金属表面处理技术 教学课件 ppt 作者 王学武 第三单元

1、第三单元 金属表面改性技术,概 述,表面改性技术是指采用某种工艺手段，改变金属表面的化学成分或组织结构，从而赋予工件表面新的性能。 金属材料经表面改性处理后，既能发挥金属材料本身的力学性能，又能使其表面获得各种特殊性能，如耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性及其它物理化学性能。,概 述,表面改性技术与表面涂（覆）层技术是金属表面处理技术的两大根基，表面改性技术包括表面形变强化、表面热处理、化学热处理、高能束表面处理等技术。 本单元主要介绍前三种处理技术；而高能束表面处理，如激光表面淬火、离子注入等将在第八单元介绍。,心部：硬度低，韧性高,在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。,表面：硬度高，耐磨,表面和心部性能要求不同的零件实例,在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。,低碳钢 ：可满足心部要求， 表面要求不能满足； 高碳钢： 可满足表面要求， 心部要求不能满足；,解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理,仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理, 也叫表

2、面淬火。,化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。,让我们首先学习一下表面热处理吧。,综合知识模块一,表面淬火,表面淬火,按照实现方式，表面淬火可分为： 感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 电接触加热表面淬火 电解液加热表面淬火,表面淬火的工艺特征是:,通过快速加热使钢的表层奥氏体 化,然后急冷,使表层形成马氏体 组织,而心部仍保持不变。,能力知识点1 感应加热表面淬火,原理 分类 应用 特点,1.感应加热表面淬火原理,感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。,感 应 加 热 表 面 淬 火 示 意 图,电流频率与淬硬深度的关系,在淬火

3、温度状态下，电流透入的深度与感应电流的频率有关，电流频率越高，电流透入深度越薄，淬火后硬化层也就越薄。,淬火层深度()与电流频率( f )的关系: = 500 / f （mm）,2.感应加热表面淬火分类,3.感应加热表面淬火应用范围,一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。 为零件心部的性能，感应加热淬火的预备热处理常采用正火或调质。 表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。 感应加热淬火零件的加工工艺路线为： 下料-锻造-调质或正火-切削加工-感应加热淬火+低温回火-精加工-检验,4.感应加热表面淬火特点,高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80150)进行的, 因此晶核多, 且不易长大，组织细小。 表面层淬得马氏体后, 由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力, 显著提高工件的疲劳强度。 因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。 加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。 工艺设备较贵

4、，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应器不易制造。,能力知识点2,火焰加热表面淬火,1.火焰加热表面淬火原理,火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件表面，进行淬火。,2.火焰加热表面淬火的特点,火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。可对大型零件局部实现表面淬火。 缺点是生产率低，零件表面容易产生过热，淬硬层的均匀性远不如感应淬火，质量控制也比较困难。,主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。,能力知识点3,电接触加热表面淬火,1.定义,电接触加热表面淬火是利用触头和工件间的接触电阻使工件表面加热，并借助本身未加热部分的热传导来实现淬火冷却。,2.原理,变压器二次侧线圈供给低电压大电流，在电极(铜滚轮或碳棒)与工件表面接触处产生局部电阻加热。当电流足够大时，产生的热能足以使此部分工件表面温度达到淬火临界温度以上，然后靠工件的自行冷却实现淬火。,3.特点和应用,电接触加热表面淬火能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，淬火后表面硬度可达5055HRC。但淬硬层较薄(0.150.30mm)，金相组织及硬度的均匀性都较

5、差。 这种方法的优点是设备简单、操作方便、工件变形小，淬火后不需回火。 目前多用于机床铸铁导轨的表面淬火，也可用于汽缸套、曲轴、工具、模具等件上。,综合知识模块二,化学热处理,化学热处理的定义,将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。,化学热处理的目的和分类,化学热处理的作用主要有以下两个方面，一方面是提高工件表层的某些力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳极限等。另一方面是保护工件表面 ，提高工件表层的物理、化学性能，如耐高温、耐腐蚀等。 按渗入的元素不同，化学热处理可分为： 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。 渗入元素介质可以是固体、液体和气体。,化学热处理的基本过程,活性介质分解，表面吸收，向内部扩散。 分解: 化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。 2CO CO2 +C 吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶解。 扩散: 活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一定的扩散层。,能力知识点1,钢的渗碳,1.渗 碳的定义和目的,钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入到钢表层的化学热处理工艺叫渗碳。 目的：提高表

6、层的硬度的耐磨性，并保持心部良好的韧性。,2.渗碳用钢,渗碳适用于含碳量为0.10-0.25%的低碳钢或低碳合金钢，经渗碳和淬火、低温回火后，可在零件的表层和心部分别获得高碳和低碳组织，使高碳钢和低碳钢的不同性能结合在一个零件上，从而满足了零件的使用性能要求。,3.渗 碳工艺,根据渗碳剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。气体渗碳法的生产率高，渗碳过程容易控制，渗碳层质量好，且易实现机械化与自动化，故应用最广。,3.1 固体渗碳法,3.2 气体渗碳,气体渗碳法的生产率高，渗碳过程容易控制，渗碳层质量好，且易实现机械化与自动化，故应用最广。,3.2 气体渗碳,滴注法气体渗碳法是把工件置于密封的井式气体渗碳炉中，通入渗碳剂，并加热到渗碳温度900-950（常用930），使工件在高温的气氛中进行渗碳。 炉内的渗碳气氛主要由滴入炉内的煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体在高温下分解而成，主要由CO、CO2、H2和CH4等组成。,4.渗碳后的组织,渗碳层的表面含碳量最好在0.851.05%范围内，表面含碳量过低，淬火、低温回火后得到含碳量较低的马氏体，硬度低，耐磨性差，疲劳极限也低。

7、但表面含碳量过高，渗碳层中会出现大量块状或网状渗碳体，使渗碳层变脆，易剥落，同时由于表面淬火组织中，残余奥氏体的过度增加，使表面硬度、耐磨性下降，以及表层残余压应力减小，导致疲劳极限显著降低。,4.渗碳后的组织,钢经渗碳后表层含碳量可达0.851.05%,并从表层到心部其含碳量逐渐减小,到心部为原来低碳钢的含碳量。因此,低碳钢渗碳缓冷到室温的组织最外层是过共析组织,往里是共析组织,再往里是亚共析组织的过渡层,最里面是心部的原始组织。,5. 渗碳后的热处理,工件渗碳后必须进行热处理,常用的热处理方法是淬火低温回火。 渗碳后可直接淬火，但由于渗碳温度高, 奥氏体晶粒长大, 淬火后马氏体较粗, 残余奥氏体也较多, 所以耐磨性较低, 变形较大。为了减少淬火时的变形, 渗碳后常将工件预冷到830850后淬火。渗碳、淬火后应进行低温(150200)回火, 以消除淬火应力和提高韧性。,淬火,预冷,热处理后的组织,低碳M回+F,M回+Cm+A残,低碳 合金钢,F+P,M回+Fe3C+A残,低碳钢,6.渗碳后的性能,钢渗碳淬火+低温回火后表面硬度高可达5864HRC以上, 耐磨性较好；心部韧性较好, 硬

8、度较低，可达3045HRC。此外由于表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。,综合知识模块二,表面形变强化技术,概 述,理论基础加工硬化，即通过机械手段(喷丸、滚压等)在金属表面产生塑性变形，使表面形成加工硬化层，其深度可达0.51.5 mm。 表面层的二种变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成了高的残余压应力。 常用方法喷丸、滚压等，而尤以喷丸强化应用最为广泛。,能力知识点1,喷丸强化,1.定义,喷丸强化是在受喷材料的再结晶温度以下进行的一种冷加工方法，是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件表面，使材料表层发生弹、塑性变形，在零件表面产生一定厚度的加工硬化层，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面强化技术。 喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件。,2.原理,喷丸处理后工件的表面硬度增加，距表面愈近，效果愈明显，喷丸造成的工件表面硬度增加是由于表层组织加工加工硬化及残余压应力值增大的综合结果。 此外，喷丸还能促使工件表层的组织发生转变，即残余

9、奥氏体诱发转变为马氏体，并且能够细化马氏体的亚结构，进一步提高了工件表面硬度和耐磨性，从而延长工件的使用寿命。,喷丸强化的原理,喷丸与喷砂都能对工件起到清整去污的目的，目的为下序作准备，即要保证下道工序的粗糙度要求，也有的为了要表面的一致性，喷丸对工件有强化作用，喷砂就不明显了。 丸一般是球形一类没有棱角的颗粒，如钢丝切丸等；砂是指有棱角的砂粒,如棕刚玉、白刚玉、河砂等。,3. 喷丸材料,喷丸材料的选择,应当指出，喷丸强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角和毛刺，否则会损伤零件表面。 选择弹丸时不仅要考虑受喷零件的工艺要求，包括喷丸面预期的塑性变形深度、最大残余应力值和表面粗糙度，还要考虑喷丸设备条件和弹丸的损耗等。 一般来说，黑色金属件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸，以得到较深的变形层和较大的残余应力值，但要求获得低表面粗糙度时常采用玻璃丸。有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢件则需用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。,4.喷丸设备,喷丸强化所用的喷丸机有叶轮式和压缩空气式两大类，喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在液体中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善。,喷是以压缩空气作为动力将砂料或丸料喷到材料表面；抛是将丸料以高速旋转时产生的离心力的方法，冲击材料表面，达到清除和一定的粗糙度。,叶轮式喷丸机的原理示意图,5.喷丸应用,喷丸强化工艺适应性较广、工艺简单、操作方便；生产成本低、经济效益好、强化效果明显。近年来，随着计算机技术发展，带有信息反馈监控的喷丸技术已在实际生产中得到应用，使强化的质量得到了进一步提高。 喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件； 可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳。抗微动磨损、耐点蚀（孔蚀）能力。,汽车钢板弹簧的喷丸,喷丸强化是提高钢板弹簧疲劳强度的重要手段，经喷丸强化后钢板弹簧的疲劳寿命可延长5倍。喷丸强化还使钢齿轮的使用寿命大幅度提高，实验证明，汽车齿轮渗碳淬火后再经过喷丸强化，其相对寿命可提高4倍。,能力知识点3,滚压强化,1.定

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