工件表面强化技术

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论文题目： 工件表面强化技术

系 别 专业年级

学生姓名 学号 日 期 2014年 4月 机电设备维修论文

目录

一、引言 ……………………………………………………………………………1 二、表面强化技术…………………………………………………………………1 三、表面形变强化 …………………………………………………………………1

（一）喷丸强化 ………………………………………………………………2 （二）滚压强化………………………………………………………………2 四、表面热处理强化………………………………………………………………2 五、表面渗碳强化 …………………………………………………………………3 （一）常见渗碳方法 ………………………………………………………………3 （二）渗碳的化学反应 ……………………………………………………………4 （三）渗碳过程 ……………………………………………………………………4 （四）渗碳过程相关的重要参量 …………………………………………………4 六、化学热处理强化 ………………………………………………………………5 七、表面合金化 ……………………………………………………………………5 八、表面薄膜强化 …………………………………………………………………5 （一）电镀、(二)电镀、（三）化学镀……………………………………………5 （四）热喷涂 ………………………………………………………………………6 （五）等离子喷涂、（六）电弧喷涂………………………………………………6 （七）火焰喷涂 ……………………………………………………………………6 九、总结 ……………………………………………………………………………7 参考文献 ……………………………………………………………………………8

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工件表面强化技术

摘要：本文主要介绍了，各种表面强化技术和具体方法，不同程度的介绍了其定

义及强化过程。

关键词：表面形变强化，表面热处理强化，表面薄膜强化，表面渗碳强化

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一、引言

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。

二、表面强化技术

表面强化技术其实质是一种改善机械零件和构件表面性能，提高疲劳强度和耐磨性能的工艺方法。表面强化有时还能提高耐腐蚀性能。承受载载荷的零件表面常处于最大应力状态，并在不同的介质环境中工作。因此，零件的失效和破坏也大多发生在表面或从表面开始，如在零件表层引入一定的残余压应力，增加表面硬度，改善表层组织结构等，就能显著地提高零件的疲劳强度和耐磨性。表面强化可分为表面薄膜强化、表面形变强化、表面热处理强化、化学热处理强化和表面合金化。其中表面薄膜强化与表面形变强化在工业生产过程中应用最为广泛。

三、表面形变强化

主要是利用机械方法使金属表面层发生塑性变形，而形成高硬度，高强的硬化层，常用的方法喷丸，滚压和冷挤压。表面形变强化方法简单，但对耐磨性能影响较小。 （一）喷丸强化：

（1）定义：它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸（钢丸、铸铁丸、玻璃丸、硬质合金丸）以高速且连续喷射，捶打到零件表面，从而在表面产生一个残余压应力层。因为当每颗弹丸撞击金属零件上，宛如一个微型棒捶敲打表面，捶出小压痕或凹陷。为形成凹陷，金属表层必定会产生拉伸。表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球。无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。最终，零件在压应力层保护下，极大程度地改善了抗疲劳强度，延长了安全工作寿命。

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(2)喷丸强化分为一般喷丸和应力喷丸。一般处理时，钢板在自由状态下，用高速钢丸打击钢板的里面，使其表面产生预压应力。以减少工作中钢板表面的拉应力，增加使用寿命。应力喷丸处理是将钢板在一定的作用力下的预先弯曲,然后进行喷丸处理。

(3)喷丸强化是一个冷处理过程，它被广泛用于提高长期服役于高应力工况下金属零件，如飞机引擎压缩机叶片、机身结构件、汽车传动系统零件等的抗疲劳属性。 喷丸强化技术一般是用来清除厚度不小于2mm的或不要求保持准确尺寸及轮廓的中型、大型金属制品以及铸锻件上的氧化皮、铁锈、型砂及旧漆膜。是表面涂(镀)覆前的一种清理方法。广泛用于大型造船厂、重型机械厂、汽车厂等。 （二）滚压强化：

定义：滚压强化的原理是利用球形金刚石滚压头或表面有连续沟槽的球形金刚石滚压头以一定的滚压里对零件表面进行滚压，是表面形变强化产生硬化层。目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等工艺规范尚无标准。滚压技术一般只适用于回转体类零件。

四、表面热处理强化

表面热处理强化是通过对零件表层加热、冷却、表层发生相变，从而改变表层组织和性能二部改变成分的一种技术，它是最基本、应用最广泛的表面技术强化技术之一。它可使零件表层具有高强度、硬度、耐磨性及疲劳极限，而心部仍保留原组织状态

根据加热方式不同，常用的表面热处理强化包括感应加热（高频、中频、工频）、表面淬火，火焰加热表面淬火、浴炉（高温盐浴炉）加热表面淬火等。生产中广泛应用的感应加热。

五、表面渗碳强化

（一）常见渗碳方法

为增加钢件表面的碳含量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳是将钢件加热到奥氏体状态，进行碳渗入及扩散，随后淬火并低温回火。其目的是改善表层及心部组织，提高表面硬

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度和耐磨性，增加抗疲劳强度。几种常见的渗碳方法、特点及应用范围见下图：

渗碳方法 气体渗碳 生产率高、操作方便、容易实现自动化连续生产，渗层质量好，但废气有污染 液体渗碳 加热速度快、生产周期短，操作简单、 小件、细长件、薄件渗碳，批量生产，应用很少 固体渗碳 离子渗碳 渗碳周期长，劳动条件差，渗层单件、小件、小批量大批量生产，应用最广 特点 应用范围 碳含量不易控制，但不需要专用设备 生产，应用较少 渗速快、质量好，节电与节气、无污染，但专用设备成本高 重载和精密件深层渗碳，批量生产，应用正在扩大 真空渗碳 可以高温渗碳、渗速快，表层无精密件，关键件，批氧化，质量好，显著改善劳动条件，量生产，应用正在扩大 但专用设备成本高，容易产生炭黑 流态床渗碳 传热快、渗速比气体法快，气氛容易控制或改变，有利于符合处理，可进行高浓度渗碳 批量生产，开始应用 高频加利用高频加热高温渗碳，渗速快。只适用于单一品种热气体渗碳 炉外制备渗碳气体通入渗碳。可列入生产，多品种渗碳质量难冷加工流水线生产、设备成本较高

（二）渗碳的化学反应

钢渗碳一般在900~950℃间进行，渗碳剂的种类多，渗碳的化学反应复杂。对于钢件气体渗碳，无论采用哪种渗碳剂，其主要渗碳气氛的组分为CO和CH4。CO的渗碳能力较弱，而CH4渗碳能力较强，产生活性C原子的反应，可选择下列四个独立反应

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方程表示，即

2CO=CO2+[C] CH4=2H2+[C] CO+H2=H2O+[C] CO=?O2+[C] （三）渗碳过程：

渗碳过程可归纳为三个过程，

（1）炉内渗碳介质化学反应，产生CO，CH4等渗碳组分。

（2）渗碳组分向钢表面扩散被吸附，并与钢件反应，产生活性炭原子渗入钢件表面，反应产物H2、CO2和 H2O 、O2等离开表面。

（3）碳原子像钢件内部扩散，形成碳浓度梯度分布的渗碳层。

渗碳过程中，碳原子被吸附反应的机理，目前有两种解释，一种是先形成Fe3C 薄层，又瞬息分解使碳碳溶入到奥氏体中；另一种解释是碳原子直接溶解于奥氏体中，达到饱和时，才形成Fe3C。后一种解释被多数人接受，因为形成化合物-Fe3C是以改变铁的晶格方式进行，需要更大的能量，因此碳原子溶入固溶体应在形成Fe3C之选。但这并不排除钢中如有强碳化物形成元素时，碳与合金元素直接形成碳化物的可能性。 （四）渗碳过程相关的重要参量

（1）碳势Cp。碳势是指表征含碳气氛在一定温度下，改变钢件表面碳含量的能力的参数。通常可用低碳钢箔（厚度<0.1mm）在含碳气氛中的平衡含碳量来表示。

（2）钢中碳活度。钢在渗碳过程中奥氏体中碳的饱和蒸汽压（pc）与相同温度下石墨标准态的饱和蒸汽压（）之比称为钢中碳的活度。它的物理意义是奥氏体中有效浓度。与气氛碳势（Cp）和钢件表面实际碳含量（Cs）之间的差值（Cp-Cs）之比为碳的传递系数（β），它表征渗碳气-固相界面反应速度的常数，也称为碳的传递系数。碳传递系数与渗碳温度，渗碳介质及气氛组分等有关。

（3）碳的扩散系数。表征扩散过程速度的一个重要参量是扩散系数D。它的物理意义是，在单位时间内，单位面积上，单位浓度坡度情况下通过的物理数量（g），它的量纲是：cm/s或cm/d。影响扩散系数最主要的渗碳温度，如不考虑钢中碳与合金元素含量的影响，扩散系数D与温度T（K）的关系可近似表达为D=D0e。 渗碳温度为800~1000℃时，碳在奥氏体中扩散系数可用下式近似计算。

六、化学热处理强化

化学热处理强化是利用外来元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学成分以实现表面强化。在钢铁及合金表面层渗入一种或多种元素，形成固溶体及化合物层，结

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合强度高，不同渗层分别用于提高工件的耐蚀、抗高温氧化、耐磨减摩、抗疲劳强度等性能。主要方法有固体法、液体法、气体法、真空法及离子法等，应用广泛。但是化学处理需要专门的设备，处理周期长、成本高。

七、表面合金化

一般是指利用工件表层金属的重新熔化和凝固，以得到预期成分或组织的一种表面技术。它是采用高能量密度的快速加热，将金属表层熔化，或将涂覆在金属表面的合金材料熔化，随后靠激冷却进行凝固而得到硬化层，而使表层具有高的耐磨性。

八、表面薄膜强化

表面薄膜强化是通过物理的或化学的方法在金属表面被覆与基体材料不同的膜层，形成耐磨膜，抗蚀膜等。 （一）电镀：

电镀种类多，镀层附着力较强，它是利用电解作用，即把具有导电能力的工件表面与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。该镀覆层主要是各种金属和合金。单金属镀层有锌、 镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种；合金镀层有锌-铜、镍-铁、锌-镍-铁等一百多种。形状复杂的工件不易得到均匀的镀层。在金属、塑料、陶瓷或石墨基体上都可电镀，在工业上广泛用于提高工件的装饰、防护、减摩耐磨和其他功能。 （二）电刷镀：

它是电镀的一种特殊方法，又称接触镀、选择镀、涂镀、无槽电镀等。其设备主要由电源、刷镀工具（镀笔）和辅助设备（泵、旋转设备等）组成，是在阳极表面裹上棉花或涤纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。不需镀槽，设备简单，电流密度高，沉积速度快，适用于大型、精密及复杂部件的局部不解体修复，大型构件的现场施工，比漕镀优越。 （三）化学镀：

不需要外电源，较方便，形状复杂的工件亦可得到均匀、致密、孔隙率低、硬度高

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的镀层，但镀层的附着力比电镀稍差，成本较高。在金属和绝缘体上都可镀，用于电子、机械、航天、化工等工件，提高其耐磨、抗蚀等性能。 （四）热喷涂：

它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。 热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂（超音速喷涂）和爆炸喷涂等。经热喷涂的工件具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。

下表是各种热喷涂技术的工作温度：

（五）等离子喷涂：

将喷涂材料通过等离子弧加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子弧高速撞击并沉积在经过粗化、洁净处理的基材表面上，经淬冷凝固后，在基材表面形成喷涂层。 （六）电弧喷涂：

喷涂温度高，雾化微粒飞行速度高，生产效率高，成本较低，涂层与基体的结合强度及涂层自身强度均较线材火焰喷涂。 （七）火焰喷涂：

适用性广，但火焰温度与喷速稍低，涂层孔隙率较高，结合强度稍低。最近发展的超声粉末火焰喷涂，粒子飞行速度达600m/s，涂层致密、耐磨性好。可制备金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等涂层，用于钢铁构件防蚀或工件表面的强化、修复。

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九、结论：

表面工程是经表面欲处理后，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。

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参考文献

[1] 孙希泰.材料表面强化技术[M].北京：化学工业出版社，2005. [2] 徐滨士.表面工程新技术[M].国防工业出版社.

[3] 蒋青.材料科学与工程导论[M].吉林科学技术出版社，1999。3

[4] 潘金生，田民波．材料科学基础[M]．北京：清华大学出版社，2001，56—59 [5] 梁志杰主编.非金属刷镀技术.[M]北京：机械工业出版社，1991

[6] 董星，段雄.喷丸强化机械及技术的发展[J].矿山机械，2004，32（7）：66-68. [7] 栾伟玲、涂善东.喷丸表面改性技术研究进展[J].中国机械工程，2005，16（15）：1405-1409.

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[6] 董星，段雄.喷丸强化机械及技术的发展[J].矿山机械，2004，32（7）：66-68. [7] 栾伟玲、涂善东.喷丸表面改性技术研究进展[J].中国机械工程，2005，16（15）：1405-1409.

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