第8章-材料的表面改性

第八章材料的表面改性第8章材料的表面改性表面工程：指通过对材料表面进行涂覆或改性，改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等,以使表面获得所需特殊性能的系统工程。第8章材料的表面改性第8章材料的表面改性第8章材料的表面改性8.1钢的表面淬火8.2钢的化学热处理8.3表面涂敷技术8.1钢的表面淬火表面淬火:

指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，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。火焰加热感应加热8.1钢的表面淬火表面淬火的目的：

使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持足够的塑性和韧性。表硬里韧。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8.1钢的表面淬火一、感应加热表面淬火二、火焰加热表面淬火三、激光表面淬火一、感应加热表面淬火1感应加热的原理2感应加热的分类和应用3感应加热表面淬火的特点4感应加热表面淬火用钢及技术条件1感应加热的原理感应加热表面淬火示意图1感应加热的原理感应加热表面淬火示意图一、感应加热表面淬火1感应加热的原理2感应加热的分类和应用3感应加热表面淬火的特点4感应加热表面淬火用钢及技术条件2感应加热的分类和应用2.1高频感应加热表面淬火2.2中频感应加热表面淬火2.3工频感应加热表面淬火2.4超音频感应加热表面淬火2.1高频感应加热表面淬火频率：200～300kHz淬透层深度：

0.2～2.0mm用途:中小型零件,如中小模数齿轮、直径较小型轴传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图2感应加热的分类和应用2.1高频感应加热表面淬火2.2中频感应加热表面淬火2.3工频感应加热表面淬火2.4超音频感应加热表面淬火2.2中频感应加热表面淬火频率：2500～8000Hz淬透层深度：

2～10mm用途：大中型零件,如大中模数齿轮、直径较大的轴各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴2感应加热的分类和应用2.1高频感应加热表面淬火2.2中频感应加热表面淬火2.3工频感应加热表面淬火2.4超音频感应加热表面淬火2.3工频感应加热表面淬火频率：50Hz淬透层深度：

10～15mm以上用途：大型零件,如直径大于300mm的轧辊及轴类零件感应穿透加热2感应加热的分类和应用2.1高频感应加热表面淬火2.2中频感应加热表面淬火2.3工频感应加热表面淬火2.4超音频感应加热表面淬火2.4超音频感应加热表面淬火频率：

20～40kHz（比声频20kHz高）淬透层：

深度比高频略深；淬透层沿零件轮廓均匀分布用途：中小型零件如齿轮、凸轮、花键轴、链轮等

一、感应加热表面淬火1感应加热的原理2感应加热的分类和应用3感应加热表面淬火的特点4感应加热表面淬火用钢及技术条件3感应加热表面淬火的特点(1)高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80℃～150℃)进行的,因此晶核多,且不易长大。(2)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。(3)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。(4)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。3感应加热表面淬火的特点一、感应加热表面淬火1感应加热的原理2感应加热的分类和应用3感应加热表面淬火的特点4感应加热表面淬火用钢及技术条件表面淬火用材料

⑴0.4～0.5%C的中碳钢、中碳合金钢

含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降含碳量过高,心部韧性下降

⑵

球墨铸铁提高其表面耐磨性机床导轨表面淬火齿轮表面淬火零件的工艺路线：

下料→锻造→退火或正火→粗加工→调质或正火→精加工→感应加热表面淬火＋低温回火→精磨→成品淬火前预热处理⑴工艺：对于结构钢为调质或正火

调质用于要求高的重要件，正火用于要求不高的普通件。⑵目的:

①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织。

表面淬火零件的工艺路线：

下料→锻造→退火或正火→粗加工→调质或正火→精加工→感应加热表面淬火＋低温回火→精磨→成品表面淬火后的回火

低温回火，温度不高于200℃

回火目的：为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。表面淬火+低温回火后的组织

表层组织为：M回

心部组织为：S回(调质)或F+S(正火)8.1钢的表面淬火一、感应加热表面淬火二、火焰加热表面淬火三、激光表面淬火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，淬硬层深度，2～6mm。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。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。

8.1钢的表面淬火一、感应加热表面淬火二、火焰加热表面淬火三、激光表面淬火三、激光表面淬火三、激光表面淬火三、激光表面淬火激光束能量密度高(106W/cm2)

可在短时间内将工件表面快速加热或融化,而心部温度基本不变;当激光辐射停止后,由于散热速度快，又会产生“自激冷”。三、激光表面淬火激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高15～20%)、耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。激光表面淬火件激光表面淬火超快加热相变加热速度：104~106℃/s冷却速度：106~108℃/s，自冷淬火第8章材料的表面改性8.1钢的表面淬火8.2钢的化学热处理8.3表面涂敷技术8.2钢的化学热处理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。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。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮（氮化）、碳、氮共渗、多元共渗、渗硼、渗金属等。

可控气氛渗碳炉渗碳回火炉8.2钢的化学热处理一、化学热处理的基本过程二、钢的渗碳三、钢的渗氮四、钢的碳、氮共渗一、化学热处理的基本过程1、介质(渗剂)的分解

分解的同时释放出活性原子

如：渗碳

CH4→2H2+[C]

氮化2NH3→3H2+2[N]2、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。3、原子向内部扩散

一、化学热处理的基本过程1、介质(渗剂)的分解

分解的同时释放出活性原子

如：渗碳

CH4→2H2+[C]

氮化2NH3→3H2+2[N]2、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。3、原子向内部扩散

氮化扩散层8.2钢的化学热处理一、化学热处理的基本过程二、钢的渗碳（掌握）三、钢的渗氮四、钢的碳、氮共渗二、钢的渗碳渗碳：

将低碳钢放入渗碳介质中，加热到单相奥氏体区（一般采用920～930℃），保温足够长的时间，使表面层的碳浓度提高，这样一种热处理工艺称为渗碳。二、钢的渗碳1渗碳的目的和用钢2渗碳方法3渗碳层的成分、组织和厚度4渗碳后的热处理及工艺路线1渗碳的目的和用钢渗碳目的

提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度保持心部良好的韧性。渗碳用钢

含0.1～0.25%C

的低碳钢和低合金钢。如：15、20、20Cr、20CrMnTi1渗碳的目的和用钢用途

同时承受严重磨损和较大冲击载荷的零件

如：齿轮、活塞销、轴类经渗碳的机车从动齿轮二、钢的渗碳1渗碳的目的和用钢2渗碳方法3渗碳层的成分、组织和厚度4渗碳后的热处理及工艺路线2渗碳方法⑴气体渗碳法⑵固体渗碳法⑶真空渗碳法⑴气体渗碳法

将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂：气体(煤气、液化气等)

或有机液体(煤油、甲醇等)温度：900-950℃优点:

质量好,效率高缺点:

渗层成分与深度不易控制⑵固体渗碳法

将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳.渗剂：木炭优点：操作简单缺点：渗速慢，劳动条件差⑶真空渗碳法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。优点:

表面质量好,渗碳速度快真空渗碳炉二、钢的渗碳1渗碳的目的和用钢2渗碳方法3渗碳层的成分、组织和厚度4渗碳后的热处理及工艺路线3渗碳层的成分、组织和厚度渗碳层成分：

0.85～1.05%C组织：最表层：P＋网状Fe3CII

次表层：P

过渡区：P+F

心部：F多+P少

渗碳层厚度：表面到过渡区一半处的深度，一般为0.5～2mm。3渗碳层的成分、组织和厚度二、钢的渗碳1渗碳的目的和用钢2渗碳方法3渗碳层的成分、组织和厚度4渗碳后的热处理及工艺路线4渗碳后的热处理及工艺路线渗碳后的热处理：淬火＋低温回火

（回火温度为160～180℃，目的是消除淬火应力和提高韧性）渗碳件的淬火方法有：

（1）直接淬火法（2）一次淬火法（3）二次淬火法(1)直接淬火

渗碳后预冷到略高于心部成分的Ar3温度，然后直接淬火。

适用于：本质细晶粒钢。(2)一次淬火

工件渗碳后出炉空冷，然后再重新加热淬火。淬火温度：应兼顾表层和心部，使表层不过热而心部得到充分强化。

强化心部：加热到Ac3以上进行完全淬火

强化表层：加热到Ac1以上进行不完全淬火常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30～50℃淬火+低温回火。表层组织：高碳M回+颗粒状碳化物+A’(少量)心部组织：低碳M回+F（淬透时）（随钢的淬透性而定）渗碳淬火后的表层组织M+F(3)二次淬火

渗碳后两次加热淬火第一次淬火：加热到心部的Ac3以上进行完全淬火，目的是细化心部组织，同时消除表层的网状碳化物；第二次淬火：加热到表层的Ac1以上进行不完全淬火，目的是细化表层组织，对心部影响不大。

4渗碳后的热处理及工艺路线钢渗碳、淬火、回火后的性能(1)表面硬度高

表面硬度可达HRC58～

HRC64以上,耐磨性较好；心部韧性较好,硬度较低，可达HRC30～

HRC45。(2)疲劳强度高

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。4渗碳后的热处理及工艺路线渗碳件的工艺路线：锻造→正火

→切削加工→渗碳

→淬火＋低温回火→精加工（磨削等）8.2钢的化学热处理一、化学热处理的基本过程二、钢的渗碳三、钢的渗氮四、钢的碳、氮共渗三、钢的渗氮渗氮（氮化）：

向钢件表面渗入氮元素，形成富氮硬化层的化学热处理。氮化用钢含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢

常用钢号为：38CrMoAl氮化温度：500-570℃氮化层厚度：不超过0.6-0.7mm三、钢的渗氮－－气体渗氮氨被加热分解出活性氮原子（2NH3→3H2+2[N]),氮原子被钢吸收并溶入表面,在保温过程中向内扩散,形成渗氮层。井式气体氮化炉三、钢的渗氮

氮化温度：500～570℃三、钢的渗氮氮化零件的工艺路线：

锻造→退火

→粗加工→调质

→精加工→

去应力退火→粗磨→氮化

→精磨或研磨三、钢的渗氮三、钢的渗氮氮化原理：2NH3→3H2+2[N]氮化工艺特点：1）氮化温度低，一般为500～580℃2）氮化时间长，一般为20～50h，氮化层厚度为0.3～0.5mm3）氮化前零件须经调质处理（S回）三、钢的渗氮氮化的特点⑴

氮化件表面硬度高(HV1000-2000)，耐磨性高。⑵

疲劳强度高.

由于表面存在压应力。⑶

工件变形小.

因氮化温度低，氮化后不需热处理.⑷耐蚀性好.

因表层形成的氮化物化学稳定性氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。三、钢的渗氮用于耐磨性、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8.2钢的化学热处理一、化学热处理的基本过程二、钢的渗碳三、钢的渗氮四、钢的碳、氮共渗四、钢的碳、氮共渗（氰化）碳氮共渗：就是同时向零件表面渗入碳原子和氮原子的过程，也称氰化。氰化的目的：提高结构钢零件表面的硬度、耐磨性及疲劳强度提高碳素工具钢、合金工具钢及高速钢的红硬性四、钢的碳、氮共渗（氰化）氰化的工艺：

高温（900～950℃）中温（700～880℃）低温（500～570℃）工业上广泛应用的是：中温或低温两种气体碳氮共渗四、钢的碳、氮共渗中温碳氮共渗工艺：将工件放入密封炉内，加热到共渗温度830℃～850℃，向炉内滴入煤油[C]，同时通以氨气[N]，经保温1h～1h后，共渗层可达0.2mm～0.5mm。低温碳氮共渗：主要是以渗氮为主。碳氮共渗后淬火,再低温回火。四、钢的碳、氮共渗碳氮共渗后的机械性能

(1)共渗及淬火后,得到的是含氮马氏体,耐磨性比渗碳更好。

(2)共渗层具有比渗碳层更高的压应力,因而疲劳强度更高,耐蚀性也较好。

课堂练习题1.什么是冰铜；

2.炼铁的目的；3.炼钢的目的；4.高炉炼铁过程中造渣的目的是什么；5.高炉炼铁产物是什么；6.说