发 生 表 面 化 学 反 应 。(3) 生 成 物 质 点 聚 集 成 晶 核 逐 渐 长 大 。(4) 表 面 化 学 反 应 中 产 生 的 气 体 产 物 脱 离 工 件 表 面 返 回 气 相 。(5) 沉 积 层 与 基 体 的 界 面 发 生 元 素 的 互 扩 散 ， 形 成 镀 层 。 .化学气相沉积的特点(1)设 备 简 单 ， 操 作 维 护 方 便 ， 灵 活 性 强 。(2)由 于 它 绕 镀 性 能 好 ， 所 以 可 涂 覆 带 有 槽 、 沟 、 孔 、 不 通 孔 等 各种 形 状 的 复 杂 工 件 。(3)由 于 沉 积 温 度 高 ， 涂 层 与 基 体 之 间 结 合 牢 靠 ， 经 CVD处 理 的 工件 ， 即 使 在 十 分 恶 劣 的 条 件 下 工 作 涂 层 也 不 易 脱 落 。(4)涂 层 致 密 均 匀 ， 并 且 可 以 控 制 它 们 的 纯 度 、 结 构 和 晶 粒 度 。(5)CVD法 沉 积 温 度 高 ， 一 般 在 800 1100 范 围 内 ， 对 于 高 温 时 变形 量 较 大 的 钢 材 和 尺 寸 要 求 特 别 精 密 的 工 件 要 考 虑 变 形 的 影 响 。 .化学气相沉积的应用( )耐 磨 镀 层 以 氮 化 物 、 氧 化 物 、 碳 化 物 和 硼 化 物 为 主 ， 主 要 应用 于 金 属 切 削 刀 具 。( )摩 擦 学 镀 层 主 要 降 低 接 触 的 滑 动 面 或 转 动 面 之 间 的 摩 擦 因 数 ，减 少 粘 着 、 摩 擦 或 其 他 原 因 造 成 的 磨 损 。( )高 温 应 用 镀 层 主 要 是 镀 层 的 热 稳 定 性 。 5.6.2物理气相沉积物 理 气 相 沉 积 （ PVD） 是 在 真 空 条 件 下 ， 将 金 属 、 合 金 或 非 金 属 及化 合 物 等 用 物 理 方 法 气 化 为 原 子 或 分 子 ， 或 使 之 离 化 为 离 子 ， 然 后直 接 沉 积 在 基 体 表 面 形 成 薄 膜 的 技 术 。 物 理 气 相 沉 积 技 术 始 于 20世纪 初 ， 现 已 在 机 械 、 电 子 、 信 息 、 航 空 航 天 、 轻 工 、 光 学 、 能 源 等部 门 得 到 广 泛 应 用 。 可 用 于 制 备 抗 氧 化 、 抗 腐 蚀 、 耐 磨 、 润 滑 、 装饰 等 结 构 镀 层 ， 也 可 制 备 光 学 、 磁 性 、 导 电 、 压 电 和 超 导 等 具 有 特殊 性 能 的 功 能 膜 。 物 理 气 相 沉 积 的 实 用 方 法 有 以 下 三 种 。 真 空 蒸 镀 ： 在 真 空 室 中将 成 膜 材 料 用 电 阻 加 热 (或 电 子 束 加 热 、 感 应 加 热 )方 法 加 热 至 熔 化状 态 ， 并 使 之 蒸 发 后 以 原 子 或 分 子 态 沉 积 在 基 体 表 面 成 膜 ； 真 空溅 射 ： 在 真 空 室 内 通 入 0 1 1 0Pa的 惰 性 气 体 (如 氮 )， 使 之 在 高电 压 下 辉 光 放 电 ， 气 体 离 子 在 强 电 场 作 用 下 轰 击 膜 材 制 成 的 阴 极 靶 ，使 表 面 的 原 子 被 溅 射 出 来 ， 沉 积 在 基 体 上 成 膜 ； 离 子 镀 ： 将 真 空 蒸 镀 和 离 子 溅 射 结 合 起 来 的 一 种 新 的 镀 膜 技 术 。 在 真 空 室 中 通 过 电阻 加 热 (或 电 子 束 加 热 、 感 应 加 热 )使 膜 材 汽 化 ， 然 后 向 真 空 室 中 通入 0 1 1 0Pa的 氢 气 ， 在 基 体 相 对 于 膜 材 间 加 负 高 压 ， 于 是 基 体与 膜 材 间 产 生 辉 光 放 电 ， 基 体 在 受 到 气 体 正 离 子 轰 击 清 除 表 面 污 染物 的 同 时 ， 也 有 大 量 被 电 离 的 膜 材 物 质 的 正 离 子 射 向 负 高 压 的 基 体 ，沉 积 成 膜 。 物 理 气 相 沉 积 过 程 是 在 真 空 中 进 行 的 ， 与 其 他 工 艺 相 比 有 以 下 特 点 ： 在 真 空 条 件 下 制 备 的 膜 物 理 化 学 性 能 好 ， 如 不 受 污 染 、 纯 度 高 、致 密 性 好 、 光 洁 度 高 、 膜 厚 均 匀 ； 膜 厚 容 易 控 制 ， 既 可 制 几 百 微米 的 厚 膜 ， 也 很 容 易 制 备 数 十 纳 米 的 极 薄 膜 ； 镀 膜 材 料 和 基 体 材料 的 范 围 广 泛 ， 几 乎 不 受 限 制 。 可 制 纯 金 属 膜 ， 成 分 复 杂 的 合 金 膜 ，也 可 在 沉 积 过 程 中 通 入 反 应 气 体 (如 氧 、 氮 等 )制 备 化 合 物 膜 ， 如 三氧 化 二 铝 （ Al 2O 3） 、 氮 化 铝 （ AlN） 、 氮 化 钛 （ TiN） 、 二 硫 化钼 （ MoS 2） 等 膜 ； 沉 积 速 度 较 快 。 不 足 之 处 是 PVD法 形 成 的 沉 积层 较 薄 ， 且 与 工 件 表 面 的 结 合 力 较 小 ， 镀 层 的 均 匀 性 较 差 ， 设 备 的 造 价 较 高 ， 操 作 维 护 的 技 术 要 求 也 较 高 。 镀 膜 前 可 在 真 空 室 中 对 基体 表 面 进 行 离 子 轰 击 清 洗 ， 以 增 强 镀 层 与 基 体 的 结 合 强 度 5.6.3等离子化学气相沉积(PCVD)表5-3PVD法、CVD法及PCVD法的特性与应用比较 5.7其他表面处理技术5.7.1热喷涂5.7.2喷丸强化5.7.3激光表面强化处理 5.7.1热喷涂1.火焰粉末喷涂2.电弧喷涂3.等离子喷涂 5.7.1热喷涂图5-13热喷涂技术原理示意图 5.7.1热喷涂 图5-14涂层的形成过程 1.火焰粉末喷涂 图5-15火焰粉末喷涂示意图 2.电弧喷涂 图5-16电弧喷涂示意图 3.等离子喷涂 图5-17等离子喷涂示意图(1)适 应 性 广 热 喷 涂 可 在 各 种 基 体 上 制 备 各 种 材 质 的 涂 层 。 3.等离子喷涂(2)基 体 温 度 低 一 般 在 30 200 之 间 ， 因 此 变 形 小 ， 热 影 响 区 浅 。(3)操 作 灵 活 可 喷 涂 各 种 规 格 和 形 状 的 物 体 ， 特 别 适 合 于 大 面 积涂 层 ， 并 可 在 野 外 作 业 。(4)涂 层 厚 度 范 围 宽 从 几 十 微 米 到 几 毫 米 的 涂 层 都 能 制 备 ， 且 容易 控 制 ； 喷 涂 效 率 高 ， 成 本 低 ， 喷 涂 时 生 产 效 率 为 每 小 时 数 公 斤到 数 十 公 斤 。 5.7.2喷丸强化()延长构件寿命(使疲劳强度提高20%70%)。()在寿命等同的条件下增加承载能力。()允许减小工件的尺寸和质量。()减少对精加工的需求。()降低成本。()在使用高强度钢时，不必担心出现缺口敏感性。()能够用于对疲劳性有损害的工艺过程，例如放电加工、电解加工以及镀硬铬等过程。()铸铁弹丸碳质量分数w C为2.75%3.60%，硬度约为5865HRC。 5.7.2喷丸强化()钢弹丸当前使用的钢弹丸一般是将wC为0.7%的弹簧钢丝(或不锈钢丝)，切制成段，经磨圆加工制成，直径为d0.41.2mm。()玻璃弹丸其应用是在近十几年发展起来的，已在国防工业中获得应用。 5.7.3激光表面强化处理1.激光相变硬化2.激光熔化凝固处理(熔凝处理)3.激光表面合金化.实验目的.实验设备及材料.实验步骤4.实验报告内容5.实验注意事项.实验目的.实验设备及材料.实验步骤 4.实验报告内容5.注意事项： 1.激光相变硬化激 光 相 变 硬 化 热 处 理 是 将 规 律 的 强 激 光 束 照 射 到 工 件 表 面 ， 迅 速 将工 件 表 面 温 度 提 高 到 奥 氏 体 转 变 温 度 以 上 、 熔 点 以 下 的 范 围 之 内 ，通 过 激 光 束 的 快 速 移 动 ， 被 加 热 的 部 位 与 工 件 内 部 进 行 快 速 的 热 交换 ， 使 工 件 表 面 的 冷 却 速 度 极 快 来 实 现 马 氏 体 的 转 变 ， 得 到 极 细 的马 氏 体 结 构 组 织 。 由 于 激 光 相 变 硬 化 是 采 用 快 速 加 热 与 快 速 冷 却 的工 作 方 式 ， 它 在 工 件 表 面 上 产 生 的 压 应 力 可 以 达 到 750MPa以 上 ， 从而 增 强 了 材 料 的 疲 劳 强 度 。 一 些 用 传 统 热 处 理 不 易 处 理 或 效 果 不 佳 的 材 料 ， 如 铸 铁 ， 低 碳 钢 等 ，均 可 采 用 激 光 相 变 硬 化 的 方 式 进 行 热 处 理 ， 并 且 效 果 良 好 。 在 相 同的 激 光 强 化 条 件 下 ， 激 光 强 化 层 的 显 微 硬 度 和 厚 度 取 决 于 钢 的 含 碳量 ， 随 着 含 碳 量 的 增 加 ， 激 光 强 化 层 的 厚 度 和 硬 度 有 所 增 加 。 各 种 材 料 经 激 光 相 变 硬 化 处 理 后 ， 可 以 得 到 晶 粒 非 常 细 小 的 表 层 组织 ， 它 不 但 有 良 好 的 强 度 、 硬 度 ， 而 且 在 许 多 情 况 下 不 发 生 脆 性 破 坏 ， 使 材 料 表 面 性 能 得 到 改 善 ， 耐 磨 性 显 著 提 高 。 而 且 因 为 相 变 硬化 层 体 积 膨 胀 受 到 基 体 限 制 ， 故 而 表 层 产 生 数 百 兆 帕 的 残 留 压 应 力 ，提 高 了 材 料 的 疲 劳 强 度 。 2.激光熔化凝固处理(熔凝处理)激 光 熔 化 凝 固 处 理 是 利 用 高 能 量 密 度 的 激 光 束 对 金 属 表 层 进 行 熔融 和 激 冷 处 理 ， 使 金 属 表 层 形 成 一 层 液 体 金 属 的 激 冷 组 织 ， 但 并 不改 变 表 层 的 化 学 成 分 。 由 于 表 层 金 属 的 加 热 和 冷 却 都 异 常 迅 速 ， 故所 得 的 组 织 非 常 细 小 。 若 通 过 外 部 介 质 使 表 层 熔 液 冷 却 速 度 达 到 WTBZ 10 6 /s WTBZ ,则 可 抑 制 结 晶 过 程 的 进 行 而 凝 固成 非 晶 态 ， 称 为 激 光 熔 化 非 晶 态 处 理 ， 又 称 激 光 上 釉 。 熔 凝 处 理 可 以 用 来 改 善 材 料 表 面 的 耐 磨 性 、 疲 劳 强 度 和 耐 蚀 性 。 某些 合 金 钢 在 高 速 冷 却 结 晶 后 ， 可 以 提 高 碳 化 物 弥 散 度 ， 改 善 合 金 元素 及 碳 化 物 分 布 ， 因 而 表 面 硬 度 和 热 稳 定 性 都 有 提 高 ， 可 延 长 模 具的 寿 命 。 如 Cr12莱 氏 体 钢 和 4Cr5MoSiV钢 表 面 熔 化 ， 然 后 超 高 速 冷 却 ，形 成 很 细 的 铸 态 组 织 ， 使 合 金 元 素 和 碳 化 物 分 布 更 均 匀 ， 提 高 了 表面 硬 度 。 3.激光表面合金化激 光 表 面 合 金 化 是 一 种 既 改 变 材 料 表 面 的 物 理 状 态 ， 又 改 变 其 化 学成 分 的 激 光 表 面 强 化 技 术 。 这 种 表 面 处 理 工 艺 先 是 采 用 电 镀 、 涂 覆粉 末 、 填 加 粉 末 等 方 法 把 所 需 要 的 合 金 元 素 涂 敷 到 金 属 表 面 ， 然 后在 激 光 束 的 照 射 下 ， 使 其 与 基 体 表 面 的 一 薄 层 快 速 熔 化 ， 通 过 控 制熔 化 深 度 来 改 善 表 面 组 织 与 性 能 。 激 光 表 面 合 金 化 处 理 仅 在 熔 化 区 的 薄 层 内 有 成 分 的 改 变 及 组 织 性 能的 变 化 ， 热 效 应 也 只 发 生 在 1 2mm的 范 围 内 ， 因 此 对 基 体 材 料 的 影响 很 小 ， 工 件 变 形 小 ， 工 件 合 金 化 层 性 能 稳 定 ， 与 基 体 结 合 强 度 远高 于 CVD和 PVD。 这 种 处 理 方 法 过 程 简 单 ， 效 率 高 ， 可 以 通 过 表 面 合金 化 处 理 替 代 合 金 而 节 省 大 量 贵 重 稀 有 元 素 ， 在 技 术 上 和 经 济 上 有重 要 意 义 。 4.实验报告内容( )本 次 实 验 目 的 。( )实 验 材 料 与 实 验 内 容 。( )实 验 步 骤 。( )分 析 加 热 温 度 与 钢 种 (wC%)对 硬 化 层 深 度 的 影 响 并 加 以 讨 论 。( )分 别 绘 制 出 45钢 和 T12钢 硬 度 分 布 曲 线 并 加 以 讨 论 。(6)实 验 结 论 。 4.实验报告内容( )本 次 实 验 目 的 。( )实 验 材 料 与 实 验 内 容 。( )发 蓝 工 艺 的 基 本 原 理 。( )实 验 基 本 步 骤 和 注 意 事 项 。( )分 析 发 蓝 温 度 与 时 间 对 表 面 质 量 的 影 响 。