化学热处理与表面涂层在工具中的应用
刀具涂层制备方法及应用
刀具涂层制备方法及应用摘要：随着科学技术的发展，难加工材料的使用越来越多，为了适应这一要求，现代机械加工工业正朝着高精度、高速切削、干式切削技术、绿色制造以及降低成本等方向发展，也因为如此，人们对制造用刀具提出了更高的要求。
涂层刀具有高硬度和优良的耐磨性，延长了刀具的寿命。
当前刀具涂层制备方法主要包括化学气相沉积和物理气相沉积，刀具涂层的种类也日益丰富。
涂层刀具的发展呈现涂层成分多元化，涂层结构多层化，涂层基体梯度化和涂层工艺灵活化的趋势。
目前刀具涂层的制备也存在许多不足之处，主要体现在相关技术的研究不够深入方面。
本文就刀具涂层的制备方法、刀具涂层制备问题以及刀具涂层的应用等方面进行了一些论述。
关键词：刀具涂层CVD PVD绿色制造清洁化生产1、前言随着科学技术的进步，难加工材料的使用日益增多，材料的力学性能不断提高，而且，对加工效率的要求也不断提高，传统的未涂层刀具常常不能适应新的要求。
尽管目前常用的刀具如高速钢刀具（硬度66-70HRC）和硬质合金刀具（硬度89-93.5HR C）的硬度都很高，但是对于难加工材料的高效加工已不适用。
虽然可以采取各种措施提高刀具材料的硬度与耐磨性，但同时必然带来刀具材料抗弯强度和冲击韧性的下降，即材料变脆，从而影响刀具的使用性能。
在高速钢刀具基体和硬质合金刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如TiC，TiAIN，Al203等）的涂层刀具，结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，降低了刀具与工件之间的摩擦因数，提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。
因此，刀具涂层技术是解决刀具材料中硬度、耐磨性与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。
刀具涂层是一种耐磨涂层，其特性要求是：耐磨性好、硬度高、化学稳定性好、摩擦系数低、导热性及稳定性好。
刀具涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来（因为难熔金属化合物有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数），使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。
常用材料零件--耐磨零件
耐磨零件材料概述材料表面强化处理农机具耐磨零件材料球磨机磨球材料耐磨材料概述高锰钢的耐磨性典型耐磨零件用钢耐磨件--犁壁耐磨件--泥浆泵缸套耐磨件--锤式粉碎机锤片耐磨件--风扇磨煤机护勾、护耐磨件--稻麦收割机光滑刃动刀片耐磨件--耙片耐磨件--锄铲耐磨件--稻麦收割机光滑刃定刀甲耐磨件--旋耕机刀片耐磨件--甘蔗粉碎机切片耐磨件--剪羊毛机刀片耐磨件--切草机刀片耐磨件--旋耕机齿轮耐磨件--联合收割机链轮片耐磨件--泥浆活塞杆耐磨件--推土机铲运机铲刀耐磨件--凿岩机耐磨件--钻探机械钻具耐磨件--犁铧耐磨件--覆带板国外工程机械耐磨件用钢及热处理德国挖掘机斗齿日本挖掘机斗齿日本推土机、装载机、行走机构日本推土机、装载机、工作装置美国挖掘机斗齿材料表面强化处理材料表面强化处理是提高耐磨性的重要措施之一。
除了常用的化学热处理(渗碳、渗硼等)和表面淬火方法外，还有表面冶金强化(表面熔化、表面合金化、表面涂层)、气相反应沉积、离子注入等方法都能提高零件表面的耐磨性和疲劳强度等性能。
耐磨堆焊是以提高耐磨性为主要目的的堆焊工艺。
耐磨堆焊材料也就成为一类重要的金属耐磨材料。
常用的耐磨堆焊材料有铁基合金、钴合金、镍合金等。
耐磨堆焊材料的范围很广泛的。
应该在耐磨性、对环境的适应能力和可焊性等几方面综合考虑正确选用堆焊材料。
耐磨材料概述用于制造耐磨零件的金属耐磨材料包括钢、复合钢材和铸铁等。
高锰钢是历史悠久的耐磨材料，在恶劣工况条件下，不容易产生塑性失稳，而具有相当好的耐磨性；但它只有在冲击载荷及单位压力较大的磨料磨损条件下，产生加工硬化效应，才显示出较其他材料具有更优良的耐磨性。
对于冲击载荷不太大的易磨损零部件，目前较广泛选用成本较低的非合金钢（碳素钢）或中高碳合金钢，并采取一定的工艺措施以提高其耐磨性。
选用表面硬化钢或复合钢材制作的零部件，在耐磨、耐冲击等性能方面都具有明显的优点，可提高使用寿命，但成本较高。
化学在机械制造业中的应用
化学在机械制造业中的应用第l3卷第4期1999年l1月新乡师范高等专科学校JOURNALOFXINXIANGTEACHERSCOLLEGE化学在机械制造业中的应用f'安原初,r【_t,'新乡师专化学系新乡s3.∞V0l_13,No.4N0V,1999提要本文通过讨-7e-Z学与机械稍造业的关系和机械稍造业生产过程中有关化学的应用状况,展示了化学与机械制造业的学科交叉,相互渗透,相互促进厦共同发展的美好前菁.,;;～,一关键词化学机械制造交叉渗透…一.一一一一々;÷,?,...j,机械制造业更多涉及的是物理领域,'因为它是利用各种金属材料通过熔化,净却成型,机械加工.热压,冷拔,冲裁,组装等手段将其制戚各种不同的机械制品.然而,随着科学技术的不断发展.化学在机械制造业中的作用日益显现.本文拟就机械制造业中所涉及的化学及其相关同题作以简单的概括和讨论.l机械科遣业的范畴及主要生产工序机械制造业是一个范围广阔,涉及国计民生的产业,通常包括车辆,船舶,航空航天器工程,建筑,农用,轻工,化工,矿山机械.石油采炼设备等数十个领域.机械镪造业的主要生产工艺由于产品不同各有差异,但大都包括以下工艺程序: (1)俦造通过金属及其合金在熔融状态的流动性使其戚型为各种毛胚或直接通过精密铸造得到零件和半成品(2)锻造利用高温下金属及其台金的蘸好塑性施加外力使其改变形状得到零部件和半成品.(3)机械加工利用各种刀具使鼯材料和毛胚改变外部形状,包括锯,切,车,铣.刨,磨,镗,钻,冲压和拉伸等.(4)焊接利用局部界面的融台,使材料成型的工序.(5)热处理利用金属和台金在不同温度的金相组织会导致性能改变的原理进行的淬火,正火,退火,时效等工艺处理(6)表面处理对金属表面进行化学处理,电化学处理,进行金属或合金的沉积,离子注入,掺杂等工艺加工,赋予工件以特殊的性能,如抗蚀,装饰,耐磨,高表面活性,绝壤等.(7)防腐包装对零部件或产品进行的商品化处理2化学在机械制造业中的应用2,l化学在铸造过程中的应用俦遣,叉称金属流体成型工程.俗称翻砂.虽然目前某些铸造过程仍离不开砂箱,但就其工艺而言.已是事过境迁.铸造领域的新技术也紧紧地与化学联系在一起如精密铸造中的蜡型制作,压俦成型的模具及相关的脱膜剂等;更为重要的是:铸造是研削新型台金材料的重要手段铸造过程中的金属及其台金的配方,舍碳量调整,都是化学工作者探索的领域.在熔铸过程中杂质的去脒(磷,氮,硫等)都涉及到高温状态下的各种化学反应,要么使其成为有用的产物参与金属晶体成型,要么通过造渣使之脒去.另外,铸造中的温度参数,如浇俦温度,净却速度,温度梯度等参数的确定都可以直接影响金属晶体的金相组织和晶粒细化程度=2.2在锻造和热处理过程中曲应用(1)各种热处理过程1碇其化学原理热处理是一种与锻造,铸造,焊接等工艺密切相关的加工工艺=它的主要责任不是使金属材料获得一定的形状和R寸,而是以改变金属材料的组织和性能为目的,在铸.煅,焊的过程中,由于种种原因,不可避免的会出现这样或那样的缺陷;如铸造过程中,由于形状复杂,厚薄不均.会造成净却不均匀,组织变化不均匀,产生很大的铸造应力,加之从高温缓慢冷却,晶粒易于粗大;焊接过程中的局部加热与熔化,随后的冷却叉比较快.必然存在在很大的内应力.锻造时由于终煅温度过高或过低也会出现程大的魏氏组织和带状组织.遮些蛙路的存在将重影响工件的使用陛能.必须进行热处理,消除这些缺陷,改善盎相组錾{和材料性能.热处理更重要的意卫在干它是赋于工件最终性能的关键工序,不少零件加工成型后不能直接使用,而必7fJ第-I期寰原韧:化学在机械制造业中的应用须进行热处理,以获得最优的使用性能;如汽车,拖拉机后桥主动齿轮(材料为20CrMnT{),加工成型后要进行渗碳淬火和回火,这样其使用寿命可达到6000小时以上,而未经这种处理的寿命仅为1500小时以下热处理工艺般分为退火,正火,回火,淬火和化学热处理等几种.根据材料性能要求的不同,可以采取不同的工艺或几种工艺组合进行(2)热处理过程中的气氛可控技术由于空气中氡的存在,根据热力学原理,金属与氧的反应速度髓温度的升高而大大加快t对于最后成型的工件,这种氧化造成的尺寸变化是不能接受的,这就需要控制加热环境防止氧化发生;这种环境一般都是采用氮气,氲气,二氧化碳等惰性气体或氢气等还原性气体.这种热处理称为可控气氛热处理有时把粉束冶金制造技术也归于可控气氛热处理,粉末冶金包括体铁系台金,铜系台盘,镍系台盘等许多品种它是将粉末原料用粘结剂通过挤压等手段成型后进行烧结,烧结般在氧气,氧化碳气体中进抒,将一些氧化物如氧化铁,氧化铜等还原戚单质金属并形成舍金,可得到多孔的粉束冶金零件,经渗油和其他辅助处理铷得各种零部件,这种方法具有工序步.成本低,性能独特等优点,特别适台于制造轴承,金属电极等零件.2.3化学在机械加工中的应用机械加工是机械制造业中最重要的生产手段它包括车,铣,刨,磨,钻,镗,冲压,切割,拉伸等多种工艺方法(i)在车,铣,刨,磨加工中的应用在丰,铣,御,磨加工中,化学主要是通过词制台适的润滑冷却液,改善工件与刀具问的接触状况,选到保护刀具,提高其寿命和改善加工表面的目的.这些润滑冷却藏要具有冷却,宿惰,滴洗和防锈多种功能,对某些加工(如攻丝)还要有抗扳压的功能目前使用的普通乳化油系列,水剂透明系列和微乳化系列均有不阿产品的供应,也可以自行谓制它们的主要成分为矿物油,乳化剂,水,防锈添加剂,脱水剂等等的.(2)线切割和电火花加工的化学原理线切割和电业花加工都是模具制造的重要加工手段.线切割和电火花加工的加工环境都需要通过化学方{去调制出耐高温,高绝缘的液体介质,并优化其各项工艺参数.(3)拉伸加工与化学拉伸加工包括管棒材的拉拔和筒状器件的冲压成型及旋压成型=昔通的金属材料次拉深加工变形量都不能超过ioo,对要求大变形量的加工,如豫筒加工就需要进行退火处理以消除产生的应力,这种应力也叫做冷作硬化,它是由于金属的变形f起的晶格错位从而产生的强大应力,如不进行处理,就会出现破裂,造成机件和模具的损坏2.4在焊接过程中化学的应用焊接是两种或两种以上金属材料通过熔融结台在一起的工艺方法.(i)电焊和火焰焊电焊可以看作是局部金属的熔结过程.焊丝与被焊材料由于电场作用产生电弧并在焊缝附近形成高温熔糟,这时熔糟中的金属是液态的,焊料或附着焊条表面的焊药浮于其上茹形成熔渣:玲却后由于收缩系数不同而自动脱落.焊料及附着焊条表面的焊药的配制均是根据无机化学原理完成的火焰焊包括火焰熔焊和火焰钎焊.比如钢铁制品利用氢氧焰和己炔焰将铁丝与焊接机体融舍在一起的过程郢为熔焊熔焊时基体金属也是处于熔融状态.而钎焊时基体金属也是处于熔融状态.而钎焊时基俸金属不发生熔化而是通过钎焊剂的第三种材料的熔化完成焊接,例如钢铁材料的铜钎焊,锯钎焊等等钎焊过程中悍弃町的作用相当大,起着清理保护表面在焊接过程中不被氧化,促进焊接材料与基体进行牢固的结合.这些钎焊剂卫称焊料,也叫做焊药,都属于精细化工产品.研制良好焊剂是焊接工作者的重要工作.(2)特种焊接中的化学应用特种焊接是指非常规方法焊接.它一般包括摩擦焊,爆炸焊,电阻焊,高额焊和塑腔焊接等,摩擦焊是将两种材料进行摩擦使接触面产生高温而熔台在一起;爆炸焊接也是种特殊的焊接方法它是利lq爆炸声生的高温和强大的冲击澈将两种或者两种的材辑焊接在一起=电阻焊是和用金属接台部位存在有一定的电阻,当有强大电流通过时会产生高温使金属融化发生焊台例如点焊和对接焊等.7l新乡师范高等专科学校第13卷25化学在金属表面处理中的应用(1)表面赴理在机械制造业中的地位金属材料的表面处理是化学在机械制造业中最重要的应用通过表面赴理可以赋予工件良好的装饰性的和特殊的工艺性能,可以使本来设有使用价值的材料得以使用t可以使不能进行的工艺加工得以实现蜘如钢铁材料经过电镀获得cuN0复合镀层后,就具有了优异的防腐和装饰性能;铝及铝合金经阳极氧化可以获得具有高硬度和高耐磨性的表面层,使得它可以作为轴承等摩擦零件;经过电刷镀可以使尺寸超差或报废的大型工件蜘如轧辊,汽轮机主轴等等得以重新使用;通过化学腐蚀可以制造出带有精美图案的印刷滚筒这些是其它加工工艺所无法完成的.(2)化学处理与电化学处理化学处理一般包括以下几个方面:金属的化学氧化,磷化,钝化,化学镀层,化学抛光,化学腐蚀等.化学处理得到的膜层一般比较薄,这种方法设备比较简单,欢性的投资比较小.电化学赴理是指在电场作用下,电能和化学能同时作用于工件的处理的方法这种方法般包括如下几个方面:金属和合金的电镀,电化学抛光,电化学氧化等等.(3)化学与电化学腐蚀加工在各种加工手段中,化学与电化学腐蚀加工是种特殊的,不使用刀具和模具的加工手段通过掩胰保护还可以进行局部加工,这种掩膜可以是可剥型橡胶或者塑料,也可以是光敏树脂通过光化学反应得到保护层;通过这种工艺方法可以进行均匀减薄那工和局部减薄加工,也可以进行多层次保护得到深浅不同的浮雕图案.脒r这些掩膜的获得需要化学知识以外,多种化学腐蚀渡和电化学腐蚀液的配方及其工艺参数的选择也是化学工作者的工作范畴.(4)涂料盈涂装在机械制造业中,普通的涂装主要起到一般的防护和装饰作用,而特种I埭装不仅要起到一般的防护装饰作用,还要赋予产品特殊的性能.不论是普通涂装还是特种涂装,都要求涂膜与基体材料很好的结合,所以前处理是不可映少的,对黑色金属般采用踪油,酸洗,磷化工艺,而有色金属的多采用陡油,出光,钝化,化学氧化和电化学阳极氧化等工艺对于涂料的施工,普通溶剂型椽料往往是由底漆,面漆,罩光壤组成,对于电泳漆则为电泳底漆,面漆组成.对于粉末涂料可以次溶装完成特种涂料的施工的比较复杂,要根据基体材料,馀层组戚,使用要求等多种因索进行优化就目前来看,机械制造业涉及的特种涂料通常包括:耐热与烧蚀涂料(用于返回式航天器),防污涂料(用于各种舰船),阻尼涂料(减震),热控涂料(航天器),伪装涂料(军事装备及设施,包括防可见光,防红外,防雷达渡,防紫外等),红外吸收一红外辐射涂料(太阳能设备及军事装备)以及示温涂料(自动灭业设备及感温器材)等等这些颁域是化学与其他高新技术交相辉映,各展风栗的个大舞台.3化学与机械制造业的相互渗透及发展前景机械制造业对化学的要求是多方面.包括无机,有机,物化,分析以及材料化学,电化学和表面化学等.同样,化学对机械制造业的要求也是多方面,如各种化学反应所需要反应器(超高温,超高压,电离辐射,微波辐射等),创造反应条件所需的赴围设备(各种泵类,各种热源,传导器材和控制装置等),对反应过程及反应结果进行检测的装备(各种仪器,仪表)等等化学为机械制造业的发展提供了强有力的支持;机械制造业,特别是化工机械及仪器仪表业的发展也为化学向更高钡域的发展提供了机遇;正如北京大学苏勉曾教授所述:今天和明天的科学技术的本身以及它面临的要解决的国民经济任务,要求各学科的联合,缘合和相互理解.学科的发展也需要改革和开放,而不墨守传统的框架,不能自我孤立的封闭学科之间的交叉,既包括各学科中的概念,理论的融会贯通,也包括实际工作任务中相互支持和合作,以至^虽的交流和新代专多能跨学科^才的培养.正是化学与机械制造业的携手共进.才为我们描绘丁新世纪来临之际二者比翼积E的灿烂辉煌参考文献i鹿J棋.化之继祚束"-大竽化学1jllj￡第五卷第五捌-Il2勉曾.'对亿学展"一天学化.】9十卷荦期?:,?E玉仓.《科节{￡术史--l:目^畦走学t1版杠1uj:{3f】。
第5章 模具钢料的热处理-模具表面处理技术
第二节模具表面处理工艺概述模具是现代工业之母。
随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航空航天、食品医疗等产业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。
如何提高模具的质量、使用寿命和降低生产成本，成为各模具厂及注塑厂当前迫切需要解决的问题。
模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。
这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。
这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果；模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。
从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。
在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。
◆提高模具的表面的硬度、耐磨性、摩擦性、脱模性、隔热性、耐腐蚀性；◆提高表面的高温抗氧化性；◆提高型腔表面抗擦伤能力、脱模能力、抗咬合等特殊性能；减少冷却液的使用；◆提高模具质量，数倍、几十倍地提高模具使用寿命。
减少停机时间；◆大幅度降低生产成本与采购成本，提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能。
◆减少润滑剂的使用；◆涂层磨损后，还退掉涂层后，再抛光模具表面，可重新涂层。
在模具上使用的表面技术方法多达几十种，从表面处理的方式上，主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面覆层处理法。
模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD化学气相淀积、PVD物理气相沉积、PACVD离子加强化学气相沉积、CVA铝化化学气相沉积、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等等。
下面综述模具表面处理中常用的表面处理技术：一、物理表面处理法：表面淬火是表面热处理中最常用方法，是强化材料表面的重要手段，分高频加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光表面淬火。
第十章-模具表面强化技术
*
表面化学热处理技术
二、渗氮(氮化)
(一)气体渗氮
表2 部分模具钢的气体渗氮工艺规范
牌号
处理 方法
渗氮工艺规范
渗氮层 深度/mm
表面硬度
阶段
渗氮温度/℃
时间/h
氨分解率/%
30CrMnSiA
一段
—
500±5
25～30
20～30
0.2～0.3
(一)气体渗氮
(1) 经过渗氮后钢表面形成一层极硬的合金氮化物，渗氮层的硬度一般可达到68～72HRC，不需要再经过淬火便具有很高的表面硬度和耐磨层，而且还可以保持到600～650℃而不明显下降。
(2) 渗氮后钢的疲劳极限可提高15%～35%。这是由于渗氮层的体积增大，使工件表面产生了残余压应力。
(3) 渗氮后的钢具有很高的抗腐蚀能力。
>58HRC
Cr12MoV
760～800HV
*
表面化学热处理技术
二、渗氮(氮化)
(二)离子渗氮
离子渗氮有如下特点：
(1) 渗氮速度快，生产周期短。
(2) 渗氮层质量高。
(3) 工件的变形小。
(4) 对材料的适应性强。
氮碳共渗
提高硬度、耐磨性、抗粘附性、抗蚀性、耐热疲劳性
冷挤模、拉深模、挤压模穿孔针
渗硼
具有极好的表面硬度、耐磨性、抗粘附性、抗氧化性、热硬性、良好的抗蚀性
挤压模、拉深模
碳氮硼三元共渗
提高硬度、强度、耐磨性、耐疲劳性、抗蚀性
挤压模、冲头针尖
盐浴覆层 (TD处理)
提高硬度、耐磨性、耐热疲劳性、抗蚀性、抗粘附性、抗氧化性
试论热处理工艺在机械制造业中的应用
随后 采取 淬火 以 获得 马 氏体组 织 。高 温形 变淬 火后 再 于适 当 的温度 回 火 ，可 以获 得很 高 的 强韧 性 ，其 强度 一 般 可 以提 高 １ ５ ～ ３ ５ ％，塑性 可 以提 高 ３ ５ — ５ ０ ％，而 冲击 韧性 则 可 以大 幅 度 的增长 ，其抗 脆 断 能力 也 较高。
２ ． ２相变 中形变 的形变 热处理 相变 中形变 热处 理 中较 经典 的方 式 主要有 等 温形 变处 理 和 马 氏体 相 变 中进行 形 变的 形变 热处 理 。下 面 以马 氏体 相变 中的形变 热处 理 为 例来 阐述 其应 用。 ２ ． ２ ． １ 让 金属 工件 在奥 氏体 下进 行形 变 ，使 奥 氏体加 工硬化 ，诱发 其 部分转 变 为奥 氏体 ，加上 形变 时 马 氏体 加 工硬 化 的作 用 ，将 使 钢获 得显 著 的强化效果 。 ２ ． ２ ． ２ 诱发 马 氏体 的室温 形变 ，也 就是 利用 相变 诱发 塑性现 象使 钢 件在使 用 中不断发 生 马氏体转 变 ，从 而兼 有高强 度与超 塑后形 变热 处理 主要 是 针对 奥 氏体转 变 产物 进行 形变 强 化 的工 艺 。在 工 业上 常见 的 主要 是珠 光体 冷形 变 、珠 光体 的温 加 工 、回火 马 氏体 的形 变时 效等 。一般 形变 后 的金 属工 件都 需要 再次 进 行 回火 以消
大 部 分 低 合 金结 构钢 、合 金 工 具 钢 等 的淬 火 加 热 ，真 空 度 一般 选 用 １ ． ３ ３ — １ ３ ． ３ Ｐ ａ ；而 高 合 金 钢 的 高 温 回 火 ， 真 空 度 则 一 般 选 用 １ ． ３ ３ ｘ １ ０ — ２ ｐ ａ ；对于 高 速 钢等 的 淬 火加 热 ，我 们需 要 考 虑 元素 的蒸 发 效应 和 工件 之 间的相 互作 用 ，一 般选 用的真 空度 为 ６ ． ６ ７ ×１ ０ ￣ ＇ Ｐ ａ 的 高纯氮 。 ２ ． 真空 热处 理 的应用 真 空热 处 理可 以实现 无 氧化 、无 脱碳 、无渗 碳 等效 果 ，另外 还 可 以去 掉金 属工 件 表 面的 磷屑 ，能 够 达到 表 面光 亮净 化 的效 果 ，因此 近 年来 其应 用 范围 也越 来 越广 ，从 真 空退 火 的应 用延 伸 到真 空渗 碳 等应
刀具表面处理浅谈
切削刀具表面涂层技术浅谈王朋朋摘要：随着材料科学的发展和机械加工技术的进步，我们对切削金属时的刀具的要求也日益提高。
切削刀具向着高切削速度、高可靠性、长寿命和高精度的方向发展。
因此，刀具表面的涂层技术就显得愈加重要。
关键词：刀具表面处理；刀具表面涂层；物理气相沉积Abstract: With the development of Materials Science and Mechanical technology advances, we are metal cutting tool requirement also is increasing day by day. Cutting tool in high cutting speed, high reliability, long life and high precision in the direction of development. As a result, coating on the surface of the cutting tool technology becomes more and more important.Keywords: Tools Surface ; Tools Surface Coating; PVD随着科学技术，工艺生产的进步，对材料的要求愈来愈高，同时对切削材料的刀具的要求愈加复杂，要求切削的速度不断提高，传统的普通刀具往往不能够满足现在的新的要求。
虽然可以采取各种手段，提高刀具材料的硬度和耐磨性，但同时也会使刀具的强度和韧性下降，从而影响切削加工零件的使用性能。
刀具的耐磨性在于表面质量，提高表面质量的主要手段是对刀具表面进行表面处理。
一.刀具表面涂层技术介绍与特点表面涂层技术，就是再刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜，一般采用TiC、TiAlN等，由于刀具表面涂层具有很高的硬度和耐磨性，同普通刀具相比，在原来的刀具强度的基础上，又可以很好的提高刀具的表面的硬度、耐磨性和刀具的切削性能，因而可以显著的延长刀具的使用寿命。
金属材料、表面处理及热处理概述
2．钢在加热时的转变 在热处理工艺中，钢的加热目的是为了获得奥氏体，奥氏体是钢在 高温状态时的组织，其强度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及 其均匀化程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，钢在加热 时，为了得到细小均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时 间，以求在冷却后获得高性能的组织。 3．钢在冷却时的转变 冷却是热处理的关键工序，成分相同的钢经加热获得奥氏体组织后， 以不同的速度冷却时，将获得不同的力学性能，见表2-1。
镀镍的作用：镍可以提高钢的机械性能，增加钢的强度、韧 性、耐热性，增加钢的防腐蚀、抗酸性及其导磁性等。镍 还能够细化晶粒、提高钢的淬透性和增加钢的硬度。 此外，在钢的热加工中，镍又有防止铜对金属表面产生有 害影响之功能。
碳素钢
（2）中碳钢
（3）高碳钢
（碳含量0.25%-0.6%）
（碳含量0.6%-2.11%）
二、铸铁
铸铁中的碳主要以渗碳体和石墨两种形式存在，根据碳的存在 形式不同，铸铁可以分为下列几种：（1）白口铸铁 （2）灰铸铁碳 （3）麻口铸铁 根据铸铁中石墨形态不同，铸铁又可分为：灰铸铁中的石墨呈 片状；可锻铸铁中的石墨呈团絮状；球墨铸铁中的石墨呈球状，蠕 墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。
时效
操作方法：将钢件加热到80~200度，保温5~20小时或更长时间，然后随炉 取出在空气中冷却。 目的：1. 稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期间的变形；2.减轻淬火 以及磨削加工后的内应力，稳定形状和尺寸。 应用要点：1. 适用于经淬火后的各钢种；2.常用于要求形状不再发生变化的 紧密工件，如紧密丝杠、测量工具、床身机箱等。
调质
操作方法：淬火后高温回火称调质，即将钢件加热到比淬火时高10~20度的 温度，保温后进行淬火，然后在400~720度的温度下进行回火。 目的：1.改善切削加工性能，提高加工表面光洁程度；2.减小淬火时的变形 和开裂；3.获得良好的综合力学性能。 应用要点：1.适用于淬透性较高的合金结构钢、合金工具钢和高速钢；2. 不 仅可以作为各种较为重要结构的最后热处理，而且还可以作为某些紧密零件， 如丝杠等的预先热处理，以减小变形。
离子氮化和 PVD 镀层组合处理方式在塑料加工中的应用
离子氮化和PVD 镀层组合处理方式在塑料加工中的应用等离子渗氮及PVD涂层组合工艺在大型零件上的应用如今已实现产业化。
1 简介进行塑料加工时如何避免磨损、腐蚀以及材料堆积问题是关键。
因此，在具体应用中，表层、加工面及模具表面三者之间必须合理匹配。
在等离子渗氮处理后沉积合适的硬质膜是一种有效的方法。
等离子辅助化学热处理层及涂层的组合应用在有效改善产品性能的同时还可降低单位成本。
同时,采用有效方式对应用于塑料加工领域的工具表面进行改性也已经变得越来越普遍。
而成功的关键在于是否对工具及其表面特性有正确的理解。
例如：金属疲劳现象的防止要从最初阶段对材料和相关热处理工艺的选择开始。
而塑料加工应用中机械设备及模具制造状况会直接影响到塑料材料与工具表面的化学反应状况。
2 工艺等离子渗氮是一种十分有效的生成界面膜层的热处理方式。
辉光放电等离子体中氮扩散进入膜层中从而增强工件表面硬度[1]。
工艺过程中待处理工件为阴极，通入氢气及氮气的混合气体，在数百伏特及50-500Pa压力下对阳极施偏压。
阴极势降中，由于基体表面温度高达450 °C以上，氮离子获得加速并撞击基体表面从而氮元素渗入工具内部。
通过这种方式可形成含铁或铬、钼、铝及镁等的氮化物化合层及扩散层。
其表面硬度可达1000 HV甚至更高。
通常工件表面主要为被称之为白层的铁氮化合物。
氮含量可以根据应用需要进行调节甚至完全抑制以便为后续的硬质材料涂层创造更好的表面条件。
生成的扩散层从工件表面至核心几十毫米深度其硬度降低非常平缓。
在工业化沉积硬质膜方面，电弧蒸发工艺因为其简单便捷而占据着非常重要的地位。
工艺过程中，镀层金属因为所产生的电弧在表面边界快速移动而获得蒸发、电离，在工件底盘通负偏压情况下,金属离子加速撞击到工件上。
电弧蒸发工艺单纯采用物理方法使金属蒸发，而不包括任何中介挥发性化合物，因此是一种典型的PVD(物理气相沉积)工艺。
通过添加含氮或含碳气体，可形成氮化物和碳化物金属薄膜。
化学热处理 常见的耐磨防腐蚀表面处理技术
机械加工中，设备与材料会互相摩擦，很容易产生机械磨损。
这种磨损，不仅对于设备会有一定的影响，而且会导致零件的外形或者尺寸发生变化，严重的还会直接导致零件在之后使用过程中的精度。
所以，针对这个问题，对钩网建议广大从事机加工的企业，采用表面处理技术，来提高表面的耐磨性以及防腐蚀性。
化学热处理，是生产中比较常见的耐磨抗腐蚀加工工艺，这种工艺既经济又有良好的效果，被广泛的应用于表面处理工艺中。
化学热处理工艺，主要是将钢件防止在含有欲渗透元素的活性介质中，进行加热保温，使元素深入表层，让其化学成分进行改变。
对钩网说，合理的使用化学热处理，可以达到提高钢件的耐磨抗腐蚀性，同时对于抗氧化性和皮疲劳强度等等都有一定的帮助。
常见的化学热处理工艺:1、渗碳渗碳是吧低碳钢、低碳合金钢钢件在富碳活性介质中加热至奥氏体状态保温足够的时间，使表面层达到所要求的碳含量和渗碳层蛇毒，再经淬火和低温回火处理。
这样能够使工作在保持其内部原有的高韧性的条件下，获得高硬度的喝具有参与压应力的表层，从而提高了工作表面的耐磨性和疲劳强度。
由于渗碳温度高，直接淬火变形较大，为了减少变形，应根据零件的形状和所用钢材热处理工艺的特点，采用不同的淬火方法。
处理之后需要进行精加工。
主要用于齿轮、主轴、滚珠丝杠和凸轮轴等等。
2、渗氮渗氮是向钢件表面渗氮，其过程是将工件加热至500到650设置度，通入氨气，保温足够长的时间，其表面氮原子浓度大大增加，氮深入钢后形成各种氮化物。
在渗氮前钢件必须进行调质处理，是内部具有搞的综合力学性能。
由于氮温度低，渗氮后有不需要淬火，故渗氮后变形较小。
又由于渗氮层较薄，吃力时间长、成本又比较高，所以只适用于精度要求高的零件。
由于渗氮时间长，而且还需要应用专用钢种，因此使其应用受到一定的限制。
3、离子渗氮离子渗氮是将工件放入到真空的容器中，通入氮气或者氮氢混合气体，以工件为阴极，容器壁为样机，在133-1330Pa的气压下，利用辉光放点，使离子化的氮扩散深入钢种形成氮化物，提高了钢的硬度。
制造工艺中的表面处理与涂装技术
制造工艺中的表面处理与涂装技术表面处理和涂装技术在制造工艺中起着至关重要的作用。
它们不仅可以提高产品的美观度和耐久性，还能保护产品免受外界环境的侵蚀。
本文将就表面处理和涂装技术的定义、分类以及应用进行探讨。
一、表面处理的定义及分类表面处理是指对材料表面进行一系列的处理，以改善表面性能或满足特殊功能需要的工艺过程。
它可以通过去除杂质、增加附着力、提高表面硬度、调整表面粗糙度等方式来实现。
根据处理方法和目的的不同，表面处理可以分为以下几类。
1. 机械处理：机械处理是通过物理力学作用改变材料表面状态的方法。
常见的机械处理有打磨、抛光、喷砂等，它们可以去除表面的氧化膜、毛刺、污垢等，提高表面的平整度和光洁度。
2. 化学处理：化学处理是利用化学反应改变材料表面性质的方法。
例如，酸洗可以去除材料表面的氧化物和锈蚀物，增加表面的清洁度和粗糙度；电镀可以在材料表面形成一层保护性的金属膜，提高抗腐蚀性能。
3. 热处理：热处理是通过加热和冷却的方式改变材料组织结构和性能的方法。
常见的热处理方法有淬火、回火、退火等，它们可以提高材料的硬度、强度和耐磨性。
二、涂装技术的定义及分类涂装技术是指将涂料均匀地涂覆在材料表面的过程。
涂装技术不仅可以美化产品表面，还可以提供保护、防腐、绝缘等功能。
根据涂装方法和使用材料的不同，涂装技术可以分为以下几类。
1. 喷涂：喷涂是最常见的涂装方法之一，它通过喷枪将涂料均匀地喷射到表面，形成一层薄膜。
喷涂可以快速覆盖大面积，适用于各种形状和材料的表面涂装。
2. 电泳涂装：电泳涂装是利用电化学原理将涂料均匀地沉积在材料表面的方法。
电泳涂装能够提供均匀的涂层厚度和较高的附着力，适用于复杂形状和孔密度大的工件。
3. 粉末涂装：粉末涂装是将粉状的涂料均匀地喷洒到表面，再通过加热固化形成涂层的方法。
粉末涂装具有高度的附着力和耐腐蚀性，适用于需要抗腐蚀、耐磨和耐高温的工件。
三、表面处理与涂装技术的应用表面处理和涂装技术在各个制造行业中都有广泛的应用。
热处理与表面处理
热处理与表面处理1、概述将原材料或半成品置于空气或特定介质中，用适当方式进行加热、保温和冷却，使之获得人们所需要的力学或工艺性能的工艺方法，称为热处理。
按其特点，可分为一般热处理、化学热处理和表面热处理三种。
1.1热处理的工艺特点和处理目的（1）一般热处理2）具体材料的热处理温度和所得到的硬度，这里不一一例举，可参见有关热处理的专业手册，或机械加工工艺手册的热处理章节。
（2）化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面的工艺，称化学热处理。
如：渗碳和渗氮。
（3）表面热处理快速加热工件，使表面组织迅速相变，转变成奥氏体，经淬火冷却，使表面淬硬而心部1.2热处理对钢铁材料地切削加工性能的影响（1）复杂性：①工艺类别②装备水平③刀具结构④选择的工艺参数⑤冷却液性能（2）规律性：降低材料硬度、均匀组织，提高切削脆性是改善材料加工性能的重要措施。
2、热处理变形工件的热处理变形产生于外力的作用和内应力状态的变化。
外力是指工件在热处理加热过程中由于自重、摆放方法不当或其他外部加载的力量。
内应力是指工件在热处理过程中，由于热胀冷缩和组织转变不均匀性引起的工件内部应力。
不同部位热胀冷缩的不均匀性所产生的内应力称为热应力，组织转变不均匀性产生的内应力称为组织应力。
无论是外力或是内应力，都要引起工件的变形。
当应力超过材料的屈服点时，就会产生塑性变形或称永久变形。
2.1变形的类型三种：即体积、形状和翘曲变形。
而具体到一个工件上，往往显示出三种类型的综合交叉形式。
3、金属表面处理表面处理一般指化学处理、电化学处理、物理处理及机械处理等方法，通过使用金属表面生成一层金属或非金属覆盖层，用以提高金属工件的防蚀、装饰、耐磨或其他功能。
3.1电镀是一种在工件表面通过电沉积的方法生成金属覆盖层，使获得装饰、防腐及某些特殊性能的工艺方法。
3.3化学镀化学镀是借助于溶液中的还原剂使金属离子被还原成金属状态，并沉积在工件表面上的一种镀覆方法，其优点是任何外形复杂的工件都可获得厚度均匀的镀层、镀层改密、孔隙小，并有较高的硬度，常用的有化学镀铜和化学镀镍。
表面处理和改性技术
表面处理与改性技术及其在制造行业中的应用李从富汪致远杨荟琦0 前言表面工程是改善机械零件、电子电器元件等基质材料表面性能的一门科学和技术。
对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性及抗疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速高温高压重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持久地运行。
表面工程是现代制造业的重要组成部分，是维修与再制造的基本手段。
表面工程技术可分为三类，即表面改性、表面处理和表面涂覆。
表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能。
它包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属等）、表面涂层（低压等离子喷涂、低压电弧喷涂）、激光重熔复合等薄膜镀层（物理气相沉积、化学气相沉积等）和非金属涂层技术等。
这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性，使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。
表面处理技术不改变材料表面组织，包括各种表面淬火（感应加热、激光加热、电子束加热）、表面形变强化（如喷丸、滚压）等。
1 表面改性技术1.1 堆焊技术堆焊是用焊接方法在机械零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。
它不是为了连接零件，其目的在于使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属层，或是为了恢复或增加零件的尺寸。
堆焊除可显著提高工件的使用寿命，节省制造及维修费用外，还可减少修理和更换零件的时间，减少停机、停产的损失，从而提高生产率，降低生产成奉。
由于应用堆焊能更合理地利用材料，从而可获得优异的综合性能，对改进产品设计也有重大意义。
故堆焊技术已在各行各业的机械制造与维修中得到广泛的应用。
堆焊主要用于两个方面：(1) 制造新产品堆焊工艺可使零件表面改质改性，以获得所需要的特殊性能，即所谓表面强化。
热处理工艺特点和应用汇总表
热处理工艺特点和应用汇总表一、退火类别主要目的工艺特点应用范围扩散退火成分均匀化加热至Ac₃+(150～200)℃,长时间保温后缓慢冷却铸钢件及具有成分偏析的锻轧件等完全退火细化组织，降低硬度加热至Ac₃+(30～50)℃,保温后缓慢冷却铸、焊件及中碳钢和中碳合金钢锻轧件等不完全退火细化组织，降低硬度加热至Ac₁+40～60℃,保温后缓慢冷却中、高碳钢和低合金钢锻轧件等(组织细化程度低于完全退火)等温退火细化组织，降低硬度，防止产生白点加热至Ac₃+(30~50)℃(亚共析钢)或Ac₁+(20～40)℃(共析钢和过共析钢),保持一定时间，随炉冷至稍低于Ar₁进行等温转变，然后空气冷却(简称空冷)中碳合金钢和某些高合金钢的重型铸锻件及冲压件等(组织与硬度比完全退火更为均匀)球化退火碳化物球状化，降低硬度，提高塑性加热至Ac₁+(20～40)℃或Ac₁-(20～30)℃,保温后等温冷却或直接缓慢冷却工模具及轴承钢件，结构钢冷挤压件等再结晶退火或中间退火消除加工硬化加热至Ac₁-(50～150)℃,保温后空冷冷变形钢材和钢件去应力退火消除内应力加热至Ac₁-(100~200)℃,保温后空冷或炉冷至200~300℃,再出炉空冷铸钢件、焊接件及锻轧件二、正火工艺特点应用范围将工件加热到Ac₃或Aem以上40～60℃,保温一定时间，然后以稍大于退火的冷却速度冷却下来，如空冷、风冷、喷雾等，得到片层间距较小的珠光体组织(有的叫正火索氏体)1.改善切削性能。
含碳量(质量分数)低于0.25%的低碳钢和低合金钢，高温正火后硬度可提高到140～190HBW,有利于切削加工2.消除共析钢中的网状碳化物，为球化退火作准备3.作为中碳钢、合金钢淬火前的预备热处理，以减少淬火缺陷4.用于淬火返修件消除内应力和细化组织，以防重新淬火时产生变形与裂纹5.对于大型、重型及形状复杂零件或性能要求不高的普通结构零件作为最终热处理，以提高力学性能三、淬火类别工艺过程特点应用范围单液淬火工件加热到淬火温度后，浸入一种淬火介质中，直到工件冷至室温为止优点是操作简便，缺点是易使工件产生较大内应力，发生变形，甚至开裂适用于形状简单的工件，对于碳钢工件，直径大于5mm的在水中冷却，直径小于5mm的可以在油中冷却；对于合金钢工件，大都在油中冷却双液淬火加热后的工件先放入水中淬火，冷却至接近Ms点(300～200℃)时，从水中取出立即转到油中(或放在空气中)冷却利用冷却速度不同的两种介质，先快冷躲过奥氏体最不稳定的温度区间(650~550℃),至接近发生马氏体转变(钢在发生体积变化)时再缓冷，以减小内应力和变形开裂倾向主要适用于碳钢制成的中型零件和由合金钢制成的大型零件分级淬火工件加热到淬火温度，保温后，取出置于温度略高(也可稍低)于Ms点的淬火冷却剂(盐浴或碱浴)中停留一定时间，待表里温度基本一致时，再取出置于空气中冷却1.减小了表里温差，降低了热应力2.马氏体转变主要是在空气中进行，降低了组织应力，所以工件的变形与开裂倾向小3.便于热校直4.比双液淬火容易操作此法多用于形状复杂、小尺寸的碳钢和合金钢工件，如各种刀具。
汽车用涂镀层和化学处理层
基体材料 钢铁 锌合金
铜及铜合金 铝及铝合金
塑料
使用条件号
4 3 2 4 3 3 2 4 3 4 3
耐铜加速醋酸盐雾腐蚀性能
CASS 试验时间，h
保护等级，级
48
≥9
32
≥9
16
≥9
32
≥9
16
≥9
16
≥9
-
-
32
≥9
16
≥9
32
≥9
16
≥9
4.4 铜+镍+铬和镍+铬电镀层的性能检验
铜+镍+铬和镍+铬电镀层的厚度、耐盐雾腐蚀性能应进行检验，塑料上的电镀层还要进行热循环试 验。检验方法按GB/T 5270、GB/T 9797、GB/T 12600规定。如有必要，供需双方可协议商定对其他性能 进行检验。
GB/T 3138 金属镀覆和化学处理与有关过程术语 GB/T 4340.1 金属维氏硬度试验 第1部分：试验方法 GB/T 4955 金属覆盖层 覆盖层厚度测量 阳极溶解库仑法 GB/T 4956 磁性基体上非磁性覆盖层 覆盖层厚度测量 磁性法 GB/T 4957 非磁性基体金属上非导电覆盖层 覆盖层厚度测量 涡流法 GB/T 5270 金属基体上的金属覆盖层 电沉积和化学沉积层 附着强度试验方法评述 GB/T 6461 金属基体上金属和其他无机覆盖层 经腐蚀试验后的式样和试件的评级 GB/T 8013.1 铝及铝合金阳极氧化膜与有机聚合膜 第1部分：阳极氧化膜 GB/T 8014.2 铝及铝合金阳极氧化 氧化膜厚度的测量方法 第2部分：质量损失法 GB/T 9797 金属覆盖层 镍+铬和铜+镍+铬电镀层 GB/T 9798 金属覆盖层 镍电沉积层 GB/T 9799 金属覆盖层 钢铁上的锌电镀层 GB/T 9800 电镀锌和电镀镉层的铬酸盐转化膜 GB/T 10125 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验 GB/T 11376 金属的磷酸盐转化膜 GB/T 11379 金属覆盖层 工程用铬电镀层 GB/T 12333 金属覆盖层 工程用铜电镀层 GB/T 12599 金属覆盖层 锡电镀层 技术规范和试验方法 GB/T 12600 金属覆盖层 塑料上镍+铬电镀层 GB/T 12967.3 铝及铝合金阳极氧化膜检测方法 第3部分：铜加速乙酸盐雾试验（CASS试验） GB/T 13912 金属覆盖层 钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法 GB/T 15519 化学转化膜 钢铁黑色转化膜 规范和试验方法 GB/T 23943 无机化工产品中六价铬含量测定的通用方法 二苯碳酰二肼分光光度法 QC/T 721 汽车用非电解锌片涂层 SJ/T 11110 金属覆盖层 工程用银和银合金电镀层 SJ/T 11111 金属覆盖层 银和银合金电镀层试验方法 第1部分：镀层厚度的测定 SJ/T 11112 金属覆盖层 银和银合金电镀层试验方法 第2部分：结合强度的试验
热处理实习报告
热处理实习报告篇一：金属材料热处理实习报告表面处理问题一表面涂层可以提高刀具的那些性能？答在7410工厂及泰尔重工公司里经常可以看到带有各种颜色的刀具，这是刀具涂层所致。
刀具涂层一般可以提高刀具的切屑性能和耐磨性能，通常以Al-Ti- N，Al-Cr-N 及多层薄膜居多。
物理气相沉积(PVD)的处理温度一般在500℃以下，可作为最终处理工艺用于高速钢刀具的涂层，提高高速钢刀具的切削性能，因而得到了迅速推和应用。
但传统的氮化物涂层(如TiN)硬度低，耐磨性差，尤其热稳定性差。
限制了其在干式切削(尤其是钻削)刀具中的应用。
通过引入合金元素(如Al、Zr、Cr、V等)到TiN涂层，形成新的多元涂层体系，可提高涂层硬度，【1】改善涂层的抗磨损性和热稳定性。
问题二模具表面强化的目的有哪些？其主要有哪些方法？并简要说明新型涂层技术在模具上的应用？答在7410工厂我们见到的是喷丸对模具工作零件进行表面强化。
表面强化处理的目的是在基体材料与有性能的基础上再赋予新的性能。
这些新性能主要有：耐磨性、抗黏附性、抗热咬合性、耐热疲劳性、耐疲劳强度、耐腐蚀性等。
模具的表面强化处理按其处理温度范围，可分为低温巾温和高温处理三类。
模具工作零件表面强化处理按其原理可分为三种：第一种是改变表面化学成分的化学热处理方法，如渗碳、渗氮、渗铬和渗硼以及多元共渗属化学热处理，如泰尔重工热处理车间的渗氮；第二：种是各种涂层的表面涂覆处理，如堆焊、镀硬铬、超硬化合物途层属表面涂覆处理；第三种是不改变表面化成分的强化处理，如火焰淬火、喷丸金属表面加工强化处理等。
新型纳米涂层主要有三种：（1）制作纳米复合镀层。
在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体材料可形成纳米复合镀层。
用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层，可使模具寿命延长、精度持久不变，长时间使用镀层光滑无裂纹。
纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。
如将纳米粉体材料加入Ni-W-B非晶态复合镀层，可提高镀层在550～850℃的高温抗氧化性能，使镀层的耐蚀性提高2～3倍，耐磨性和硬度也都明显提高。
(完整版)10讲钢的表面热处理与化学热处理
《机械制造技术基础》教案教学内容：钢的表面热处理与化学热处理教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：1．掌握钢的表面热处理的目的和方法；2．掌握钢的化学热处理方法及其应用；3．了解钢的热处理的新技术。
重点、难点：钢的表面热处理方法与目的钢的化学热处理方法及应用教学过程：6.5 钢的表面热处理与化学热处理一些在弯曲、扭转、冲击载荷、磨擦条件区工作的齿轮等机器零件，它们要求具有表面硬、耐磨，而心部韧，能抗冲击的特性，仅从选材方面去考虑是很难达到此要求的。
如用高碳钢，虽然硬度高，但心部韧性不足，若用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬度低，不耐磨，所以工业上广泛采用表面热处理来满足上述要求。
6.5.1 钢的表面淬火仅对工件表层进行淬火的工艺，称为表面淬火。
它是利用快速加热使钢件表面奥氏体化，而中心尚处于较低温度即迅速予以冷却，表层被淬硬为马氏体，而中心仍保持原来的退火、正火或调质状态的组织。
表面淬火一般适用于中碳钢（W C=0.4～0.5%）和中碳低合金钢（40Cr、40MnB等），也可用于高碳工具钢，低合金工具钢（如T8、9Mn2V、GCr15等）。
以及球墨铸铁等。
目前应用最多的是感应加热和火焰加热表面淬火。
1、感应加热表面淬火它是工件中引入一定频率的感应电流（涡流），使工件表面层快速加热到淬火温度后立即喷水冷却的方法。
（1）工作原理如图6-14所示，在一个线圈中通过一定频率的交流电时，在它周围便产生交变磁场。
若把工件放入线圈中，工件中就会产生与线圈频率相同而方向相反的感应电流。
这种感应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”，它是感应电流能使工件表面层加热的基本依据。
（2）感应加热的分类根据电流频率的不同，感应加热可分为：高频感应加热（50～300kHz），适用于中小型零件，如小模数齿轮；中频感应加热（2.5～10kHz），适用于大中型零件，如直径较大的轴和大中型模数的齿轮；工频感应加热（50Hz），适用于大型零件，如直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。
化学热处理 扩散涂层
化学热处理扩散涂层化学热处理与扩散涂层是目前材料加工领域广泛应用的技术，其重要性不容忽视。
本文将分步骤阐述化学热处理与扩散涂层的原理与应用。
一、化学热处理的原理与实施化学热处理是对材料进行控制性氧化处理的方法，借助化学反应将材料表面形成一种化合物层，从而改变材料表面的性质。
常用的化学热处理方法包括氮化、硬质化、氧化、镀铬等。
通常，化学热处理是通过将材料放置在一定的温度下，并在特定气体环境中进行空气等离子体处理，调整材料表面的化学物质成分，改变材料的硬度、抗磨损性等性能。
它可以有效延长材料的使用寿命，提高产品性能。
二、扩散涂层的原理与应用扩散涂层是一种将固态材料通过扩散渗透到其他材料表面，达到其强度和抗磨损性能的提升的技术。
这种技术可以应用于超硬合金、钢、陶瓷等材料的制造领域。
扩散涂层常常是基于金属或非金属反应表面的含氢气氛下进行的，它可以提高材料表面的质量和强度，并抵御腐蚀和磨损。
它的优点是节省原材料和材料成本，并在处理过程中可以实现纳米和微米级别的几何尺寸控制，从而精确地调节机械性能。
三、化学热处理与扩散涂层的联合应用化学热处理和扩散涂层结合起来，形成一种可扩展的、高效的处理方法，可以在更短的时间内实现更高的表面质量、硬度和抗磨损性等性质的提升。
这种联合应用的优点是提高了处理材料的表面强度和质量，同时确保了低成本的生产。
总之，化学热处理和扩散涂层技术在材料加工领域中的应用已经得到广泛的认可和采用。
其独特的优势和能力使其成为材料工程师和制造商的首选技术，逐步推进着高精度和高强度材料制造技术的发展。
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化学热处理与表面涂层在工具中的应用
渗氮
高速钢、基体钢、热模具钢和高碳高铬钢中都含有大量形成氮化物的合金元素，渗氮层的表面硬度高达1000HV以上，大幅度提高了耐磨性，并降低了摩擦系数。
渗氮处理已广泛应用于刀具、冷作模具和热作模具的热处理。
（1）刀具渗氮
高速钢刀具和以高速钢为基的钢结硬质合金刀具都可以在磨刃之后进行渗氮处理。
高速钢中含有大量的Cr、V、W、Mo等形成氮化物元素，渗氮后表面硬度很高，但渗氮层的脆性很大，如果处理不当，易崩刃。
所以高速钢渗氮应采用短时渗氮和低氮势。
一般在560℃渗氮，时间为20～60min，氨分解率在70%～90%范围内调节。
高速钢刀具渗氮不允许出现化合物层，扩散层的总深度控制在0.01～0.03mm之间，对于刃口较厚的连续切削的刀具可取上限，刃口较薄的刀具应取下限。
刀具在使用过程中经过重复磨刃之后，只要前刃面或后刃面之一保留着渗氮层，仍然可以收到提高切削寿命的效果。
（2）冷作模具渗氮
冷挤压凸模、冷镦凸模和冷锻模常用高速钢或基体钢制造，渗氮温度恰好在高速钢和基体钢的回火温度范围内。
在淬火回火并加工至最终形状之后进行短时渗氮，渗层深度只需略大于允许的磨损量，就可以大幅度提高模具寿命。
基体钢或低碳高速钢克服了普通高速钢易开裂、易崩刃的缺点，但耐磨性不如高速钢。
经过短时渗氮后三者的耐磨性则达到同样水平。
所以用基体钢或低碳高速钢制造冷挤压模并进行短时渗氮处理，是大幅度提高其寿命的有效措施。
高碳高铬工具钢制造的冷作模具也可以通过渗氮提高表面耐磨性，但渗氮温度应降至500℃，以减小基体硬度下降的幅度。
高速钢、基体钢、高碳高铬工具钢等高合金工具钢渗氮时间不宜过长，渗氮层深度不宜过深，表面不应出现化合物层，否则会引起崩刃或剥落。
低合金钢制造的冷作模具不宜进行渗氮处理，因低合金工具钢的回火稳定性差，在渗氮温度下硬度已降至40HRC以下。
（3）热作模具渗氮
热作模具钢含有Cr、Mo、W、V等形成氮化物元素，渗氮后表面化合物层
的硬度高于1000HV，扩散层的最高硬度也达到800HV以上。
热作模具钢承受的冲击载荷低于冷作模具，因此热作模具渗氮后一般允许带着化合物层投入使用。
化合物层有很高的耐磨性和低的摩擦系数，并能提高抗粘模的能力。
由于化合物层的热导率很低，减少了工件向模具传播的热量，降低了模面的温度和温度变化的幅度。
化合物层的这些特性有利于提高热作模具的使用寿命。
用于压铸模时，渗氮化合物层还起到提高抗液体金属冲刷和抗粘模的能力。
但是热作模具钢渗氮后化合物层很脆，所以厚度一般控制在3～6μm左右；承受冲击载荷较大的模具，宜控制在1～3μm；承受冲击载荷较低的模具，化合物层可在6～9μm 或8～12μm范围选择。
应根据使用和失效的方式，通过试验加以确定。
热作模具钢所含的合金元素使渗氮的扩散层具有很高的硬度和热强度，明显提高了热挤压模和热锻模抗压塌的能力。
渗氮层的总深度愈深，抗压塌的能力愈高。
但是由于渗氮层热导率低，所以渗氮层过厚，则容易产生热疲劳裂纹。
因此应根据具体模具的失效方式确定渗氮层深度。
热作模具钢的渗氮温度应不高于回火温度，例如3Cr2W8的渗氮温度为560℃，H13钢在500～540℃之间选择。
渗氮时间则根据所要求的渗氮层深度而定。
（4）塑料模、橡胶模、胶木模的渗氮
这类模具一般形状比较复杂，工作时所承受的应力和冲击载荷则很低。
则中、低碳钢或合金钢制造的模具经过短时渗氮处理之后，表面形成致密的化合物层，其耐磨性和抗擦伤能力足以满足使用要求。
而且化合物层有较高的耐腐蚀性，有利于提高塑料模的使用寿命。
渗氮温度一般为560～570℃，对热处理畸变要求很严格的模具，可适当降低渗氮温度。
渗氮时间决定于所要求的化合物层深度，大致在2～5h之间选择。
化合物层＞12μm，表面易出现疏松。
对于短时渗氮后直接使用的模具，化合物层宜控制在8～12μm范围。
短时渗氮后经过抛光再使用的模具，化合物层可适当厚一些，但不宜超过20μm。
抛光时将表面疏松层抛掉，保留＜12μm的致密化合物。
短时渗氮提高了模具的表面耐磨性，在基体材料选择时就可以着重考虑模具的加工性和经济性。
例如中碳钢正火处理或低碳合金钢退火处理适合于切削加工。
用冷挤压模腔的方法制造模具则可采用经过球化退火的低碳钢或纯铁制造，然后进行短时渗氮。
在历史上气体氮碳共渗和各种盐浴渗氮曾大量应用于模具热处理，但是这两种方法都会产生氰根，污染环境。
随后的研究表明，短时渗氮的效果不亚于盐浴渗氮和气体氮碳共渗。
因此，盐浴渗氮和气体氮碳共渗不应继续应用，可将其提高模具性能的经验移植于无毒的短时渗氮。
渗碳
我国学者戚正风教授开创了无莱氏体制高速钢及其渗碳的研究，无莱氏体高速钢的合金元素含量与高速钢相同，含碳量则降低到不出现莱氏体的范围，用渗碳的方法将表面含碳量提高到甚至超过普通高速钢的水平，形成在奥氏体基体上分布大量碳化物的渗碳层。
渗层中的碳化物并不是在钢液凝固时共晶反应的产物，所以不会成为莱氏体组织。
在渗碳温度下高合金奥氏体中合金元素原子还不可能进行长距离扩散，只可能在比较小的尺寸范围内与碳原子就地结合成细小的颗粒状碳化物。
渗碳温度愈低，渗碳层中的碳化物粒度愈细，在随后的淬火加热时也不易聚集长大。
淬火之后这种高合金渗碳层组织的耐磨性和强韧性都明显优于同样合金元素含量的高速钢，并在生产试验中取得明显提高刀具性能的效果。
目前，无莱氏体高速钢还未能推广的主要妨碍在于供硝渠道难以，以及工具制造厂现有的制造流程和生产线都无法实现无莱氏体刀具的批量生产制造，但不失为技术上合理的长远发展方向。
受无莱氏体高速钢渗碳的启发，李宇进行了Cr13型马氏体不锈钢渗碳试验[11]，在渗层中形成密集分布的颗粒碳化物，对比试验结果表明耐磨性比Cr12MoV高3倍，有可能应用于冷作模具。
用低合金钢渗碳的方法制造模具比较少见。
这是因为模具整体所受的应力和冲击载荷都低于动力机械零件，用高碳钢和高碳低合金钢制造的模具，整体淬火、回火之后心部性能足以满足使用要求，而且高碳工具钢淬火温度低于渗碳温度，加热保温时间也远远短于渗碳时间。
相比之下，高碳钢淬火的热处理畸变较小，能耗低，生产效率高，是一种比较合理的技术路线。
只有在一些特殊的情况下，例如承受较大冲击载荷的细长的冲头，整体用高碳钢制造容易折断，用低碳钢渗碳淬火的方案才是合理的。
另外，有一些消耗量大、加工又比较复杂的模具，用冷挤压模腔的方法制造能降低模具制造成本，低碳钢的塑性成形阻力比工具钢低很多，在这种情况下也可以选择低碳钢渗碳的技术路线。
超硬涂层在工具中的应用
如前所述，单纯依赖于改变整体化学成分和整体热处理的途径提高工具的耐磨性是有局限的，而用物理气相沉积、化学气相沉积、离子注入或化学镀等方法在工具表面形成超硬薄膜涂层，可以大幅度提高工具的耐磨性和降低摩擦系数，大幅度提高工具的寿命。
早在20世纪60年代末和70年代初，TiC、TiN、TiC-TiN涂层硬质合金刀片相继面市，70年代和80年代出现性能更好的第二代TiC-Al2O和第三代TiC-Al2O-TiC等多种复合涂层硬质合金刀片，此后气相沉积技术发展迅速。
涂层材料有TiN、ZrN、HfN、TaN、NbN、CrN、CBN、Si3N4、TiC、ZrC、Cr7C3、SiC、Ti（C，N）、TiC（B，N）、Ti（Al，N）、β-C3N4金钢石等以及各种复合涂层，可涂覆在高速钢、模具钢、硬质合金、钢结硬质合金的基体材料上，使刀具、模具寿命提高几倍至几十倍，目前已经在大规模生产上广泛使用，并已成为刀具制造业中的主流。
涂层的种类很多，当前纳米涂层和复合涂层的展也很快。