金屬表面處理工藝及技術

1、金屬表面處理工藝,一、表面熱處理1、表面淬火,表面淬火是指在不改變鋼的化學成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進行淬火以強化零件表面的熱處理方法。,表面淬火目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限; 心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。 適用于承受彎曲、扭轉、摩擦和沖擊的零件。,軸的感應加熱表面淬火,表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳鋼。 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； 鑄鐵 提高其表面耐磨性。,預備熱處理 工藝： 對于結構鋼為調質或正火。 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。 目

2、的: 為表面淬火作組織準備； 獲得最終心部組織。,表面淬火后的回火 采用低溫回火，溫度不高于200。 回火目的為降低內應力，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(調質)或F+S(正火)。,感應加熱表面淬火示意圖,表面淬火常用加熱方法 感應加熱: 利用交變電流在工件表面感應巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。,感應加熱分為： 高頻感應加熱 頻率為250-300KHz，淬硬層深度0.5-2mm,中頻感應加熱 頻率為2500-8000Hz，淬硬層深度2-10mm。,工頻感應加熱 頻率為50Hz,淬硬層深度10-15 mm, 火焰加熱: 利用乙炔火焰直接

3、加熱工件表面的方法。成本低，但質量不易控制。 激光熱處理: 利用高能量密度的激光對工件表面進行加熱的方法。效率高，質量好。,二、化學表面熱處理,化學熱處理是將工件置于特定介質中加熱保溫，使,介質中活性原子滲入工件表層從而改變工件表層化學成分和組織,進而改變其性能的熱處理工藝。,與表面淬火相比，化學熱處理不僅改變鋼的表層組織，還改變其化學成分。 化學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，化學熱處理可分為滲碳、氮化、多元共滲、滲其他元素等。,常用的化學熱處理： 滲碳、滲氮（俗稱氮化）、碳氮共滲（俗稱氰化和軟氮化）等。 滲硫、滲硼、滲鋁、滲釩、滲鉻等。發(fā)蘭、磷化可以歸為表面處理

4、，不屬于化學熱處理。 化學熱處理過程包括分解、吸收、擴散三個基本過程。,化學熱處理的基本過程,介質(滲劑)的分解: 分解的同時釋放出活性原子。 如：滲碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N 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。 原子向內部擴散。,氮化擴散層,鋼的滲碳是指向鋼的表面滲入碳原子的過程。,滲碳目的 提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度，同時保持心部良好的韌性。 滲碳用鋼 為含0.1-0.25%C的低碳鋼。碳高則心部韌性降低。,經滲碳的機車從動齒輪,氣體滲碳法示意圖,滲碳方法 氣體滲碳法 將工件放入密封爐內，在高溫滲碳氣氛中滲碳。 滲劑為氣體 (煤

5、氣、液化氣等)或有機液體(煤油、甲醇等)。 優(yōu)點: 質量好, 效率高； 缺點: 滲層成分與深度不易控制, 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。 滲劑為木炭。 優(yōu)點：操作簡單； 缺點：滲速慢，勞動條件差。, 真空滲碳法 將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳氣體加熱滲碳。 優(yōu)點: 表面質量好, 滲碳速度快。,真空滲碳爐,滲碳溫度：為900-950。 滲碳層厚度（由表面到過度層一半處的厚度）： 一般為0.5-2mm。,低碳鋼滲碳緩冷后的組織,滲碳層表面含碳量：以0.85-1. 05為最好。 滲碳緩冷后組織：表層為P+網狀Fe3C; 心部為F+P; 中間為過渡區(qū)。,滲碳后的熱

6、處理 淬火+低溫回火, 回火溫度為160-180。淬火方法有： 預冷淬火法 滲碳后預冷到略高于Ar1溫度直接淬火。,滲碳后的熱處理示意圖,一次淬火法：即滲碳緩冷后重新加熱淬火。 二次淬火法： 即滲碳緩冷后第一次加熱為心部Ac3+30-50，細化心部；第二次加熱為Ac1+30-50，細化表層。,滲碳后的熱處理示意圖,常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30-50淬火+低溫回火。此時組織為： 表層：M回+顆粒狀碳化物+A(少量) 心部：M回+F（淬透時）,鋼的氮化,氮化是指向鋼的表面滲入氮原子的過程。 氮化用鋼,井式氣體氮化爐,為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼。 常用鋼號為38CrMoA

7、l。 氮化溫度為500-570 氮化層厚度不超過0.6-0.7mm。,常用氮化方法 氣體氮化法與離子氮化法。 氣體氮化法與氣體滲碳法類似，滲劑為氨。 離子氮化法是在電場作用下，使電離的氮離子高速沖擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時間短，氮化層脆性小。,離子氮化爐,氮化的特點及應用 氮化件表面硬度高（6972HRC），耐磨性高。 疲勞強度高。由于表面存在壓應力。,工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進行熱處理。 耐蝕性好。因為表層形成的氮化物化學穩(wěn)定性高。 氮化的缺點：工藝復雜，成本高，氮化層薄。 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。

8、,滲氮與滲碳相比： 滲氮層硬度和耐磨性高于滲碳層，硬度可達6972HRC，且在600650高溫下仍能保持較高硬度； 滲氮層具有很高的抗疲勞性和耐蝕性； 滲氮后不需再進行熱處理，可避免熱處理帶來的變形和其他缺陷； 滲氮溫度較低。 只適用于中碳合金鋼，需要較長的工藝時間才能達到要求的滲氮層。,三、表面形變強化,表面形變強化指使鋼件在常溫下發(fā)生塑性變形，以提高其表面硬度并產生有利的殘余壓應力分布的表面強化工藝。 工藝簡單，成本低廉，是提高鋼件抗疲勞能力，延長其使用壽命的重要工藝措施。,1、噴丸,噴丸強化是將大量高速運動的彈丸噴射到零件表面上，猶如無數(shù)個小錘錘擊金屬表面，使零件表層和次表層發(fā)生一定的塑

9、性變形而實現(xiàn)強化的一種技術。 應用：形狀較復雜的零件 在磨削、電鍍等工序后進行,2、滾壓處理,利用自由旋轉的淬火鋼滾子對鋼件的已加工表面進行滾壓，使之產生塑性變形，壓平鋼件表面的粗糙凸峰，形成有利的殘余壓應力，從而提高工件的耐磨性和抗疲勞能力。 應用：圓柱面、錐面、平面等形狀比較簡單的零件,四、表面覆層強化,表面覆層強化是通過物理或化學的方法在金屬表面涂覆一層或多層其他金屬或非金屬的表面強化工藝。 目的：提高鋼件的耐磨性、耐蝕性、耐熱性或進行表面裝飾。,1、金屬噴涂技術,將金屬粉末加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為熱噴涂。,利用熱噴涂技術可改善材料的耐

10、磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。 廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術在內的幾乎所有領域。,等離子熱噴涂,2、金屬鍍層,在基體材料的表面覆上一層或多層金屬鍍層，可以顯著改善其耐磨性、耐蝕性和耐熱性，或獲得其他特殊性能。 電鍍：工件作為陰極 化學鍍：不外加電源的條件下，利用化學還原的方法在基體材料表面催化膜上沉積一層金屬的表面強化方法。 特點：形狀工件復雜上也能得到均勻厚度鍍層；鍍層晶粒細小致密，孔隙與裂紋少；可以在非金屬材料表面沉積金屬層。 復合鍍：電鍍或化學鍍的溶液中加入適量金屬或非金屬微粒，借助于強烈的攪拌，與基質金屬一起均勻沉積而獲得特殊性能鍍層的表面強化方法。 應用：對材料有特

11、殊要求。原子能工業(yè)和航天航空工業(yè),3、金屬碳化物覆層氣相沉積法,氣相沉積技術是指將含有沉積元素的氣相物質，通過物理或化學的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術。,根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術可分為物理氣相沉積(PVD) 和化學氣相沉積(CVD)兩大類。,物理氣相沉積TiAl靶,物理氣相沉積（PVD） 物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，,使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術。 物理沉積技術主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍三種基本方法。,磁控濺射鍍膜設備,真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。,濺射鍍

12、是在真空下通過輝光放電來電離氬氣，氬離子在電場作用下加速轟擊陰極，濺射下來的粒子沉積到工件表面成膜的方法。,離子鍍是在真空下利用氣體放電技術，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時產生的大量高能中性粒子一起沉積到工件表面成膜的方法。,多弧離子鍍膜機,物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。 廣泛用于機械、航空航天、電子、光學和輕工業(yè)等領域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導電、絕緣、光學、磁性、壓電、滑潤、超導等薄膜。,離子鍍產品,化學氣相沉積(CVD) 化學氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體,CVD設備,表面相互

13、作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。 例如，氣態(tài)的TiCl4與N2和H2在受熱鋼的表面反應生成TiN，并沉積在鋼的表面形成耐磨抗蝕的沉積層。,由于化學氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學、光學等特殊性能，已被廣泛用于機械制造、航空航天、交通運輸、煤化工等工業(yè)領域。,表面處理技術, 表面修復處理,一、表面處理概述,1表面處理概念,利用現(xiàn)代物理化學、金屬學和熱處理等學科的邊緣性新 技術來改變零件表面的狀況和性質，使之與心部材料作優(yōu)化 組合，以達到預定性能要求的工藝方法，稱為表面處理。,2表面處理技術的分類, 表面強化處理, 表面潔化處理, 表面裝飾處理, 表面防蝕處理,3常用

14、表面處理方法, 噴漆與噴塑等, 熱噴涂、噴丸、表面滾壓, 表面脹光、離子鍍, 激光表面強化、拋光, 普通電鍍、特種電鍍, 鋼鐵發(fā)藍、鋼鐵磷化, 鋁陽極氧化及著色處理,二、熱噴涂,熱噴涂是將金屬或非金屬材料加熱熔化，靠壓縮氣體連續(xù)吹噴到制件表面上，形成與基體牢固結合的涂層，從制件表層獲得所需要的物理化學性能。,1熱噴涂原理,說明：, 噴涂的涂層厚度為幾十微米至數(shù)毫米。, 噴涂熱源可用燃氣火焰、電弧、等離子弧或激光束等。, 噴涂材料可為金屬、合金、金屬氧化物和碳化物、陶 瓷和塑料等，材料形態(tài)可為線材、棒料或粉末。, 噴涂的基體可為金屬、陶瓷、玻璃、塑料、石膏、木 材、布、紙等固體材料。,2熱噴涂的

15、特點, 生產效率高。每小時噴涂材料重量從幾千克到幾十千克，沉 積效率很高。, 工藝靈活，適用范圍廣。熱噴涂施工對象可大可小，小的可 到10mm內孔(線爆噴涂)，大的可到橋梁、鐵塔(火焰線材噴 涂或電孤噴涂)，可在室內噴涂，也可在野外現(xiàn)場作業(yè)；可 整體噴涂，也可以局部噴涂。, 基體及噴涂材料廣泛?？赏ㄟ^噴涂不同材料，使工件表面獲 得所需的各種物理化學性能。, 工件應力變形小。基體可保持較低的溫度，工件產生的應力 變形很小。,3熱噴涂的應用, 特殊功能層:通過噴涂獲得表層某些特殊 性能，如耐高溫、隔熱、導電、絕緣、 防幅射等，在航空航天和原子能等部門 應用較多。, 防腐蝕:主要用于大型水閘鋼閘門、

16、造紙 機烘缸、煤礦井下鋼結構、高壓輸電鐵 塔、電視臺天線、大型鋼橋梁、化工廠 大罐和管道的防腐噴涂。, 防磨損:通過噴涂修復已磨損的零件，或 在零件易磨損部位預先噴涂上耐磨材料， 如風機主軸、高爐風口、汽車曲軸、機 床主軸、機床導軌、柴油機缸套、油田 鉆桿、農用機械刀片等。,三、噴丸, 噴丸處理是利用高速噴射出的砂丸和鐵丸，對工件表 面進行撞擊，以提高零件的部分力學性能和改變表面狀 態(tài)的工藝方法。,說明：, 噴丸用于提高零件機械強度以及耐磨性、抗疲勞和耐 蝕性等，還可用于表面消光、去氧化皮和消除鑄、鍛、 焊件的殘余應力等。, 噴丸的方法通常有手工操作和機械操作兩種。, 噴丸通常是直徑為0.52

17、mm的沙粒或鐵丸。沙粒的材 料多為Al2O3或SiO2。表面處理的效果與丸粒的大小、 噴射速度和持續(xù)時間有關。,四、表面滾壓和脹光, 滾壓外圓及 所用工具,1表面滾壓, 滾壓內圓及所用工具, 滾壓可在臥式車床上進行，可滾壓金屬零件上的外圓、內圓和平面等。,說明：, 表面滾壓是在常溫上用硬質滾柱或滾輪施壓于施轉的工件 表面上，并沿母線方向移動，使工件表面塑性變形硬化，以 獲得準確、光潔和強化的表面。,滾壓余量通常為表面微觀不平度的平均高度(0.010.02mm)。 滾壓后，尺寸公差等級可達IT7IT6,Ra值可達0.80.1m m， 表層硬度可提高510%，硬化層深度可達0.22mm，疲勞 強度

18、可提高1030%。,2表面脹光(擠光或擠壓), 脹光一般在壓力機或拉床上進行，用于 2 45孔壁較 厚的金屬零件。,說明：, 表面脹光是在常溫下將直徑稍大于孔徑的鋼球或其他形 狀的脹光工具擠過工件已加工的內孔，以獲得準確，光潔 和強化的表面。, 脹光余量一般為0.070.015mm。脹光后尺寸公差等級可 達IT7IT5，Ra值可達0.80.025 m 。,五、離子鍍, 離子鍍已廣泛用于機械、電子、 航空、航天、輕工、光學和建筑 等部門，用以制備耐磨、耐蝕、 耐熱、超硬、導電、磁性和光電 轉換等鍍層。,說明：, 離子鍍是將鍍層材料氣化并電離 成離子，通過擴散和電場作用， 沉積于制件表面，形成與基

19、體牢 固結合的滿足所需性能的鍍覆層。, 離子鍍的種類很多。其繞射性均 很好，能鍍覆制件上各個方向的 表面，可在金屬或非金屬表面上 鍍覆金屬或合金，鍍層厚度一般 為23mm。,六、激光表面強化, 激光表面強化可分為激光相變強化處理、激光表面合金化 處理和激光熔覆處理等。,說明：, 激光表面強化是用聚焦的激光束射向鋼件表面，在極短時 間內將工件表層極薄的材料加熱到相變溫度或熔點以上的 溫度，又在極短時間內冷卻，使工件表面淬硬強化。, 激光表面強化的熱影響區(qū)小，變形小，工件表面清潔， 操作方便。, 激光表面強化主要用于局部強化的零件，如沖裁模、曲 軸、凸輪、凸輪軸、花鍵軸、精密儀器導軌、高速鋼刀 具

20、、齒輪及內燃機缸套等。, 激光表面強化的設備昂貴，硬化層深度較淺，一般為0.3 0.5mm。,七、拋光,拋光是對零件表面進行修飾的一種光整加工方法，一般只能得到光滑表面，不能提高甚至不能保持原有的加工精度，隨預加工狀況不同，拋光后的Ra值可達1.60.008 m 。,拋光的分類：,1機械拋光,用高速旋轉的柔性拋光輪和極細的磨料對工件表面進行滾壓和微量切削實現(xiàn)拋光。拋光輪用多層帆布、毛氈或皮革疊制而成，用于較大零件的拋光。,1) 輪式拋光,2) 滾筒拋光和振動拋光,將工件、磨料和拋光液裝入滾筒或振動箱內，滾筒緩慢滾動或振動箱振動，使工件與工件，工件與磨料相互摩擦，加上拋光液的化學作用，除去工件表

21、面的油污、銹層，磨去凸峰，從而獲得光滑的表面。用于細小而量大零件的拋光，后者比前者生產率高，拋光效果更好。,將金屬零件浸入特制 的化學溶液中，利用金屬 表面凸起部位比凹洼部位 溶解速度快的現(xiàn)象實現(xiàn)零 件表面的拋光。,電化學拋光與化學拋光類似，不同點是還要通以直流電， 工件接陽報，產生陽極溶解，也是利用金屬表面凸起部位比凹 洼部位溶解速度快的現(xiàn)象進行拋光的。,2化學拋光,3電化學拋光,八、電鍍,電鍍是一種電化學和氧化還原過程。以鍍鎳為例；將金屬制件浸在金屬鹽(NiSO4)的溶液中作為陰極，金屬鎳板作為陽極，接通直流電源后在制件上就會沉積出金屬鍍鎳層。, 在陽極上的反應為： Ni 2eNi2+(陰

22、極溶解) 4OH4e2H2O+O2 2Ni3ONi2O3 2Cl-2eCl2 電鍍有槽鍍(普通電鍍)和 特種電鍍等。,1電鍍原理, 在陰極上的反應為： Ni 2+ +2eNi(形成鍍層) 2H+ +2eH2,2槽鍍,鋼鐵零件上鍍鋅主要作用是防腐蝕，用量占全部電鍍零件的1/3至1/2，是所有電鍍品種中產量最大的一個鍍種。鍍鋅具有成本低、抗蝕性好、美觀和耐貯存等優(yōu)點，在輕工、機電、農機和國防等工業(yè)中得到廣泛應用。,鋼鐵零件上鍍鎘，在海洋和濕熱大氣環(huán)境中，其保護性能 比鋅好，航空、航海及電子工業(yè)中的零件大多采用鍍鎘。但鎘 鹽有毒，且對環(huán)境污染嚴重，使鍍鎘的應用受到限制。,錫的腐蝕產物對人類無害，且

23、易于釬焊，鍍錫廣泛用于食品罐頭 包裝制品、飲具、餐具及電子工 業(yè)中很多需要釬焊的零件。,1) 鍍鋅,2) 鍍鎘,3) 鍍錫,4) 鍍銅,鉻在大氣中能長久保持光澤，在堿液、硝酸、硫酸及許 多有機酸中不發(fā)生反應，鍍鉻層有很高的硬度和優(yōu)良的耐磨 性及較低的摩擦系數(shù)，故鍍鉻常用于防護裝飾性鍍層，防止 基體金屬生銹和美化外觀，也常用于提高制品的耐磨性或修 復磨損。,鍍銅常作為其他鍍層的中間層，以提高表面鍍層和基體 金屬的結合力。在電力工業(yè)中，也可用鐵絲鍍厚銅來代替純 銅導線，以減少銅的耗用量。,鍍鎳的應用面很廣，可用于防護裝飾性和功能性兩方面。 前者主要用于自行車、鐘表、家用電器、五金產品、汽車、照 相

24、機等零件的防護裝飾性鍍層；后者主要用于易磨損產品的 修復電鍍。,5) 鍍鎳,6) 鍍鉻,3特種電鍍,刷鍍不用鍍槽，旋轉的工件接直流電源的負極，鍍筆接正極，鍍筆前端用脫脂棉包住，澆注的鍍液浸貯在脫脂棉套內，鍍液中的金屬正離子在電場力作用下在工件表面(陰極)獲得電子而沉積于表面上，形成電鍍層。, 刷鍍主要用于大型零件的局部電鍍或 大中型零件的局部修復。,1) 刷鍍,說明：, 鍍層厚度可達0.010.5mm，鍍層質 量好，結合強度高，速度比槽鍍快。, 刷鍍設備簡單，操作靈活，可進行局 部電鍍和野外作業(yè)。, 對于大批量中小型零件或大面積鍍覆 的工件進行裝飾性或尺寸電鍍時，刷 鍍不如槽鍍。,2) 非金屬

25、電鍍, 非金屬電鍍制品主要用于汽車、飛機某些裝飾性零部件以 及印刷線路板、電子儀器屏蔽和碳纖維等。,說明：, 非金屬電鍍是指對塑料、玻璃、陶瓷、纖維等非金屬制品 電鍍。, 非金屬電鍍的關鍵工藝是表面金屬化，使非金屬基體上生 成導電層以便進行導電。表面金屬化的方法有化學鍍法、 噴涂法、燒滲銀法和涂刷法等。, 塑料電鍍是非金屬電鍍中應用最廣泛的一種。通過電鍍可 提高塑料制品的強度，防止老化，使其具有導電性、電磁 性、焊接性和裝飾性的外觀。,九、鋼鐵發(fā)藍與磷化, 發(fā)藍后呈藍黑色和深黑色，可提高零件的耐蝕性、潤滑性， 可改善外觀。,1鋼鐵發(fā)藍,說明：, 發(fā)藍是對鋼鐵零件進行的一種氧化處理，使其表面生成

26、一 層極薄的Fe304氧化膜。, 常用堿性化學溶液氧化法：用氫氧化鈉和亞硝酸納的水溶液，在135145溫度下處理6090min，再在肥皂液中 浸泡35min，最后水洗、干燥及浸油。,2鋼鐵磷化, 磷化后呈灰色或灰黑色，其耐蝕性比發(fā)藍好，但外觀不如發(fā) 藍。磷化主要用于鋼鐵制件(如槍炮)耐蝕防護和噴漆前理，以增加漆膜與鋼鐵工件的附著力及防護性。,說明：, 磷化是鋼鐵零件在磷化液中處理，在表面沉積形成一層不 溶于水結晶型磷酸鹽膜。, 常用磷化液由磷酸二氫鋅或磷酸二氫鐵、磷酸二氫錳組成 的酸性稀水溶液。在9098溫度下處理820min。,十、鋁陽極氧化與著色處理, 陽極氧化和著色處理常用于汽車、飛機的某些裝飾性零件 及工藝品和日用五金制品作裝飾性處理。,說明：, 陽極氧化是將鋁或鋁合金制件浸沉于酸性電解液中，在外 電流作用下作為陽極，在制件表面上形成與基體牢固結合 的防蝕氧化膜層。, 陽極氧化前要經拋光、除油、清洗等預處理，其后要進行 沖洗、著色和封閉等處理。, 陽極氧化的氧化膜可染成黑色、紅色、藍色、綠色、金黃 色和茶