《工程材料及成形技术基础》课件 第4章 工程材料的表面热处理

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第四章钢的表面处理理解表面处理的定义以及功用；了解各类表面处理的原理、工艺、特点和应用。主要内容表面热处理表面防蚀处理第四章钢的表面处理(SurfaceTreatmentofSteels)化学热处理表面强化处理表面装饰加工第一节钢的表面处理概述利用现代物理化学、金属学和热处理等学科的边缘性新技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料做优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法。表面处理定义：满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。目的：第二节钢的表面热处理与化学热处理举例：齿轮受力分析：①啮合的齿表面受到很大的接触应力和磨擦力，只有表面具有很高的硬度，才能满足要求。②啮合的齿表面受到交变应力，只有表面具有很高的接触疲劳强度，才能满足要求。③啮合的齿受到弯曲应力和时有的冲击载荷，只有齿心部具有高的韧性和足够的强度，才能保证不断齿，满足要求。第二节钢的表面热处理与化学热处理表面：要求具有高的硬度、高的耐磨性和高的接触疲劳强度。心部：要求具有良好的塑性、韧性和足够的强度。即赋予齿轮“表硬内韧”的性能组合。齿轮的性能要求：选择何种钢，采用何种热处理可以满足“表硬内韧”呢？选择高碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？选择中碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？选择低碳钢，采用普通（整体）热处理，行吗？问题：答案：NO!第二节钢的表面热处理与化学热处理选择合适的钢，采用表面热处理！怎么办？表面淬火或化学热处理第二节钢的表面热处理与化学热处理使表层获得M组织而心部仍保持淬火前组织状态。一、钢的表面淬火高频感应中频感应工频感应超音频感应定义感应加热表面淬火适宜于中碳钢（0.25~0.6%)和中碳低合金钢。对原始组织有一定要求。1、感应加热表面淬火第二节钢的表面热处理与化学热处理定义：应用氧－乙炔（或其它可燃气体）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火，淬硬层深度一般为1～6mm。优点：设备简单、投资少。缺点：不易于控制温度，淬火质量不稳定。应用：适用于单件、小批量生产。2、火焰加热表面淬火第二节钢的表面热处理与化学热处理定义：利用聚集后的高能激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变形成马氏体淬硬层的热处理工艺。淬硬层深度一般为0.3～0.5mm。优点：淬火硬度高，组织细小，生产效率高，无需冷却介质，无污染。缺点：不能用于重负荷工件，也不适用于大型工件。应用：适于复杂精密零件。3、激光加热表面淬火第二节钢的表面热处理与化学热处理使活性介质分解出活性元素渗入工件表层，以改变表层的化学成分的工艺方法。二、化学热处理定义：根据渗入的元素不同，可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗金属(铝、铬等)等。分类：①渗剂的分解②工件表面对活性原子的吸收③渗入表面的原子向内部扩散基本过程：第二节钢的表面热处理与化学热处理向低碳钢制造的工件表面渗入碳原子，使工件表面达到高碳钢的含碳量。分类：按介质不同分气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。适用范围：（0.1~0.25%）的低碳钢和低碳合金钢。渗碳后的工件必须进行随后的热处理才能发挥渗碳层的作用。1、钢的渗碳气体渗碳固体渗碳渗磷层第二节钢的表面热处理与化学热处理在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮，也称为氮化。渗氮的作用：提高表层的硬度、耐磨性、疲劳性能和耐蚀性缺点：工艺复杂、生产周期长，成本高，氮化层薄而脆。2、钢的渗氮涂层表面渗氮第二节钢的表面热处理与化学热处理向钢件表面同时渗入碳和氮原子的化学热处理过程，俗称氰化。常用的方法有中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（又称气体软氮化）两种。3、碳氮共渗低温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗温度（℃）500~600800~860时间（h）1~61~8作用以渗氮为主以渗碳为主渗层（mm）0.1~0.40.5~0.8热处理不需要淬火+低温回火硬度（HRC）54~6353~60材料合金工具钢合金结构钢第三节工程材料表面强化处理将涂层材料加热熔化，以高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到事先准备好的工件表面上，形成涂层。一、热喷涂技术火焰喷涂：以氧-燃料气体作为热源；电弧喷涂：电弧发出热量熔化金属丝（喷涂材料）；等离子喷涂：等离子弧作热源；爆炸喷涂：火花塞点火，使氧-乙炔混合气发生爆炸。基本原理常用喷涂方法火焰火焰喷涂示意图：1-氧-乙炔混合气；2-送粉气；3-喷涂粉末；4-喷嘴；5-燃烧火焰；6-涂层；7-基体热喷涂应用于箱体类零件第三节工程材料表面强化处理气相沉积是将含有形成沉积元素的气相物质输送到工件表面，在工件表面形成沉积层的工艺方法。二、气相沉积技术物理气相沉积（PVD法）：物理气相沉积是在真空加热条件下利用蒸发、辉光放电、弧光放电、溅射等物理方法提供原子、离子，使之在工件表面沉积形成薄膜的工艺；化学气相沉积（CVD法）：化学气相沉积是利用气态物质在一定的温度下于固体表面上进行化学反应，并在其上面生成固态沉积膜的工艺方法；基本原理分类PVD法第三节工程材料表面强化处理直接利用电火花放电的能量，使电极材料在工件表面形成特殊性质的合金层。三、电火花表面强化设备简单、造价低；强化层与基体的结合非常牢固，不会发生剥落；工件心部不升温，无组织和性能变化；耗能少，材料消耗低，强化效果显著。基本原理优点缺点强化层较浅（0.02~0.05mm）；表面粗糙度值不低（Ra=1.25~5μm）。小孔、窄槽难处理，只能单件处理，生产率低。第三节工程材料表面强化处理利用激光束快速、局部地加热工件，实现局部急热或急冷，可在大气、真空等环境中进行处理。四、表面激光处理激光表面改性；激光重熔处理；激光合金化；激光涂敷；激光上釉；激光清洗。基本原理分类激光表面处理汽车零部件第三节工程材料表面强化处理将高速弹丸流喷射到零件表面，使零件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层。五、喷丸喷丸是用来清除厚度不小于2mm的或不要求保持准确尺寸及轮廓的中型、大型金属制品以及铸锻件上的氧化皮、铁锈、型砂及旧漆膜，是表面涂（镀）覆前的一种清理方法。广泛用于大型造船厂、重型机械厂、汽车厂等。基本原理应用喷丸处理用于齿轮齿面强化第四节工程材料表面防蚀处理化学腐蚀是金属表面与介质发生化学作用而引起的破坏。一、金属腐蚀的类型及原因1.化学腐蚀化学腐蚀过程中最典型的特点是无电流产生。2.电化学腐蚀电化学腐蚀是金属与周围介质接触产生电化学作用而受到破损。电化学腐蚀过程中有电流产生。第四节工程材料表面防蚀处理二、表面防蚀处理①正确地选择金属材料：选择对某种介质具有耐蚀性的金属材料；②合理使用缓蚀剂；③电化学保护方法：阴极保护法和阳极保护法；④覆盖层保护法。第四节工程材料表面防蚀处理利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其他金属或合金的过程。三、电镀基本原理电镀后的汽车轮毂分类槽镀（普通电镀）：镀锌、镀镉、镀锡、镀铜等；特种电镀：刷镀、非金属电镀等。第四节工程材料表面防蚀处理在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。四、离子镀基本原理分类磁控溅射离子镀；反应离子镀；空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）；多弧离子镀（阴极电弧离子镀）。第四节工程材料表面防蚀处理以铝或铝合金制品为阳极，置于电解质溶液中进行通电处理，利用电解作用使其表面形成氧化铝薄膜的过程。经过阳极氧化处理，铝表面能生成几个微米到几百个微米的氧化膜。比起铝合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显的改善和提高。五、铝阳极氧化基本原理铝阳极氧化着色第四节工程材料表面防蚀处理也称发黑，将钢材或钢件在空气-水蒸气或化学药物中加热到适当温度使其表面形成一层蓝色或黑色氧化膜的工艺。黑色金属表面经“发蓝”处理后所形成的氧化膜：外层Fe3O4+内层FeO。六、发蓝与磷化发蓝磷化磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程；所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化的目的主要是给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀。第五节工程材