金属表面处理工艺

金属表面处理工艺金属表面处理工艺一、表面热处理一、表面热处理1、表面淬火、表面淬火n表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情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。强化零件表面的热处理方法。火焰加热火焰加热火焰加热火焰加热感感应应加加热热n表面淬火目的：表面淬火目的：n 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;n 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的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。塑性和韧性。即表硬里韧。n适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。轴轴轴轴的的的的感感感感应应应应加加加加热热热热表表表表面面面面淬淬淬淬火火火火n表面淬火用材料表面淬火用材料n 0.4-0.5%C的中碳钢。的中碳钢。n含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。n含碳量过高，心部韧性下降；含碳量过高，心部韧性下降；n 铸铁铸铁 提高其表面耐磨性。提高其表面耐磨性。机床导轨机床导轨表面淬火齿轮表面淬火齿轮n预备热处理预备热处理n工艺：工艺：n对于结构钢为调质或正火。对于结构钢为调质或正火。n前者性能高，用于要求高的重前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普要件，后者用于要求不高的普通件。通件。n目的目的:n为表面淬火作组织准备；为表面淬火作组织准备；n获得最终心部组织。获得最终心部组织。回火索氏体回火索氏体索氏体索氏体n表面淬火后的回火表面淬火后的回火n采用低温回火采用低温回火，温度不高于，温度不高于200。n回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。n表面淬火表面淬火+低温回火后的组织低温回火后的组织n表层组织为表层组织为M回回；心部组织为；心部组织为S回回(调质调质)或或F+S(正火正火)。感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应淬火机床感应淬火机床感应淬火机床感应淬火机床感应加热感应加热表面淬火表面淬火示意图示意图n表面淬火常用加热方法表面淬火常用加热方法n 感应加热感应加热:利用交变电流利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。使工件表面迅速加热的方法。n感应加热分为：感应加热分为：n高频感应加热高频感应加热 频频率率为为250-300KHz，淬淬硬层深度硬层深度0.5-2mm传传动动轴轴连连续续淬淬火火感感应应器器感应加热表面淬火齿轮的截面图感应加热表面淬火齿轮的截面图n中频感应加热中频感应加热 频频率率为为2500-8000Hz，淬淬硬硬层层深深度度2-10mm。各种感应器各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴n工频感应加热工频感应加热n频率为频率为50Hz,淬硬层淬硬层深度深度10-15 mm各种感应器各种感应器感应穿透加热感应穿透加热n 火焰加热火焰加热:利用乙炔火焰直接加利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。热工件表面的方法。成本低，但质成本低，但质量不易控制。量不易控制。n 激光热处理激光热处理:利用高能量密度的利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。效率高，质量好。火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图激光表面热处理激光表面热处理火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火一、表面热处理一、表面热处理2、化学表面热处理、化学表面热处理n化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子介质中活性原子渗入工件表层从渗入工件表层从而改变工件表层而改变工件表层化学成分和组织化学成分和组织,进而改变其性能进而改变其性能的热处理工艺。的热处理工艺。n与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。变其化学成分。n化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。n根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元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。共渗、渗其他元素等。可控气氛渗碳炉可控气氛渗碳炉渗渗碳碳回回火火炉炉常用的化学热处理：常用的化学热处理：渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮化）等。和软氮化）等。渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。发兰、磷化渗硫、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。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化学热处理过程包括分解、吸收、扩散分解、吸收、扩散三个基本三个基本过程。过程。化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程 n介质介质(渗剂渗剂)的分解的分解:分解的同分解的同时释放出活性原子。时释放出活性原子。n如：渗碳如：渗碳 CH42H2+C 氮化氮化 2NH33H2+2Nn工件表面的吸收工件表面的吸收:活性原子向活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。成化合物。n原子向内部扩散。原子向内部扩散。氮化扩散层氮化扩散层钢的渗碳钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。是指向钢的表面渗入碳原子的过程。n渗碳目的渗碳目的n提高工件表面硬度、耐提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性保持心部良好的韧性。n渗碳用钢渗碳用钢l为含为含0.1-0.25%C的低碳的低碳钢。钢。碳高则心部韧性降碳高则心部韧性降低。低。经经渗渗碳碳的的机机车车从从动动齿齿轮轮气体渗碳气体渗碳法示意图法示意图n渗碳方法渗碳方法n 气体渗碳法气体渗碳法n将工件放入密封炉内，在高将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。温渗碳气氛中渗碳。n渗剂为气体渗剂为气体(煤气、液化气等煤气、液化气等)或有机液体或有机液体(煤油、甲醇等煤油、甲醇等)。n优点优点:质量好质量好,效率高；效率高；n缺点缺点:渗层成分与深度不易控渗层成分与深度不易控制制n 固体渗碳法固体渗碳法n将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。n渗剂为木炭。渗剂为木炭。n优点：操作简单；优点：操作简单；n缺点：渗速慢，劳动条件差。缺点：渗速慢，劳动条件差。l 真空渗碳法真空渗碳法l将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后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。通入渗碳气体加热渗碳。l优点优点:表面质量好表面质量好,渗碳速度快。渗碳速度快。真空渗碳炉真空渗碳炉n渗碳温度渗碳温度：为：为900-950。n渗碳层厚度渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为一般为0.5-2mm。低碳钢渗碳缓冷后的组织低碳钢渗碳缓冷后的组织l渗碳层表面含碳量：渗碳层表面含碳量：以以0.85-1.05为最好。为最好。l渗碳缓冷后组织：渗碳缓冷后组织：表层表层为为P+网状网状Fe3C;心部心部为为F+P;中间为过渡区。中间为过渡区。n渗碳后的热处理渗碳后的热处理n淬火淬火+低温回火低温回火,回火温度为回火温度为160-180。淬火方法有：淬火方法有：n 预冷淬火法预冷淬火法n渗碳后预冷到略高于渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。温度直接淬火。渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图n一次淬火法一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。：即渗碳缓冷后重新加热淬火。n 二次淬火法：二次淬火法：n即渗碳缓冷后即渗碳缓冷后第一次加热为心部第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部细化心部；第第二次加热为二次加热为Ac1+30-50，细化表层细化表层。渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图n常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火淬火+低温低温回火。回火。此时组织为：此时组织为：n表层：表层：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)n心部：心部：M回回+F（淬透时）（淬透时）渗碳淬火后的表层组织渗碳淬火后的表层组织M+F钢的氮化钢的氮化 n氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。n氮化用钢氮化用钢井式气体氮化炉井式气体氮化炉l为含为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中的中碳钢。碳钢。l常用钢号为常用钢号为38CrMoAl。l氮化温度氮化温度为为500-570l氮化层厚度氮化层厚度不超过不超过0.6-0.7mm。n常用氮化方法常用氮化方法n气体氮化法与离子氮化法。气体氮化法与离子氮化法。n气体氮化法与气体渗碳法类似，气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。渗剂为氨。n离子氮化法是在电场作用下，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，阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。氮化时间短，氮化层脆性小。离子氮化炉离子氮化炉n氮化的特点及应用氮化的特点及应用n氮化件表面硬度高（氮化件表面硬度高（6972HRC），耐磨性高。），耐磨性高。n疲劳强度高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。由于表面存在压应力。氮氮化化层层组组织织38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度n工件变形小。工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。n 耐蚀性好。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。n氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。n用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如用于耐磨性、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。仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。缝纫机用氮化件缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴经氮化的机车曲轴滲氮与滲碳相比：滲氮与滲碳相比：u滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达6972HRC，且在且在600650高温下仍能保持较高硬度；高温下仍能保持较高硬度；u滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性；滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性；u滲氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和其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；他缺陷；u滲氮温度较低。滲氮温度较低。u只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能达到要求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。的滲氮层。二、表面形变强化二、表面形变强化n表面形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形表面形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形，以，以提高其表面硬度并产生有利的残余压应力分布的表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。面强化工艺。n工艺简单，成本低廉，是提高钢件抗疲劳能力，延工艺简单，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。长其使用寿命的重要工艺措施。1、喷丸、喷丸n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，犹如无数个小无数个小锤锤击锤锤击金属表面，使零件表层和次表层发生一定的金属表面，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。塑性变形而实现强化的一种技术。n应用：形状较复杂的零件应用：形状较复杂的零件n在磨削、电镀等工序后进行在磨削、电镀等工序后进行2、滚压处理、滚压处理n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，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，从而残余压应力，从而提高工件的耐磨性和抗疲劳能力提高工件的耐磨性和抗疲劳能力。n应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件三、表面覆层强化三、表面覆层强化n表面覆层强化是通过物理或化学的方法在金属表面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。涂覆一层或多层其他金属或非金属的表面强化工艺。n目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行表面装饰。表面装饰。1、金属喷涂技术、金属喷涂技术 n将金属粉末加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾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化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂热喷涂。l利用热喷涂技术可改善材料利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。及绝缘性等。l广泛用于包括航空航天、原广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。的几乎所有领域。等离子热喷涂等离子热喷涂2、金属镀层、金属镀层 n在基体材料的表面覆上一层或多层金属镀层，可以显著改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。善其耐磨性、耐蚀性和耐热性，或获得其他特殊性能。n电镀：工件作为阴极电镀：工件作为阴极n化学镀：不外加电源的条件下，利用化学还原的方法在基化学镀：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。体材料表面催化膜上沉积一层金属的表面强化方法。特点：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，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。孔隙与裂纹少；可以在非金属材料表面沉积金属层。n复合镀：电镀或化学镀的溶液中加入适量金属或非金属微复合镀：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。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应用：对材料有特殊要求。原子能工业和航天航空工业3、金属碳化物覆层气相沉积法、金属碳化物覆层气相沉积法 n气相沉积技术气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理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。术。l根据沉积过程的原理不同，根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为气相沉积技术可分为物理物理气相沉积气相沉积(PVD)和和化学气化学气相沉积相沉积(CVD)两大类。两大类。物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积TiAlTiAl靶靶靶靶n物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）n物理气相沉积物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。一层薄膜的技术。l物理沉积技术主要包括物理沉积技术主要包括真真空蒸镀、溅射镀、离子镀空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。三种基本方法。磁控溅射镀膜设备磁控溅射镀膜设备n真空蒸镀真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiN活塞环活塞环真真空空蒸蒸镀镀Al膜膜的的塑塑料料制制品品n溅射镀溅射镀是在真空下通过辉光是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离子在放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。表面成膜的方法。溅射镀示意图溅射镀示意图磁磁控控溅溅射射镀镀膜膜机机磁控溅射镀磁控溅射镀AlAl的塑料制品的塑料制品n离子镀离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分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电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到子一起沉积到工件表面成膜的方法。工件表面成膜的方法。多弧离子镀膜机多弧离子镀膜机n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。均匀、致密、针孔少等优点。n广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备广泛用于机械、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、耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。超导等薄膜。离子镀产品离子镀产品n化学气相沉积化学气相沉积(CVD)n化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体CVD设备设备表面相互作用而在基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物表面形成金属或化合物薄膜的方法。薄膜的方法。例如，气态的例如，气态的TiCl4与与N2和和H2在受热钢的表面反在受热钢的表面反应生成应生成TiN，并沉积在钢，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。沉积层。由于化学气相沉积膜由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制已被广泛用于机械制造、航空航天、交通造、航空航天、交通运输、煤化工等工业运输、煤化工等工业领域。领域。经经CVD处理的模具处理的模具经经CVD处理处理的活塞环的活塞环4、非金属覆层、非金属覆层n根据不同目的，在金属表面涂覆各种非金属覆层，如氧化根据不同目的，在金属表面涂覆各种非金属覆层，如氧化膜、防锈涂料、塑料、橡胶、陶瓷等。膜、防锈涂料、塑料、橡胶、陶瓷等。n氧化（发蓝）氧化（发蓝）n磷化磷化四、热处理的工艺性四、热处理的工艺性n热处理时机的确定热处理时机的确定：预备热处理一般安排在毛坯生产之后，切削加工之前 正火和退火：消除热加工时毛坯的内应力、细化晶粒、调整组织、改善切削加工性 调质：提高零件综合性能，为最终热处理做组织上的准备 最终热处理（淬火+回火或化学热处理）：一般放在半精加工之后，磨削加工之前。n热处理工艺对零件结构的要求