表面改性技术

1、第七章表面改性技术，表面改性是指利用一定的技术手段使材料表面从其基体材料中获得不同的组织结构和性能的技术。表面改性处理的目的是充分发挥基体材料的力学性能；它还能使材料表面获得各种特殊性能，如耐磨、耐腐蚀、耐高温、适当的射线吸收、辐射和反射能力、超导性、润滑、绝缘、储氢等。表面改性技术的作用：可以掩盖基体材料表面的缺陷；延长材料和部件的使用寿命；节约稀有昂贵的材料；节约能源，改善环境；它在各种高科技的发展中起着重要的作用。表面变形强化原理表面变形强化是提高金属材料疲劳强度的重要技术措施之一。基本原理：通过机械手段(轧制、内部挤压和喷丸等)在金属表面产生压缩变形。)，这使得表面形成深度为0.5毫米

2、1.5毫米的变形硬化层，7.1金属表面变形强化，并且该变形硬化层有两个变化：1。在该结构中，亚晶大大细化，位错密度增加，晶格畸变增加；2.形成高宏观残余压应力。表面压应力防止压缩表面上裂纹的产生和扩展。这两种机制在大多数材料中共存。在软材料的情况下，第一种机制占主导地位；在硬材料的情况下，第二种机制起主导作用。喷丸和滚压后，金属表面的残余压应力不仅与强化方法和工艺参数有关，还与材料的晶体类型和强度水平以及单调拉伸下材料的硬化速率有关。具有高硬化率面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体耐热合金在表面具有高压缩应力，可达到材料本身屈服点的2-4倍。材料的硬化率越高，残余压应力越大。此外，一些表面变形强化措

3、施可能会略微增加表面粗糙度，但会使切削的锋利刀痕变得平滑，因此可以减少切削留下的锋利刀痕的不利影响。表面形态和表面纹理的这种变化有效地提高了金属表面强度、抗应力腐蚀能力和疲劳强度。表面变形强化的主要方法和应用表面变形强化是近年来国内外广泛研究和应用的技术之一。加固效果明显，成本低。常用的金属表面变形强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸强化，特别是喷丸强化。轧制目前，没有用于轧制强化的轧辊和轧制压力标准。对于圆角和凹槽，可以通过轧制获得表面变形强化，并且可以在表面上产生大约5毫米深度的残余压应力。2、表面滚压强化示意图内挤压和内孔挤压是获得孔内表面变形强化的技术措施，效果明显。3喷丸强化是目前国内外

4、广泛使用的一种低于再结晶温度的表面强化方法，即利用高速弹丸对零件表面进行强烈冲击，从而产生变形硬化层并引入残余压应力。喷丸已广泛应用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车车轮等零件；它能显著提高抗弯曲疲劳、腐蚀疲劳、应力腐蚀疲劳、微动磨损和点蚀的能力。喷丸强化表面变形的技术与应用1喷丸强化材料(1)铸铁丸(2)铸钢丸(3)钢丝切割丸(4)玻璃丸(5)陶瓷丸(6)聚合物塑料丸应该指出的是，用于强化的丸不同于用于清洗、成形和矫正的丸，它必须是球形的，没有角毛刺，否则一般来说，铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸可用于黑色金属零件。无报价干喷型的工作条件差，而湿喷型的工作条件是在液体中混合形成悬浮

5、液，然后喷丸，因此改善了工作条件。机械离心喷丸机机械离心喷丸机又称叶轮喷丸机或喷丸机。在操作过程中，抛射体被高速旋转的叶片和叶轮的离心力抛出。弹丸速度取决于叶轮速度和弹丸重量。3。表面变形强化的应用喷丸强化应用实例(1)经渗碳、淬火、回火后，对20crmnti圆轧辊进行喷丸强化，残余压应力为-880兆帕，使用寿命由55万次提高到150-180万次。(2)液体火箭推进剂容器的钛部件在40下使用14小时后，如果不进行喷丸处理，会产生应力腐蚀损伤；在容器的内表面通过玻璃珠喷丸强化后，在相同条件下经过30天的测试，它没有产生损伤。此外，喷丸强化和其他变形强化工艺已应用于汽车工业的齿轮箱齿轮、航空飞行器

6、的焊接齿轮、喷气发动机的因科镍合金718涡轮盘等的制造。表面热处理是一个只加热和冷却零件表面的过程，因此在不改变成分的情况下改变表面的结构和性能。它是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。当工件表层被快速加热时，工件横截面上的温度分布不均匀，工件表面温度较高，并从外向内逐渐降低。如果表面的温度超过转变点并达到奥氏体状态，则可以通过快速冷却获得马氏体结构，同时芯仍然保持原始的结构状态，从而获得硬化的表面层，即通过表面层的相变达到强化工件表面的目的。7.2表面热处理，表面淬火在不改变钢的化学成分和核心结构的条件下，通过快速加热使表面层奥氏体化，然后淬火以强化零件的表面。表面热处理工艺包括感应加

7、热表面淬火火焰加热表面淬火接触电阻加热表面淬火浴炉加热表面淬火电解液加热表面淬火高密度能量表面淬火表面保护热处理等。表面淬火的目的是使表面具有高硬度、耐磨性和疲劳极限。在保持一定强度和硬度的条件下，型芯具有足够的塑性和韧性。表面坚硬，内部坚硬。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。表面淬火材料为含0.4-0.5%碳的中碳钢。如果碳含量太低，表面硬度和耐磨性会降低。如果碳含量过高，心脏的韧性会降低；铸铁提高了它的表面耐磨性。初步热处理工艺：对结构钢，进行调质或正火处理。前者性能高，用于要求高的重要零件，而后者用于要求低的普通零件。目的：为表面淬火做准备；获取最终的心脏组织

8、。表面淬火后的回火采用不高于200的低温回火。回火的目的是降低内应力并保持淬火高硬度和耐磨性。4.低温表面淬火回火后，表层结构为M循环；心脏组织是S形的(回火的)或F-S形的(标准化的)。表面淬火常用加热方法感应加热：利用交流电在工件表面感应出巨大的涡流来快速加热工件表面的方法。1.感应加热表面淬火1。感应加热表面处理的基本原理生产中常用高频和中频感应加热淬火。近年来，超声波频率和双频感应加热淬火工艺得到了发展。在感应加热的物理过程中，工件被放置在感应线圈中。在高频交流磁场的作用下，在表面产生并分布着很大的感应电流也就是说，频率越高，涡流分布越陡，电流穿透深度附近的电流强度越小，产生的热量越小

9、，并且一部分热量以非常快的速度传递到工件中，因此在电流穿透深度处可能达不到奥氏体化温度，因此不可能硬化。如果加热时间延长，实际硬化层深度可以增加。实际上，感应加热表面硬化层的深度取决于加热层深度、淬火温度、冷却速度和材料本身的淬透性。感应加热表面淬火后的组织与性能感应加热表面淬火获得的表面组织为细小的隐晶马氏体，碳化物分散，表面硬度比普通淬火高2 HRC 3c HRC，耐磨性也有所提高，这是由于快速加热时细小奥氏体中的马氏体中残留大量亚结构所致。这种差异在喷水冷却时会更大。由于相变的体积膨胀，在表面层中产生压应力，这降低了缺口敏感性并大大提高了疲劳强度。感应加热表面淬火工件表面氧化脱碳小，变形

10、小，质量稳定。感应加热表面淬火加热速度快，热效率高，生产率高，易于实现机械化和自动化。(2)中高频感应加热表面热处理感应加热是一种广泛使用的热处理加热方法，可用于各种温度范围的退火、正火、淬火、回火和各种化学热处理。功率密度的选择取决于零件的尺寸及其淬火条件。电流频率越低，零件直径越小，所需硬化层深度越小，所选功率密度值就应该越大。高频淬火常用于零件直径小、硬化层深度浅的场合。中频淬火常用于大直径工件和淬硬层较深的地方。火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是用氧乙炔或其他可燃气体加热零件表面，然后淬火和冷却的过程。与感应加热表面淬火等方法相比，它具有设备简单、操作灵活、钢种适用范围广、零件表面洁净

11、、一般无氧化脱碳、变形小等优点。它通常用于大型和重型工件，特别是用于小批量、多品种或局部区域零件的表面淬火，如大型齿轮、轴、辊和导轨。然而，加热温度难以控制，噪音高，工作条件差，混合气体不够安全，并且难以获得薄的表面淬火层。接触电阻加热表面淬火接触电阻加热表面淬火利用触点(铜辊或碳棒)与工件之间的接触电阻加热工件表面，依靠自身的热传导实现冷却淬火。该方法设备简单，操作灵活，工件变形小，淬火后无需回火。接触电阻加热表面淬火能显著提高工件的耐磨性和耐擦伤性，但硬化层较薄(0.15mm0.30mm)，金相组织和硬度的均匀性较差。目前主要用于机床铸铁导轨的表面淬火，以及缸套、曲轴、工具和模具等的淬火。

12、高密度能量表面淬火高密度能量包括激光、电子束、等离子体和电火花等。金属表面化学热处理工艺金属表面化学热处理是一种利用元素的扩散特性使合金元素渗入金属表面的热处理工艺。基本工艺流程如下：首先，将工件置于含有渗透元素的活性介质中，加热至一定温度，使活性介质通过分解(包括活性组分向工件表面的扩散和界面反应产物向介质内部的扩散)释放出待渗透元素的活性原子，活性原子被表面吸附并溶解于表面，原子溶解于其中(2)提高材料的疲劳强度，如渗碳、渗氮、渗铬等。其中体积由于相变而改变，导致表面层上的大残余压应力，从而提高疲劳强度。(3)使金属表面具有良好的抗粘连和抗咬合能力，降低摩擦系数，如硫渗透。(4)提高金属表

13、面的耐蚀性，如渗氮和渗铝。(3)化学热处理渗碳层的基本结构类型(1)渗碳层中铁素体等单相固溶体的形成相等。(2)在氮化层中形成化合物如相(Fe2-3N)，在渗硼层中形成Fe2B。(3)化学热处理后，固溶体和化合物的多相渗透层通常可以同时存在。化学热处理后的性能化学热处理后金属的表层、过渡层和核心在成分、微观结构和性能上有很大差异。强化效果不仅与各层的性能有关，还与各层之间的相互关系有关。例如，渗碳层的碳含量和分布、渗碳层的深度和微观结构都会影响渗碳材料的性能。化学热处理的类型根据渗入元素的介质的不同状态，化学热处理可分为以下几类：(1)固体法：包括粉末填充法、糊涂法、电热旋涂法、覆盖层(电镀层

14、、喷涂层等)。)扩散法等。(2)液体法：包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。(3)气体法：包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。(4)等离子体法。渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗碳、渗氮和碳氮共渗可以提高材料的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，在工业上应用广泛。(1)渗碳，碳氮共渗1渗碳后，结构钢的渗碳结构钢可使零件的工作表面获得高硬度、耐磨性、抗冲蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而芯部具有一定的强度、塑性和韧性。高合金钢的渗碳目前，高合金钢(主要是一些高铬钢、工具钢等)的渗碳。)越来越受到重视。渗碳后，工具钢表面具有高强度、高耐磨性和高热硬度。与传统模具钢制作的下模相比，使用寿命有所提高。

15、碳氮共渗液体碳氮共渗过去被称为氰化。与渗碳相比，碳氮共渗具有较低的温度(700880)，较小的变形，较高的渗氮速度和耐磨性。常用的渗碳方法有三种：(1)气体渗碳气体渗碳是目前生产中应用最广泛的渗碳方法之一，它是通过调节含碳气体介质中的气体渗碳气氛来达到渗碳的目的。在工业上，一般有井式炉滴注式渗碳和贯通式气体渗碳两种。(2)盐浴渗碳液体渗碳是将处理过的零件浸入盐浴渗碳剂中，加热渗碳剂分解活性碳原子进行渗碳。固体渗碳是一种使用固体渗碳剂的传统渗碳方法。在固体渗碳中，膏剂渗碳具有工艺简便的特点，主要用于单件生产、局部渗碳或修复。气体渗碳1。渗碳的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，同时保持型芯的良好韧性。2.渗碳钢含有0.1-0.25%碳的低碳钢。碳含量越高，核心的韧性越低。渗碳机车从动齿轮3。渗碳法气体渗碳法将工件放入密封炉中，在高温渗碳气氛中进行渗碳。渗透剂为气体(煤气、液化气等)。)或有机液体(煤油、甲醇等。)。优势：质量好，效率高；缺点：渗透层的组成和深度难以控制。气体渗碳法示意图，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：具有良好的表面质量和高车(3)渗氮、氮碳共渗、氮碳共渗是一种在含氮或氮和碳原子的介质中将工件加热到一定温度的技术，钢的表面被氮或氮和碳原子渗透。渗氮工艺复杂、时间长、成本