工艺技术-钢的表面强化工艺培训教材(ppt 46页)

3.46 钢的表面强化工艺钢的表面强化工艺 既要求表面有较高的硬度和耐磨性，又要 求心部具有足够的韧性，必须采用各种表 面强化工艺。 一、表面热处理 1、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 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。 火焰加热火焰加热 感应加热 n 表面淬火目的： n 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 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。 轴的感应加热表面淬火轴的感应加热表面淬火 n 表面淬火用材料 n 0.4-0.5%C的中碳钢。 n 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； n 铸铁 提高其表面耐磨性。 机床导轨 表面淬火齿轮 n 预备热处理 n 工艺： n 对于结构钢为调质或正火。 n 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。 n 目的 : n 为表面淬火作组织准备； n 获得最终心部组织。 回火索氏体 索氏体 n 表面淬火后的回火 n 采用低温回火 ，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。 n 表面淬火 +低温回火后的组织 n 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 感应淬火机床感应淬火机床 感应加热 表面淬火 示意图 n 表面淬火常用加热方法 n 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 。 n 感应加热分为： n 高频感应加热 频率为 250-300KHz，淬 硬层深度 0.5-2mm 传动轴连续淬火感应器 感应加热表面淬火齿轮的截面图 n 中频感应加热 频率为 2500- 8000Hz，淬硬层深 度 2-10mm。 各种感应器 中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴 n 工频感应加热 n 频率为 50Hz,淬硬层 深度 10-15 mm 各种感应器 感应穿透加热 n 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。 n 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 一、表面热处理 2、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 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。 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 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。 n 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。 化学热处理的基本过程 n 介质 (渗剂 )的分解 : 分解的同 时释放出活性原子。 n 如：渗碳 CH42H 2+C 氮化 2NH33H 2+2N n 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。 n 原子向内部扩散。 氮化扩散层 钢的渗碳 是指向钢的表面渗入碳原子的过程。 n 渗碳目的 n 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 。 n 渗碳用钢 l 为含 0.1-0.25%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 n 渗碳方法 n 气体渗碳法 n 将工件放入密封炉内，在高 温渗碳气氛中渗碳。 n 渗剂为气体 (煤气、液化气等 )或有机液体 (煤油、甲醇等 ) 。 n 优点 : 质量好 , 效率高； n 缺点 : 渗层成分与深度不易控 制 n 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。 n 渗剂为木炭。 n 优点：操作简单； n 缺点：渗速慢，劳动条件差。 l 真空渗碳法 l 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。 l 优点 : 表面质量好 , 渗碳速度快。 真空渗碳炉 n 渗碳温度 ：为 900-950 。 n 渗碳层厚度 （由表面到过度层一半处的厚度）： 一般为 0.5-2mm。 低碳钢渗碳缓冷后的组织 l 渗碳层表面含碳量： 以 0.85-1. 05为最好。 l 渗碳缓冷后组织： 表层 为 P+网状 Fe3C ; 心部 为 F+P; 中间为过渡区 。 n 渗碳后的热处理 n 淬火 +低温回火 , 回火温度为 160-180 。 淬火方法有： n 预冷淬火法 n 渗碳后预冷到略高于 Ar1温度直接淬火。 渗碳后的热处理示意图 n 一次淬火法 ：即渗碳缓冷后重新加热淬火。 n 二次淬火法： n 即渗碳缓冷后 第一次加热为心部 Ac3+30-50 ， 细化心部 ； 第二次加热为 Ac1+30-50 ， 细化表层 。 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 Ac1+30-50 淬火 +低 温回火。 此时组织为： n 表层： M回 +颗粒状碳化物 +A(少量 ) n 心部： M回 +F（淬透时） 渗碳淬火后的表层组织 M+F 钢的氮化 n 氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。 n 氮化用钢 井式气体氮化炉l 为含 Cr、 Mo、 Al、 Ti、 V的 中碳钢。 l 常用钢号为 38CrMoAl。 l 氮化温度 为 500-570 l 氮化层厚度 不超过 0.6-0.7mm 。 n 常用氮化方法 n 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 ，渗剂为氨。 n 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 n 氮化的特点及应用 n 氮化件表面硬度高（ 6972HRC），耐磨性高。 n 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 n 工件变形小。 原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理 。 n 耐蚀性好。 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。 n 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： u滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达 6972HRC， 且在 600 650 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； u滲氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和 其他缺陷； u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 求的滲氮层。 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 ，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。 n 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。 1、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 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。 n 应用：形状较复杂的零件 n 在磨削、电镀等工序后进行 2、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， 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 。 n 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 n 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 。 n 目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行 表面装饰。 1、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 化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为 热喷涂 。 l 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。 l 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 2、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 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 n 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。 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 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 3、金属碳化物覆层气相沉积法 n 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。 l 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。 物理气相沉积物理气相沉积 TiAl靶靶 n 物理气相沉积（ PVD） n 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。 l 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 n 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 n 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 n 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 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 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。 n 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 n 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 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 TiCl4与 N2 和 H2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