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1、第六章 表面改性技术,什么是表面改性？表面改性是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。改性后的应用范围？材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨、耐腐蚀、耐高温、合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）。表面改性的优点？表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并能推进高新技术的发展。,Contents,金属表面形变强化原理,表面形变强化？表面形变强化是通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成深度为
2、0.5mm1.5mm的形变硬化层。,形成较高的宏观残余压应力,金属表面形变强化原理,以喷丸为例，奥赫弗尔特对于残余应力的产生提出两方面机制,由于弹丸的冲击产生的表面法向力引起了赫芝压应力与亚表面应力的结合,由于大量弹丸压入产生的切应力造成了表面塑性延伸,金属表面形变强化原理,根据赫芝理论，这种残余应力在一定深度内造成了最大的切应力，并在表面产生了残余压力,金属表面形变强化原理,表面压应力防止裂纹在受压的表层萌生和扩展。在大多数材料中这两种机制并存。在软质材料情况下第二种机制占优势；而在硬质材料的情况下第一种机制起主导作用。经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数
3、有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的硬化率有关。具有较高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可比材料自身屈服点高13倍。材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。一些表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。,金属形变强化的主要方法,常用的金属表面形变强化方法主要有喷丸、孔挤压和滚压等工艺,金属形变强化的主要方法,喷丸强化工艺参数的确定,喷丸强化的原理,喷丸强化的应用实例,喷丸材
4、料,喷丸强化用的设备,1.喷丸,金属形变强化的主要方法,喷丸强化的原理,陶瓷弹丸,聚合塑料弹丸,液态喷丸介质,铸钢弹丸,玻璃弹丸,钢丝切割弹丸,铸铁弹丸,喷丸是国内外广泛应用的一种再结晶温度以下的表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并产生残余压应力。喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀（孔蚀）能力。,金属形变强化的主要方法,铸铁弹丸：冷硬铸铁弹丸是最早使用的金属弹丸，冷硬铸铁弹丸wc=2.75%3.60%，硬度很高，可达到5865HRC，但冲击韧性较低。弹丸经退火处理后，
5、硬度降低至3057HRC，但可提高弹丸的韧性。铸铁弹丸的尺寸为d=0.2-1.5mm，使用中，铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。此种弹丸强化目前应用很少。铸钢弹丸：铸钢弹丸的品质与碳质量分数有很大关系，其wc=0.85%1.20%之间，wMn=0.60%1.20%。目前国内常用的铸钢弹丸，wc=0.95%1.05%，wMn=0.6%0.8%，wSi=0.4%0.6%，wp、ws0.005%。玻璃弹丸：这是近十几年发展起来的新型喷丸材料，已在国防工业和飞机制造业中广泛应用。玻璃弹丸wSi67%，直径在d=0.050.4mm，硬度在4650HCR，
6、脆性较大。密度为2.452.55g/cm3。目前市场上按直径分为0.05mm，0.05mm0.15mm，0.16mm0.25mm和0.26mm0.35mm等四种。,金属形变强化的主要方法,钢丝切割弹丸：当前使用的钢丝切割弹丸是wc=0.7%的弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段，经磨圆加工制成的。常用钢丝直径d=0.41.2mm，硬度为4550HRC为最佳。钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命比铸铁弹丸高20倍左右。陶瓷弹丸：弹丸硬度很高，但脆性较大，喷丸后的表层可获得较高的残余应力。聚合塑料弹丸：是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环境，可连续使用，成本
7、低，即使有棱边的新丸也不会损伤工件表面。常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼光泽。,金属形变强化的主要方法,液态喷丸介质：其包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等，二氧化硅颗粒粒度为40170 m，很细的可用于液态喷丸，抛光模具或其他精密零件的表面。喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压缩空气喷射。氧化铝颗粒也是一种广泛应用的喷丸介质，电炉生产的氧化铝颗粒粒度为531700 m，其中颗粒小于180m的氧化铝可用于液态喷丸，光整加工，但喷射工件中会产生切屑。氧化铝干喷则用于花岗岩和其他石料的雕刻，钢和青铜的清理，玻璃的装饰加工。应当指出，强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角毛刺
8、，否则会损伤零件表面。一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。,金属形变强化的主要方法,金属形变强化的主要方法,金属形变强化的主要方法,金属形变强化的主要方法,喷丸强化工艺参数的确定 合适的喷丸强化工艺参数要通过喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。喷丸强度试验。将一薄板试片紧固在夹具上进行单面喷丸，由于喷丸面在弹丸冲击下产生塑性变形而伸长，喷丸后的试片产生凸向喷丸面的球面弯曲变形，试片凸起大小可用弧高度表示。弧高度与试片厚度h、残余压力层深度d以及强化层内残余应力平均值有如下关系,E为
9、试片弹性模v为泊松比a为测量弧高度的基准圆直径,金属形变强化的主要方法,当试片A（或II）测得的弧高度0.15mm时，应改用试片N（或I）来测量喷丸强度；当用试片A（或II）测得的弧高度0.6mm时，应改用试片C（或III）来测量喷丸强度。,金属形变强化的主要方法,金属形变强化的主要方法,喷丸强化的应用实例20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余压应力为880MPa，寿命从55万次提高到150180万次；40CrNiMo钢调质后再经喷丸处理，残余压应力为880MPa，寿命从4.6105次提高到1.04107次以上；铝合金LD2，经喷丸处理后，寿命从1.1106次提高到1108次以上
10、；在质量分数为3%的氯化钠水溶液中工作的45钢，经喷丸处理后，其疲劳强度从100MPa提高到202MPa；铝合金wZn=6%、wMg=2.4%、wCu=0.7%、wCr=0.1%悬臂梁试验，经喷丸处理后，应力腐蚀临界应力从357MPa提高到400MPa；耐蚀镍合金（Hastelloy合金），鼓风机叶轮在150氮气中运行，六个月后发生应力腐蚀破坏。经喷丸强化并经玻璃珠去污，Hastelloy合金B2反应堆容器在焊接后，局部喷丸以对应力腐蚀裂纹进行修复，在未喷丸表面重新出现裂纹，而经喷丸处理的部分几乎未产生进一步破裂。液体推进容器的钛制零部件未喷丸强化时，在40以下使用14h就发生应力腐蚀破坏，容
11、器内表面经玻璃珠喷丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。此外，喷丸和其他形变强化工艺在汽车工业中的变速箱齿轮、宇航飞行器的焊接齿轮、喷气发动机的铬镍铁合金（Incone1718）涡轮盘等制造中获得应用。,金属形变强化的主要方法,2孔挤压:内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺，效果明显。美国已发表专利。,3滚压:图（a）为表面滚压强化示意图。目前滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准。对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约5mm深的残余压力，其分布如图（b）所示。,感应加热表面淬火,感应加热表面淬火的原理,感应加热表面淬火的原理,感应加热表面淬火的特点,（1）
12、加热速度范围宽，可在31000/s，加热时间短，一般几秒至几十秒就可以完成，晶粒更细。奥氏体晶粒最高可达1415级，因为晶粒细小，淬火后可以获得隐晶马氏体，硬度很高。比一般淬火硬度高出24HRC，因此耐磨性较高。（2）工艺参数容易调节和控制。比如通过调整输出功率、频率和加热时间来准确地控制淬火层深度、硬度。对于同一批工件来说，一旦工艺参数确定，则可以稳定下来，不必再进行调整。因而工效很高，可以实现机械化作业，特别适合大批量生产。（3）因为加热速度快，表面氧化脱碳少，表面质量高。同时感应加热是局部和薄层加热，因此工件几乎不变形。很多情况下都作为最终加工工序。（4）感应加热淬火需要很大的设备投入，
13、需要专门的中频或高频电源装置。需要针对特定的工件制作特定的感应圈，所以单件小批量生产时生产成本高。对大型工件淬火，它无法完成，因此灵活性相对较差。,感应加热表面淬火的工艺流程和技术要点,感应加热表面淬火的工艺流程如图，在工艺制定中要充分考虑诸多影响因素。概括起来主要有：,1前期的预先处理表面淬火适合中高碳钢和铸铁，因为这些材料的碳质量分数决定了其可以通过快速淬火得到中高碳马氏体，强度和硬度会明显提高。而低碳钢则不会收到这样的效果。中高碳钢经过调质处理后，心部可以获得强度和韧性的最佳性能配合，也就是综合机械性能好，使用中与表面淬硬层形成配合。,感应加热表面淬火的工艺流程和技术要点,2表面硬度的选
14、择零件的硬度应根据零件的使用性能确定。用于摩擦部分，如曲轴轴颈、凸轮表面，硬度越高，耐磨性越好，曲轴颈常用HRC5562，凸轮轴常用HRC5664。用于压碎、扭转及剪切部分的零件，硬度应高一些，如锻锤锤头表面、汽车半轴、钢板弹簧等，常用HRC5064。承受冲击载荷的零件，如齿轮、花键轴，既要求表面硬度，也要求足够的韧性，因此硬度应适当降低，常采用HRC4048。对于灰铁件，硬度可达HRC38或更高；球铁硬度在HRC4555。感应淬火后钢表面的硬度主要取决于碳质量分数。当wc=0.15%0.75%时，淬火硬度可由下式计算HRC2060(2wc1.3（wc）2)式中wc为钢的含碳量HRC为马氏体淬
15、硬层硬度的平均值。,感应加热表面淬火的工艺流程和技术要点,表6-2为几种常用钢感应淬火后平均硬度值。,3硬化层深度选择 硬化层深度也需要根据工件的工作条件选择，表6-3为零件失效原因和工件条件对硬化层的要求。,感应加热表面淬火的工艺流程和技术要点,4加热温度的确定 加热温度要针对不同的材料和表面硬度的要求确定，碳钢和合金钢的加热温度是不同的，合金成分不同，加热的温度也会明显不同。而且，因为感应加热速度比空气加热和火焰加热都快，会明显提高钢的AC3和AC1点，一般会高出几十至上百度，所以要认真分析各种钢的加热温度。5设备输出频率的确定感应电源的输出频率主要有高频(100500KHz)、超音频(2
16、0100KHz)、中频(0.510KHz)、和工频(50Hz)。频率是根据零件的尺寸和硬化层深度确定的。（1）电流透入深度、热透入深度与硬化层的关系。感应淬火主要依靠感生电流直接加热，可以近似认为热透入深度与电流透入深度相等，即,由式子可以得出不同频段的透热层深度，如表6-4为电流频率与热透入深度的关系。,感应加热表面淬火的工艺流程和技术要点,感应淬火时为提高生产效率，获得更高的表面硬度，要求热透入深度大于硬化层厚度，即全部采用电流直接加热，而不是依靠传导式加热。为获得较大的残余压应力，一般要求过渡层厚度不超过硬化层深度的1/4，这时选取透热层深度为硬化层深度的2倍，即,式中,为硬化层深度。,
17、（2）不同形状零件的最佳频率将式（6-2）代入（6-1）可以得到感应加热最佳频率,很多情况下工件直径越大，所需硬化层深度越大，所以要根据工件尺寸选择频率，如表6-5所示。,6.感应圈的制作感应圈的制作要满足两点要求：形状要与工件加热部位尽量接近；尺寸要尽量保持与加热面的小间隙。只有这样才能发挥感应电流的集肤效应。,感应加热淬火设备,感应加热淬火设备,在几类感应电源中，工频电源在感应加热设备中输出频率最小的，透热时间较长，但深度最大，适合对大型零件的深度淬火。高频加热电源则更适合薄层和更细化晶粒的快速加热。相对而言，中频电源输出频率和功率是适用范围最宽的。它的输出频率为1 KHz、2.5 KHz
18、和8KHz。输出功率有10KW、20KW、50 KW、100 KW、200KW、250KW。中频电源现在基本上作为可控硅整流设备。图6-8为可控硅中频电源的原理图。中频电源结构简单，维护容易，适用范围宽。在调整好输出功率和频率时，可以在较短时间内（几秒至十几秒）获得中等厚度（2mm）的加热层。它适合对承受弯曲、扭转等交变载荷的零件，比如曲轴、主轴、大齿轮等零件的感应加热淬火。为获得更薄的淬硬层，需要加热速度更快的高频电源。,感应加热表面淬火的应用,（1）齿轮的表面淬火。齿轮一般用调质钢制造，如45、40Cr钢。它们经调质处理后进行表面淬火，然后自回火。齿轮表面组织为隐晶回火马氏体，硬度为545
19、8HRC，心部组织为回火索氏体，硬度为2025HRC。（2）轴类的表面淬火。车床主轴如图所示。原始组织为正火组织，即索氏体+铁素体，硬度为180220HB。表面硬度要求5255HRC，内锥孔表面硬度要求4550HRC，采用高频感应连续加热淬火+炉内220250低温回火可以满足上述要求。内燃机主轴选用40Cr钢制造，先进行调质处理，组织为回火索氏体，硬度为2025HRC。表面要求有良好的耐磨性，因此用中频加热淬火+低温回火，得到回火马氏体，硬度为5255HRC，淬硬层深度在34。整体的抗拉强度为8001000MPa，冲击韧性为750800KJ/m2。（3）机床导轨表面淬火。车床导轨由HT320制
20、造，原始组织为珠光体+细片状石墨，导轨表面要求耐磨，因此用高频加热表面淬火，获得马氏体+细片状石墨，硬度提高到4852HRC，淬硬层深度为1.5mm。,火焰加热表面淬火,火焰加热表面淬火是应用氧-乙炔或其他气体火焰喷射到工件表面，使其表面迅速地加热到淬火温度，然后将一定的冷却介质喷射到加热表面或是将工件浸入到冷却介质中进行淬火的工艺方法称为火焰加热表面淬火，简称火焰淬火。其目的与感应加热淬火基本相同。火焰加热表面淬火的特点 火焰加热表面淬火与感应加热表面淬火等方法相比，具有如下特点：（1）设备简单，投资少。（2）操作灵活，适用钢种广泛，特别适用于超大异形工件，并可进行现场处理。（3）通过调整喷
21、枪的行进速度及喷嘴与工件淬火表面的距离，可获得较为平缓 的淬硬层，并可在一定程度上调整淬硬层深度（2-10mm）。（4）多为手工操作，机械化、自动化程度较低，噪音大，劳动条件差，混合气 体不够安全。（5）只适用于喷射方向的表面，薄壁零件不适合火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火使用的燃料 火焰加热表面淬火中，使用的燃料主要是煤气(CO)或碳氢化合物（比如C2H2），还有天然气、液化石油气等。几种常用燃料气体的特征可以从表6-6中看出。实际操作中，通过控制火焰与工件相对位置及两者相对移动速度来控制工件的表面温度、加热层深度、加热速度等。一般地，工件在火焰区停留时间越长，表面温度越高；火焰面积大小一
22、定时，单位时间内消耗的燃气越多，工件表面加热速度越快。,火焰加热表面淬火,火焰加热表面淬火方法,火焰加热表面淬火方法可分为同时加热方法和连续加热方法，其操作方法、工艺特点和适用范围见表6-7。,火焰加热表面淬火工艺,1对钢原始组织的要求 火焰加热速度比较快，与普通热处理比较其奥氏体化时间短，晶粒不易长大，故奥氏体化温度向高温推移。正因为火焰加热奥氏体化时间短，火焰加热淬火前要对工件进行正火或调质处理，获得细粒状或细片状珠光体或回火索氏体，以得到综合机械性能。火焰加热淬火适宜的材料也很广泛，一般情况下，中碳及中碳合金结构钢、工模具钢、马氏体不锈钢都可以采用火焰表面淬火，灰铸铁、球墨铸铁也可以采用
23、火焰淬火。2对加热温度的控制 由于火焰加热时间短，奥氏体化时间短，晶粒长大的时间也极短，故其实际晶粒度较为细小。因此可适当提高其奥氏体化温度，以促进其碳化物的溶解和均匀化，不同材料的火焰加热淬火温度要比普通淬火温度高20-30，一般钢件淬火温度为AC3+(80-100)，铸铁为730+28（wSi-25wMn。火焰加热表面淬火温度与喷嘴和工件的距离及喷嘴移动速度密切相关，但火焰加热的移动速度和加热时间的掌握比较困难，尤其是异形表面、局部尖角、孔洞、键槽边缘的温度控制更为困难，实际操作中主要由操作者目测火色来确定。3对淬火硬化层深度的控制 火焰加热表面淬火硬化层深度主要取决于钢材的淬透性、工件尺
24、寸、加热层深度以及冷却条件等，对具体工艺的控制则主要取决于加热温度、加热时间或淬火行进速度以及冷却介质。,火焰加热表面淬火中出现的问题及其控制,1淬火开裂 淬火开裂是火焰加热表面淬火的常见缺陷，尤其是齿轮淬火极易在齿顶处出现密集裂纹。一般合金结构钢（如40Cr、40CrMo、35CrMo）齿轮火焰加热表面淬火推荐使用合成淬火剂，否则采用水淬很难通过磁粉或着色探伤检验。乳化剂可以避免碳钢件的淬火裂纹，但对合金结构钢的效果不明显。此外操作中要避免起头和收尾的重叠，应当有510mm软带，中间中断淬火后，重新起头时也应当留510mm软带，否则在这些重叠区很容易产生淬火。火焰应距离边缘或尖角510mm，
25、否则边缘或尖角也极易由于温度高、淬火应力大而产生裂纹。2硬度不足或不均匀 火焰加热表面淬火硬度不足的主要原因有材料碳质量分数偏低，加热温度不高、冷却不良（冷却水压低，水量不足）等；硬度不均匀则是由于火孔大小不一、火孔堵塞、喷水孔堵塞等原因。3熔化 火焰加热表面淬火时移动速度慢，火停顿可引起淬火表面烧熔，此外，尖角、孔边也极易烧熔，轻微熔化可用砂轮打磨修复。4畸变 板状工件单面淬火时，火焰加热表面淬火极易产生变形。可以通过改善加热条件，调整喷嘴尺寸等减小淬火变形，对于单面淬火可以采用夹具固定、淬火后采用长时间回火消除应力，以减少变形，并可采用加热校直的方法恢复工件尺寸精度。,应用实例,1、电铲提
26、升卷筒火焰加热表面淬火 提升卷筒是采煤挖掘设备电铲的重要部件，尺寸大，筒壁厚，材料为45钢，其工作面承受钢丝绳频繁剧烈的摩擦和交变应力。采用丙烷-氧火焰加热表面淬火处理，其工艺参数为：丙烷流量为2-2.3m3/h，氧气流量为2.83.6 m3/h，丙烷压力为0.08MPa，淬火速度95105mm/min，喷嘴与工件间隙1014mm。淬火处理后表面硬度达到50HRC，淬硬层深度3.5mm，表层组织为贝氏体，过渡层为贝氏体+珠光体+铁素体组织。采用该工艺处理后，卷筒表面的耐磨性大幅度提高，切应力分布理想，不易产生内裂纹或表层剥落现象。2、发动机挺杆火焰加热表面淬火 挺杆是发动机上的关键部件，与凸轮
27、形成高应力接触，摩擦较大，因而工件表面要求高硬度及高耐磨性，基体具有一定的综合力学性能。挺杆原来热处理采用盐浴整体淬火或高频感应加热淬火，常出现裂纹、变形或表面硬度不足。采用火焰加热表面淬火工艺对挺杆进行处理，保证了产品质量，降低了生产成本，取得良好效果。,应用实例,如图a为挺杆的外形尺寸，该件为铬钼铜冷镦合金铸铁。图b为挺杆火焰加热表面淬火装置示意图，火焰加热温度为88020，挺杆旋转速度为30-60r/min，乙炔压力为0.040.06MPa，氧气压力为0.50.7MPa，喷嘴距加热表面的距离为50mm，淬火后经190120min回火。采用该工艺处理后，淬硬层深度3mm，冷激层深度4mm，
28、底面硬度为6369HRC，杆部硬度为93104HRB。,应用实例,3高压管件内表面火焰加热表面淬火高压管件广泛用于石油矿山高压管路的链接，承受高压介质的冲刷和磨损，要求内表面具有高硬度、高耐磨性，同时具有一定的综合力学性能。高压管件采用35CrMo钢制造，其火焰加热表面淬火装置如图c所示。火焰加热表面淬火的工艺参数为：火焰加热温度90040，乙炔压力为0.04-0.06MPa，氧气压力为0.50.7MPa，工件旋转速度24r/min，喷嘴与工件的相对移动速度100140mm/min，淬火后进行220（80100）min回火。该工件处理后表层为回火马氏体，硬度为5055HRC，次表层为回火马氏体
29、+铁素体。,金属表面热化学处理,1金属表面化学热处理过程 金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。其工艺过程是，首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解（包括活性组分向工件表面扩散，以及界面反应产物向介质内部扩散）并释放出欲渗入元素的活性原子，活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表层扩散渗入，形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。2金属表面化学热处理的目的提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。提高材料疲劳强度。如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变使体积发生变化，导致表层产生很大的残余压应力，从而提高疲
30、劳强度。使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗铝等。,渗硼,1渗硼过程和目的 渗硼是把工件置于含有硼原子的介质中加热到一定温度，保温一段时间，通过化学或电化学反应，使硼原子渗入工件表层形成一层坚硬的硼化物渗层。渗硼主要是为了提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。可用于钢铁材料、金属、陶瓷和某些有色金属材料，如钛、钽和镍基合金。渗硼最合适的钢种为中碳钢和中碳合金钢。,2渗硼层组织 如图为铁硼状态图，可以看出硼原子在相或相的溶解度很小，当硼的质量分数超过其溶解度时，就会产生硼的化合物Fe2B()。当 wB8.83%时，会产生FeB()。当w
31、B=6%16%时，会产生FeB与Fe2B白色针状混合物。一般希望得到相对单相的Fe2B。钢中的合金元素大多数可溶于硼化物层中（例如铬和锰）,因此认为硼化物是(Fe,M)2B或(Fe,M)B更为恰当（其中M为一种或多种金属元素）。碳和硅不溶于硼化物层，而被硼从表面推向硼化物前方而进入基材。,渗硼,如图是这些元素在碳钢的硼化物层中的分布示意图。硅在硼化物层前方的富集量可达百分之几，使低碳铬合金钢硼化物层前方形成软的铁素体层，只有降低钢的Si的质量分数才能解决这一问题。碳的富集会析出渗碳体或硼渗碳体，例如Fe3B0.8C0.2。,3渗硼层的性能渗硼层的硬度很高，例如Fe2B的硬度为13001800H
32、V；FeB的硬度为16002200HV。由于FeB脆性大，一般希望得到单相的，厚度为0.070.15mm的Fe2B层。如果合金元素含量较高，由于合金元素有阻碍硼在钢中的扩散作用，则渗硼层厚度较薄。硼化铁的物理性能参见表6-8。热硬性高，渗硼层在800时仍保持高的硬度。在盐酸、磷酸、硫酸和碱中有良好的耐腐蚀性，但不耐硝酸。在600以下抗氧化性能较好。,渗硼,4渗硼方法（1）固体渗硼：固体渗硼在本质上属于气态催化反应的气相渗硼，供硼剂在高温和活化剂的作用下形成气态硼化物（BF2、BF3）它在工件表面不断化合与分解，释放出活性硼原子并不断被工件表面吸附并向工件内扩散，形成稳定的铁硼化物层。固体渗硼是
33、将工件置于含硼的粉末或膏剂中，装箱密封，放入加热炉中加热到9501050保温一定时间后，工件表面上获得一定厚度的渗硼层。这种方法设备简单，操作方便，适应性强，但劳动强度大，成本高。欧美国家多采用固体渗硼。常用的固体渗硼剂有：,渗硼,粉末渗硼。粉末渗硼由是由供硼剂（硼铁、碳化硼、脱水硼砂等）、活性剂（氟硼酸钾、碳化硅、氯化物、氟（供硼剂）化物等）、填充剂（木炭或碳化硅等）组成。如配方B4C5%（供硼剂）+KBF4（活性剂）+SiC（90%）（填充剂）。各成分所占比例与被渗硼的材料有关。对于铬含量高的钢种，建议在渗硼粉中加入适量铬粉。膏剂渗硼。膏剂渗硼是将供硼剂加一定比例的粘结剂组成一定粘稠膏状物
34、涂在工件表面上进行加热渗硼处理。膏剂渗硼的配方有：a 由碳化硼粉末（0.0630.056mm）50%和冰晶石50%组成。用水解四乙氧基甲硅烷作粘结剂组成膏状物质。渗硼前，先在200干燥1h后再进行渗硼。b 5%50%B4C（0.100mm）+5%50%冰晶石（粉末状）+40%49%氟化钙（0.154mm），混合后用30%松香+70%酒精调成糊状，在工件上涂2mm的涂层，然后晾干密封装箱，最后装入加热炉中进行渗硼。若膏剂渗硼是在高频感应加热条件下进行，不仅可以得到与炉子加热条件下相同的渗硼层，而且可大大缩短渗硼时间。（2）气体渗硼 与固体渗硼的区别是供硼剂为气体，气体渗硼需用易爆的乙硼烷或有毒的
35、氯化硼，故没有用于工业生产。（3）液体渗硼 也叫盐浴渗硼，这种方法应用广泛。它主要是由供硼剂硼砂还原剂（碳酸钠、碳酸钾、氟硅酸钠等）组成的盐浴，生产中常用的配方有：80%Na2B4O7+20%SiC或80%Na2B4O7+10%Al+10%NaF等。,渗硼,（4）等离子渗硼 等离子渗硼可以用与气体渗硼类似的介质。这一领域正在研究，还没有工业应用的实例。5渗硼在生产实际中的应用,渗碳、渗氮、碳氮共渗,1渗碳 渗碳是为了增加低碳钢和低碳合金钢表层的碳质量分数、获得一定的碳质量分数梯度，将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。常用渗碳钢主要有低强度钢（15钢、20
36、钢、20Mn2、20Cr等）、中强度钢（20CrMnTi、20CrMnMo、20MnTiB等）和高强度钢（18CrNiWA，20CrNi4A等）。渗碳钢要求渗碳层应具有高硬度、高强度和一定的塑性，所以渗碳工件表层的碳质量分数不应过高。要求渗碳工件具有良好的锻造性能、切削加工性能和热处理性能。而且要求渗碳工件不能有较多和粗大的非金属夹杂物，不允许有严重的带状组织。渗碳结束后，渗层中不得出现反常组织。（1）结构钢的渗碳 结构钢经渗碳后能使零件工作表面获得高的硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性。常用的渗碳方法有三种：气体渗碳。气体渗碳是生产中应用最
37、广的一种渗碳方法，它是在含碳的气介质中通过调节气体渗碳气氛实现渗碳的目的。气体渗碳根据所用渗碳气体的产生办法及种类，分为滴注式气体渗碳、吸热式气体渗碳和氮基气氛渗碳。常用渗碳设备可分为周期式炉和连续式炉两大类。周期式炉用于单件或小批量渗碳工艺；连续式炉实现了连续式装卸工件，生产率较高。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,盐浴渗碳。也叫液体渗碳，将被处理的零件浸入盐浴渗碳剂中，通过加热使渗碳剂分解出活性碳原子进行渗碳。如75%85%Na2CO3、l5%15%NaCl、8%15%SiC就是一种熔融的渗碳盐浴配方。10钢在950保温3h后可获得总厚度1.2mm的渗碳层。液体渗碳所用的设备简单，渗碳速度快，灵活性
38、大，渗碳后便于直接淬火，适合于中、小型零件的渗碳。固体渗碳。固体渗碳是一种传统的渗碳方法，将工件放在填充粒状渗碳剂的密封箱中进行渗碳的工艺。固体渗碳需要要专门的渗碳设备，操作简单，成本低，但渗碳时间长，渗层不易控制，不能直接淬火，劳动条件也较差，主要在单件、小批量生产等特定条件下采用。为了提高渗碳速度而引进了快速加热渗碳法、真空、离子束、液态层渗碳等先进的工艺方法，他们均能提高渗碳速度和渗碳质量。（2）影响渗碳的因素渗碳后表层的碳质量分数、渗碳层深度及碳质量分数变化梯度是决定工件渗碳淬火后组织和性能的主要因素，他们的数值与渗碳的时间、温度、钢的化学成分及渗碳剂活性有关。渗碳温度。在其他参数相同
39、的条件下，渗碳温度越高，渗层越厚，表层碳质量分数越高；温度越低，则效果相反。主要原因为：第一，随着温度的升高，使碳在钢中的扩散速度加快，第二，随着温度的升高，碳在奥氏体中的溶解度增大。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,保温时间。碳在钢中的扩散速度及扩散层深度是温度和时间的函数，如图为三种渗碳温度所得的渗层深度与保温时间的关系。由图可知，同一渗碳温度，渗层深度随时间的延长而增加，但增加的程度逐渐减慢，低温时减慢的速率更快，这是由于渗层中碳质量分数随着时间的延长而逐渐减小的缘故。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,（3）应用实例可控气氛渗碳工艺 汽车转向器齿轮，材料20CrNiMo。在可控气氛多用炉生产线上进行渗碳，其
40、工艺参数见表6-10，如图为汽车转向器齿轮可控气氛渗碳工艺曲线。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,齿轮渗碳后渗碳层深度为0.700.75mm，表层硬度为5863HRC，心部硬度为3542HRC，表面为回火马氏体+极少量粒状碳化物，心部为低碳马氏体+铁素体。氮基气氛渗碳 20CrMnTi、20CrMo钢阀体及阀体类工件进行氮基可控气氛渗碳，用空分普氮（N2）为95%作为氮源，以甲醇+N2制备N2:H2:CO=4:4:2(体积比)的氮基气氛。富化气仍采用有机碳氮化合物。渗碳淬火后表面硬度可控制在6365HRC，碳势w(C)控制精度达到0.03%，渗层深度1.71.8mm，其渗碳工艺如图所示。,渗碳、渗氮、碳
41、氮共渗,2渗氮渗氮是在含有氮或氮原子的介质中将工件加热到一定温度，工件表面被氮原子渗入的一种工艺方法。渗氮处理通常在480600进行，渗氮的介质可采用气体、熔盐或固态颗粒。渗氮工艺复杂，时间长，成本高，所以只用于耐磨、耐蚀和精度要求高的耐磨件，如发动机气缸、排气阀、阀门、精密丝杆等。工件经渗氮后获得高的表面硬度，加热到500时，硬度变化不大，具有低的划伤倾向和高的耐腐蚀性。在自来水、潮湿空气、气体燃烧物、过热蒸汽、苯、不洁油、弱碱溶液、硫酸、醋酸、正磷酸等介质中均有一定的耐蚀性。（1）渗氮的分类低温渗氮。低温渗氮是指渗氮温度低于600的各种渗氮方法。渗氮层的结构主要决定于Fe-N相图。其主要渗
42、氮方法有气体渗氮、液体渗氮、离子渗氮等。低温渗氮主要用于结构钢和铸铁。目前广泛应用的是气体渗氮法，把需渗氮的零件放入密封渗氮炉内，通入氨气，加热至500600氨发生以下反应：2NH3=3H2+2N生成的活性氮原子N渗入钢表面，形成一定深度的氮化层。根据Fe-N相图，氮融入铁素体和奥氏体中，与铁形成相（Fe4N）和相（Fe2-3N），也溶解一些碳。所以渗氮后，工件最外层是白色相或相，次外层是暗色+共析体层。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,高温渗氮。高温渗氮是指渗氮温度高于共析转变温度（6001200）下进行的渗氮。主要用于铁素体钢、奥氏体钢、难熔金属（Ti、Mo、Nb、V等）的渗氮。(2)各种材料渗氮结
43、构钢渗氮。任何珠光体类、铁素体类、奥氏体类以及碳化物类的结构钢都可以渗氮。为了获得具有高耐磨、高强度的零件，可采用液氮专用钢种（38CrMoAlA）。近年来出现了不采用含铝的结构钢的渗氮强化。结构钢渗氮温度一般选在500550左右，渗氮后可明显提高疲劳强度。高铬钢渗氮。工件经酸洗或喷砂去除氧化膜后才能进行渗氮。为了获得耐磨的渗层，高铬铁素体钢常在500600进行渗氮。渗氮层深度一般不大于0.120.15mm。工具钢渗氮。高速钢切削刃具短时渗氮可提高寿命0.51倍。推荐渗层深度为0.010.025mm，渗氮温度为510520。相对于小型模具（15mm）渗氮时间为25min20min，对较大工具（
44、16300mm）为2530min；对大型工具为60min。上述规范可得到高硬度（13401460HV），热硬性为700仍可保持700HV的硬度。Cr12模具钢经150520、812h渗氮后可形成0.080.12mm的渗层，硬度可达11001200HV热硬性较高，耐磨性比渗氮高速钢还要高。铸铁除白口铸铁、灰铸铁、不含Al、Cr等合金铸铁外均可渗氮，尤其球墨铸铁的渗氮应用更为广泛。难熔合金也可以进行渗氮，用于提高硬度、耐磨性和热强性。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,钛及钛合金离子渗氮，经8508h后形成TiN，层深为0.028mm，硬度可达8001200HV。钼及钼合金离子渗氮，经1150以上温度渗氮1h
45、，渗氮层深度达150m，硬度达300800HV。铌及铌合金渗氮，在1200渗氮可得到硬度大于2000HV的渗氮层。,（3）渗氮的应用实例镗杆 镗杆渗氮层深度0.450.65mm，硬度大于950HV，脆性12级，生产周期6580h。其气体渗氮工艺曲线如图。如采用等温渗氮则需在（53510）或（5405）保温80110h。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,活塞环（6Cr13Mo）活塞环渗层深度大于0.12mm，脆性12级，硬度900HV0.1。其渗氮温度为560，时间20h，氨分解率控制在30%50%，缓慢升温及缓慢降温是解决活塞环变形问题的关键点。目前汽车、摩托车活塞环表面强化工艺中广为采用的一种方法。,
46、35钢阀杆的抗蚀渗氮 35钢阀杆经调质（840860保温1.5h，油淬；580保温1h）处理后，进行抗蚀渗氮表面处理，阀杆经渗氮后，表面形成厚约0.0150.06mm的致密耐蚀渗氮层。35钢阀杆抗蚀渗氮工艺曲线如图。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,3碳氮共渗 在奥氏体温度下，同时将碳、氮活性原子渗入工件表面，且以渗碳为主的表面化学热处理工艺称为碳氮共渗。碳氮共渗层比渗碳层具有更高的耐磨性、抗疲劳强度和耐蚀性。（1）碳氮共渗分类 碳氮共渗处理按共渗温度可分为低温碳氮共渗（低于750）、中温碳氮共渗（750880）和高温碳氮共渗（高于880）；按渗层深度可分为薄层碳氮共渗（小于0.2mm）、普通碳氮共渗（
47、0.20.8mm）和深层碳氮共渗（大于0.8mm）；按共渗方式不同可分为固体碳氮共渗、液体碳氮共渗和气体碳氮共渗。（2）碳氮共渗过程碳氮共渗过程可分为三个阶段：共渗介质分解产生活性碳原子和氮原子；分解出来的活性氮原子和碳原子被钢表层吸收，并逐渐达到饱和状态；钢表层饱和的碳氮原子向内层扩散。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,（3）应用举例滴入式气体碳氮共渗 某轿车后桥被动弧齿锥齿轮材质为20CrMnTi。该工件用三乙醇胺在RJJ-60井式炉中进行滴入式气体碳氮共渗，其工艺曲线如图所示。齿轮深层深度要求为1.01.4mm，表面硬度5864HRC，心部硬度3348HRC。工件共渗后缓冷，再进行再次加热淬火及低
48、温回火。往三乙醇胺中加约20%尿素，可提高渗层中的氮含量。由于这种渗剂粘性较大，应将其加热到70-100后立刻通入炉内。,渗碳、渗氮、碳氮共渗,采用煤油加氨气的碳氮共渗 这种工艺大多数是在井式渗碳炉中进行，利用原有的气体渗碳设备加一套氨气供应装置即可。例如，用40Cr钢制造的汽车变速箱及齿轮，工件要求渗层深度0.250.4mm，表面组织为针状马氏体及少量残留奥氏体。如图所示工艺规范碳氮共渗，在保温23h后直接淬火，层深和组织符合技术要求，表面硬度6063HRC，心部硬度5053HRC，表层碳、氮质量分数分别为0.8%及0.3%-0.4%。,渗金属,渗金属方法是使工件表面形成一层金属碳化物的工艺
49、方法，即渗入元素与工件表层中的碳结合形成金属碳化物层的化合物层，如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等，次层为过渡层，此类工艺方法适用于高碳钢，渗入元素大多数为W、Mo、Ta、V、Nb、Cr等碳化物形成元素。为了获得碳化物层，基材碳的质量分数必须超过0.45%。1渗金属层的组织 渗金属形成的化合物层一般很薄，约0.0050.02mm。层厚的增长率符合抛物线定则，式中x为层厚；k是与温度有关的常数；t为时间。经过液体介质扩渗的渗层组织光滑而致密，呈白亮色。当工件wc=0.45%时，除碳化物层外还有一层极薄的贫碳层。当工件wc1%时，只有碳化物层。2渗金属层的性能渗金属层的硬度极高，耐磨性
50、很好，抗咬合和抗擦伤能力也很高，并且具有摩擦系数小等优点。表6-11是100g负荷测得的显微硬度值。,渗金属,3渗金属方法（1）气相渗金属法 在适当温度下，可以挥发的金属化合物中析出活性原子沉积在金属表面上与碳形成化合物。一般使用金属卤化物作为活性原子的来源，其工艺过程是将工件置于含有渗入金属卤化物层的容器中，通入H2或Cl2进行置换还原反应，使之析出活性原子，然后进行渗金属操作。使用羟基化合物在低温分解的方法进行表面沉积，例如W(CO)6在150条件下能分解出W活性原子，然后渗入金属表面形成钨的化合物层。（2）固相渗金属法 固相渗金属法中应用较广泛的是膏剂渗金属法，它是将渗金属膏剂涂在金属表
