項(xiàng)目六

金屬材料的表面熱處理工作情景描述

隨著制造業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)材料的表面性能要求也越來(lái)越高。在機(jī)械設(shè)備中，要求某些在沖擊載荷、交變載荷及摩擦條件下工作的零件（如曲軸、齒輪、凸輪、活塞銷(xiāo)等）表面具有較高的硬度和耐磨性，心部具有較高的塑性和韌性。為了滿足這類(lèi)零件的性能要求，就要進(jìn)行表面熱處理。金屬材料的表面處理技術(shù)為材料獲得高質(zhì)量的表面綜合性能提供了保證。學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握金屬材料表面熱處理的目的。2.掌握材料表面預(yù)處理的方法及應(yīng)用。

任務(wù)一

鋼的表面熱處理

表面熱處理是指改變工件表面的組織和性能，僅對(duì)工件表面進(jìn)行的熱處理工藝。

常用的表面熱處理方法有表面淬火和化學(xué)熱處理兩種。

表面淬火是將鋼的表面快速加熱到淬火溫度，然后立即以大于臨界冷卻速度的速度冷卻（即快速加熱、及時(shí)冷卻），使工件表面的強(qiáng)度、硬度提高，心部仍然保持原來(lái)的組織和性能。生產(chǎn)中常用的表面淬火方法有火焰淬火和感應(yīng)淬火兩種。一、表面淬火1.火焰淬火

采用氧-乙炔（或其他可燃?xì)怏w）火焰將零件表面加熱到淬火溫度，隨之快速冷卻的工藝稱為火焰淬火，如圖6-1-1所示。

火焰淬火的淬硬層深度一般為2～6mm，適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型工件。

設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，但加熱溫度及淬硬層深度不易控制，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定。1—工件；2—燒嘴；3—噴水管2.感應(yīng)淬火

利用感應(yīng)電流通過(guò)工件所產(chǎn)生的電阻熱使工件表面加熱，然后快速冷卻的淬火工藝，稱為感應(yīng)淬火。感應(yīng)淬火的基本原理如圖6-1-2所示。將工件放在銅管繞制的感應(yīng)線圈內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)線圈通以一定頻率的交流電時(shí)，感應(yīng)線圈內(nèi)部和周?chē)a(chǎn)生同頻率的交變磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流流過(guò)工件，由于集膚效應(yīng)，感應(yīng)電流主要集中在工件的表面，由于工件電阻很大，所以會(huì)在工件表面產(chǎn)生電阻熱，使工件表面迅速加熱到淬火溫度（心部溫度仍然較低），隨即快速冷卻，以達(dá)到表面淬火的目的。

為了得到不同的淬硬層深度，可采用不同頻率的電流進(jìn)行加熱，淬硬層深度與電流頻率之間的關(guān)系見(jiàn)表6-1-1。加熱方式頻率范圍/kHz淬硬層深度/mm應(yīng)用舉例高頻感應(yīng)加熱200～3000.5～2在摩擦條件下工作的零件，如小齒輪、小軸等中頻感應(yīng)加熱1～102～8大、中模數(shù)齒輪和較大直徑軸類(lèi)零件等工頻感應(yīng)加熱5010～15大直徑零件，如軋輥、火車(chē)車(chē)輪等

感應(yīng)淬火的特點(diǎn)及應(yīng)用：

加熱速度快，零件由室溫加熱到淬火溫度僅需幾秒到幾十秒。

淬火質(zhì)量好，由于加熱速度快，奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大，淬火后表層可獲得細(xì)針狀馬氏體，硬度比普通淬火高。

淬硬層深度容易控制，淬火操作易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，

適用于批量生產(chǎn)，但設(shè)備復(fù)雜。

感應(yīng)淬火適用于中碳鋼、中碳合金鋼。含碳量過(guò)低，淬火后硬度低；含碳量過(guò)高，易發(fā)生淬裂。二、化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將工件置于一定的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使一種或幾種化學(xué)元素滲入工件表面，改變表面化學(xué)成分，以達(dá)到改變組織和性能目的的化學(xué)熱處理工藝。通過(guò)化學(xué)熱處理，可以提高工件的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性。

化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等，分三個(gè)基本過(guò)程來(lái)完成的，即分解、吸收和擴(kuò)散。分解：由化學(xué)介質(zhì)分解出能夠滲入工件表面的活性原子。吸收：分解出來(lái)的活性原子被工件所吸收。擴(kuò)散：滲入的活性原子，由表面向心部擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層（滲層）。

常用化學(xué)熱處理的方法有滲碳和滲氮兩種。滲碳是將工件置于富碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。滲碳的目的是提高工件表面的含碳量，滲碳后經(jīng)淬火及低溫回火，使零件表面獲得高硬度和耐磨性，而心部仍然保持一定的強(qiáng)度及較高的塑性和韌性。滲碳適用于低碳鋼或低碳合金鋼。

根據(jù)采用滲碳劑的不同，滲碳可分為氣體滲碳、液體滲碳和固體滲碳三種，目前在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的是氣體滲碳。

1.鋼的滲碳?xì)怏w滲碳是將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。

圖6-1-3所示為氣體滲碳示意圖。

零件滲碳后，其表面含碳量可達(dá)到0.85%～1.05%，并從表面到心部逐漸減少，心部仍然保持原來(lái)低碳鋼的含碳量。滲碳只改變了工件表面的化學(xué)成分，要使?jié)B碳件表面具有較高的硬度和耐磨性，滲碳后還需進(jìn)行整體淬火和低溫回火。

滲氮是在一定溫度下，將氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。滲氮的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞極限、熱硬性和耐蝕性。滲氮層的深度一般為0.1～0.6mm。

常用的滲氮方法有氣體滲氮和離子滲氮。

與滲碳相比，滲氮具有如下特點(diǎn)：

滲氮層具有較高的硬度和耐磨性，工件滲氮后不需要淬火就可以得到高硬度和高耐磨性；

滲氮溫度低，工件變形?。?/p>

滲氮件具有很好的耐蝕性，可防止水蒸氣、堿性溶液的腐蝕。

2.鋼的滲氮任務(wù)二

工程材料的表面處理工程材料表面處理是利用各種表面涂鍍層及表面改性技術(shù)，賦予基體材料本身所不具備的特殊力學(xué)、物理和化學(xué)性能，從而滿足工程上對(duì)材料及其制品提出的下列要求。

（1）提高材料抵御環(huán)境作用的能力。

（2）提高工件的耐磨、減摩及抗疲勞性能。

（3）賦予材料表面某種特殊性能，包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等各種性能。

（4）賦予金屬或非金屬制品表面光澤、色彩、圖紋等優(yōu)美外觀。

（5）修復(fù)磨損或腐蝕損壞的工件，挽救加工超差的產(chǎn)品。

一、材料表面處理材料表面往往附著油污、銹蝕等異物，不適宜進(jìn)行表面處理或會(huì)降低表面處理的質(zhì)量，因此必須先進(jìn)行材料表面預(yù)處理。材料表面預(yù)處理的方法有如下幾種。

1.脫脂

（1）堿溶液脫脂(2)有機(jī)溶液脫脂(3)金屬清洗劑清洗

2.除銹

（1）機(jī)械除銹(2)化學(xué)除銹(