材料的表面強化第1頁/共32頁4.4.1表面強化概述

(Introductionofsurfacereinforcing)

我國著名材料學專家、兩院院士師昌緒先生指出：表面工程，是應用物理、化學、機械等方法改變固體材料表面成分或組織結構，獲得所要求的性能，以提高產品的可靠性或延長使用壽命的各種技術的總稱。國際著名學者Bell教授給出了目前得到國際認可的表面工程定義：“表面工程就是將傳統(tǒng)的和新型的表面技術應用到工程構件和工程材料上，從而得到具有基體和表面材料均無法獲得的復合材料。由于各種表面技術經常用于工程構件設計，所以理論上說，表面工程就是要采用表面處理的構件的設計”。這標志著表面工程作為一種新的工程技術領域正在形成，同時它正在形成一門新興科學。表面工程技術包括表面強化技術、表面加工和表面預處理（簡稱表面處理）技術。

表面強化技術定義為增強材料表面強度、硬度、耐磨性、耐蝕性、物理性能以及美觀等表面處理方法的總稱，它包括機械的、物理的、化學的以及物理化學的一系列表面強化處理方法。其主要目的在于增強材料的使用性能。而表面加工技術和表面預處理技術兩者的目的旨在改變材料的外形和表面狀態(tài)，一般不增強材料的使用性能。

第2頁/共32頁4.4.1表面強化概述

(Introductionofsurfacereinforcing)可見，表面強化是表面工程的核心內容，是決定強化表層的成分、組織、結構與性能的關鍵技術。按表面強化的工藝特點可分為如下6類：①表面冶金強化（它包括堆焊、熱噴涂、激光重熔等）；②表面形變（機械）強化（它包括噴丸、滾壓、擠壓等）；③表面熱處理強化（它包括表面淬火、化學熱處理等）；④表面薄膜強化（它包括電鍍、電刷鍍、氣相沉積、化學鍍等）；⑤表面非金屬化處理（它包括噴塑、粘涂、涂裝等）；⑥高能束（密度）表面強化（它包括電子束、離子束、激光束等）。

其中以表面淬火和化學熱處理等應用最為普遍。表面強化的性能要求

----“表硬內韌”。第3頁/共32頁4.4.2表面淬火

(Surfacequenching)

1.表面淬火的定義與分類定義：將工件表面快速加熱到淬火溫度，在熱量尚未傳到心部時立即迅速冷卻，使工件表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。

鋼經表面淬火（一般指表面淬火＋低溫回火）后，其表層組織為極細回火馬氏體(隱晶M)，而心部則為原始組織，一般為回火索氏體或正火索氏體。表面淬火方法很多，當前工業(yè)中廣泛應用的就是感應加熱表面淬火法、激光加熱表面淬火法、火焰加熱表面淬火法、電接觸加熱表面淬火法等。

2.感應加熱表面淬火簡介（1）基本原理：“電磁感應”、“集膚效應”（2）感應加熱的分類（3）感應加熱表面淬火的特點（4）感應加熱表面淬火用鋼及加工工藝路線

3.火焰加熱表面淬火簡介第4頁/共32頁

（1）定義感應加熱表面淬火是采用一定方法使工件表面產生一定頻率的感應電流，將工件表面迅速加熱然后快速冷卻的一種熱處理工藝操作。

（2）基本原理：

δ=。式中:δ——感應電流透

入深度，mm;f——電流頻率，HZ

。

“電磁感應”:把工件放入由空心銅管繞成的感應器線圈中，感應器中通入一定頻率的交流電以產生交變磁場，于是工件內就會產生頻率相同、方向相反的感生電流。

“集膚效應”:這種感生電流在工件中的分布是不均勻的，主要集中在表面層。愈靠近表面、電流密度愈大;頻率愈高，電流集中的表面層愈薄，這種現象稱為集膚效應。

2.感應加熱表面淬火第5頁/共32頁感應加熱表面淬火操作示意圖第6頁/共32頁

2.感應加熱表面淬火

（3）感應加熱的分類、工作電流頻率及應用

如表4-9所示。表4-9感應加熱種類、工作電流頻率及應用范圍第7頁/共32頁

回顧：奧氏體晶粒大小及其控制奧氏體晶粒度的控制：快速加熱法。它可以使AC1、AC3相變點升高，轉變溫度范圍擴大，但轉變所需時間縮短。第8頁/共32頁2.感應加熱表面淬火（4）感應加熱表面淬火的特點與普通加熱淬火相比，感應加熱表面淬火有以下特點:①感應加熱速度極快（快速加熱）一般只需幾秒至幾十秒時間就可使工件達淬火溫度。由于快速加熱，使相變臨界點(Acl、Ａc3)升高，轉變溫度范圍擴大但轉變所需時間縮短。②工件表層獲得極細小的M(稱隱晶M)組織使工件表層具有比普通淬火稍高的硬度(高2～3HRC)且脆性較低。由于表層淬火時M體積膨脹，使工件表層存在殘余壓應力，因而具有較高的疲勞強度。③工件表面質量好由于快速加熱，工件表面不易氧化、脫碳，且淬火時工件變形小。④生產效率高便于實現機械化、自動化。淬硬層深度也易于控制。上述特點使感應加熱表面淬火在工業(yè)上獲得日益廣泛的應用。但其缺點是工藝設備較貴，維修調整困難，對于形狀復雜的零件的感應器不易制造等。第9頁/共32頁45鋼高頻淬火后的金相組織第10頁/共32頁（4）感應加熱表面淬火用鋼及加工工藝路線用作表面淬火最適宜、用量最大的鋼種是中碳碳鋼與中碳低合金鋼，如45，40Cr，40MnB等。感應加熱表面淬火零件的典型加工工藝路線如下:下料→鍛造→退火或正火→粗加工→調質或正火→精加工→感應加熱表面淬火+低溫回火→精磨→時效(100～150℃、10～15h加熱，以穩(wěn)定工件尺寸，消除內應力)→精磨→成品。應注意點:①感應加熱表面淬火零件的預先熱處理有調質和正火兩種，調質處理后工件的力學性能比正火的好。然而當心部性能要求不高時，一般可采用正火作為預先熱處理。②感應加熱表面淬火后工件必須隨即進行低溫回火。低溫回火一般在170～200℃左右爐中進行，也可采用“自回火”方式，即當淬火冷至200℃時停止噴水，利用工件中的余熱傳到表面而達到回火目的。③零件經感應加熱表面淬火+低溫回火后，其表層組織M回，心部組織S回(調質)或F+S(正火)。第11頁/共32頁3.火焰加熱表面淬火簡介第12頁/共32頁4．4．3化學熱處理

(Chemicalheat-treatment)1.基本過程

（分解·吸收·擴散）2.滲碳工藝的分類與適用材料

低碳碳鋼與低碳合金鋼3.滲碳工藝特點

·880～950℃·δ=0.5～2mm

·5～8h·0.85～1.15%C4.滲碳緩冷后組織

·表層P+CmⅡ

·心部F+P5.滲碳經熱處理及相應組織

·熱處理：滲碳+淬火+低溫回火

組織：表層M回+K+AR，心部M回+F（或F+P）第13頁/共32頁1.基本過程（分解·吸收·擴散）

分解：2CO→[C]+CO2，CH4→2H2+[C]，

CO+H2→[C]+H2O吸收：吸附，吸收→固溶體→進而形成化合物擴散：在濃度梯度作用下，由表及里→擴散層第14頁/共32頁2.滲碳工藝的分類與適用材料圖4.43氣體滲碳示意圖固體滲碳裝箱示意圖第15頁/共32頁滲碳適用材料

低碳碳鋼與低碳合金鋼，碳的質量分數一般為0.10%～0.25%，隨碳的質量分數的提高，將降低工件心部的韌性。第16頁/共32頁3.滲碳工藝特點

880℃～950℃（920℃～930℃），保溫5～8h；滲層深度：1mm左右滲碳層表面碳含量為：0.80%～1.10%。滲碳溫度、滲碳時間與滲碳層深度的關系圖第17頁/共32頁4.滲碳緩冷后組織

第18頁/共32頁5.滲碳經熱處理及相應組織

圖4.45滲碳后常用的熱處理工藝曲線第19頁/共32頁滲碳淬火組織滲碳淬火后的表層組織基體組織M回火+F經滲碳的機車從動齒輪第20頁/共32頁滲碳+淬火+低溫回火后組織表層：回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體心部：鐵素體+回火馬氏體（或鐵素體+珠光體）第21頁/共32頁滲碳件的加工工藝路線：下料→鍛造→正火→機械加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工→成品。第22頁/共32頁表4.10常用化學熱處理的特點及應用比較第23頁/共32頁※6.鋼的滲氮（習慣稱氮化）（1）定義在一定溫度下使活性N原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞極限及耐蝕性等。目前應用的滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮法。井式氣體氮化爐離子滲氮爐第24頁/共32頁（2）滲氮用鋼及處理溫度滲氮用鋼

為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳合金鋼。可形成各種合金氮化物，如ANCNNN等，它們以極高的彌散度分布在滲氮層中，從而獲得極高硬度和耐磨性。其典型鋼號為38CrMoAlA。滲氮處理溫度為500～570℃，滲氮時間取決于所需滲氮層深度，一般滲氮層深度為0.4～0.6mm，其滲氮時間約需40～70h，故氣體滲氮的生產周期很長。滲氮層深度一般不超過0.6～0.7mm。鋼件滲氮前需進行調質處理，以保證滲氮件心部具有較高強度和韌性。第25頁/共32頁（3）滲氮層組織38CrMoAl鋼的滲氮層顯微組織圖

化合物白亮層

浸蝕較深色的α＋γ’

心部S回第26頁/共32頁（4）氣體滲氮（氣體氮化）①滲氮原理

通常是在預先已排除了空氣的井式爐內進行，將已除油凈化了的工件放在密封的爐內加熱，并通入氨氣。氨氣在380℃以上就能按下式分解出活性氮原子。2NH3活性N原子被工件表面吸收，形成固溶體和氮化物，隨滲氮時間的延長，N原子逐漸向里擴散，而獲得一定深度的滲氮層。第27頁/共32頁（4）氣體滲氮（氣體氮化）②滲氮特點

i工件表面形成一層極硬的合金氮化物。其硬度可達950～1200HV（相當于68～72HRC），故不需再經淬火便具有很高表面硬度和耐磨性，且還可保持至600～650℃而不明顯下降。ii疲勞極限可提高15％～35％。由于滲氮層體積增大，導致工件表層產生了殘余壓應力。iii工件具有很高的抗腐蝕能力。因滲氮層表面系由致密、抗蝕氮化物所組成，可代替鍍鎳、鍍鋅、發(fā)藍等處理。iv滲氮工件的變形很小。由于滲氮溫度低，且滲氮后又不需進行任何其他熱處理，僅需精磨或研磨、拋光即可。第28頁/共32頁（4）氣體滲氮（氣體氮化）③氣體滲氮的應用

廣泛用于各種高速傳動的精密齒輪，高精度機床主軸，如鏜桿、磨床的主軸等；在交變載荷條件下工作要求疲勞極限很高的零件，如高速柴油機曲軸等；要求變形很小和具有一定抗熱、耐蝕能力的耐磨零件，如閥門等。第29頁/共32頁（5）離子滲氮①原理簡介在一定真空度下，利用鋼件（陰極）和陽極之間產生的輝光放電現象進行的，又稱輝光離子滲氮。下右圖為離子滲氮裝置示意圖。將鋼件置于專門的離子滲氮爐（真空室）中，滲氮時先把爐內真空度抽到13.33～1.33Pa，然后慢慢通入氨氣使氣壓維持在此范圍，以需滲氮的鋼件為陰極，以爐壁為陽極，通過高壓（400～750V）直流電，氨氣被電離成N+、H+的正離子及電子，這時陰極（鋼件）離子滲氮法的原理及設備示意圖表面形成一層紫色輝光。具有高能量的N