常用金属表面处理工艺及技术

2．表面处理技术的分类
① 表面强化处理
② 表面洁化处理
③ 表面装饰处理
④ 表面防蚀处理
⑤ 表面修复处理
3．常用表面处理方法 ① 热喷涂、喷丸、表面滚压 ② 表面胀光、离子镀 ③ 激光表面强化、抛光
④ 普通电镀、特种电镀 ⑤ 钢铁发蓝、钢铁磷化 ⑥ 铝阳极氧化及着色处理 ⑦ 喷漆与喷塑等
二、热喷涂
n 气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理
或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技
术。
l 根据沉积过程的原理不同，
物理气相沉积TiAl靶
气相沉积技术可分为物理
气相沉积(PVD) 和化学气
相沉积(CVD)两大类。
n ①物理气相沉积（PVD）
n 物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法， 使材料汽化成原子、分子 磁控溅射镀膜设备 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。
l 广泛用于包括航空航天、原 子能、电子等尖端技术在内 的几乎所有领域。
等离子热喷涂
2、金属镀层 n 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。
n 电镀：工件作为阴极
n 化学镀：不外加电源的条件下，利用化学还原的方法在基 体材料表面催化膜上沉积一层金属的表面强化方法。
n 将工件放入密封炉内，在高 温渗碳气氛中渗碳。
n 渗剂为气体 (煤气、液化气 等)或有机液体(煤油、甲醇 等)。
n 优点: 质量好, 效率高； n 缺点: 渗层成分与深度不易
控制
气体渗碳 法示意图
n ⑵ 固体渗碳法 n 将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。 n 渗剂为木炭。 n 优点：操作简单； n 缺点：渗速慢，劳动条件差。
n ②预备热处理 n ⑴工艺： n 对于结构钢为调质或正火。 n 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。 n ⑵目的: n 为表面淬火作组织准备； n 获得最终心部组织。
回火索氏体 索氏体
n ③表面淬火后的回火 n 采用低温回火，温度不高于200℃。 n 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。 n ④表面淬火+低温回火后的组织 n 表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。
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。 n 应用：形状较复杂的零件 n 在磨削、电镀等工序后进行
2、滚压处理 n 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。 n 应用：圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件
离子氮化炉
n ⑷氮化的特点及应用 n 氮化件表面硬度高（69~72HRC），耐磨性高。 n 疲劳强度高。由于表面存在压应力。
氮 化 层 组 织
38CrMoAl氮化层硬度
n ⑶工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。 n ⑷ 耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。 n 氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。 n 用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如
l ⑶ 真空渗碳法 l 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。 l 优点: 表面质量好, 渗碳速度快。
真空渗碳炉
n ④渗碳温度：为900-950℃。 n 渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：
一般为0.5-2mm。
l 渗碳层表面含碳量：以 0.85-1. 05为最好。
l 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
n ⑤渗碳后的热处理 n 淬火+低温回火, 回火温度为160-180℃。淬火方法有： n ⑴ 预冷淬火法 n 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
n ⑵一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。 n ⑶ 二次淬火法： n 即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心部；第
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。
n 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
3、金属碳化物覆层～气相沉积法
1．热喷涂原理
热喷涂是将金属或非金属材 料加热熔化，靠压缩气体连续吹 喷到制件表面上，形成与基体牢 固结合的涂层，从制件表层获得 所需要的物理化学性能。
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。
l 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。
n 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
Al
真 空 蒸 镀 膜 的 塑 料 制 品
n 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。
磁控溅射镀Al的塑料制品
溅射镀示意图
磁 控 溅 射 镀 膜 机
n 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。
多弧离子镀膜机
n 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。
仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。
缝纫机用氮化件
经氮化的机车曲轴
滲氮与滲碳相比：
u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；
u滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性；
u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；
u滲氮温度较低。
感应加热表面淬火 感应淬火机床
n ⑤表面淬火常用加热方法 n 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
n 感应加热分为： n 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
CVD设备
由于化学气相沉积膜 层具有良好的耐磨性、
经CVD处理
耐蚀性、耐热性及电 的活塞环 学、光学等特殊性能， 已被广泛用于机械制 造、航空航天、交通 运输、煤化工等工业 领域。
经CVD处理的模具
表面处理技术
一、表面处理概述
1．表面处理概念
利用现代物理化学、金属学和热处理等学科的边缘性新 技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化 组合，以达到预定性能要求的工艺方法，称为表面处理。
u只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能达到要求 的滲氮层。
三、表面形变强化
n 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。
n 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 n 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
二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。
渗碳后的热处理示意图
n 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：
n 表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量) n 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 n 氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。 n ⑴氮化用钢 l 为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中
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φ10mm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。
渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。发兰、磷 化可以归为表面处理，不属于化学热处理。
化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基 本过程。
①化学热处理的基本过程
n ⑴介质(渗剂)的分解: 分解的同 时释放出活性原子。
n 如：渗碳 CH4→2H2+[C] 氮化
2NH3→3H2+2[N] n ⑵工件表面的吸收: 活性原子向
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。
金属表面处理工艺
一、表面热处理
1、表面淬火 n 表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情
况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以 强化零件表面的热处理方法。
感
火焰加热 应
加 热
n 表面淬火目的： n ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; n ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的
四、表面覆层强化
n 表面覆层强化是通过物理或化学的方法在金属表面 涂覆一层或多层其他金属或非金属的表面强化工艺。
n 目的：提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行 表面装饰。
1、金属喷涂技术
n 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。
l 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。
n 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
n ②化学气相沉积(CVD) n 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的 沉积层。
塑性和韧性。即表硬里韧。 n 适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。
轴 的 感 应 加加 热 表 面 淬淬 火
n ①表面淬火用材料 n ⑴ 0.4-0.5%C的中碳钢。 n 含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。 n 含碳量过高，心部韧性下降； n ⑵ 铸铁 提高其表面耐磨性。
机床导轨
表面淬火齿轮
碳钢。 l 常用钢号为38CrMoAl。 l ⑵氮化温度为500-570℃ l 氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。
井式气体氮化炉
n ⑶常用氮化方法 n 气体氮化法与离子氮化法。 n 气体氮化法与气体渗碳法类似，
渗剂为氨。 n 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。
n 与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改 变其化学成分。
n 化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。 n 根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元
共渗、渗其他元素等。
渗 碳 回 火 炉
可控气氛渗碳炉
常用的化学热处理：
渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰 化和软氮化）等。
n 中频感应加热 频 率 为 25008000Hz ， 淬 硬 层 深度2-10mm。
中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴
各种感应器
n 工频感应加热 n 频率为50Hz,淬硬
层深度10-15 mm
感应穿透加热
各种感应器
n 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。
n 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。
火焰加热表面淬火
激光表面热处理
火焰加热表面淬火示意图
二、化学表面热处理
n 化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使 介质中活性原子 渗入工件表层从 而改变工件表层 化学成分和组织, 进而改变其性能 的热处理工艺。
固溶体溶解或与钢中某些元素形 成化合物。
n 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。
n ⑴渗碳目的
经
渗
n 提高工件表面硬度、耐
碳 的
磨性及疲劳强度，同时
机 车
Βιβλιοθήκη Baidu
保持心部良好的韧性。
从 动
n ⑵渗碳用钢
齿 轮
l 为含0.1-0.25%C的低碳 钢。碳高则心部韧性降
低。
n ③渗碳方法 n ⑴ 气体渗碳法