材料的表面强化.ppt

4.4 材料的表面强化Surface Strengthening of Materials,4.4.1 表面强化概述(Introduction of surface reinforcing)4.4.2 表面淬火(Surface quenching)443 化学热处理(Chemical heat-treatment),4.4.1 表面强化概述(Introduction of surface reinforcing),我国著名材料学专家、两院院士师昌绪先生指出：表面工程，是应用物理、化学、机械等方法改变固体材料表面成分或组织结构，获得所要求的性能，以提高产品的可靠性或延长使用寿命的各种技术的总称。国际著名学者Bell教授给出了目前得到国际认可的表面工程定义：“表面工程就是将传统的和新型的表面技术应用到工程构件和工程材料上，从而得到具有基体和表面材料均无法获得的复合材料。由于各种表面技术经常用于工程构件设计，所以理论上说，表面工程就是要采用表面处理的构件的设计”。这标志着表面工程作为一种新的工程技术领域正在形成，同时它正在形成一门新兴科学。表面工程技术包括表面强化技术、表面加工和表面预处理（简称表面处理）技术。表面强化技术定义为增强材料表面强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、物理性能以及美观等表面处理方法的总称，它包括机械的、物理的、化学的以及物理化学的一系列表面强化处理方法。其主要目的在于增强材料的使用性能。而表面加工技术和表面预处理技术两者的目的旨在改变材料的外形和表面状态，一般不增强材料的使用性能。,4.4.1 表面强化概述(Introduction of surface reinforcing),可见，表面强化是表面工程的核心内容，是决定强化表层的成分、组织、结构与性能的关键技术。按表面强化的工艺特点可分为如下6类：表面冶金强化（它包括堆焊、热喷涂、激光重熔等）；表面形变（机械）强化（它包括喷丸、滚压、挤压等）；表面热处理强化（它包括表面淬火、化学热处理等）；表面薄膜强化（它包括电镀、电刷镀、气相沉积、化学镀等）；表面非金属化处理（它包括喷塑、粘涂、涂装等）；高能束（密度）表面强化（它包括电子束、离子束、激光束等）。其中以表面淬火和化学热处理等应用最为普遍。表面强化的性能要求-“表硬内韧”。,4.4.2 表面淬火(Surface quenching),1.表面淬火的定义与分类定义：将工件表面快速加热到淬火温度，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。钢经表面淬火（一般指表面淬火低温回火）后，其表层组织为极细回火马氏体(隐晶M)，而心部则为原始组织，一般为回火索氏体或正火索氏体。表面淬火方法很多，当前工业中广泛应用的就是感应加热表面淬火法、激光加热表面淬火法、火焰加热表面淬火法、电接触加热表面淬火法等。2.感应加热表面淬火简介（1）基本原理：“电磁感应”、“集肤效应”（2）感应加热的分类（3）感应加热表面淬火的特点（4）感应加热表面淬火用钢及加工工艺路线 3.火焰加热表面淬火简介,（1）定义 感应加热表面淬火是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速加热然后快速冷却的一种热处理工艺操作。（2）基本原理：=。式中:感应电流透入深度，mm;f电流频率，HZ。“电磁感应”:把工件放入由空心铜管绕成的感应器线圈中，感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，于是工件内就会产生频率相同、方向相反的感生电流。“集肤效应”:这种感生电流在工件中的分布是不均匀的，主要集中在表面层。愈靠近表面、电流密度愈大;频率愈高，电流集中的表面层愈薄，这种现象称为集肤效应。,2.感应加热表面淬火,感应加热表面淬火操作示意图,2.感应加热表面淬火（3）感应加热的分类、工作电流频率及应用 如表4-9所示。,表4-9 感应加热种类、工作电流频率及应用范围,回顾：奥氏体晶粒大小及其控制,奥氏体晶粒度的控制：快速加热法。它可以使AC1、AC3相变点升高，转变温度范围扩大，但转变所需时间缩短。,2.感应加热表面淬火,（4）感应加热表面淬火的特点 与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火有以下特点:感应加热速度极快（快速加热）一般只需几秒至几十秒时间就可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点(Acl、c3)升高，转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。工件表层获得极细小的M(称隐晶M)组织 使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度(高23HRC)且脆性较低。由于表层淬火时M体积膨胀，使工件表层存在残余压应力，因而具有较高的疲劳强度。工件表面质量好 由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且淬火时工件变形小。生产效率高 便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。上述特点使感应加热表面淬火在工业上获得日益广泛的应用。但其缺点是工艺设备较贵，维修调整困难，对于形状复杂的零件的感应器不易制造等。,45钢高频淬火后的金相组织,（4）感应加热表面淬火用钢及加工工艺路线,用作表面淬火最适宜、用量最大的钢种是中碳碳钢与中碳低合金钢，如45，40Cr，40MnB等。感应加热表面淬火零件的典型加工工艺路线如下: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+低温回火精磨时效(100150、1015h加热，以稳定工件尺寸，消除内应力)精磨成品。应注意点:感应加热表面淬火零件的预先热处理有调质和正火两种，调质处理后工件的力学性能比正火的好。然而当心部性能要求不高时，一般可采用正火作为预先热处理。感应加热表面淬火后工件必须随即进行低温回火。低温回火一般在170200左右炉中进行，也可采用“自回火”方式，即当淬火冷至200时停止喷水，利用工件中的余热传到表面而达到回火目的。零件经感应加热表面淬火+低温回火后，其表层组织M回，心部组织S回(调质)或F+S(正火)。,3.火焰加热表面淬火简介,443 化学热处理(Chemical heat-treatment),1.基本过程（分解吸收扩散）2.渗碳工艺的分类与适用材料 低碳碳钢与低碳合金钢3.渗碳工艺特点 880950=0.52mm 58h 0.851.15%C4.渗碳缓冷后组织 表层P+Cm 心部 F+P 5.渗碳经热处理及相应组织 热处理：渗碳+淬火+低温回火 组织：表层M回+K+AR，心部M回+F（或F+P）,1.基本过程（分解吸收扩散）,分解：2COC+CO2，CH42H2+C，CO+H2C+H2O吸收：吸附，吸收固溶体进而形成化合物扩散：在浓度梯度作用下，由表及里扩散层,2.渗碳工艺的分类与适用材料,图4.43 气体渗碳示意图,固体渗碳装箱示意图,渗 碳 适 用 材 料,低碳碳钢与低碳合金钢，碳的质量分数一般为0.10%0.25%，随碳的质量分数的提高，将降低工件心部的韧性。,3.渗碳工艺特点,880950（920930），保温58h；渗层深度：1mm左右渗碳层表面碳含量为：0.80%1.10%。,渗碳温度、渗碳时间与渗碳层深度的关系图,4.渗碳缓冷后组织,5.渗碳经热处理及相应组织,图4.45 渗碳后常用的热处理工艺曲线,渗碳淬火组织,经渗碳的机车从动齿轮,渗碳+淬火+低温回火后组织,表层：回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体心部：铁素体+回火马氏体（或铁素体+珠光体）,渗碳件的加工工艺路线：,下料 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火+低温回火 精加工 成品。,表4.10 常用化学热处理的特点及应用比较,6.钢的渗氮（习惯称氮化）,（1）定义 在一定温度下使活性N原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳极限及耐蚀性等。目前应用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮法。,井式气体氮化炉,离子渗氮炉,（2）渗氮用钢及处理温度,渗氮用钢 为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳合金钢。可形成各种合金氮化物，如ANCNNN等，它们以极高的弥散度分布在渗氮层中，从而获得极高硬度和耐磨性。其典型钢号为38CrMoAlA。渗氮处理温度为500570，渗氮时间取决于所需渗氮层深度，一般渗氮层深度为0.40.6mm，其渗氮时间约需4070h，故气体渗氮的生产周期很长。渗氮层深度一般不超过0.60.7mm。钢件渗氮前需进行调质处理，以保证渗氮件心部具有较高强度和韧性。,（3）渗氮层组织,38CrMoAl钢的渗氮层显微组织图,化合物白亮层 浸蚀较深色的 心部S回,（4）气体渗氮（气体氮化）,渗氮原理 通常是在预先已排除了空气的井式炉内进行，将已除油净化了的工件放在密封的炉内加热，并通入氨气。氨气在380以上就能按下式分解出活性氮原子。2NH3活性N原子被工件表面吸收，形成固溶体和氮化物，随渗氮时间的延长，N原子逐渐向里扩散，而获得一定深度的渗氮层。,（4）气体渗氮（气体氮化）,渗氮特点 i工件表面形成一层极硬的合金氮化物。其硬度可达9501200HV（相当于6872HRC），故不需再经淬火便具有很高表面硬度和耐磨性，且还可保持至600650而不明显下降。ii疲劳极限可提高1535。由于渗氮层体积增大，导致工件表层产生了残余压应力。iii工件具有很高的抗腐蚀能力。因渗氮层表面系由致密、抗蚀氮化物所组成，可代替镀镍、镀锌、发蓝等处理。iv渗氮工件的变形很小。由于渗氮温度低，且渗氮后又不需进行任何其他热处理，仅需精磨或研磨、抛光即可。,（4）气体渗氮（气体氮化）,气体渗氮的应用 广泛用于各种高速传动的精密齿轮，高精度机床主轴，如镗杆、磨床的主轴等；在交变载荷条件下工作要求疲劳极限很高的零件，如高速柴油机曲轴等；要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨零件，如阀门等。,（5）离子渗氮,原理简介 在一定真空度下，利用钢件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电现象进行的，又称辉光离子渗氮。下右图为离子渗氮装置示意图。将钢件置于专门的离子渗氮炉（真空室）中，渗氮时先把炉内真空度抽到13.331.33Pa，然后慢慢通入氨气使气压维持在此范围，以需渗氮的钢件为阴极，以炉壁为阳极，通过高压（400750V）直流电，氨气被电离成N+、H+的正离子及电子，这时阴极（钢件）,离子渗氮法的原理及设备示意图,表面形成一层紫色辉光。具有高能量的N+以很大速度轰击钢件表面，由动能转化为热能，使钢件表面温度升至所需渗氮温度（450650）；同时N+在阴极上得到电子后还原成N原子而渗入钢件表面，并向内层扩散形成渗氮层。另外轰击钢件表面时，还能产生阴极溅射效应而溅射出Fe+，这些Fe+与N+化合，形成含N量很高的FeN，FeN又重新附着在钢件表面上，依次分解为Fe2N、Fe3N、Fe4N等，并放出N原子向钢件内部扩散，于是在钢件表面形成渗氮层（如图左所示）。随时间增加，渗氮层逐渐加深。,（5）离子渗氮,离子渗氮特点i渗氮速度快，生产周期短。如38CMAA钢，渗氮层深度要求为0.530.7mm、硬度900HV时，采用气体渗氮法需50h，而离子渗氮只需1520h。ii渗氮层质量高。因离子渗氮的阴极溅射有抑制生成脆性层的作用，故可明显提高渗氮层的韧性和疲劳极限。iii钢件变形小。阴极溅射效应使钢件尺寸略有减少，可抵消氮化物形成而引起的尺寸增大。故适用于处理精密零件和复杂零件。iv对材料的适应性强。渗氮用钢、碳钢、合金钢和铸铁等都可进行离子渗氮。但离子渗氮也存在投资高、温度分布不均匀、测温困难及操作要求严格等缺点。,