表面淬火和变形强化
第四章表面淬火和变形强化
1表面淬火技术的原理和特点
2感应加热表面淬火
3火焰加热表面淬火
4激光加热表面淬火
4-1. 表面淬火技术的原理
将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使之迅速冷却并转变为马氏体。
将钢整体加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。
2. 表面淬火对材料的要求
凡是能进行整体淬火强化的材料都可以进行表面淬火。
低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化（齿轮渗碳）。
表面硬度要求越高，要求钢碳含量和合金含量越高；表面硬化层越深，要求钢淬透性越好。
3.与常规淬火技术的区别
在一定加热速度范围内，V加热↑，T临界↑
V加热↑，奥氏体成分的不均匀性↑
a. C 成分不均匀,从相图上看与F,K 相邻的浓度相差很大,C 来不及扩散。
b. 合金元素不均匀
预先热处理（调质、正火、球化退火）——表面淬火
V加热↑，奥氏体晶粒细化显著
a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在F 和K相界上形成，A在F 亚晶界上形成。
b.加热时间短,如果加热速度10 7 度/S,形成时间10-5S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。
V冷却↑，表面硬度高
4. 表面淬火技术的特点
生产效率高，能耗小。
加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织均匀性差（渗碳体来不及溶解和扩散）。
表面组织细，硬度高，中部硬度低，韧性好。
4.2 感应加热表面淬火技术
1感应加热淬火原理
将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场的作用下（如果工件与线圈的间隙非常小）由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡流，大小与线圈电流相等，方向相反。
涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达到对工件表面淬火的目的。
2感应加热淬火技术特点
效率高；变形小；深度可控；需要制作特定的线圈；电源功率大；“尖角”效应
3感应加热淬火技术应用
高频淬火：轴类零件，磨损量小，但精度要求高的零件
中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨损量，精度要求较高的零件
工频或双频：轧辊，磨损量大
表面淬火在粗加工或半精加工后进行，最后只留磨量。
4.3 火焰加热表面淬火技术
1 火焰淬火（flame quenching）原理：
用火焰快速将工件表面加热到淬火温度，并快速冷却，使工件表面得到淬火组织。
控制参数：火焰大小、火焰与工件的相对距离和相对移动速度
淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却条件等
2优点：
设备简单；操作灵活；操作简单
适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火
3缺点：
生产效率低；难以控制，需要丰富的经验；淬火层的均匀性差；变形大
4适用范围
适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火
导槽、模具、凸轮轴（凸台）
4.4 激光加热淬火技术
1激光加热原理:
用激光束加热材料表面，使之迅速生高到相变温度以上。
1.1 激光加热的特点：能量密度高，加热速度快、温度高，且容易控制。
2激光淬火（Laser Quenching）原理:
用激光束加热材料表面，使之迅速生到相变点温度以上但不熔化，当激光束移开后表层自行快速冷却，并转变为马氏体。
2.1特点
能量密度高，加热速度快、温度高，不需要淬火冷却介质。
3优点：
☆工件变形小
☆能量集中，热影响区小
☆加热深度和轨迹容易控制
☆适用于表面重熔，甚至可以熔化陶瓷。
为了不使材料熔化，激光淬火时能量密度一般为1000~6000 J/cm2 。
4缺点：
存在回火软化带，对要求大面积均匀硬化层的工件不利
5应用
（1）高精度零件处理
汽车大梁，汽车油泵，空压机、发动机的汽缸，汽车凹轮轴，热锻模大型内齿圈
（2）管材内表面改性
例：管内机器人＋激光表面改性技术，对细长管材内表面硬化处理，提高耐磨性，延长寿命，减少管材的使用量。
外径60mm，壁厚8mm，长2300mm的细长空心轴，淬火后振摆变形小于0.2mm 4.5 变形强化
1变形强化机理：
塑性变形←位错运动→位错增殖→位错交结→强度提高
塑性变形→马氏体相变→强度提高
最常用来表示金属材料变形强化的公式是Hollomon公式：S=Ken
式中：S为真应力；e为真应变；n为变形强化指数；K材料硬化系数。
2（1）喷丸或抛丸强化:钢丸高速撞击工件表面，使表层材料产生大量的塑性变形。
（2）滚压强化：用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错。
产生大量的位错，如有奥氏体相，促使马氏体相变，提高材料的表面强度。
较大的残余压应力。
提高材料的强度，特别是疲劳强度的方法。
4.5.1 喷丸强化
1 喷丸强化：压缩空气带动钢丸高速撞击工件。
2优点：撞击点集中，易于控制。
4.5.2 抛丸强化
1特点抛丸强化撞击面大，生产效率高。用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、车轮以及大批量生产的零件等。
4.5.3 滚压强化
1.原理在一定的压力作用下，用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错和较大的残余压应力，从而提高材料的表面强度，特别是疲劳强度的方法。
表面滚压的强化原理与喷丸和抛丸相同。
2适用范围滚压强化适用于轴类零件和沟槽类零件，不能用于复杂零件。滚压改性层深度可达5mm以上，球墨铸铁曲轴滚压疲劳强度可提高20~33%
滚压强化使零件产生变形，必须进行矫正处理。
第五章热扩渗
定义：
将工件放在特殊的介质（气体、液体或固体）中，使介质中的某一种或几种元素渗入工件表面，形成一定厚度的扩散层（或掺杂层），从而改变材料成分、组织和性能的方法。
热扩渗技术机理：
渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金属表面。
活性原子吸附在基体金属表面，并被基体金属吸收，形成固溶体或金属间化合物。
活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层厚度不断增加。
热扩渗目的：
提高强度、硬度和耐磨性。渗氮表面硬度达950Hv~1200Hv，渗硼表面硬度达1400Hv~2000Hv。
提高疲劳强度。渗碳、渗氮和渗铬使材料发生相变，表层体积膨胀，导致产生残余压应力。提高淬透性。低碳钢、低合金钢渗碳。
提高抗咬合、抗粘着能力和降低摩擦系数，如渗硫、氮化。
提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等
气体
渗碳气氛的形成方式：
滴注式气体渗碳：向炉内滴入含碳有机液体，如煤油。（设备简单，要求经验）
吸入式气体渗碳：吸入富碳气氛进行渗碳。（专用设备，大批量生产）
氮基气氛渗碳：以纯氮为载体，加入碳氢化合物，一并注入炉内形成富碳气氛进行渗碳。（专用设备）
气氛检测仪器（CO2、CH4、CO分析仪）
优点：提高硬度和耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高
缺点：处理温度高，工件畸变大
应用
渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。
渗氮
优点：
氮化层硬度高达950~1200Hv，耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性能优于渗碳层。
低温渗氮：500~600℃渗氮，工件变形小。
缺点：
时间长，数十到上百小时。
渗层薄（500μm），脆性高
应用
渗氮可以用于结构钢、高铬钢、工具钢和铸铁。
产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具等等。
渗氮层很薄，一般为0.1~0.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工
在520~580℃，以渗氮为主，称氮碳共渗，渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化。
氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中不含ξ相，硬度略低，韧性好，裂纹敏感性小。
氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性能和疲劳性能好，尺寸变形小的热扩渗工艺。
在780~930℃，以渗碳为主，称碳氮共渗。
碳氮共渗比渗碳温度低，零件变形小，晶粒细，可以直接进行淬火，零件变形开裂倾向小。氮不仅扩大了γ相区，而且提高奥氏体稳定性，提高了渗层的淬透性和淬硬性。
渗层存在较大的残余压应力。
更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性。
渗氮和氮碳共渗的应用
渗氮层很薄，一般为0.1~0.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工。
不仅要求疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性高，而且要求精度高的产品，如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具等等。
固体
把工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包裹工件，并加热达到一定温度，保持一定时间，使工件表面渗入一种或多种元素的方法。
固体渗剂包含：供渗剂（+还原剂）+催渗剂（或催化剂）+填充剂。
供渗剂：作用是提供渗入工件表面的活性原子，如供渗剂是稳定的化合物，还要加还原剂。还原剂的作用是使供渗剂产生活性原子。
催渗剂（或催化剂）：促进活性原子渗入工件和促进还原反应。
填充剂：减轻或防止渗剂板结，降低生产成本。
渗剂原子活性越强，渗层就越厚
液体
将工件放入熔融液体中，使表面层渗入一种或几种元素的方法称为液体热扩渗。
盐浴法：
（1）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗到工件表层。
（2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传输活性原子。
热浸法：熔融金属液，热浸锌、热浸铝等
熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，在真空或保护气氛下加热至渗剂熔点以上，渗剂元素扩散到基体金属表面。
热浸金属
将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护层的方法。
热浸金属的三个过程：
（1）基体金属表面被溶解，形成合金层。
（2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。
（3）合金层外面包覆一层纯金属。
热浸铝和热浸锌是公认的经济实用的钢铁材料表面防护方法。
热浸锌在大气、海洋环境下使用的钢结构件已大量使用，如水管、高速公路护栏、铁搭、桥梁上大量使用。
热浸铝还在汽车零部件上使用。渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的方法。
热浸铝原理：
铝液与铁接触，在界面上形成Fe/Al合金层，并形成FeAl3化合物。
铝原子向内部扩散，不断形成FeAl3化合物，FeAl3相厚度增加。
随着铝原子继续向内扩散，还形成Fe2Al5相。
取出工件时，表面形成一层纯铝。
用常规方法对工件表面脱脂除锈
用质量浓度为4%的K2ZrF6溶剂在50~80℃清洗工件：
1）进一步清除工件表面铁锈
2）活化工件表面，提高浸入能力和镀层的结合力。
工件干燥后，浸入铝液。
等离子体热扩渗
等离子体热扩渗是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，在工件表面产生热扩渗的工艺。
特点
离子轰击工件表面，使表面活性提高，容易吸收被渗离子和活性原子。
离子轰击能去除工件表面的氧化膜或钝化膜，使易氧化的金属（如不锈钢）也能进行热扩渗。调节电参数、渗剂气体成分和压力来控制热扩渗层组织性能。
工艺过程易于控制。
离子渗氮
将工件放入离子渗氮炉,抽真空至1.33Pa.
通入少量含氮气体,如氨,使炉压升到规定值.
阴极(工件)和阳极加直流高压,使炉内气体放电.氮离子和氢离子在高压电场作用下冲击阴极,产生大量热量加热工件,同时氮离子和氢离子被工件吸附,渗入工件，形成渗层.
保持一定时间，渗层达到要求厚度后停电、停气，降温到200℃后出炉。
工艺
辉光电压：保温阶段为500~700V
电流密度：0.5~15 mA/cm2。电流密度大，升温快，但易出现打弧。
炉内真空度：266~533Pa。炉内压力太低，加热太慢；炉内压力太高，易出现打弧。
渗氮气氛：液氮或氮氢混合气。液氮使用简单，但渗层脆性大；体积比为1:3的氮氢混合气可改善渗层性能。调整氮氢混合气的氮势，可控制渗层相组成。
渗氮温度：450~650℃。不含铝的钢一般采用500~550℃的一段渗氮工艺，含铝钢采用520~530℃和560~580℃的二段渗氮工艺；不锈钢采用600~650℃的渗氮温度。
渗氮时间τ：δ为0.2~0.6mm时，τ为6~30h。一般钢种8h左右，不锈钢要长得多。
渗层深度计算公式：δ=k（Dτ）1/2计算。δ为渗层深度，k为常数，D为扩散系数，τ为渗氮时间。
离子渗氮的特点
效率高：渗氮速度与普通气体渗氮的3~5倍。
（1）N离子轰击，使部分金属原子活化，使C、N、O等部分非金属元素还原出来。
（2）表面清洗作用
（3）高的N浓度：轰击出来的N，Fe原子形成FeN，吸附在工件表面，提高了表面浓度。（4）阴极溅射，部分原子脱离表面，位错密度增加，增加了N原子向内的扩散系数。
硬度：离子渗氮层硬度与气体渗氮层相当。
厚度：离子渗氮层厚度可达0.3~0.5mm，比气体渗氮层厚得多。
热效率高，节能；环保。
第六章热喷涂、喷焊、堆焊技术
原理：
采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物以及它们的复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，并喷射到经过预处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法。
涂层质量影响因素
结合强度：材料性质、熔化状态（热源温度、粒子飞行距离）、粒子飞行速度、基体表面粗糙度、涂层厚度等
空隙率：材料性质、熔化状态、粒子飞行速度
内应力：材料性质、涂层厚度、工件冷却条件、喷枪运动速度。
涂层结合机理
涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。
结合力：涂层与基体表面的结合强度。
内聚力：涂层内部的结合强度。
（1）机械结合
碰撞成扁平状，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。
涂层与基体的结合以机械结合为主。
机械结合为主的结合决定了热喷涂的结合强度较低。
（2）冶金---化学结合
喷涂热量、撞击能量和放热反应，使表面局部产生高温，使涂层和基体表面局部出现扩散和焊合，形成冶金结合。
结合面上的金属间化合物或固溶体为冶金结合的产物。
重熔或喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。
3）物理结合
颗粒对基体表面的紧密结合，形成范德华力或次价键形成的结合
涂层形成机理
材料溶化---加速—撞击基体—冷却凝固—形成涂层
2.主要热喷涂方法和特性
不同的方法，适用于不同的材料；不同的材料，选择不同的方法。主要取决于材料的熔点和氧化特性。
电喷涂：适用于金属材料或金属基复合材料。
气喷涂：可以喷金属也可以喷陶瓷。火焰喷涂喷金属，HVOF喷金属陶瓷，等离子喷涂喷氧化物陶瓷。
热喷涂特点：
（1）适用范围广
涂层可以是金属、非金属以及复合材料。
工件也可以是金属和非金属。
（2）工艺灵活
施工对象小到10mm内孔，大到铁塔、桥梁等大型结构。
既可在整体表面，也可在指定区域内涂敷。
既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料，也可在野外现场作业。
（3）工件受热少
例如氧--乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸喷涂，工件受热程度均不超过250℃，工件不会发生畸变，不改变工件的金相组织。
（4）生产效率高
大多数工艺方法的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料，有些工艺方法可高达50kg／h以上。
（5）缺点
热效率等，能耗高。
材料利用率低，浪费大。
涂层结合强度低。
3表面处理
为了提高涂层与基体的结合强度，在喷涂前，对基体表面进行脱脂、清洗和粗糙化
等预处理。
碱洗法：将工件放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待基体表面的油脂溶解后，再用水冲洗干净。
溶液洗涤法：采用挥发性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和过氯乙烷乙烯等，它们的主要作用是把基体表面的矿物油溶解掉，再加以清除。
蒸气清洗法：采用三氯乙烯蒸气清洗，这种方法的清洗效果很好，但对人体有一定的危害。
对疏松表面（如铸铁件）的清洗：先脱脂、清洗后，将工件表面加热到250℃左右，尽量将油脂渗透到表面，然后再加以清洗。
基体表面氧化膜的处理
机械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除锈法。
直接喷砂去除氧化膜。
也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。
表面粗化处理
提高结合强度的一个重要措施。
喷涂前4h～8h内必须对工件表面进行粗糙化处理。常用的方法有：
（1）喷砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等多种，根据工件表面的硬度选择
（2）机械加工法
对轴、套类零件表面粗化，可采用挑扣、开槽、滚花等简便切削加工方法，限制涂层的收缩应力，增加涂层与基的接触面。
对强度要求不高的工件，在喷涂区域内车螺纹和滚压，形成粗糙表面，一般每厘米10条纹左右。
（3）化学腐蚀法
基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各个晶面的腐蚀速度不同，可形成粗糙的表面。
（4）电弧法（又称电火花拉毛法）
将细镍（或铝）丝作为电极，在电弧作用下，电极与基体表面局部熔合，产生粗糙的表面。这种方法适用于硬度比较高的基体表面，但不适用于比较薄的零件。
基体表面预热
涂层与基体表面的温度差使涂层产生拉应力，从而引起涂层开裂和剥落。
基体表面的预热可降低涂层残余应力。但预热温度不宜过高，以免基体表面氧化，降低基体表面活性，从而降低涂层与基体的结合强度。
预热温度一般在200℃－300℃之间
非喷涂表面的保护
在喷砂和喷涂前，必须对非喷涂表面保护。保护方法可根据非喷涂表面的形状，设计一些简易的保护罩。
保护罩可采用薄铜皮或铁皮、炭素物或石棉等。
4.喷涂后处理
封闭气孔
一般采用有机涂料进行涂覆处理，涂层需封孔时,根据使用状态选择封孔剂.石蜡，树脂。
自熔性合金镀层的熔化处理
将B,Si等元素加入到喷涂材料中，这些元素在喷涂过程中高温时发生氧化或与金属作用形成熔渣，涂覆在最表面；另一方面，发生的反应是放热反应，使基体表面
一薄层熔化，涂层与基体达到冶金结合。
熔化处理采用的加热热源一般为火焰加热和高频感应加热等。
精加工
经过喷涂的表面一般厚度不均匀，表面粗糙度高，需要进行精加工，如车削或磨
削等。
5.热喷涂方法
(1) 火焰喷涂（Flame spray）
火焰喷涂包括丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂，一般不包括超音速火焰喷涂（HVOF）。
火焰喷涂的热源是氧-乙炔气体，也可以是丙烷、氢气或天然气。
喷涂材料熔化雾化并加速沉积到工件，形成涂层。
火焰喷涂设备简单，一枝喷枪。
喷枪主要由两部分组成：产生火焰的氧、乙炔供给系统和供料（粉末或丝材）系统线、棒材喷涂都是将材料从喷枪中心孔送出，由氧的火焰将其熔化，通过压缩空气将熔化的材料雾化成微粒，并将其喷射到基体表面沉积成为涂层。
特点：操作简单，设备运转费用低，可手持操作。
材料：线材主要有Zn,Al,Cu, Mo, Ti等及其化合物，铝包镍，镍包铝，金属包碳化物等复合线材;棒材主要为Al2O3、Al2O3 + TiO2及TiO2陶瓷材料。
粉末火焰喷涂是将粉末加热到熔融或半熔融状态，同时将被加热粉粒以一定的速度喷射到工件上形成涂层。
特点：涂层致密度和结合强度不如线材火焰喷涂，但是该设备最简单、轻便，投资少，成本低。并可喷涂后进行重熔以得到更致密的涂层。
材料：可制备塑料涂层
爆炸喷涂技术产生于上世纪50年代中期，将燃气爆炸技术引入热喷涂领域。其主要特点是涂层与基体的结合强度高，涂层孔隙率小（小于0.5％），工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。
高速火焰喷涂是20世纪80年代初期由美国开发的，由喷管出口处燃烧的高温射流迅速膨胀，产生了超音速火焰，焰流速度高，颗粒熔化充分。该方法制备的涂层与基体结合强度高，涂层致密，孔隙率小于1％，并且涂层的残余应力小。但是成本较高，限于应用于一些关键部位制作上。
特点：所得涂层性能可与爆炸喷涂相媲美，但其工作效率，工作条件的可变范围更优越；成本较高。
材料：最适宜喷涂碳化物基的粉末。
HVOF是上世纪80年代初,由美国ＳＫＳ公司Ｂｒｏｗｎｉｎｇ.Ｊ.Ａ研制成功。
HVOF系统使用气体燃料和氧气，产生3200℃的高温高压火焰
焰流速度高达1500m/s
粒子撞击速度(1005～1200ｍ/ｓ)
HVOF特别适用于喷涂WC-Co涂层。
（1）VOF 的火焰温度低
（2）颗粒的飞行速度快, 颗粒在空气暴露时间非常短。因为WC 颗粒在高温下很容易发生脱碳反应:
应用
美国在航空发动机压缩机叶片、轴承套等。
气轮机第一级静叶片上使用，取代昂贵的低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉
积。
修复退火炉辊, 从80年代中期的30%上升到90年代后期的80%, 带钢因结瘤等引起的次品率则由85%下降到零。
在冶金挤压辊轮、热浸镀锌槽中的沉没辊。
HVOF涂层结合强度高,可以喷2mm涂层.
Fusion公司现已关闭电镀Cr生产线而转向超音速火焰喷涂,因为这种涂层具有高结合强度和韧性,完全可以适应部件服役时的弯曲工况。
HVOF的火焰温度较低，适合于喷金属陶瓷，但不适合喷涂氧化物陶瓷。
优点：
设备简单，操作方便，可携带到现场施工。
沉积效率高，生产成本低。
既可以喷粉末，也可以喷丝材（熔点高的金属不能用丝材）。
缺点：
涂层含氧量高。
为了提高涂层与基体的结合力，先喷涂后重熔。
焰火温度低，不适用于喷陶瓷材料。
电弧喷涂技术
喷涂丝材通过两根彼此绝缘并加有18~40V的线形电极，当两根丝材靠近时产生电弧，并将丝材端部熔化。同时通入压缩空气使熔化的金属液滴雾化，在压缩空气的作用下高速撞击工件表面并在表面沉积，形成涂层。
特点：电弧喷涂设备比较轻便，易于现场操作，生产效率高，能源的利用率高。涂层质量主要取决于熔滴雾化后的粒度。
超音速电弧喷涂主要是对喷涂枪进行改进，开发出高速电弧喷枪，提高熔化粒子的雾化程度和飞行速度，从而提高涂层与基体的结合强度及降低涂层的孔隙率。
电弧喷涂的特点
一般只能喷具有导电性能的金属丝材，用超音速电弧喷涂设备也可以喷金属基陶瓷复合材料。
生产效率高，成本低。
涂层比火焰喷涂致密，可达70%~90%的理论密度。
结合强度达10MPa~40MPa。
电弧喷涂的应用
主要喷涂铝锌涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，近期研究铝基陶瓷复合材料。
主要金属零件的防腐和强化，特别适用于大型零件的防腐（闸门、桥梁、钢结构）和强化。
电弧喷涂长效防腐涂层
防腐寿命长：耐蚀寿命达50年以上，是防腐油漆的4—5倍，热浸镀锌的2—3倍，玻璃钢涂层的2—3倍。。
可修复性强：涂层被碰坏、划伤，可以进行修复，保证了防腐体系的完整性和有效性；热浸涂层无法进行修补。
普遍适应性好：可根据腐蚀环境选用相应的耐蚀材料，灵活性强；热浸锌只能制备单一的锌涂层。
等离子喷涂原理
利用等离子焰流，即非转移等离子弧作热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子焰流引导下高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形
成涂层。
等离子喷涂特点
优点：
火焰温度高，几乎可以喷任何固体材料，特别适用于喷氧化物陶瓷。
缺点：
喷低熔点材料不如其他方法
应用
防腐蚀
?喷涂铝：飞机表面用玻璃纤维强化的塑料代替金属，为减少电荷累积造成的静电和减少水对塑料的腐蚀，喷涂一层铝。
?火焰或电弧大面积喷涂锌、铝及其合金涂层，代替传统油漆方法，实行阴极保护进行长效防腐涂层，防腐蚀年限可达到30年以上。长期暴露在户外大气的大型钢铁结构件、地下电缆支架、桥梁、城市过街天桥、港口、船体等适用。如：长江三峡永久闸门、上海东方明珠电视塔。
?热喷涂塑料：葡萄酒厂低温发酵车间的发酵罐内壁采用火焰喷涂聚乙烯涂层后，有效地防止了罐壁的点蚀。
耐磨
?连续铸造模
连续铸造模表面由于金属凝固层的摩擦而磨损，用镀铬提高其耐磨性，但在高温下，硬度↓快，防护效果不好；采用高温下硬度不明显下降的自熔性合金涂层＋粘结底层，寿命↑。
?冷轧加工辊
冷轧生产线中的加工辊，表面要求耐磨、粗糙度变化小，镀铬，耐磨性不好；
喷涂WC－Co涂层＋电镀，寿命↑，耐磨性提高5～10倍。
耐高温
?卫星绕地球运动时，温度在－100～315℃之间变化，采用喷涂Al2O3层，可以隔热，保证内部温度10～30℃。
?涡轮叶片高温防护
航空发动机高温热端部件主要是涡轮叶片，长期在高温、高速、高负荷条件下工作（超合金，空心加气膜冷却）——高温防护涂层M(Ni、Co)CrAlY（低压等离子喷涂）＋氧化物陶瓷（Al2O3,ZrO2-Y2O3），0.25mm的ZrO2-Y2O3，冷却空气流量↓50％，油耗改善1.3％，寿命↑4倍。
模具制造与工件修复
?热喷涂快速制作钢基模具
工件模型——脱模剂——电弧喷涂的熔点合金（中间模）——灌注石膏加固——取下工件模型——喷涂高熔点高强度涂层
电弧喷涂对基材的热影响小，母型可用金属、木材、石膏等；热变形小，收缩小，尺寸精度和复制性能优良，是忠于母型的建议模具成型法。
?工件修复
各种轴类机床，发电机轴，各种驱动轴，磨损后采用氧乙炔火焰粉喷、丝喷以及电弧丝材喷涂均可修复均能奏效，设备简单，操作方便，可现场施工，经济效益好。
功能性应用
?远红外辐射涂层的节能应用
复合氧化物TiO2-ZrO2具有较高的热辐射系数和优良的长波辐射特性，是远红外辐
射材料，氧化物受热时辐射出远红外波，极易被高分子有机物、水、空气等物质的分子吸收，而引起共振产生内热，从而加速加热过程，采用热喷涂技术在电加热元件上喷涂远红外辐射涂层，其节能效率一般平均在25％～40％。
?飞机表面防雷和抗干扰涂层
为了减轻飞机重量、隐身要求，采用大量非金属复合材料，不导电，某些部位需涂覆导电层（铝）来屏蔽外来信号干扰和防止雷击。
?人工种植生物功能应用
人工关节、义齿，采用不锈钢，表面状态与人体组织结合不紧密，且不锈钢中的Cr、Ni在人体中逐渐释放，引起身体的感染、发炎。
Ti：与人体体液相容并与人体组织有较好的结合能力
羟基磷灰石（HA）：生物陶瓷材料，是成骨成分之一
采用低压等离子喷涂方式在不锈钢表面进行喷涂。
堆焊
在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺方法。
堆焊的特点与应用：
?采用堆焊修复已失去精度或表面破损的零件，可节省材料、费用、工时，延长零件使用寿命；
?堆焊层的特殊性能可提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等性能，发挥材料的综合性能和工作潜力；
?具有明显的异种金属焊接特点，可制造双金属零部件，对焊接工艺及其参数要求较高。
应用：机械产品的制造和维修，在冶金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化工设备等领域有广泛应用。
分类
Fe基：韧性与耐磨性匹配好，价格低，应用广。
Ni基、Co基：
价高，但高温性好、耐磨蚀，主要用于耐高温磨损、腐蚀的场合。
WC基：价格较高，高耐磨性。
Cu基：
耐蚀性好，具有润滑性，可减少金属间的磨损
第七章电镀与化学镀
1电镀概念P122
2电镀目的P122
3电镀分类P122
按镀层成分分：
单一金属镀层，如Zn、Cu、Cr等
合金镀层：如Cu-Sn，Cu／Ni／Cr镀层等；
复合镀层：如Ni-Al2O3，Co-SiC等。
?根据镀层和基体金属之间的电化学性质分为：
1）阳极性镀层
镀层电极电位低，相对与基体金属为负，镀层为阳极，称为阳极性镀层，例如钢上的镀Zn层；
2）阴极性镀层钢上的Ni、Sn镀层
4 工艺特点
电镀工艺设备较简单，操作条件易于控制，镀层材料广泛，成本较低，因而在工业中广泛应用，是材料表面处理的重要方法
电镀最大的问题是污染
镀层的特点
（1）与基体结合牢固，附着力好；
（2）完整，洁净致密，孔隙少；
（3）厚度分布均匀
5 电镀基本原理
电镀是典型的电解反应，在外加电场作用下，溶液中的金属离子在阴极表面得到电子，被还原为金属并沉积在阴极表面。
Me n++ne→Me
6 电镀的基本条件P124
7可沉积金属的种类及方式P122表7-1
已发现的金属有70多种，能从水溶液中电沉积的不到一半。
若使用熔盐镀液，则几乎所有的金属都可以实现电沉积。
8电镀溶液P125
9电镀工艺过程平P130
10电镀金属
镀锌－应用广泛，占60％以上
E Zn2+/Zn=-0.76< E Fe2+/Fe，阳极性镀层，主要用于钢铁等黑色金属的防腐
易钝化：防腐＋装饰，防护能力提高5~8倍，不同钝化层可显示白色、蓝色、绿色等。
两类电镀液：酸性和碱性。酸性电镀液价格便宜,电流效率高,电镀速度快，缺点是镀层均匀性差;碱性电镀液价格高,但镀层均匀性好。
镀铜
用于钢铁表面防护（如防钢铁表面渗碳），装饰（如塑料表面），作为过渡层提高镀层与基体结合力。
电镀溶液主要有：
（1）硫酸盐镀铜液
（2）氰化物镀铜液
（3）焦磷酸盐镀铜液
硫酸盐镀铜液：平滑光亮的镀层，电流效率>95%，适用于大电流密度下的厚镀层，镀层的致密性比氰化亚铜镀液差。
氰化物镀铜液：含有一价铜的络离子，在钢铁基体上形成均匀的、附着性很好的镀层。缺点：镀液毒性严重。
焦磷酸盐镀铜
?镀液稳定性好，易于控制，适于大批量生产
?缺点：
（1）成本高
（2）钢铁件不能直接电镀，需镀过渡层
如：先用氰化盐镀铜或镀镍，也可用硫酸铜溶液先浸镀，然后再用焦磷酸盐镀铜。
镀铬
镀铬层光泽好、耐腐性能好、硬度高、摩擦系数小，主要用于装饰、耐磨损和耐腐蚀。
镀铬液主要是含有少量硫酸的铬酐（CrO3）溶液
镀铬层分：防护装饰镀铬和镀硬铬
防护装饰镀铬
（1）美观光亮
（2）电镀时间短（3~5min）
（3）镀层薄（0.3~1.0μm）
应用：家用电器，飞机，汽车、自行车
镀硬铬
（1）要求硬度高、耐磨、结合牢固。
（2）镀层厚（20~300μm）
（3）电镀时间长
应用：测量、切削工具、轴
松孔镀铬：镀层表面形成大量沟纹——减磨镀层。应用：活塞、环
镀镍
提高材料的防护性能和美观
作为其他镀层的过渡层：提高结合强度
镀金
镀金具有耐蚀性、钎焊性、装饰性，价格较贵。
例：1、异色电镀：18K黄金镀24K金
2、奥运会奖牌制作
11合金电镀
1概念P137
2电镀合金的特点
易获得高熔点与低熔点金属组成的合金，如:Sn-Ni合金。
可获得热熔相图没有的合金,δ-铜锡合金
易获得组织致密、性能优异的非晶态合金，如: Ni-P合金。
在相同合金成分下，电镀合金与热熔合金比，硬度高，延展性差。
3与单金属镀层相比合金镀层的主要特点：
合金镀层结晶更细致，镀层更平整、光亮。
具有单金属所没有的特殊物理性能，例如导磁性、减摩性（自润滑性）、钎焊性。具备比组成它们的单金属层更耐磨、耐蚀、更耐高温，并有更高硬度和强度。但延展性和韧性通常有所降低。
不能从水溶液中单独电沉积的W，Mo，Ti，V等金属可与铁族元素（Fe，Co，Ni）共沉积形成合金。
通过成分设计和工艺控制，可得到不同色调的合金镀层，例如银合金、彩色镀镍及仿金合金等，具有更好的装饰效果。
4合金电镀原理
共沉积中的一些现象至今仍难以合理解释：共沉积时，两种以上金属离子在阴极上还原，会出现竞争放电现象、电子之间互相影响以及电结晶过程中合金元素对成核规律的影响等问题。
目前还只能提供一些实验数据的综合和某些定性解释，定量的理论研究还有待今后发展
5合金共沉积的条件P138
6实现共沉积的方法P138
7合金镀层及其应用P139表7-8
化学镀
1概念P141
2化学镀的三种沉积方式P142
工程上所讲的化学镀主要是指这种还原沉积化学镀。
3化学镀条件
还原剂的电位要显著低于沉积金属的电位，金属有可能在基材上被还原沉积。
镀液不产生自发分解，只有当与催化表面接触时，才发生金属沉积过程。
被还原的金属具有催化活性，氧化还原沉积过程才能持续进行，镀层连续增厚。
溶液有足够的使用寿命
4化学镀的特点：
镀覆过程不需外加电源驱动
均镀能力好
形状复杂、有内孔、内腔的镀件均可获得均匀的镀层。例：聚氨酯泡沫化学镀镍工艺——制备泡沫Ni → 制作电极质轻，比表面积大，化学活性好，减震器、过滤器、热交换器孔隙率低
可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。
缺点：溶液稳定性较差，维护、调整和再生都比较麻烦，材料成本费较高
5化学镀的应用
化学镀金属和合金种类较多，诸如:Ni-P，Ni-B，Cu, Ag，Pd，Sn，In，Pt，Cr及多种Co基合金等
应用最广的是化学镀镍和化学镀铜。
化学镀层一般具有良好的耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其它特殊的电学或磁学等性能。
不同成分的镀层，其性能变化很大。
在电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、纺织、机械等工业中获得日益广泛的应用。
6化学镀镍
还原沉积:还原剂将镍离子还原为镍原子并沉积在被镀工件上。
还原剂有次磷酸盐、硼氢化物、胺基硼烷、肼及其衍生物等。最常用的是次磷酸盐。7化学镀镍溶液
以次磷酸盐为还原剂的化学镀镍溶液有两类：酸性镀液和碱性镀液。
酸性镀液比较稳定，容易控制，沉积速度快，镀层中磷含量较高（2-11%）。
碱性镀液镀层含磷量较低（3-7%），镀液对杂质比较敏感，稳定性差。应用较少。8镀镍特点
耐腐蚀性强，表面为非晶态，抗腐蚀性特别优良，经硫酸、盐酸、烧碱、盐水同比
试验，其腐蚀速率低于1Cr18Ni9不锈钢。
耐磨性好：表面为非晶态，即处于基本平面状态，有自润滑性。磨擦系数小，非粘着性好，耐磨性能高，在润滑情况下，可替代硬铬使用。
光泽度高：镀件表面光泽度高，可与不锈钢制品媲美，呈白亮不锈钢颜色。
表面硬度高：在钢铁及铜表面可达570Hv。
结合强度大：与金属基件结合强度可达350-400MPa，不起皮、不脱落、无气泡。
仿型性好：在尖角或边缘突出部分，没有过份明显的增厚，即有很好的仿型性，沉积层的厚度和成份均匀。
工艺技术高适应性强：在盲孔、深孔、管件、拐角、缝隙的内表面可得到均匀镀层，无论产品结构有多么复杂，绝无漏镀之处。
低电阻，可焊性好。
9镀镍应用
汽车工业: 散热器、喷油嘴、球头螺栓、差速器行星齿轮轴、制动器活塞、同步齿轮、关节销、减震器、销紧零件、软管管接头。
化学工业：压力容器、反应容器、搅拌器轴、泵和叶轮、热变换器、过滤器和零件、涡轮机叶轮转子、阀门。
纺织工业：纺织刮板、送料导杆、锭子棘轮、纺织针、喷丝头罗拉等需增加光滑和耐磨的零件。
石油和天然气：管道、泵壳、抽油杆、球阀、柱塞泵、封隔器、泥浆泵、防喷装置。采矿工业：液压缸和轴、挤压机、传动带、离合器、液压系统、喷射泵头。
食品工业：食品充气灌装机、螺杆送料机、搅拌锅、食品模具、烤盘、干燥箱、保温炉。
电子工业：电容器、插头、散热器、导线框架晶体管封装，陶瓷和金属之间的封接。
其他工业：玻璃模型、注塑模、喷丝头、编织针、印刷辊筒、印刷平板、药丸分筛机、手术器械、五金工具等。
10化学镀铜
主要目的：在非导体表面形成导电层，很好地解决了多层印制电路板间的电路连接问题。
化学镀铜层的物理化学性能与电镀铜的性能基本相似。
还原沉积:还原剂将铜离子还原为铜原子并沉积在被镀工件上。
化学镀铜的主盐是硫酸铜，还原剂有甲醛、肼、次磷酸钠、硼氢化钠等。最常用的是甲醛。
11复合镀P147
1复合镀层基本条件：
粒子在镀液中是稳定的：不发生任何化学反应，不促使镀液分解。
粒子在镀液中完全润湿，形成分散均匀的悬浮液。粒子都需经过亲水处理，特别是那些疏水粒子，更应作充分的亲水处理，并要降低镀液的表面张力，形成悬浮性好的镀液。
镀液的性质要有利于固体粒子带正电荷，即利于粒子吸附镀液阳离子和金属离子。
粒子粒度适当。粒子过粗，易于沉淀，且不易被沉积金属包覆，镀层粗糙；粒子过细，易于结团成块，不能均匀悬浮。通常使用0.1～10um的粒子，以0.5～3um最好。
适当的搅拌。保持微粒均匀悬浮，使粒子高效率输送到阴极表面并与阴极碰撞。
2复合镀层的性能特点及应用
复合镀层的性能由镀层金属的特性和粒子特性共同决定。
1．耐磨复合镀层
将硬质粒子加入到Ni，Co，Cr，Co-Ni，Ni-P，Ni-B等镀层中，可大幅度地提高金属或合金镀层的耐磨性。
Ni-P-SiC的耐磨性随SiC含量增加而迅速升高
牙科用磨削针
镀层的硬度随粒子含量及粒子硬度升高而升高。耐磨复合镀层中加人的粒子大多选用金钢石，WC，Al2O3，ZrO2，TiC, SiC，Cr3C2等粒子。
这种高耐磨性复合镀层在中、高温条件下更显示其独特的耐磨性能。在航空、机械、汽车等工业中已被广泛应用。
2．减摩复合镀层
将剪切强度低，摩擦系数小的固体粒子加入到某些金属和合金中，可形成具有自润滑功能的减摩复合镀层。
常用的基体金属Ni，Cu，Pb等，用石墨、石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、MoS2和六方氮化硼等作减磨剂。
PTFE的摩擦系数仅为0.05，Ni-P-PTFE复合镀层与淬火钢配对摩擦时，干摩擦系数0.36～0.40，低于Ni-P镀层的摩擦系数0.60～0.63；这种复合镀层相互对磨时，干摩擦系数仅为0.2。
Ni-BN（氮化硼）在800℃高温下仍有很低的摩擦系数，适用于高温轴承。
在宇航、真空和无油润滑的条件下，轴承、导轨等摩擦副是这类减摩复合镀层充分发挥自润滑功能的地方。
PTFE的摩擦系数仅为0.05，Ni-P-PTFE复合镀层与淬火钢配对摩擦时，干摩擦系数0.36～0.40，低于Ni-P镀层的摩擦系数0.60～0.63；这种复合镀层相互对磨时，干摩擦系数仅为0.2。
Ni-BN（氮化硼）在800℃高温下仍有很低的摩擦系数，适用于高温轴承。
在宇航、真空和无油润滑的条件下，轴承、导轨等摩擦副是这类减摩复合镀层充分发挥自润滑功能的地方。
12非金属电镀
1非金属---塑料、陶瓷、玻璃、木材等
非金属特点：质轻、价廉；不导电、不导热、不耐腐蚀、易变形，缺乏金属光泽
2前处理
粗化→脱脂→敏化→活化
粗化：表面微观粗糙，由憎水→亲水，提高结合力
机械粗化，化学粗化（常用），有机溶剂粗化
敏化：工件表面吸附一层易氧化的物质，以便在活化时（把催化金属还原出来）被氧化，在表面形成活化层或催化膜，缩短化学镀的诱导期，保证化学镀的顺利进行。
活化：将敏化处理时生成的物质氧化，在塑料表面产生有催化性的贵金属薄层，作为化学镀时氧化还原反应的催化剂。如：金、银、铂、钯等
3几种非金属电镀
塑料电镀
ABS塑料电镀最为广泛，具体步骤如上所示
石膏、木材电镀
封闭处理—喷涂ABS塑料——类似塑料电镀
石蜡、树脂胶封闭
玻璃电镀
粗化（机械，化学HF）→烘烤→敏化→活化→化学镀→电镀
4电铸特点
优点
?高度逼真性，复制<0.5μm的金属线
?可制造各种电铸产品
?工艺简单，大批量生产
缺点
?加工时间长
?原模、芯模加工难度大
?脱模成本高
5应用P152
13电镀发展趋势P155
第八章转化膜与着色技术
1概念基体金属＋处理液——难溶性膜层（转化膜）
2转化膜的形成方法
在一定条件下，金属与特定的腐蚀液接触发生化学、电化学反应，由于浓差极化作用和阴极极化作用等，在金属表面生成一层性质稳定，附着力良好的、能保护金属的化合物膜。
金属基体直接参与成膜反应生成，膜与基体的结合力比电镀、化学镀和热喷涂等这些外加膜层大得多。
成膜的典型反应式：
mM+nAz- →MmAn+nze
直接化学反应、不需热处理－与化学热处理区别
3分类
氧化物膜：金属在含有氧化剂溶液中形成的膜，其成膜过程叫氧化。
磷酸盐膜：金属在磷酸盐溶液中形成的膜，其成膜过程称磷化。
铬酸盐膜：金属在含有铬酸或铬酸盐溶液中形成的膜，其成膜过程称钝化。
4用途
防锈一般防锈要求，转化膜作为底层，很薄，外层涂防锈油等。
要求较高的防锈，转化膜要均匀致密，以厚者为佳。
耐磨减磨减磨：磷酸盐膜具有很小的摩擦系数，具有良好的储油作用，在接触面间产生一缓冲层，从而减小磨损。
耐磨：铝阳极氧化，形成Al2O3膜，硬度很高，具有很好的耐磨性能。
活塞、轴承
着色不同的化学膜有不同的颜色；改变化学膜厚度，也可以改变颜色。
例：不锈钢用铬酸-硫酸溶液处理后可得到不同颜色
获得多孔结构的化学膜，进行着色处理，得到需要的颜色。
例：铝合金阳极氧化、着色，有些铝合金氧化膜本身就有颜色
塑性加工金属表面进行磷化处理后进行塑性加工，如：钢管、钢丝等冷拔；可以减小
拉拔力，延长模具寿命，减少拉拔次数。
作为挤出工艺、深拉延长工艺的前道工序
电绝缘性磷酸盐膜和阳极氧化膜都是不良导体，可以用做绝缘体。磷化膜很早就用作硅钢板绝缘层。
这种绝缘层的特点是占空系数小，耐热性好。
转化膜应用对象
几乎在所有的金属表面都能生成，应用较多的是铁、铝、锌、铜及其合金。
氧化：钢铁、铝合金、镁合金等。
磷化：钢铁。
钝化：不锈钢、铜合金、锌合金等。
5转化膜应用对象
几乎在所有的金属表面都能生成，应用较多的是铁、铝、锌、铜及其合金。
氧化：钢铁、铝合金、镁合金等。
磷化：钢铁。
钝化：不锈钢、铜合金、锌合金等。
6氧化处理(钢铁的氧化)
把钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，在表面形成一层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程，也称为钢铁的“发蓝”或“发黑”。
钢铁的化学氧化可分为：高温化学氧化和常温化学氧化。
钢铁高温化学氧化（碱性化学氧化或发蓝）
钢铁常温化学氧化（酸性化学氧化或发黑）
80年代以来迅速发展的新技术。
具有氧化速度快,膜层抗蚀性好,节能、高效,成本低,操作简单,环境污染小等优点。
钢铁表面的发黑处理,可得到均匀的黑色或蓝黑色外观，其表面膜的主要成分是CuSe，功能与Fe3o4相似。
****特点
发黑比发蓝时间短：由15~60min缩短到3~8min，生产成本降低一半。
发黑对粗糙表面、未淬火表面特别有效
发黑的结合力和耐磨性能不如发蓝层；但CuSO4和NaCl点滴试验和盐雾试验表明其耐腐蚀性能优于发蓝层。
7铝合金化学氧化
这种氧化膜的耐磨性能和耐腐蚀性能远不如阳极氧化膜好。
铝合金阳极氧化特征曲线与氧化膜生长示意图P168图8-5
8铝合金着色
吸附着色（化学着色）
无机颜料着色：色调不鲜艳，与基体结合力差，但耐晒性好。
有机颜料着色：色泽鲜艳，颜色范围广，但耐晒性差。
例：光盘的制作
自然发色法
阳极氧化＋着色一步法
发色原因：膜层选择性吸收光线（七色光互补原理）
发色位置：孔层夹壁中
热处理变形的原因
热处理变形的原因 在实际生产中，热处理变形给后续工序，特别是机械加工增加了很多困难，影响了生产效率，因变形过大而导致报废，增加了成本。变形是热处理比较难以解决的问题，要完全不变形是不可能的，一般是把变形量控制在一定范围内。 一、热处理变形产生的原因 钢在热处理的加热、冷却过程中可能会产生变形，甚至开裂，其原因是由于淬火应力的存在。淬火应力分为热应力和组织应力两种。由于热应力和组织应力作用，使热处理后零件产生不同残留应力，可能引起变形。当应力大于材料的屈服强度时变形就会产生，因此，淬火变形还与钢的屈服强度有关，材料塑性变形抗力越大，其变形程度越小。 1.热应力 在加热和冷却时由于零件表里有温差存在造成热胀冷缩的不一致而产生热应力。零件由高温冷却时表面散热快，温度低于心部，因此表面比心部有更大的体积收缩倾向，但受心部阻碍而使表面受拉应力，而心部则受压应力。表里温差增大应力也增大。 2.组织应力 组织应力是因为奥氏体与其转变产物的比容不同，零件的表面和心部或零件各部分之间的组织转变时间不同而产生的。由于奥氏体比容最小，淬火冷却时必然发生体积增加。淬火时表面先开始马氏体转变，体积增大，心部仍为奥氏体体积不变。由于心部阻碍表面体积增大，表面产生压应力，心部产生拉应力。 二、减少和控制热处理变形的方法 1.合理选材和提高硬度要求 对于形状复杂，截面尺寸相差较大而又要求变形较小的零件，应选择淬透性较好的材料，以便使用较缓和的淬火冷却介质淬火。对于薄板状精密零件，应选用双向轧制板材，使零件纤维方向对称。对零件的硬度要求，在满足使用要求前提下，尽量选择下限硬度。 2.正确设计零件 零件外形应尽量简单、均匀、结构对称，以免因冷却不均匀，使变形开裂倾向增大。尽量避免截面尺寸突然变化，减少沟槽和薄边，不要有尖锐棱角。避免较深的不通孔。长形零件避免截面呈横梯形。 3.合理安排生产路线，协调冷热加工与热处理的关系
渗碳工艺介绍
渗碳 定义 渗碳是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分. 相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。 简介 渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。 渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25％)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。 渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(960～1100℃)气体渗碳得到发展。至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。 原理渗碳与其他化学热处理一样﹐也包含3个基本过程。 ①分解：渗碳介质的分解产生活性碳原子。 ②吸附：活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。 ③扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。 渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小於0.25％)。渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC58～63﹐心部硬度为 HRC30～42。渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命。 分类 按含碳介质的不同﹐渗碳可分为固体渗碳﹑液体渗碳﹑气体渗碳和碳氮共渗。 渗碳工艺 1、直接淬火低温回火组织及性能特点：不能细化钢的晶粒。工件淬火变形较大，合金钢渗碳件表面残余奥氏体量较多，表面硬度较低 适用范围：操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺。 2 、预冷直接淬火、低温回火，淬火温度800-850℃组织及性能特点：可以减少工件淬火变形，渗层中残余奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。 适用范围：操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。 3、一次加热淬火，低温回火，淬火温度820-850℃或780-810℃组织及性能特点：对心部强度要求较高者，采用820-850℃淬火，心部为低碳M，表面要求硬度高者，采用780-810℃淬火可以细化晶粒。 适用范围：适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。
金属材料渗碳淬火工艺综述
金属材料渗碳淬火工艺综述 摘要：渗碳与淬火在金属材料热处理中占有很重要的地位，渗碳是目前机械制造工业中应用最广泛的一种化学热处理方法，能提高材料的耐磨性和疲劳强度；淬火是热处理工艺中最重要，也用途最广泛的工序，能显著提高金属材料的强度和硬度。 关键词：渗碳，淬火，耐磨性，强度，硬度 1、渗碳工艺 1.1、渗碳原理 将低碳钢件放入渗碳介质中，在850～950℃加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面并获得高渗碳层的工艺方法叫做渗碳。齿轮、凸轮、轴类等许多重要机械零件还有模具经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韧性，因此处理后的材料既能承受磨损和较高的表面接触应力及冲击负荷的作用。 渗碳属于化学热处理，过程由分解、吸附和扩散三个基本过程组成，发生的化学反应如下： 2CO→［C］＋CO2 Fe＋［C］→FeC CH4→［C］＋2H2 1.2、渗碳分类 根据渗碳剂的不同，渗碳方法有固体渗碳、气体渗碳和离子渗碳。常用的是前两种，尤其是气体渗碳应用最为广泛。 固体渗碳是将低碳件放入装满固体渗碳剂的渗碳箱中，密封后送入炉中加热至渗碳温度保温，以便活性碳原子渗入工件表层。固体渗碳剂由一定颗粒度的木炭加碳酸盐混合而成。渗碳温度一般为900～930℃，渗碳保温时间视层深要求确定，一般需要十几个小时。固体渗碳加热时间长，生产效率低，劳动条件差，渗碳深度及质量不易控制。 气体渗碳是把零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉中进行碳的渗入过程的渗碳方法。这种渗碳方法通常是将煤油或丙酮等液态碳氢化合物直接滴入高温渗碳炉中，使其热裂分解为活性碳原子并渗入零件表面。气体渗碳温度一般为920～950℃。气体渗碳工艺过程通常可划分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)、降温冷却三个阶段，如图1所示：
渗碳淬火质量缺陷分析
齿轮渗碳后淬火的质量分析 摘要：通过对齿轮渗碳淬火后出现质量问题的分析和处理，论述了齿轮淬火产生缺陷的原因，提出了控制淬火过程和合理选用淬火介质应该注意的一些问题。 1 齿轮渗碳淬火常见质量问题 （1）淬火后硬度不足、硬度分布不均匀、硬化深度不够；（2）淬火后心部硬度过高；（3）淬火变形超差；（4）淬火开裂；（5）油淬后表面光亮度不够。 这类质量问题的出现往往与齿轮的材质、前处理、淬火加热、渗碳碳势和淬火冷却有关。在排除材质、前处理和加热渗碳中的问题后，淬火介质及相关技术的作用就特别突出了。近年来国外对淬火冷却问题的研究证明，它是提高热处理质量最值得注意的问题。 渗碳齿轮淬火常用油作冷却介质。因此，下面将首先分析齿轮淬火产生质量问题与淬火介质特性和用法的关系，并指出了淬火介质冷却速度的特点。最后介绍了常用淬火介质的特点和选用时的注意事项。 1.1 硬度不足与硬化层深度不够 淬火冷却速度偏低是造成齿轮淬火硬度不足、硬度不均和硬化深度不够的原因，冷却偏低又可以分为高温阶段冷速不足、中低温阶段冷速不足以及低温阶段冷速不足等情况。如对于中小齿轮，淬火硬度不足往往是中高温阶段冷速不足所致，而模数大的齿轮要求较深淬硬层时，提高低温冷却速度就非常必要了。 对于淬火用油，一般说，油的蒸气膜阶段短、中温冷速快、低温冷却速度快，往往能获得高而且均匀的淬火硬度和足够的淬硬深度。 工件装挂方式对淬火冷却效果也有明显影响。要使淬火油流动通畅，并配备和使用好搅拌装置，才能得到更好的冷却效果。 提高淬火介质的低温冷却速度，可以增大淬硬层深度。在渗层碳浓度分布相同的情况下，采用低温冷却速度高的淬火油，往往获得更深的淬火硬化层，因此，采用冷却速度快的淬火油，缩短渗碳时间，也能获得要求的淬硬层深度。要求的渗碳淬硬层深度越大，这种方法缩短渗碳时间的效果越明显。 1.2 淬火后心部硬度过高 这类问题主要与原材料淬透性、所选淬火油冷速过快或其低温冷却速度过高有关。解决办法之一是更换淬火油。办法之二是加入适当的添加剂来降低淬火油的中低温冷却速度。办法之三是改用淬透性更低的钢种。 1.3 淬火变形问题 引起变形的原因主要为冷却速度不足和冷却不均匀，比如，齿轮的内花键孔变形，往往是所选的淬火油高温冷速不足，或者说油的蒸气膜阶段过长的缘故。提高油的高温冷速并提高油在整个冷
常用变形铝合金退火热处理工艺规范标准
常用变形铝合金退火热处理工艺规 1 主题容与适用围 本规规定了公司变形铝合金零件退火热处理的设备、种类、准备工作、工艺控制、技术要求、质量检验、技术安全。 2 引用文件 GJB1694变形铝合金热处理规 YST 591-2006变形铝及铝合金热处理规 《热处理手册》91版 3 概念、种类 3.1 概念：将变形铝合金材料放在一定的介质加热、保温、冷却，通过改变材料表面或部晶相组织结构，来改变其性能的一种金属热加工工艺。 3.2 种类 车间铝合金零件热处理种类：去应力退火、不完全退火、完全退火、时效处理。 4 准备工作 4.1 检查设备、仪表是否正常，接地是否良好，并应事先将炉膛清理干净； 4.2 抽检零件的加工余量，其数值应大于允许的变形量； 4.3工艺文件及工装夹具齐全，选择好合适的工夹具，并考虑好装炉、出炉的方法； 4.4 核对材料与图样是否相符，了解零件的技术要求和工艺规定； 4.5在零件的尖角、锐边、孔眼等易开裂的部位，应采用防护措施，如包扎铁皮、石棉绳、堵塞螺钉等； 5 一般要求 5.1 人员： 热处理操作工及相关检验人员必须经过专业知识考核和操作培训，成绩合格后持证上岗5.2 设备 5.2.1 设备应按标准规要求进行检查和鉴定，并挂有合格标记，各类加热炉的指示记录的仪表刻度应能正确的反映出温度波动围； 5.2.2 热电温度测定仪表的读数总偏差不应超过如下指标： 当给定温度t≤400℃时，温度总偏差为±5℃； 当给定温度t＞400℃时，温度总偏差为±(t/10)℃。 5.2.3 加热炉的热电偶和仪表选配、温度测量、检测周期及炉温均匀性均应符合QJ 1428的Ⅲ类及Ⅲ类以上炉的规定。 5.3 装炉 5.3.1 装炉量一般以装炉零件体积计算，每炉零件装炉的有效体积不超过炉体积一半为准。 5.3.2 零件装炉时，必须轻拿轻放，防止零件划伤及变形。 5.3.3堆放要求： a.厚板零件允许结合零件结构特点，允许装箱入炉进行热处理，叠放时允许点及较少的线接触，避免面接触，叠放间隙不小于10mm. b.厚度t≤3mm的板料以夹板装夹，叠放厚度≤25mm，零件及夹板面无污垢、凸点，零件间、零件与夹板间应垫一层雪花纸，以防止零件夹伤。 5.3.4 装炉后需检查零件与电热原件，确定无接触时，方可送电升温，在操作过程中，不得随意打开炉门； 5.3.5 加热速度：变形铝合金退火的加热速度约13℃～15℃/秒，例如加热到410℃设定时间为0.5小时。
渗碳淬火热处理工艺
渗碳淬火工艺 1、钢的淬火 钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。为了消除淬火钢的残余应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬火、回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理是赋予钢件最终性能的关键工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。 1.1 淬火的定义和目的 把钢加热到奥氏体化温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度进行冷却，这种热处理操作称为淬火。钢件淬火后获得马氏体或下贝氏体组织。图4为渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺。 温830℃ 度 ℃油 冷200℃ 8 空冷 时间h 图4 渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺 淬火的目的一般有： 1.1.1 提高工具、渗碳工件和其他高强度耐磨机器零件等的强度、硬度和耐磨性。例如高速工具钢通过淬火回火后，硬度可达63HRC，且具有良好的红硬性。渗碳工件通过淬火回火后，硬度可达58~63HRC。 1.1.2 结构钢通过淬火和高温回火（又称调质）之后获得良好综合力学性能。例如汽车半轴经淬火和高温回火（280~320HB）及外圆中频淬火后，不仅提高了花键耐磨性，而且使汽车半轴承受扭转、弯曲和冲击载荷能力（尤其是疲劳强度和韧性）大为提高。 淬火时，最常用的冷却介质是水、盐水、碱水和油等。通常碳素钢用水冷却，水价廉易得，合金钢用油来冷却，但对要求高硬度的轧辊采用盐水或碱水冷却，辊面经淬火后硬度高而均匀，但对操作要求非常严格，否则容易产生开裂。 1.2 钢的淬透性 2.2.1 淬透性的基本概念 所谓钢材的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度大小的能力（即钢材淬透能力），其大小用钢在一定条件下（顶端淬火法）淬火获得的有效淬硬层深度来表示，淬透性是每种钢材所固有的属性，淬硬层愈深，就表明钢的淬透性愈好,例如45、40Cr 、42CrMo钢三种
热处理淬火及变形
热处理工艺、操作与变形关系 一、预处理 淬火前通过对工件进行消除应力、改善组织的预备热处理，对减少淬火变形是非常有利的。预处理一般包括球化退火、消除应力退火，有些还采用调质或正火处理。 ①消除应力退火：在机械加工过程中，工件表层在加工方法、背吃刀量、切削速度等的影响下，会产生一定的残余应力，由于其分布的不均衡，导致了工件在淬火时产生了变形。为了消除这些应力的影响，淬火前将工件进行一次消除应力的退火是必要的。消除应力退火的温度一般为500-700 ℃，在空气介质中加热时，为防止工件产生氧化脱碳可采用500-550 ℃进行退火，保温时间一般为2-3h。工件装炉时要注意可能因自重引起的变形，其他操作同一般退火操作。 ②以改善组织为目的的预热处理：这种预处理包括球化退火、调质及正火等。 ——球化退火：球化球退火是碳素工具钢及合金工具钢在热处理过程中必不可少的工序，球化退火后所获得的组织对淬火变形趋势影响很大。所以可以通过调整退火后的组织来减少某些工件有规律的淬火变形。 ——其他预处理：为减少淬火变形所采用的预处理方法有很多种，如调质处理、正火处理等。针对工件产生淬火变形的原因及工件所用材料，合理地选用正火、调质等预处理对减少淬火变形是有效的。但应对正火后引起的残余应力及硬度提高对机加工的不利影响应给予注意，同时调质处理对含W Mn 等钢可减少淬火时胀大，而对GCr15等钢种的减少变形作用不大。 在实际生产中要注意分清淬火变形产生的原因，即要分清淬火变形是由残余应力引起的还是由组织不佳引起的，只有这样才能对症处理。若是由残余应力引起的淬火变形则应进行消除应力退火而不用类似调质等改变组织的预处理，反之亦然。只有这样，才能达到减少淬火变形的目的，才能降低成本，保证质量。 以上各种预处理的具体操作同其他相应操作，此处不赘述。
表面淬火工艺
淬火.退火.正火工艺 ◆表面淬火 ? 钢的表面淬火 有些零件在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。 根据供热方式不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。 ? 感应加热表面淬火 感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点： 1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高 2.工件因不是整体加热，变形小 3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少 4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料地潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命 5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好 6.便于机械化和自动化 7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。 ? 感应加热的基本原理 将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电动势，在工件表面形成感应电流，即涡流。这种涡流在工件的电阻的作用下，电能转化为热能，使工件表面温度达到淬火加热温度，可实现表面淬火。 ? 感应表面淬火后的性能 1.表面硬度：经高、中频感应加热表面淬火的工件，其表面硬度往往比普通淬火高2～3 个单位（HRC）。 2.耐磨性：高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小，碳化物弥散度高，以及硬度比较高，表面的高的压应力等综合的结果。 3.疲劳强度：高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高，缺口敏感性下降。对同样材料的工件，硬化层深度在一定范围内，随硬化层深度增加而疲劳强度增加，但硬化层深度过深时表层是压应力，因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降，并使工件脆性增加。一般硬化层深δ＝（10～20）％D。较为合适，其中D。为工件的有效直径。 ◆退火工艺 退火是将金属和合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体；共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之退火组织是接近平衡状态的组织。 ? 退火的目的 ①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。 ②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备。 ③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。
大型齿轮渗碳淬火变形原因及控制
大型齿轮渗碳淬火变形原因及控制 摘要: 本文主要从影响大型齿轮渗碳淬火变形的几个方面入手，分析其产生的原因，并采取相应措施，通过良好的设计及机加工与热处理工序间的相互配合，采用合理的工艺，从而使工件产生变形的应力减少，以减少热处理变形，提高工件的质量。 关键词大型齿轮变形控制渗碳淬火 1 引言 大型齿轮渗碳淬火的变形直接关系到齿轮强度、精度等质量指标。对于渗碳淬火的齿轮，特别是大型齿轮，其变形量很大，且难以控制。较大的变形不仅会使磨齿加工的磨量增加，成本提高，而且影响齿轮制造精度，降低承载能力，最终寿命也会大大下降。大型齿轮渗碳淬火热处理变形主要是由于工件在机加工时产生的残余应力，热处理过程中产生的热应力和组织应力以及工件自重变形等共同作用而产生的。影响齿轮渗碳淬火变形的因素很多，包括齿轮的几何形状、原材料及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装料方式和热处理工艺及设备等诸方面。掌握变形规律，减少齿轮渗碳淬火变形，能够提高齿轮的承载能力和使用寿命，对缩短制造周期，降低生产成本也都具有重要意义。 2 大型齿轮渗碳淬火变形规律 对大型齿轮质量和寿命影响最大的变形来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等。一般说来，变形趋势如下： 2.1 大型齿轮变形规律：大型齿轮渗碳淬火后齿顶圆外径呈明显胀大趋势，且上下不均匀呈锥形；径长比（齿轮外径/齿宽）越大，外径胀大量越大。碳浓度失控偏高时，齿轮外径呈收缩趋势。 2.2 大型齿轮轴变形规律：齿顶圆外径呈明显收缩趋势，但一根齿轴的齿宽方向上，中间呈缩小，两端略有胀大 2.3 齿圈变形规律：大型齿圈经渗碳淬火后，其外径均胀大，齿宽大小不同时，齿宽方向呈锥形或腰鼓形。 3 渗碳淬火齿轮变形原因 3.1 渗碳件变形的实质
常用热处理工艺【详情】
常用的几种热处理方法 内容来源网络，由深圳机械展收集整理！ 更多相关表面处理及精密零件加工展示，就在深圳机械展！ 1.常用热处理方式 1.1.退火 把钢加热到一定温度并在此温度下保温，然后缓慢冷却到室温。 退火有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。 a.将钢加热到预定温度，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却称为完全退火．目的是降 低钢的硬度，消除钢中不均匀组织和内应力． b.把钢加热到750度，保温一段时间，缓慢冷却至500度下，最后在空气中冷却叫球 化退火。目的是降低钢的硬度，改善切削性能，主要用于高碳钢。 c.去应力退火又叫低温退火，把钢加热到500～600度，保温一段时间，随炉缓冷到 300度以下，再室温冷却．退火过程中组织不发生变化，主要消除金属的内应力。 1.2.正火 将钢件加热到临界温度以上30-50℃，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。 正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织。 正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。 1.3.淬火 将钢件加热到临界点以上某一温度（45号钢淬火温度为840-860℃，碳素工具钢的淬火温度为760～780℃），保持一定的时间，然后以适当速度在水（油）中冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。 淬火与退火、正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快，目的是为了获得马氏体组织。马氏体组织是钢经淬火后获得的不平衡组织，它的硬度高，但塑性、韧性差。马氏体的硬度随钢的含碳量提高而增高。
1.4.回火 钢件淬硬后，再加热到临界温度以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。 淬火后的钢件一般不能直接使用，必须进行回火后才能使用。因为淬火钢的硬度高、脆性大，直接使用常发生脆断。通过回火可以消除或减少内应力、降低脆性，提高韧性；另一方面可以调整淬火钢的力学性能，达到钢的使用性能。根据回火温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。 A 低温回火150～250．降低内应力，脆性，保持淬火后的高硬度和耐磨性。 B 中温回火350～500；提高弹性，强度。 C 高温回火500～650；淬火钢件在高于500℃的回火称为高温回火。淬火钢件经高温淬火后，具有良好综合力学性能（既有一定的强度、硬度，又有一定的塑性、韧性）。所以一般中碳钢和中碳合金钢常采用淬火后的高温回火处理。轴类零件应用最多。 淬火+高温回火称为调质处理。 2.Q235热处理工艺 Q235属于碳素结构钢，含碳量大概0.12%-0.2%之间，相当于普通的10、20钢，淬火后硬度改变不大。具有较高的强度，良好的塑性，韧性和焊接性能，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土结构用钢的要求。 Q235一般买来就用不热处理，一般它都用在工程上大量需要钢材的地方，数量巨大，一般是热轧后就使用，热轧也就是有正火这个热处理，不热处理的原因有几个： 1)这些场合不需要太高的力学要求。 2)这些钢构件的体积太大了，你想热处理也不现实。 3)这些钢很多情况下要被焊接使用的，你热处理了被焊接后也被焊接过程中将焊缝的 热处理给破坏了。 4)材料价格便宜，质量要求比较低，而且是低碳钢，热处理的效果也不太好。 5)如果非要用Q235淬出硬度那只能渗碳，但是一件很不划算的事情。 Q235在理论上是可以淬火得到马氏体的。但是由于马氏体碳过饱和度很低，淬火后的硬度很低，只有170HBS左右。而这种钢的供应状态硬度大概就有144HBS左右(出
钢板淬火变形的原因及研究现状
钢板淬火变形的原因及研究现状 工件在加热和冷却过程中，由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致，形成温差，导致体积膨胀和收缩不均而产生热应力。在热应力的作用下，由于表层开始温度低于心部，收缩也大于心部，而使心部受压;当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压，心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。这种现象受到冷却速度，材料成分和热处理工艺等因素的影响。当冷却速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大，最后形成的残余应力就愈大。另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大会伴随工件体积的膨胀。工件各部位先后相变，造成体积变化不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力心部受压应力，恰好与热应力相反。组织应力的大小与工件在马氏体相变区的冷却速度，形状，材料的化学成分等因素有关。热应力在组织转变以前就已经产生，而组织应力则是在组织转变过程中产生的。在整个冷却过程中，热应力与组织应力综合作用的结果，就是工件中实际存在的应力。这两种应力综合作用的结果是十分复杂的，受着许多因素的影响，如成分、形状、热处理工艺等。就其发展过程来说只有两种类型，即热应力和组织应力，作用相反时二者抵消，作用相同时二者相互迭加。不管是相互抵消还是相互迭加，两个应力应有一个占主导因素，热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉，表面受压。组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。在薄板淬火中，钢板冷却引起翘曲变形的诱导因素是不均匀冷却，而影响冷却均匀性的原因很多，在采用同一种冷却方式的前提下，诸如钢板冷却前的板形和表面质量、冷却区长度、上下喷孔水量比、喷孔分布间距、喷孔与板的间距等都对钢板的变形产生不同程度的影响。 国内中厚板淬火主要是针对普通钢板，采用进口的辊式淬火机。 根据淬火钢板规格和种类的不同，淬火可分为两种方式:连续通过淬火或高压低压段间歇式。武钢采用连续式，宝钢采用连续式和间歇式，浦钢采用间歇式。淬火机组需配套建设供水和水处理系统，要求水质纯净、实现自循环，这样钢板淬火均匀。辊式淬火机由上下两组辊道组成，上下两排喷嘴位于辊道之间，钢板高速出炉，连续通过炉后的辊式淬火机组，实现运动中淬火。目前国内武钢、宝钢、舞钢的调质线均由德国LOI热工工程有限公司提供，包括1座辐射管加热无氧化辊底式炉和1台辊压式连续淬火机，可进行钢板的淬火。浦钢采用原美国DREVER公司设备，鞍钢系引进日本住友二手设备。中厚板淬火机德国LOI公司处于技术领先地位。 目前中厚板淬火处理后的平面度在ZOmm/mZ以上，用此设备无约束淬火处理薄板(4mm以下)，，由于水量、喷淬角度等原因会造成淬透性好的装甲板变形剧烈，难以或无法校平。 国内对于低于3mm厚度的钢板淬火，多采用人工出料、淹没冷却方式，淬火变形量最大达到50mm/mZ，淬火后在矫直机上整形，生产效率低，易出现废品，热处理工艺达不到批量生产的要求。
热处理变形
热处理变形： 一:钢的内应力及应力变形: 1.热应力:冷却初期表面为拉应力,心部为压应力.冷却最终则是表面为压应力,心部为拉应力. 组织应力:冷却初期表面为压应力,心部为拉应力.冷却最终则是表面为拉应力,心部为压应力. 附加应力:因表面和心部组织结构的不均匀性及钢件内部的弹塑性变形不一致形成的内应力. 局部淬火或表面淬火:表层呈现压应力,中心呈现拉应力. 渗碳件淬火:冷却初期表面为拉应力,心部为压应力.冷却最终则是表面为压应力,心部为拉应力.(最大的压应力不在渗碳层的最外层,而存在于渗碳层表面以里约50-60%的深度处,此处碳浓度低于0.5%). 2.影响钢的内应力的因素: 1)钢的化学成分的影响: 在全淬透的情况下,试样表层和中心显现压应力,中间层显现拉应力,故表层的应力分布以热应力为主,而内部则以组织应力主.随着含碳量的增加,热应力减弱,组织应力逐渐增强,因此表层的压应力减小,中间层的拉应力略有下降,心部的压应力则增大,且中间层的拉应力最大值随含碳量的增加而移向表层.因切向应力较大,故对高碳钢极易产生纵向裂纹. 在未淬透的情况下,钢件表层为压应力,心部为拉应力.淬透性愈小,表层压应力愈大. Ms点温度较高的钢,热应力作用较强烈,残余拉应力最大值移向中心,表层显现压应力. 2)淬火工艺的影响: 淬火加热温度愈高,产生的淬火应力愈大,但径向应力变化较小,切向和轴向应力变化较大.加热温度高,还易于造成钢的过热,即组织粗大化而导致脆性增大,易引起开裂. a:水淬钢全部淬透时,其应力分布为表面和心部呈压应力,中间区域呈拉应力,即属于热应力和组织应力重叠型的分布规律.当中心未淬透时,表面被淬火部分受压应力,中心受拉应力作用. b:油中全淬透时,表层具有拉应力,心部为压应力,即属于单一的组织应力分布规律.未淬透时,表层具有压应力,心间为拉应力,但应力变化较缓和. c:在穿透淬火时,水淬钢的最大拉应力值显现在钢件表面附近,油淬钢的拉应力显现在钢的表面.这种表面附近的拉应力是形成淬火裂纹的主要危险.这时切向应力大于轴向应力,易形成纵向裂纹. 3)钢件尺寸大小和形状的影响: 内孔直径很小的圆套筒的淬火应力是内孔的表面和外表面具有压应力,中间层为拉应力.内孔直径稍大时,随壁厚的减小热应力的影响急剧减小,从而其残余应力的分布是内表面和外表面具有拉应力,中间层具有压应力.在淬火效果差时,内表面产生的拉应力将很大,故内径小的高碳钢套筒内壁易产生淬火裂纹.内径进一步增大,壁厚进一步减小时,组织应力的影响增强,热应力分布减弱,则总的淬火应力趋于降低. 4)钢件表面脱碳的影响:脱碳使得钢伯的脱碳层具有拉应力. 脱碳层浓度不同,其应力分布也有差别:随脱碳层浓度的增加,表面的切向应力由压应力转变为拉应力.轴向应力则随脱碳层浓度的增加,开始为拉应力而后转为压应力.
金属表面热处理渗碳工艺对比
金属表面热处理渗碳工艺的对比 一、热处理发展历史 在实用生产技术发展上值得回顾的有：①1890年英国首次公布了制备不可燃气氛发生炉的专利，该气氛用于金属的光亮热处理，德国的A．富利1921年申请了在井式炉中通氨渗氮的专利。②P．P．阿诺索夫在1837年就倡导用气体渗碳法，而经过100年后（1935年）前苏联的利哈乔夫汽车厂才有了第一台用煤油裂解气的罐式连续渗碳炉；直到20世纪50年代才逐步取代了固体渗碳和用氰盐的液体渗碳。③前苏联的G．V．沃罗格金在20世纪40年代逐步把感应加热技术应用到炼钢、锻造加热和表面淬火热处理等领域。④20世纪40年代末出现了用LiCl露点仪的碳势可控渗碳。⑤离子渗氮于20世纪30年代在德国就有了专利，而KlÊ；ckner公司是在20世纪50年代末才开发出商品设备，并推向工业应用。⑥20世纪60年代初瑞士的H．魏斯发明了在井式炉中的CARBOMAAG滴注可控渗碳法。⑦20世纪60年代中期，用吸热式气（载气）、甲烷或丙烷（作富化气）并用CO2红外仪测控炉气碳势的可控渗碳在汽车工业中得到推广。与此同时第一代的冷壁式真空加热油中淬火炉和真空渗碳炉问世。⑧20世纪50年代开发，60年代推广的被称作Tenifer或Tufftride商品名称的盐浴氮碳共渗，使渗氮周期由数十小时缩短到1h～2h，可明显提高传动件的抗疲劳、耐磨性和抗咬合能力；由于处理温度低（＜580℃），工件畸变小，其缺点是所用氰盐剧毒、废盐废水需妥善处理。⑨为避免使用剧毒的氰盐，20世纪60年代后期开发出了NH3＋吸热式气（Nikotrier）和NH3＋CO2（Nitroc）在570℃的井式或箱式炉中施行的气体氮碳共渗法，随后在汽车曲轴、低载齿轮等零件上获得广泛应用。⑩20世纪50年代高分子聚合物溶液开始用做淬火剂。最早使用的此类聚合物是聚乙烯醇（PVA），以0.1%～0.3%的浓度用做感应加热件的喷冷淬火，其冷却能力介于水油之间，不易燃、无污染。20世纪60年代美国联碳公司推出UCON（PAG）系列合成淬火剂，可代替油用于铁和非铁合金的淬火及固溶处理的冷却。随后又有一系列其它类别的合成淬火剂商品问世。⑾高、中、工频以及超音频和超高频、超高频脉冲感应加热表面热处理工艺广泛应用。各种静态固体电路高频、大功率电源相继问世，全自动程控多工位淬火机床和自动装卸料机械手或机器人获得工业应用。?⑿20世纪80年代氧探头逐步代替红外仪用于炉气碳势控制的传感器和计算机仿真自适应控制、无损检测技术、机器人装卸结合，使大批量生产的汽车零件的渗碳、淬火、清洗、回火、质检全过程实现自动化和无人作业。?⒀20世纪90年代，欧洲IpsenInternational、ALD和ECM等公司相继推出低压渗碳、低压离子渗碳和高压气淬的周期炉和半连续生产线，为提高效率、改善质量、减少畸变和保护环境作出了贡献，为汽车工业热处理未来提供了前景。近20年来，热处理新技术的大量涌现，为机器制造业的发展、机械产品质量的提高、热处理企业的技术改造积累了大量的技术储备，为热处理生产技术的进步提供了广阔前景。 二、氨气的作用：提高淬透性 渗碳淬火后的齿轮零件正常的组织应该是马氏体与残余奥氏体，但在实际生产中经常发现在渗碳淬火件的表层出现连续、断续的黑色组织或沿晶界分布的黑色氧化物。普遍的理论认为是由于内氧化使合金元素贫化、淬透性下降导致形成屈氏体类组织，这类组织就被称为非马氏体组织。非马氏体组织深度如果超标严重，反映在力学性能上就是出现零件表面硬度低头的现象，影响硬度梯度。在实际使用中会降低齿轮的耐磨性和疲劳寿命，危害比较严重。尽可能选择含Cr、Mo、V、Mn和Ni等高淬透性的低碳合金钢作为齿轮原材料。对渗碳后的零件采取剧烈的冷却方式(比如强力搅拌)可以有效地减少非马氏体组织，但前提是不能使零件
齿轮渗碳淬火变形原因及其控制
齿轮及齿圈渗碳淬火变形原因及其控制的措施 1 引言 齿轮渗碳淬火的变形直接关系到齿轮质量指标。对于渗碳淬火的齿轮，特别是大型齿轮，其变形量很大，且难以控制。较大的变形不仅会使磨齿加工的磨量增加，成本提高，而且影响齿轮制造精度，降低承载能力，最终寿命也会大大下降。齿轮渗碳淬火热处理变形主要是由于工件在机加工时产生的残余应力，热处理过程中产生的热应力和组织应力以及工件自重变形等共同作用而产生的。影响齿轮渗碳淬火变形的因素很多，包括齿轮的几何形状、原材料及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装料方式和热处理工艺及设备等诸方面。掌握变形规律，减少齿轮渗碳淬火变形，能够提高齿轮的承载能力和使用寿命，对缩短制造周期，降低生产成本也都具有重要意义。 2 齿轮渗碳淬火变形规律 对齿轮质量和寿命影响最大的变形来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等。一般说来，变形趋势如下： 2.1 齿轮变形规律：齿轮渗碳淬火后齿顶圆外径呈明显胀大趋势，且上下不均匀呈锥形；径长比越大，外径胀大量越大。碳浓度失控偏高时，齿轮外径呈收缩趋势。 2.2 齿轮轴变形规律：齿顶圆外径呈明显收缩趋势，但一根齿轴的齿宽方向上，中间呈缩小，两端略有胀大。 2.3 齿圈变形规律：大型齿圈经渗碳淬火后，其外径均胀大，齿宽大小不同时，齿宽方向呈锥形或腰鼓形。 3 渗碳淬火变形原因 3.1 渗碳件变形的实质 渗碳的低碳钢，原始相结构是由铁素体和少量珠光体组成，铁素体量约占整个体积的80%。当加热至AC1以上温度时，珠光体转变为奥氏体，900℃铁素体全部转变为奥氏体。910—930℃渗碳时，零件表面奥氏体区碳浓度增加至0.75—1.2%，这部分碳浓度高的奥氏体冷至Ar1以下才开始向珠光体、索氏体转变，而心部区的低碳奥氏体在900℃即开始分解为铁素体，冷至550℃左右全部转变完成。心部奥氏体向铁素体转变是比容增大的过程，表层奥氏体冷却时是热收缩量增加的变化过程。在整个冷却过程中，心部铁素体生成时总是受着表层高碳奥氏体区的压应力。此外，齿轮由于模数大、渗层深，渗碳时间较长，由于自重影响，也会增加变形。 3.2 齿轮渗碳淬火变形的原因 工件淬火时，淬火应力越大，相变越不均匀，比容差越大，则淬火变形越严重。淬火变形还与钢的屈服强度有关，塑性变形抗力越大，其变形程度就越小。 3.3齿圈变形原因 3.3.1齿圈厚薄的影响，淬火冷却时各部位冷却速度的差别而导致组织转变的不同； 3.3.2因装夹等不当及零件自重导致变形； 3.3.3淬火时产生的应力不平衡是变形的主原因。
渗碳淬火热处理工艺教案资料
渗碳淬火热处理工艺
渗碳淬火工艺 1、钢的淬火 钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。为了消除淬火钢的残余应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬火、回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理是赋予钢件最终性能的关键工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。 1.1 淬火的定义和目的 把钢加热到奥氏体化温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度进行冷却，这种热处理操作称为淬火。钢件淬火后获得马氏体或下贝氏体组织。图4为渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺。 温 830℃ 度 ℃油 冷 时间h 图4 渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺 淬火的目的一般有： 1.1.1 提高工具、渗碳工件和其他高强度耐磨机器零件等的强度、硬度和耐磨性。例如高速工具钢通过淬火回火后，硬度可达63HRC，且具有良好的红硬性。渗碳工件通过淬火回火后，硬度可达58~63HRC。 1.1.2 结构钢通过淬火和高温回火（又称调质）之后获得良好综合力学性能。例如汽车半轴经淬火和高温回火（280~320HB）及外圆中频淬火后，不仅提高了花键耐磨性，而且使汽车半轴承受扭转、弯曲和冲击载荷能力（尤其是疲劳强度和韧性）大为提高。 淬火时，最常用的冷却介质是水、盐水、碱水和油等。通常碳素钢用水冷却，水价廉易得，合金钢用油来冷却，但对要求高硬度的轧辊采用盐水或碱水冷却，辊面经淬火后硬度高而均匀，但对操作要求非常严格，否则容易产生开裂。 1.2 钢的淬透性 2.2.1 淬透性的基本概念 所谓钢材的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度大小的能力（即钢材淬透能力），其大小用钢在一定条件下（顶端淬火法）淬火获得的有效淬硬层深度来表示，淬透性是每种钢材所固有的属
大型齿轮渗碳淬火变形原因及其控制
大型齿轮渗碳淬火变形原因及其控制 2 大型齿轮渗碳淬火变形规律 对大型齿轮质量和寿命影响最大的变形来自齿轮外径、公法线长度和螺旋角等。一般说来，变形趋势如下： 2.1 大型齿轮变形规律：大型齿轮渗碳淬火后齿顶圆外径呈明显胀大趋势，且上下不均匀呈锥形；径长比（齿轮外径/齿宽）越大，外径胀大量越大。碳浓度失控偏高时，齿轮外径呈收缩趋势。 2.2 大型齿轮轴变形规律：齿顶圆外径呈明显收缩趋势，但一根齿轴的齿宽方向上，中间呈缩小，两端略有胀大 2.3 齿圈变形规律：大型齿圈经渗碳淬火后，其外径均胀大，齿宽大小不同时，齿宽方向呈锥形或腰鼓形。 3 渗碳淬火齿轮变形原因 3.1 渗碳件变形的实质 渗碳的低碳钢，原始相结构是由铁素体和少量珠光体组成，铁素体量约占整个体积的80%。当加热至AC1以上温度时，珠光体转变为奥氏体，900℃铁素体全部转变为奥氏体。920—940℃渗碳时，零件表面奥氏体区碳浓度增加至0.6—1.2%，这部分碳浓度高的奥氏体冷至600—650℃才开始向珠光体、索氏体转变，而心部区的低碳奥氏体在900℃即开始分解为铁素体，冷至550℃左右全部转变完成。心部奥氏体向铁素体转变是比容增大的过程，表层奥氏体冷却时是热收缩量增加的变化过程。在整个冷却过程中，心部铁素体生成时总是受着表层高碳奥氏体区的压应力。此外，大型齿轮由于模数大、渗层深，渗碳时间较长，由于自重影响，也会增加变形。 3.2 大型齿轮渗碳淬火变形的原因 工件淬火时，淬火应力越大，相变越不均匀，比容差越大，则淬火变形越严重。淬火变形还与钢的屈服强度有关，塑性变形抗力越大，其变形程度就越小。 从齿轮和齿轮轴渗碳淬火冷却各部位冷却速度、组织及硬度状态比较分析，可以发现上中下各部位冷却速度的差别，以及表面、过渡区、心部冷却速度差别，和其组织转变的不同时性是造成齿轮变形的主要原因。减小大型齿轮渗碳淬火变形也要通过提高各环节的均匀性来实现。
钢板淬火变形的原因及现状
钢板淬火变形的原因及现状 工件在加热和冷却过程中，由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致，形成温差，导致体积膨胀和收缩不均而产生热应力。 在热应力的作用下，由于表层开始温度低于心部，收缩也大于心部，而使心部受压;当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压，心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。 这种现象受到冷却速度，材料成分和热处理工艺等因素的影响。当冷却速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大，最后形成的残余应力就愈大。另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大会伴随工件体积的膨胀。工件各部位先后相变，造成体积变化不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力心部受压应力，恰好与热应力相反。组织应力的大小与工件在马氏体相变区的冷却速度，形状，材料的化学成分等因素有关。 热应力在组织转变以前就已经产生，而组织应力则是在组织转变过程中产生的。在整个冷却过程中，热应力与组织应力综合作用的结果，就是工件中实际存在的应力。这两种应力综合作用的结果是十分复杂的，受着许多因素的影响，如成分、形状、热处理工艺等。就其发展过程来说只有两种类型，即热应力和组织应力，作用相反时二者抵消，作用相同时二者相互迭加。不管是相互抵消还是相互迭加，两个应力应有一个占主导因素，热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉，表面受压。 组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。在薄板淬火中，钢板冷却引起翘曲变形的诱导因素是不均匀冷却，而影响冷却均匀性的原因很多，在采用同一种冷却方式的前提下，诸如钢板冷却前的板形和表面质量、冷却区长度、上下喷孔水量比、喷孔分布间距、喷孔与板的间距等都对钢板的变形产生不同程度的影响。 国内中厚板淬火主要是针对普通钢板，采用进口的辊式淬火机。 根据淬火钢板规格和种类的不同，淬火可分为两种方式:连续通过淬火或高压低压段间歇式。武钢采用连续式，宝钢采用连续式和间歇式，浦钢采用间歇式。淬火机组需配套建设供水和水处理系统，要求水质纯净、实现自循环，这样钢板淬火均匀。辊式淬火机由上下两组辊道组成，上下两排喷嘴位于辊道之间，钢板高速出炉，连续通过炉后的辊式淬火机组，实现运动中淬火。目前国内武钢、宝钢、舞钢的调质线均由德国LOI热工工程有限公司提供，包括1座辐射管加热无氧化辊底式炉和1台辊压式连续淬火机，可进行钢板的淬火。浦钢采用原美国DREVER公司设备，鞍钢系引进日本住友二手设备。中厚板淬火机德国LOI公司处于技术领先地位。 目前中厚板淬火处理后的平面度在ZOmm/mZ以上，用此设备无约束淬火处理薄板(4mm 以下)，，由于水量、喷淬角度等原因会造成淬透性好的装甲板变形剧烈，难以或无法校平。 国内对于低于3mm厚度的钢板淬火，多采用人工出料、淹没冷却方式，淬火变形量最大达到50mm/mZ，淬火后在矫直机上整形，生产效率低，易出现废品，热处理工艺达不到批量生产的要求。