金属材料的表面处理

４.火焰淬火的特点
•火焰淬火的主要特点为：①设备简单、体积小、成本低、使用方便， 受工件体积大小的限制；②淬火后表面清洁，很少氧化与脱碳，变 形小；③操作简便，工艺灵活，淬火成本低；④火焰加热温度高、 加热快、生产效率高；⑤加热温度和淬硬层深度不容易控制，质量 •所以，火焰淬火一般用于单件、小批量生产以及大型工件（如大模
5.1.2 表面处理技术的分类
5.1.1 表面处理技术的作用
１.提高表面耐蚀性和耐磨性，减缓、消除和修复材料表面的变
化及损伤 ２.使普通材料获得具有特殊功能的表面 ３.表面处理技术可用于节约能源，降低成本，改善环境
5.1.2 表面处理技术的分类
(１)表面合金化技术 包括喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆
(２)气体渗碳 气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的 工艺。
图5-6 井式气体渗碳炉 1—风扇电动机 2—废气火焰 3—炉盖 4—砂封 5—电阻丝 6—耐热罐 7—工件 8—炉体
(２)气体渗碳 气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的 工艺。
图5-7
气体渗碳典型工艺曲线
(２)气体渗碳 气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的 工艺。
•粉末渗硼的温度一般为850～950℃。提高渗硼温度可以缩短渗硼时 间，但会引起晶粒粗大。渗硼保温时间一般为3～5 h，最长不超过
２.液体渗硼
• •盐浴渗硼是利用硼砂作为供硼源，无水硼砂（Na 2B 4O 7）在 高温熔融状态和还原剂作用下，有活性硼原子产生。在高温下游离 状态的活性硼原子，被工件表面吸附，与铁原子生成硼化物FeB和Fe 2B。盐浴渗硼多采用坩埚电阻炉，而且多是自制设备。炉内放臵
•渗硼温度为900～1000℃，时间为4～6h。盐浴配制完成后加热到渗 硼温度，保温0 5h，再搅拌一次，方可放入渗硼工件。渗硼工件要 吊装在坩埚内，每隔0 5～1h将工件适当地移动，以保证渗硼层均 匀。达到渗硼保温时间后，即可出炉。不需淬火的工件从盐浴中取 出，空冷，由于有粘在工件上的盐浴液保护，渗硼层不致损坏。需 •电解盐浴渗硼时，以浸在熔融硼砂中的工件作阴极，石墨坩埚作阳 极，电流密度为（0 15～0 2）A/cm 2，处理温度为930～950℃， 时间为2～6h，可得渗层深0 15～0 35mm。电解渗硼速度快，渗剂 便宜，渗层深，易调节，但渗层欠均匀，坩埚寿命较短。气体渗硼
(１)固体渗碳 固体渗碳是将工件置于填满木炭(90%)和碳酸钡
(BaCO3)(10%)的固体渗碳箱内进行的，如图5-5所示。 (２)气体渗碳 气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的 工艺。
5.3.1 渗碳技术
表5-1 常见渗碳用钢及其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ途
5.3.1 渗碳技术
图5-5 固体渗碳箱 1—渗碳剂 2—工件 3—箱体4～6mm 铁板 4—泥封 5—试棒ϕ10mm 6—盖：铁板厚6～8mm
并达到一定的浓度和深度。
(1) 强化工件表面 提高工件表层的力学性能，如表层硬度、耐 磨性、疲劳强度等。
5.3 表面化学热处理技术
(2) 保护工件表面 改善工件表层的物理、化学性能，如耐高温
及耐蚀性等。 5.3.1 渗碳技术 5.3.2 渗氮技术 5.3.3 碳氮共渗技术 5.3.4 渗硼技术
5.3.1 渗碳技术
5.2.2 感应淬火
１.感应淬火原理
２.常用感应淬火方法及应用 ３.感应淬火的特点
１.感应淬火原理
•感应淬火是利用感应电流通过零件所产生的热效应，使零件表面很 快加热到淬火温度，然后迅速冷却的热处理方法，如图5 KG*8〗 3 •当一定频率的电流通过空心铜管制成的感应器时，在感应器的内部 及周围便产生一个交变磁场，于是，在工件内部产生了同频率的感 应电流。电流在工件内的分布是不均匀的，表面电流密度大，心部 电流密度小，通过感应器的电流频率越高，电流就越集中于工件的 表面，这种现象称为集肤效应。依靠感应电流的热效应，可将工件 表层迅速加热到淬火温度，而此时心部温度还很低，淬火介质通过
２.火焰淬火方法及应用
(２)前进法 火焰喷嘴和冷却装臵沿零件表面作平行移动，一边加 热，一边冷却。 (３)旋转法 用一个或几个固定火焰喷嘴对旋转零件表面进行加热，
表面加热至淬火温度后进行冷却(如图5-2c所示)。 (４)联合法 淬火零件绕其轴线旋转，喷嘴和喷水装臵同时沿零件 轴线移动(如图 所示)。
•感应电流频率越高，电流透入深度越小，工件加热层越薄，淬硬层 越浅。因此，感应加热进入工件表层的深度主要取决于电流频率。
２.常用感应淬火方法及应用
(１)工频感应淬火 电流频率为50Hz，可获得10～15mm以上的淬 硬层，适用于大直径的穿透加热及要求淬硬层深的大工件的表面 淬火。
(２)中频感应淬火 常用电流频率为2500～8000Hz，可获得3～6m m深的淬硬层，主要用于要求淬硬层较深的零件，如发动机曲轴、 凸轮轴、大模数齿轮、较大尺寸的轴和钢轨的表面淬火。 (３)高频感应淬火 常用电流频率为200～300kHz，可获得的表面 淬硬层深度为0.5～2mm，主要用于中小模数齿轮和小轴的表面淬 火。
(５)形变强化(如喷丸、机械镀等)。
5.1.2 表面处理技术的分类
(６)热喷涂(如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等)。
(７)堆焊(如手工堆焊、埋弧堆焊、等离子堆焊等)。 (８)高能束技术(如激光表面合金化、激光熔覆、离子注入等)。
5.2 表面淬火
5.2.1 火焰淬火
5.2.2 感应淬火
5.2.1 火焰淬火
1)排气阶段 零件在装炉时使炉温下降，同时带入大量空气。
2)强渗阶段 到温后保温约30min，排气阶段结束即关闭排气孔，进 入强渗阶段。 3)扩散阶段 进入扩散阶段应减少煤油滴量，使表面高浓度的碳向 心部扩散，同时滴入少量甲醇，最终达到规定的渗层深度和合适的 碳浓度分布。 4)降温阶段 提前0.5～1h检查试棒，当渗层深度达到规定要求时间
时即可降温出炉。
5.3.2 渗氮技术
１.气体渗氮
２.离子渗氮
１.气体渗氮
图5-8 气体渗氮装置示意图 1—氨气分解率测定器 2—冒泡瓶 3、9—U形气压计 4—安置架 5—缓冲箱 6—箱式电阻炉 7—渗氮箱 8—热电偶 10—干燥箱 11—氨气瓶
２.离子渗氮
图5-9 离子渗氮装置 1—温度表 2—热电偶 3—接真空系统 4—阀 5—绝缘体 6—工件 7—观察窗 8、13— 开关 9—阀 10—电源 11—气源 12—温度控制器
等。 (２)表面覆盖与覆膜技术 包括电镀、化学镀、化学转化膜、 气相沉积等。 (３)表面组织转化技术 包括表面淬火、化学热处理等热处理 技术及喷丸、滚压等表面加工硬度技术。 (１)表面热处理(如表面淬火、表面化学热处理等)。
(２)电镀与化学镀(如纯金属电镀、合金电镀、电刷镀等)。
(３)化学转化膜(如化学氧化处理、磷化处理等)。 (４)气相沉积(如化学气相沉积、物理气相沉积等)。
质进行淬火而减少变形，而且可以用较便宜的碳素钢来代替合
金钢制造某些工模具。 (4)不受钢种的限制
(4)不受钢种的限制
表5-2 几种表面热处理工艺的比较
5.3.4 渗硼技术
(1)硬度与耐磨性 钢铁渗硼后表面具有极高的硬度，显微硬度
可达1290～2300HV，所以具有很高的耐磨性。 (2)高温抗氧化性及热硬性 钢铁渗硼后所形成的铁硼化合物(F eB、Fe2B)是一种十分稳定的金属化合物，它具有良好的高温 抗氧化性和热硬性，经渗硼处理的模具一般可在600℃以下可 靠地工作。 (3)耐蚀性 渗硼层在酸(除硝酸外)、碱和盐的溶液中都具有较
金属材料与热处理
主编
课题5 金属材料的表面处理
课题引入
课题说明 课题目标 5.1 金属材料表面处理概述 5.2 表面淬火 5.3 表面化学热处理技术 5.4 化学氧化与磷化处理
5.5 电镀技术
5.6 表面气相沉积技术 5.7 其他表面处理技术
5.1 思考题
5.1 金属材料表面处理概述
5.1.1 表面处理技术的作用
３.感应淬火的特点
图5-3 感应淬火示意图 1—加热淬火层 2—水 3—间隙 4—工件 5—加热感应圈 6—进水 7—出水 8—淬火喷水套 9—水
３.感应淬火的特点
图5-4 高频感应加热设备
5.3 表面化学热处理技术
(1)分解 富有渗入元素的介质在一定的条件下进行化学反应，
分解产生具有一定活性的渗入元素原子。 (2)吸收 分解产生渗入元素的活性原子(初生状态原子)被工件 表面吸收(溶解)，这一过程的进行必须具备下列两个条件：有 渗入元素的活性原子存在，渗入元素呈分子状态存在时，不能 被工件吸收；渗入元素能渗入工件中形成固溶体或金属化合物。 (3)扩散 被工件表面吸收的渗入元素原子，由表面向内部移动，
１.火焰淬火原理
２.火焰淬火方法及应用 ３.火焰淬火操作要点及注意事项 ４.火焰淬火的特点
１.火焰淬火原理
图5-1
火焰淬火示意图
２.火焰淬火方法及应用
(１)固定法 零件和喷嘴都不动，用火焰喷嘴直接加热淬火部分， 使零件加热到淬火温度后立即喷水冷却(如图5-2a所示)。
图5-2
火焰表面淬火方法示意图
5.3.3 碳氮共渗技术
(1)渗层性能好 碳氮共渗与渗碳相比，其渗层硬度差别不大，
但其耐磨性、耐蚀性及疲劳强度比渗碳层高。 (2)渗入速度快 在碳氮共渗的情况下，由于碳氮原子能互相促 进渗入过程，所以在相同温度下，共渗速度比渗碳和渗氮都快， 仅是渗氮时间的1/3～1/4。 (3)工件变形小 由于氮的渗入提高了共渗层奥氏体的稳定性， 故使渗层的淬透性得到提高，这样不仅可以用较缓慢的淬火介
高的耐蚀性，特别是在盐酸、硫酸和磷酸中具有很高的耐蚀性。
(4)渗硼层的脆性 渗硼层的硬度高，脆性较大。 １.固体渗硼
5.3.4 渗硼技术
２.液体渗硼
• •盐浴渗硼是利用硼砂作为供硼源，无水硼砂（Na 2B 4O 7）在 高温熔融状态和还原剂作用下，有活性硼原子产生。在高温下游离 状态的活性硼原子，被工件表面吸附，与铁原子生成硼化物FeB和Fe 2B。盐浴渗硼多采用坩埚电阻炉，而且多是自制设备。炉内放置 •渗硼温度为〖WTBZ〗900～1000℃〖WTBZ〗，时间为4～6h。盐浴 配制完成后加热到渗硼温度，保温0 5h，再搅拌一次，方可放入渗 硼工件。渗硼工件要吊装在坩埚内，每隔0 5～1h将工件适当地移 动，以保证渗硼层均匀。达到渗硼保温时间后，即可出炉。不需淬 火的工件从盐浴中取出，空冷，由于有粘在工件上的盐浴液保护， 渗硼层不致损坏。需要淬火的工件应立即转入中性盐浴中加热，然 •电解盐浴渗硼时，以浸在熔融硼砂中的工件作阴极，石墨坩埚作阳 极，电流密度为（0 15～0 2）A/cm 2，处理温度为930～950℃，
１.固体渗硼
•固体渗硼是将工件埋入含硼的粉末或颗粒介质中，或在其表面涂以 含硼膏剂，装箱密封再加热保温的化学热处理工艺。固体渗硼不需 要专用设备，操作方便，适应性强。但固体渗硼劳动强度大、工作
•粉末渗剂一般由供硼剂（硼粉、碳化硼B 4C、硼铁合金B Fe、硼 砂Na 2B 4O 7等）、活化剂（氟硼酸盐、冰晶石、氟化物、氯化 物、碳酸盐等）和填充剂（三氧化二铝Al 2O 3、碳化硅SiC、木 炭、煤粉等）组成。渗硼用铁箱可用低碳钢板焊制。装箱方法与固 体渗碳相似，先在箱底铺上一层厚20～30mm的渗硼剂后，再放入工 件。工件与箱壁、工件与工件之间要保持10～15mm的间隙，然后填 充渗硼剂。盖上箱盖后用耐火泥或黄土泥密封。对于大型凹模的模 腔，因非工作部位不需渗硼，所以只在模腔内填充渗硼剂，其他部 位用木炭填充，防止表面脱碳。操作时，为了防止活化剂过早分解，
３.火焰淬火操作要点及注意事项
(１)对被淬火表面预先进行认真清理和检查，淬火部位不允许有脱 碳层、氧化皮、气孔、砂眼和裂纹等缺陷。 (２)根据零件淬火部位及技术要求选择合适的喷嘴。
(３)在淬火前零件一般应进行预备热处理，如正火或调质处理，以 保证零件心部的强度和韧性。 (４)合理调整氧、乙炔混合气。 (５)火焰淬火温度比普通淬火温度要高，一般取880～950℃。 (６)合理选择淬火介质。 (７)工作结束后，先关断氧气，再关断乙炔，等熄灭后再开少量氧 气吹出烧嘴中剩余气体，最后再关掉氧气。 (８)工件淬火后必须立即回火，以消除应力，防止开裂。