表面强化技术

2014-6-3第13讲表面强化技术学生：万伟指导老师：赵晴2019/12/24目录1234567表面强化技术的定义及分类金属表面形变强化表面淬火热扩渗技术等离子体扩渗技术激光表面强化技术电子束表面强化技术891011电镀和化学镀气相沉积技术热喷涂、堆焊和热喷焊离子注入和电火花表面强化2019/12/24目录1表面强化技术的定义及分类表面工程是一个既古老又新颖的学科，人们使用表面工程技术已有悠久的历史。追溯到几千年前，我国早在春秋战国时期就已经开始应用钢的淬火、铜器热镀锡、鎏金及油漆等古老技术。但是，表面工程的迅速发展还是从19世纪工业革命开始，20世纪80年代成为世界上10大关键技术，进入20世纪90年代发展势头出现工程研究的热潮，几乎涉及了工业的各个领域，表面工程技术仍是将是主导21世纪的关键技术之一。1.1表面强化技术概述2019/12/24表面强化是经表面欲处理后，通过表面涂覆、表面改性或表面复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合而繁衍、发展起来的，有着坚实的科学基础，具有明显的交叉、边缘学科的性质和极强的实用性。1.2表面强化技术定义定义：采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料的组织结构，性能不同的一种技术。优点：延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料，促进高新技术发展。2019/12/241表面强化技术的定义及分类1表面强化技术的定义及分类金属表面形变强化表面淬火热扩渗技术等离子体扩渗技术激光表面强化技术电镀和化学镀气相沉积技术电子束表面强化技术热喷涂和热喷焊离子注入和电火花表面强化表面强化技术1.3表面强化技术分类2019/12/24原理：通过机械手段（滚压、喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层深度可达0.15~1.5mm。在此形变硬化层中产生两种变化：（1）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度变大；（2）形成了高的宏观残余应力。2金属表面形变强化2.1金属表面形变强化的机理及主要方法表面形变强化的主要方法表面锤击表面滚压内挤压喷丸超声冲击新兴起的，设备体积小，应用方便，效率高国内外广泛应用于弹簧、齿轮链条、轴、叶片、火车轮等用小锤（手工或机械）锤击金属表面，使其内部加工硬化通过滚轮对金属零件表面进行滚压强化使孔的内表面形成形变强化的工艺措施，效果明显2019/12/242金属表面形变强化塑形形变层（a）弹丸撞击表面位错晶界亚晶界（b）喷弹丸后组织结构图2-1喷丸表面的塑形变形图2-2表面滚压示意图2019/12/242金属表面形变强化2.2喷丸强化2.2.1喷丸强化的设备喷丸采用的设备按驱动弹丸的方式可分为机械离心喷丸机和气动喷丸机两大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在也太重成悬浮状，然后喷出弹丸，因此工作条件有所改善。（1）机械式离心喷丸机弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。喷丸功率小，制造成本高，主要用于喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的工件。（2）气动离心喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速后撞击工件的受喷表面。可通过控制气压来控制喷丸强度，操作灵活，一台机器可喷多个零件，适用于喷丸强度低、品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零部件，但功耗大、生产效率低。2019/12/242金属表面形变强化机械离心式喷丸机61.叶轮2.叶轮转向3.接触叶片前的弹丸4.弹丸输送管5.漏斗6.压缩空气7.喷射管8.90°弯曲喷管9.弹丸2019/12/242金属表面形变强化气动式喷丸机1.零件2.阀门3.空气过滤器4.管道5.喷嘴6.导丸管7.储丸箱8.排尘管9.转换口2019/12/242金属表面形变强化2.2.2喷丸材料1钢丝线切割丸丸的分类铸钢丸2铸钢丸3玻璃弹丸4陶瓷弹丸5液态喷丸介质6常用钢丝直径d=0.4~1.2mm，硬度为45~50HRC为最佳，组织最好好回火M或者B。弹丸尺寸为0.2~1.5mm，退火处理，硬度为30~57HRC，易碎，耗量大，但价格便宜铸钢丸的品质与含碳量有关，一般含碳量在0.85%~1.2%，锰含量在0.65%~1.2%含质量分数为60%的SiO2，硬度46~50HRC，脆性大，适用于零件硬度低于弹丸的硬度的场合。弹丸硬度高，但脆性大，喷丸后可或得较高的残余压应力。包括SiO2颗粒和Al2O3颗粒。喷丸时用水混合SiO2颗粒，利用压缩空气溅射，一般来说，黑色金属制件可用铸铁丸、钢铸丸、钢丝线切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢则采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。2019/12/242.3表面强化在模具表面强化工艺中的影响表面形变强化可以使模具表面产生冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除电火花加工产生的表面变质层，提高模具的疲劳强度，抗冲击磨损性能，从而达到提高零件使用寿命的目的。喷丸强化后模具使用寿命的提高见表2-1。模具名称模具材料喷丸介质d/mm一次刃磨使用寿命/万次喷丸前喷完后电动机定、转子模Cr12铸钢丸0.51.2~3.211.49定子单模冲模Cr12玻璃丸0.25~0.355270一字槽光冲模60Si2Mn玻璃丸0.25~0.350.96~1.352.0~2.3活扳手热精压模3CrW8V铸钢丸0.50.1750.263玻璃丸0.25~0.350.3880.5172金属表面形变强化表2-1喷丸对模具寿命的影响2019/12/243表面淬火3.1表面淬火的原理及特点利用快速加热将钢件表面加热到相变温度以上转变为奥氏体，然后快冷，形成马氏体组织的硬化层，而心部仍保持其原始组织—珠光体、索氏体，且硬化层与基体之间具有不完全淬火的过渡层。适用材料—中、高碳钢，普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁。预处理—调质、正火或球化退火。机床导轨表面淬火齿轮2019/12/243.2表面淬火的目的①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。3表面淬火轴的感应加热表面淬火2019/12/243.3表面淬火前预备热处理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通件。⑵目的:为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织。3表面淬火回火索氏体索氏体2019/12/243.3表面淬火前后处理及组织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。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)。感应加热表面淬火感应淬火机床3表面淬火2019/12/243表面淬火3.4表面淬火常用的加热方法3.4.1感应加热表面淬火定义：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2019/12/24分类：高频感应淬火、中频感应淬火、工频感应淬火高频感应淬火频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm3表面淬火传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图2019/12/243表面淬火中频感应淬火频率为2500-8000Hz，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2019/12/243表面淬火工频感应淬火频率为50Hz，淬硬层深度10-15mm。各种感应器感应穿透加热2019/12/243.4.2火焰加热表面淬火定义：应用氧-乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工艺。特点：可使零件表面获得高的硬度和耐磨性，从而提高零件的使用寿命。成本低，但质量不容易控制。3表面淬火火焰加热表面淬火示意图齿轮火焰加热表面淬火2019/12/243表面淬火3.4.3激光表面淬火定义：利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。特点：效率高，质量好。激光表面热处理2019/12/243表面淬火3.4.3其他表面淬火方法其他方法电解液淬火接触电阻加热淬火浴炉加热表面淬火电解液淬火（电解淬火）是将工件淬火部位浸入电解液中，工件接阴极，电解槽接阳极，通电后由于阴极效应而讲工件表面加热，到温后断电。常用电解液为5%~18%的Na2CO3水溶液。缺点：工件棱角部分易出现过烧，工艺规范不易控制，形状复杂的工件加热不易均匀。优点：设备简单，淬火变形小，适用于形状简单小件的批量生产。接触电阻加热淬火是利用触头（铜滚轮或碳棒）和工件间的接触点出使工件表面加热，并依靠自身热传导来实现冷却淬火。缺点：淬硬层较（0.15~0.3mm），金相组织及硬度的均匀性较差，多用于导轨表面的淬火。优点：设备简单，工件变形小，淬火后不需要回火。浴炉加热表面淬火将工件进入高温盐浴（或金属盐浴）中，短时加热，使工件表面层达到规定的淬火温度，然后极冷的方法。缺点：淬硬层较层较深，表面硬度低。优点：不需要添加特殊设备，操作简单，适合单件小批量生产。注意：高合金钢由于导热性较差，加热前需提前预热。2019/12/244热扩渗技术4.1热扩散定义及特点定义：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺。(化学热处理技术)所形成的合金层称为热扩渗层，简称渗层。突出特点：渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很高。通过渗入不同合金元素或者采用不同渗入工艺，可以使工件表面获得不同组织和性能的扩渗层，从而极大提高工件的耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能等。广泛应用于机械、化工、微电子和信息等行业。2019/12/24最早起源于我国战国时代。勾践剑：宝剑通长55.6厘米，剑身长47.2厘米，剑身宽4.6厘米，重857.4克。1965年于湖北荆州出土，历经2500多年仍未生锈，且能吹发可断、一下划破20多张复印纸。剑表面黑色部位是经硫化处理而形成的，主要作用是防锈。能进行热扩渗的材料包括：碳、氮、硼、锌、铝、铬、钒、铌、钛、硅、硫等和这些元素的多元共渗。2019/12/244热扩渗技术4.2热扩散技术的基本原理4.2.1热扩渗层形成的基本条件渗入元素的原子存在于扩渗层的形式：与基体金属形成：固溶体或金属间化合物层，或固溶体+化合物的复合层。形成渗层基本条件：1.渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。2.欲渗元素与基材之间必须有直接接触。3.被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。4.(对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺)该反应必须满足热力学条件。(产生活性原子；反应平衡常数1%。)2019/12/244热扩渗技术4.2.2热扩渗层形成的基本条件1.产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法（常用方法）。2.渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。3.渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程(简称扩散过程)。扩散的机理：间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。2019/12/244热扩渗技术4.3热扩散技术工艺分类按热扩渗温度：高温（高于910℃）、中温、低温（低于720℃）热扩渗。按渗入元素：非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属一非金属元素多元共渗、扩散退火(均匀化退火)。2019/12/24盐浴法熔烧法熔盐电解法粉末包渗法固-固扩渗法流化床法真空扩散法间接气体扩散法直接气体扩散法离子扩散法固渗气渗热扩渗液渗热浸渡渗膏剂渗热喷涂渗化学镀渗电镀渗复合扩渗真空镀渗2019/12/244热扩渗技术按渗剂在工作温度下物质状态分：将大量固体颗粒悬浮于体之中，从而使颗粒具有流体的某些表观特征，这种流固接触状态称为固体流态化，即流化床。4热扩渗技术4.4液渗—TD盐浴法渗钒4.4.1