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：指通過對材料表面進(jìn)行涂覆或改性，改變材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等,以使表面獲得所需特殊性能的系統(tǒng)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鋼的表面淬火8.2鋼的化學(xué)熱處理8.3表面涂敷技術(shù)8.1鋼的表面淬火表面淬火:

指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織的情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進(jìn)行淬火以強化零件表面的熱處理方法?；鹧婕訜岣袘?yīng)加熱8.1鋼的表面淬火表面淬火的目的：

使工件表面獲得高硬度和耐磨性，而心部仍保持足夠的塑性和韌性。表硬里韌。適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。軸的感應(yīng)加熱表面淬火8.1鋼的表面淬火一、感應(yīng)加熱表面淬火二、火焰加熱表面淬火三、激光表面淬火一、感應(yīng)加熱表面淬火1感應(yīng)加熱的原理2感應(yīng)加熱的分類和應(yīng)用3感應(yīng)加熱表面淬火的特點4感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及技術(shù)條件1感應(yīng)加熱的原理感應(yīng)加熱表面淬火示意圖1感應(yīng)加熱的原理感應(yīng)加熱表面淬火示意圖一、感應(yīng)加熱表面淬火1感應(yīng)加熱的原理2感應(yīng)加熱的分類和應(yīng)用3感應(yīng)加熱表面淬火的特點4感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及技術(shù)條件2感應(yīng)加熱的分類和應(yīng)用2.1高頻感應(yīng)加熱表面淬火2.2中頻感應(yīng)加熱表面淬火2.3工頻感應(yīng)加熱表面淬火2.4超音頻感應(yīng)加熱表面淬火2.1高頻感應(yīng)加熱表面淬火頻率：200～300kHz淬透層深度：

0.2～2.0mm用途:中小型零件,如中小模數(shù)齒輪、直徑較小型軸傳動軸連續(xù)淬火感應(yīng)器感應(yīng)加熱表面淬火齒輪的截面圖2感應(yīng)加熱的分類和應(yīng)用2.1高頻感應(yīng)加熱表面淬火2.2中頻感應(yīng)加熱表面淬火2.3工頻感應(yīng)加熱表面淬火2.4超音頻感應(yīng)加熱表面淬火2.2中頻感應(yīng)加熱表面淬火頻率：2500～8000Hz淬透層深度：

2～10mm用途：大中型零件,如大中模數(shù)齒輪、直徑較大的軸各種感應(yīng)器中頻感應(yīng)加熱表面淬火的機車凸輪軸2感應(yīng)加熱的分類和應(yīng)用2.1高頻感應(yīng)加熱表面淬火2.2中頻感應(yīng)加熱表面淬火2.3工頻感應(yīng)加熱表面淬火2.4超音頻感應(yīng)加熱表面淬火2.3工頻感應(yīng)加熱表面淬火頻率：50Hz淬透層深度：

10～15mm以上用途：大型零件,如直徑大于300mm的軋輥及軸類零件感應(yīng)穿透加熱2感應(yīng)加熱的分類和應(yīng)用2.1高頻感應(yīng)加熱表面淬火2.2中頻感應(yīng)加熱表面淬火2.3工頻感應(yīng)加熱表面淬火2.4超音頻感應(yīng)加熱表面淬火2.4超音頻感應(yīng)加熱表面淬火頻率：

20～40kHz（比聲頻20kHz高）淬透層：

深度比高頻略深；淬透層沿零件輪廓均勻分布用途：中小型零件如齒輪、凸輪、花鍵軸、鏈輪等

一、感應(yīng)加熱表面淬火1感應(yīng)加熱的原理2感應(yīng)加熱的分類和應(yīng)用3感應(yīng)加熱表面淬火的特點4感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及技術(shù)條件3感應(yīng)加熱表面淬火的特點(1)高頻感應(yīng)加熱時，鋼的奧氏體化是在較大的過熱度（Ac3以上80℃～150℃)進(jìn)行的,因此晶核多,且不易長大。(2)表面層淬得馬氏體后,由于體積膨脹在工件表面層造成較大的殘余壓應(yīng)力,顯著提高工件的疲勞強度。(3)因加熱速度快，沒有保溫時間，工件的氧化脫碳少。另外，由于內(nèi)部未加熱，工件的淬火變形也小。(4)加熱溫度和淬硬層厚度（從表面到半馬氏體區(qū)的距離）容易控制，便于實現(xiàn)機械化和自動化。3感應(yīng)加熱表面淬火的特點一、感應(yīng)加熱表面淬火1感應(yīng)加熱的原理2感應(yīng)加熱的分類和應(yīng)用3感應(yīng)加熱表面淬火的特點4感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及技術(shù)條件表面淬火用材料

⑴0.4～0.5%C的中碳鋼、中碳合金鋼

含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降含碳量過高,心部韌性下降

⑵

球墨鑄鐵提高其表面耐磨性機床導(dǎo)軌表面淬火齒輪表面淬火零件的工藝路線：

下料→鍛造→退火或正火→粗加工→調(diào)質(zhì)或正火→精加工→感應(yīng)加熱表面淬火＋低溫回火→精磨→成品淬火前預(yù)熱處理⑴工藝：對于結(jié)構(gòu)鋼為調(diào)質(zhì)或正火

調(diào)質(zhì)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為表面淬火作組織準(zhǔn)備；②獲得最終心部組織。

表面淬火零件的工藝路線：

下料→鍛造→退火或正火→粗加工→調(diào)質(zhì)或正火→精加工→感應(yīng)加熱表面淬火＋低溫回火→精磨→成品表面淬火后的回火

低溫回火，溫度不高于200℃

回火目的：為降低內(nèi)應(yīng)力，保留淬火高硬度、耐磨性。表面淬火+低溫回火后的組織

表層組織為：M回

心部組織為：S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)8.1鋼的表面淬火一、感應(yīng)加熱表面淬火二、火焰加熱表面淬火三、激光表面淬火火焰加熱表面淬火是用乙炔－氧或煤氣－氧等火焰加熱工件表面，進(jìn)行淬火，淬硬層深度，2～6mm?；鹧婕訜岜砻娲慊鸷透哳l感應(yīng)加熱表面淬火相比，具有設(shè)備簡單，成本低等優(yōu)點。但生產(chǎn)率低，零件表面存在不同程度的過熱，質(zhì)量控制也比較困難。因此主要適用于單件、小批量生產(chǎn)及大型零件（如大型齒輪、軸、軋輥等）的表面淬火。

8.1鋼的表面淬火一、感應(yīng)加熱表面淬火二、火焰加熱表面淬火三、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)

可在短時間內(nèi)將工件表面快速加熱或融化,而心部溫度基本不變;當(dāng)激光輻射停止后,由于散熱速度快，又會產(chǎn)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、耐疲勞，變形極小，表面光亮。已廣泛用于發(fā)動機缸套、滾動軸承圈、機床導(dǎo)軌、冷作模具等。激光表面淬火件激光表面淬火超快加熱相變加熱速度：104~106℃/s冷卻速度：106~108℃/s，自冷淬火第8章材料的表面改性8.1鋼的表面淬火8.2鋼的化學(xué)熱處理8.3表面涂敷技術(shù)8.2鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將工件置于特定介質(zhì)中加熱保溫，使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學(xué)成分和組織,進(jìn)而改變其性能的熱處理工藝。與表面淬火相比，化學(xué)熱處理不僅改變鋼的表層組織，還改變其化學(xué)成分?；瘜W(xué)熱處理也是獲得表硬里韌性能的方法之一。根據(jù)滲入的元素不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮（氮化）、碳、氮共滲、多元共滲、滲硼、滲金屬等。

可控氣氛滲碳爐滲碳回火爐8.2鋼的化學(xué)熱處理一、化學(xué)熱處理的基本過程二、鋼的滲碳三、鋼的滲氮四、鋼的碳、氮共滲一、化學(xué)熱處理的基本過程1、介質(zhì)(滲劑)的分解

分解的同時釋放出活性原子

如：滲碳

CH4→2H2+[C]

氮化2NH3→3H2+2[N]2、工件表面的吸收

活性原子向固溶體溶解或與鋼中某些元素形成化合物。3、原子向內(nèi)部擴散

一、化學(xué)熱處理的基本過程1、介質(zhì)(滲劑)的分解

分解的同時釋放出活性原子

如：滲碳

CH4→2H2+[C]

氮化2NH3→3H2+2[N]2、工件表面的吸收

活性原子向固溶體溶解或與鋼中某些元素形成化合物。3、原子向內(nèi)部擴散

氮化擴散層8.2鋼的化學(xué)熱處理一、化學(xué)熱處理的基本過程二、鋼的滲碳（掌握）三、鋼的滲氮四、鋼的碳、氮共滲二、鋼的滲碳滲碳：

將低碳鋼放入滲碳介質(zhì)中，加熱到單相奧氏體區(qū)（一般采用920～930℃），保溫足夠長的時間，使表面層的碳濃度提高，這樣一種熱處理工藝稱為滲碳。二、鋼的滲碳1滲碳的目的和用鋼2滲碳方法3滲碳層的成分、組織和厚度4滲碳后的熱處理及工藝路線1滲碳的目的和用鋼滲碳目的

提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度保持心部良好的韌性。滲碳用鋼

含0.1～0.25%C

的低碳鋼和低合金鋼。如：15、20、20Cr、20CrMnTi1滲碳的目的和用鋼用途

同時承受嚴(yán)重磨損和較大沖擊載荷的零件

如：齒輪、活塞銷、軸類經(jīng)滲碳的機車從動齒輪二、鋼的滲碳1滲碳的目的和用鋼2滲碳方法3滲碳層的成分、組織和厚度4滲碳后的熱處理及工藝路線2滲碳方法⑴氣體滲碳法⑵固體滲碳法⑶真空滲碳法⑴氣體滲碳法

將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳?xì)夥罩袧B碳。滲劑：氣體(煤氣、液化氣等)

或有機液體(煤油、甲醇等)溫度：900-950℃優(yōu)點:

質(zhì)量好,效率高缺點:

滲層成分與深度不易控制⑵固體滲碳法

將工件埋入滲劑中，裝箱密封后在高溫下加熱滲碳.滲劑：木炭優(yōu)點：操作簡單缺點：滲速慢，勞動條件差⑶真空滲碳法將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。優(yōu)點:

表面質(zhì)量好,滲碳速度快真空滲碳爐二、鋼的滲碳1滲碳的目的和用鋼2滲碳方法3滲碳層的成分、組織和厚度4滲碳后的熱處理及工藝路線3滲碳層的成分、組織和厚度滲碳層成分：

0.85～1.05%C組織：最表層：P＋網(wǎng)狀Fe3CII

次表層：P

過渡區(qū)：P+F

心部：F多+P少

滲碳層厚度：表面到過渡區(qū)一半處的深度，一般為0.5～2mm。3滲碳層的成分、組織和厚度二、鋼的滲碳1滲碳的目的和用鋼2滲碳方法3滲碳層的成分、組織和厚度4滲碳后的熱處理及工藝路線4滲碳后的熱處理及工藝路線滲碳后的熱處理：淬火＋低溫回火

（回火溫度為160～180℃，目的是消除淬火應(yīng)力和提高韌性）滲碳件的淬火方法有：

（1）直接淬火法（2）一次淬火法（3）二次淬火法(1)直接淬火

滲碳后預(yù)冷到略高于心部成分的Ar3溫度，然后直接淬火。

適用于：本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。(2)一次淬火

工件滲碳后出爐空冷，然后再重新加熱淬火。淬火溫度：應(yīng)兼顧表層和心部，使表層不過熱而心部得到充分強化。

強化心部：加熱到Ac3以上進(jìn)行完全淬火

強化表層：加熱到Ac1以上進(jìn)行不完全淬火常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30～50℃淬火+低溫回火。表層組織：高碳M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)心部組織：低碳M回+F（淬透時）（隨鋼的淬透性而定）滲碳淬火后的表層組織M+F(3)二次淬火

滲碳后兩次加熱淬火第一次淬火：加熱到心部的Ac3以上進(jìn)行完全淬火，目的是細(xì)化心部組織，同時消除表層的網(wǎng)狀碳化物；第二次淬火：加熱到表層的Ac1以上進(jìn)行不完全淬火，目的是細(xì)化表層組織，對心部影響不大。

4滲碳后的熱處理及工藝路線鋼滲碳、淬火、回火后的性能(1)表面硬度高

表面硬度可達(dá)HRC58～

HRC64以上,耐磨性較好；心部韌性較好,硬度較低，可達(dá)HRC30～

HRC45。(2)疲勞強度高

表層體積膨脹大，心部體積膨脹小，結(jié)果在表層中造成壓應(yīng)力，使零件的疲勞強度提高。4滲碳后的熱處理及工藝路線滲碳件的工藝路線：鍛造→正火

→切削加工→滲碳

→淬火＋低溫回火→精加工（磨削等）8.2鋼的化學(xué)熱處理一、化學(xué)熱處理的基本過程二、鋼的滲碳三、鋼的滲氮四、鋼的碳、氮共滲三、鋼的滲氮滲氮（氮化）：

向鋼件表面滲入氮元素，形成富氮硬化層的化學(xué)熱處理。氮化用鋼含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼

常用鋼號為：38CrMoAl氮化溫度：500-570℃氮化層厚度：不超過0.6-0.7mm三、鋼的滲氮－－氣體滲氮氨被加熱分解出活性氮原子（2NH3→3H2+2[N]),氮原子被鋼吸收并溶入表面,在保溫過程中向內(nèi)擴散,形成滲氮層。井式氣體氮化爐三、鋼的滲氮

氮化溫度：500～570℃三、鋼的滲氮氮化零件的工藝路線：

鍛造→退火

→粗加工→調(diào)質(zhì)

→精加工→

去應(yīng)力退火→粗磨→氮化

→精磨或研磨三、鋼的滲氮三、鋼的滲氮氮化原理：2NH3→3H2+2[N]氮化工藝特點：1）氮化溫度低，一般為500～580℃2）氮化時間長，一般為20～50h，氮化層厚度為0.3～0.5mm3）氮化前零件須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理（S回）三、鋼的滲氮氮化的特點⑴

氮化件表面硬度高(HV1000-2000)，耐磨性高。⑵

疲勞強度高.

由于表面存在壓應(yīng)力。⑶

工件變形小.

因氮化溫度低，氮化后不需熱處理.⑷耐蝕性好.

因表層形成的氮化物化學(xué)穩(wěn)定性氮化的缺點：工藝復(fù)雜，成本高，氮化層薄。三、鋼的滲氮用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等?？p紉機用氮化件經(jīng)氮化的機車曲軸8.2鋼的化學(xué)熱處理一、化學(xué)熱處理的基本過程二、鋼的滲碳三、鋼的滲氮四、鋼的碳、氮共滲四、鋼的碳、氮共滲（氰化）碳氮共滲：就是同時向零件表面滲入碳原子和氮原子的過程，也稱氰化。氰化的目的：提高結(jié)構(gòu)鋼零件表面的硬度、耐磨性及疲勞強度提高碳素工具鋼、合金工具鋼及高速鋼的紅硬性四、鋼的碳、氮共滲（氰化）氰化的工藝：

高溫（900～950℃）中溫（700～880℃）低溫（500～570℃）工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是：中溫或低溫兩種氣體碳氮共滲四、鋼的碳、氮共滲中溫碳氮共滲工藝：將工件放入密封爐內(nèi)，加熱到共滲溫度830℃～850℃，向爐內(nèi)滴入煤油[C]，同時通以氨氣[N]，經(jīng)保溫1h～1h后，共滲層可達(dá)0.2mm～0.5mm。低溫碳氮共滲：主要是以滲氮為主。碳氮共滲后淬火,再低溫回火。四、鋼的碳、氮共滲碳氮共滲后的機械性能

(1)共滲及淬火后,得到的是含氮馬氏體,耐磨性比滲碳更好。

(2)共滲層具有比滲碳層更高的壓應(yīng)力,因而疲勞強度更高,耐蝕性也較好。

課堂練習(xí)題1.什么是冰銅；

2.煉鐵的目的；3.煉鋼的目的；4.高爐煉鐵過程中造渣的目的是什么；5.高爐煉鐵產(chǎn)物是什么；6.說