金属热处理及表面处理

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,金属热处理,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。,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,1.82.5MJ/m,2,a,k,5080HBS,HB,3050%,100170MN/m,2,0.2,7080%,180280MN/m,2,b,1,、铁碳合金中的相,(1),铁素体,碳在,-Fe,中的,固溶体，用,“,F,”,表示。,特点：, 在,727,有最大溶解度，为,0.0218%C,；, 强度和硬度低，韧性塑性好。其力学性能大致为；,(2) Fe,3,C,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,“,Fe,3,C,”,表示。,渗碳体的性能特点,硬度高，脆性大。,硬度,HB=800kgf/mm,2,;,抗拉强度,b,30MPa;,塑性、韧性几乎为零。,(3),奥氏体,碳在,-Fe,中的固溶体，用,“,A,”,表示。,特点：, 在,1148,时有最大溶解度,2.11%C,，,727,时可固溶,0.77%C,；, 其力学性能与含碳量及晶粒大小有关，一般,170,220HBS,、,=40,50%,；, 形变能力好，形变抗力小。,（,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。,2,、碳含量与钢组织之间的关系,F,Fe,3,C,Fe,3,C,P,Ld,0,0.77,2.11,4.3,6.69,C%,0.0218,3.,碳钢的机械性能与碳含量的关系,400MPa,800MPa,1200MPa,HB,(100HB),(200HB),(300HB),0,0.4,0.8,1.2,a,k,d,y,s,b,s,b,HB,60%,14J/cm,2,d,y,40%,12J/cm,2,20%,8J/cm,2,a,k,C%,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。,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。,常用退火工艺,完全退火、球化退火、等温退火、去应力退火等。,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。,碳钢退火,.,正火加热温度,1000,1100,400,600,800,0,0.4,0.,8,1.,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,3,）淬火与回火,（,1,）淬火,将钢加热至,Ac,3,线或,Ac,1,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。,碳在,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。,4,）回火,将淬火后的钢加热到,Ac,1,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。,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,。,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。,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。,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,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,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。,3.2,金属的表面处理,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，,（,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。,阴极：主反应,Zn,2+,+2e-Zn,副反应,2H,+,+2e-H,2,阳极：主反应,Zn-Zn,2+,+2e,副反应,4OH,-,-2H,2,O+O,2,+4e,图,3-20,镀锌过程示意图,H,Zn,Fe,H,+,Zn,2+,ZnSO,4,阳极,(Zn),阴极,(Fe),（,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。,（,3,）静电喷漆,electrostatic spray paining,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。,2,、转化膜,conversion coating,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。,（,1,）钢的氧化处理,Black oxide,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（,Fe,3,O,4,）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。,（,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,Me,3,(PO,4,),2,或磷酸氢盐（,MeHPO,4,),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。,（,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：,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。,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),（,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,（,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,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；,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,（,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,离子镀原理示意图,+,+,+,+,+,+,+,+,在合适的电压下（一般为,3,5,千伏），基体和蒸发源之间产生辉光放电，一部分电离生成的氩正离子受负高压基体的吸引轰击基体。当清洗完毕后再使蒸发源中的涂覆料蒸发，蒸发出的粒子进入辉光放电区，其中一部分电离为正离子，受负高压作用沉积在基体上。,2.,化学气相沉积（,CVD),化学气相沉积是近一二十年发展起来的薄膜沉积新技术。这种技术是利用气态物质在一固体材料表面上进行化学反应，生成固态沉积物的过程。化学气相沉积可以在中等温度下利用高气压反应剂气体源，来沉积高熔点的相。如,TiB2,的熔点为,3225,，可以由,TiCI4,BCI3,和,H2,在于,900,下以化学气相沉积获得。,2 WF,6,+1/6 C,6,H,6, +11 1/2 H,2, W,2,C+12 HF ,真,空,泵,CVD,反应器,流量计,气体混合器,H,2,C,6,H,6,WF,6,Ar,图,3-24,化学气相沉积炭化钨装置示意图,工件,沉积的固态膜层主要有装饰功能薄膜、物理功能薄膜（如光学膜、微电子膜、光电子膜和信息存储膜等）、机械功能薄膜（如高强度高硬度膜、自润滑膜、耐磨损和耐腐蚀膜等）以及特殊功能薄膜（如高温下耐磨损和透光的金刚石膜）等。被沉积工件材料可以是金属、硬质合金、陶瓷、聚合物和玻璃等。涂覆的薄膜主要有金属膜、合金膜、氧化物膜、氮化物膜和碳化物膜等,