金属表面处理工艺及技术全解

体材料表面催化膜上沉积一层金属的表面强化方法。

特点：形状工件复杂上也能得到均匀厚度镀层；镀层晶粒细小致密， 孔隙与裂纹少；可以在非金属材料表面沉积金属层。

复合镀：电镀或化学镀的溶液中加入适量金属或非金属微
粒，借助于强烈的搅拌，与基质金属一起均匀沉积而获得 特殊性能镀层的表面强化方法。

应用：对材料有特殊要求。原子能工业和航天航空工业
⑴ 气体渗碳法 将工件放入密封炉内，在高 温渗碳气氛中渗碳。

渗剂为气体 (煤气、液化气等)
或有机液体(煤油、甲醇等)。

优点: 质量好, 效率高； 缺点: 渗层成分与深度不易控 制
气体渗碳 法示意图

⑵ 固体渗碳法 将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。
渗剂为木炭。
优点：操作简单； 缺点：渗速慢，劳动条件差。 ⑶ 真空渗碳法 将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后 通入渗碳气体加热渗碳。

⑤渗碳后的热处理 淬火+低温回火, 回火温度为160-180℃。淬火方法有：
⑴ 预冷淬火法
渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。
渗碳后的热处理示意图

⑵一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。 ⑶ 二次淬火法： 即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心部； 第二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。

1、金属喷涂技术

将金属粉末加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾 化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。

利用热喷涂技术可改善材料
的耐磨性、耐蚀性、耐热性 及绝缘性等。 广泛用于包括航空航天、原 子能、电子等尖端技术在内
等离子热喷涂

的几乎所有领域。
2、金属镀层

在基体材料的表面覆上一层或多层金属镀层，可以显著改 善其耐磨性、耐蚀性和耐热性，或获得其他特殊性能。 电镀：工件作为阴极 化学镀：不外加电源的条件下，利用化学还原的方法在基
多弧离子镀膜机

物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简 单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度 均匀、致密、针孔少等优点。

广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备
耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、 超导等薄膜。
离子镀产品

②化学气相沉积(CVD) 化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体 表面相互作用而在基体 表面形成金属或化合物 薄膜的方法。 例如，气态的TiCl4与N2 和H2在受热钢的表面反 应生成TiN，并沉积在 钢的表面形成耐磨抗蚀


成化合物。

⑶原子向内部扩散。
氮化扩散层
②钢的渗碳
是指向钢的表面渗入碳原子的过程。

⑴渗碳目的 提高工件表面硬度、耐 磨性及疲劳强度，同时
保持心部良好的韧性。

⑵渗碳用钢 为含0.1-0.25%C的低 碳钢。碳高则心部韧性 降低。

经 渗 碳 的 机 车 从 动 齿 轮


③渗碳方法


优点: 表面质量好, 渗碳速度快。
真空渗碳炉


④渗碳温度：为900-950℃。
渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）： 一般为0.5-2mm。

渗碳层表面含碳量：以 0.85-1. 05为最好。

渗碳缓冷后组织：表层 为P+网状Fe3CⅡ; 心部 为F+P; 中间为过渡区。
低碳钢渗碳缓冷后的组织
溅射镀是在真空下通过辉光
放电来电离氩气，氩离子在 电场作用下加速轰击阴极， 溅射下来的粒子沉积到工件 表面成膜的方法。
溅射镀示意图
磁 控 溅 射 镀 膜 机
磁控溅射镀Al的塑料制品

离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分
电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到 工件表面成膜的方法。
井式气体氮化炉



⑶常用氮化方法 气体氮化法与离子氮化法。 气体氮化法与气体渗碳法类似，
渗剂为氨。

离子氮化法是在电场作用下，
使电离的氮离子高速冲击作为
阴极的工件。与气体氮化相比， 氮化时间短，氮化层脆性小。
离子氮化炉

⑷氮化的特点及应用
氮化件表面硬度高（69~72HRC），耐磨性高。 疲劳强度高。由于表面存在压应力。

轴 的 感 应 加 热 表 面 淬 火

①表面淬火用材料 ⑴ 0.4-0.5%C的中碳钢。
含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。
含碳量过高，心部韧性下降； ⑵ 铸铁 提高其表面耐磨性。
机床导轨
表面淬火齿轮


②预备热处理
⑴工艺： 对于结构钢为调质或正火。 前者性能高，用于要求高的重 要件，后者用于要求不高的普
渗碳后的热处理示意图

常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃淬火+低
温回火。此时组织为： 表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量) 心部：M回+F（淬透时）
M+F

渗碳淬火后的表层组织
⑥钢的氮化

氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。 ⑴氮化用钢 为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中 碳钢。 常用钢号为38CrMoAl。 ⑵氮化温度为500-570℃ 氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。
使材料汽化成原子、分子
或电离成离子，并通过气 相过程，在材料表面沉积 一层薄膜的技术。

磁控溅射镀膜设备
物理沉积技术主要包括真
空蒸镀、溅射镀、离子镀
三种基本方法。

真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽 化或升华沉积到工件表面形成薄 膜的方法。
真空蒸镀TiN活塞环
真 空 蒸 镀 膜 的 塑 料 制 品
Al

② 基体及喷涂材料广泛。可通过喷涂不同材料，使工件表面获 得所需的各种物理化学性能。 ③ 工件应力变形小。基体可保持较低的温度，工件产生的应力 变形很小。 ④ 生产效率高。每小时喷涂材料重量从几千克到几十千克，沉 积效率很高。
3．热喷涂的应用 ① 防腐蚀:主要用于大型水闸钢闸门、造纸 机烘缸、煤矿井下钢结构、高压输电铁 塔、电视台天线、大型钢桥梁、化工厂 大罐和管道的防腐喷涂。 ② 防磨损:通过喷涂修复已磨损的零件，或 在零件易磨损部位预先喷涂上耐磨材料， 如风机主轴、高炉风口、汽车曲轴、机 床主轴、机床导轨、柴油机缸套、油田 钻杆、农用机械刀片等。 ③ 特殊功能层:通过喷涂获得表层某些特殊 性能，如耐高温、隔热、导电、绝缘、 防幅射等，在航空航天和原子能等部门 应用较多。
的滲氮层。
三、表面形变强化

表面形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形，以 提高其表面硬度并产生有利的残余压应力分布的表 面强化工艺。 工艺简单，成本低廉，是提高钢件抗疲劳能力，延 长其使用寿命的重要工艺措施。

1、喷丸

喷丸强化是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上，犹如
无数个小锤锤击金属表面，使零件表层和次表层发生一定的 塑性变形而实现强化的一种技术。 应用：形状较复杂的零件 在磨削、电镀等工序后进行
说明：
① 喷涂热源可用燃气火焰、电弧、等离子弧或激光束等。 ② 喷涂材料可为金属、合金、金属氧化物和碳化物、陶 瓷和塑料等，材料形态可为线材、棒料或粉末。 ③ 喷涂的基体可为金属、陶瓷、玻璃、塑料、石膏、木 材、布、纸等固体材料。 ④ 喷涂的涂层厚度为几十微米至数毫米。
2．热喷涂的特点
① 工艺灵活，适用范围广。热喷涂施工对象可大可小，小的可 到10mm内孔(线爆喷涂)，大的可到桥梁、铁塔(火焰线材喷 涂或电孤喷涂)，可在室内喷涂，也可在野外现场作业；可 整体喷涂，也可以局部喷涂。
经氮化的机车曲轴
滲氮与滲碳相比：
滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达69~72HRC，
且在600～650℃高温下仍能保持较高硬度；
滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性；
滲氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和其
他缺陷；
滲氮温度较低。 只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能达到要求
感应淬火机床

⑤表面淬火常用加热方法 ⑴ 感应加热: 利用交变电流 在工件表面感应巨大涡流，
使工件表面迅速加热的方法。
感应加热 表面淬火 示意图

感应加热分为： 高频感应加热 频 率 为 250-300KHz ， 淬 硬层深度0.5-2mm
火传 感动 应轴 器连 续 淬
感应加热表面淬火齿轮的截面图

中频感应加热 频 率 为 25008000Hz ，淬硬层深 度2-10mm。
各种感应器
中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴

工频感应加热 频率为50Hz,淬硬层 深度10-15 mm
感应穿透加热
各种感应器

⑵ 火焰加热: 利用乙炔火焰直接加 热工件表面的方法。成本低，但质
量不易控制。

⑶ 激光热处理: 利用高能量密度的 激光对工件表面进行加热的方法。 效率高，质量好。
通件。

回火索氏体
⑵目的: 为表面淬火作组织准备； 获得最终心部组织。
索氏体

③表面淬火后的回火 采用低温回火，温度不高于200℃。 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。 ④表面淬火+低温回火后的组织 表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。
感应加热表面淬火

2、滚压处理

利用自由旋转的淬火钢滚子对钢件的已加工表面进行滚压，
使之产生塑性变形，压平钢件表面的粗糙凸峰，形成有利的 残余压应力，从而提高工件的耐磨性和抗疲劳能力。 应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件