《表面工程》PPT课件.ppt

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1、表面工程学：,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,表面预处理：,表面加工前，对材料及其制品进行的机械、化学或电化学处理，使表面呈净化、粗化或钝化状，以便进行后续表面处理的过程。,材料在表面加工之前，会由于各种原因在表存在各种各样的我们不想要的物质或状态.,指标：表面清洁度、表面粗糙度,不同的表面工程技术对表面的要求是不一样的！,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,一、机械性处理,借助机械力出去材料表面上的腐蚀产物、油污及其他各种杂物，以获得清洁表面的过程。,特点：工艺简单，适应性强,适用范围：除锈、脱脂、除型砂

2、、去泥土和表面粗化等。,1、机械磨光和抛光2、滚光和刷光3、喷砂或喷丸,处理方法：,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,1、机械磨光和抛光,用粘有磨料的磨光轮对金属表面进行磨削,去除零件表面的划痕、毛刺、砂眼、焊缝残留物、腐蚀痕迹和氧化皮等；使表面具有一定的平整度和粗糙度（0.4）。,作用：,机械磨光：,机械抛光：,在装有抛光轮的抛光机上进行抛光轮上有抛光膏（抛光液）,作用：,去除金属表面的细微划痕,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,2、滚光和刷光,将零件放入盛有磨料和化学液滚筒中，借滚筒的旋转使零件与磨料、零件与零件表面相互摩

3、擦，以达到清理表面的过程。,去除表面少量的油和绣、整平金属表面的作用，是零件获得一定的表面光泽。,作用：,滚光：,特点：,清理效率高，适用于大批量生产的小型零件,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,刷光：,利用金属丝轮或金属丝刷，在刷光机上或用手工进行刷光的表面清理过程。,作用：,去除金属表面上的毛刺、氧化物、残存的油污及侵蚀后的黑膜等。,适用于：,小批量零件表面预处理,磨料的选择,滚光磨料有浮石、石英砂、花岗石，皮革角、贝壳、铁屑，钢砂和陶瓷碎片等。,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,3、喷砂或喷丸,以压缩空气或机械离心力为动

4、力，将石英砂、铁砂、钢珠或其它硬质材料喷射或抛射材料表面，利用冲击力和摩擦力来清理材料表面的方法,去除金属制品表面的毛刺、氧化皮以及铸件表面上的熔渣等，也可以用来清理行节俭焊缝处的残留物。,作用：,使表面粗化、提高涂层与基体的结合力，提高金属材料的耐疲劳性能。,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,喷砂分干喷和湿喷两种。,特点：效率高，污染小，可清理各种形状零件，清理质量好。,吸入式喷砂机外形 压力式喷砂机外形 吸入式喷砂枪,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,喷砂设备,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业

5、环境,二、脱脂,1、化学脱脂,利用碱与油脂起化学反应来去除材料表面的油污。,化学脱脂液：,含氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、硅酸钠、乳化剂等,2、有机溶剂脱脂,用于金属零件的初步脱脂,如汽油、苯、四氯化碳等。一般在常温下脱脂。,特点：脱脂速度快、效果好，但溶剂易挥发、易燃、有毒性，使用时应注意通风。,特点：操作简单、脱脂能力强、安全可靠。,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,3、水剂脱脂,以水溶剂作为清洗液去除待处理表面油污的清洗方法。,由表面活性剂、缓蚀剂等组成。用超声波清洗效果更好。特点：可在常温下脱脂，加温脱脂效果更好。使用安全、无污染、价格低。,第一节 表面预

6、处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,4、电化学脱脂,阳极脱脂和阴极脱脂。,在电化学法脱脂液中，工件接直流电，利用电解析出的氢气或氧气泡使油膜变成小油珠而脱离零件。,特点：脱脂效果好，速度快。阴极脱脂易引起高强钢氢脆；阳极脱脂易对有色金属产生腐蚀。,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,三、化学浸蚀、抛光和电化学抛光,1、化学浸蚀,采用酸与金属材料表面的绣、氧化皮及其他腐蚀产物起反应，使其溶解而去除的工艺。,电解浸蚀,脱脂-冷水洗（2次）-化学浸蚀-水洗-中和-水洗-(防锈),工艺过程：,2、电化学抛光（电解抛光）,是以被抛工件为阳极，不溶性金属为

7、阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,3、化学抛光,零件浸在抛光液内，通过化学介质对金属表面凸出部分的溶解降低表面粗糙度，提高零件表面光亮度。特点：适合处理形状复杂的零件，生产效率高。,四、脱脂-浸蚀综合处理,脱脂和浸蚀在同一个槽中一次完成,五、其他表面预处理技术,1、局部保护工艺2、塑料与混凝土表面预处理工艺,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,（1）热固性塑料、ABS塑料、聚苯乙烯等：用溶剂或清洗剂去除表面油垢、脱模剂等杂质，并

8、进行粗化处理以使塑料表面微观粗糙，以提高塑料表面与覆层之间的结合力。,（2）聚烯烃、聚乙烯缩醛等塑料：必须进行表面氧化、酸处理、电晕放电、紫外线等处理，改变其表面极性，提高涂膜的附着力和亲水性。,第一节 表面预处理工艺,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,根据不同的基体材料和不同的表面工程技术，合理进行各种表面预处理工艺,典型的金属清洗工艺,机械清理脱脂水清洗化学浸蚀水清洗中和水清洗（甩干）立即进行表面处理,第二节 表面工程技术的专业环境,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,安全第一！健康第一!,一般的表面技术运用对环境没有什么特殊要求，部分表面工程技术如涂装技术、气相沉积、表

9、面微细加工对专业环境有特色要求。,1 喷涂工作环境的要求 1)最好是在无人的封闭工作间内进行；2)要有强排风装置，防止粉尘危害；3)等离子喷涂应有防噪音措施，如戴耳塞。,2 对涂装环境的要求,第二节 表面工程技术的专业环境,第三章 表面工程技术的预处理工艺与专业环境,1)场地干净无飞尘；2)对环境的温度、湿度有一定要求；3)加强通风，防止异味损害工人健康；4)要有防火措施等。,表面工程学：,第四章 表面淬火和表面形变强化,不需要外加材料，主要依靠材料自身组织于结构转变来进行表面改性的工艺,第一节 表面淬火技术的原理与特点,第四章 表面淬火和形变强化技术,一、原理与分类,将特定的热源将钢铁材料表

10、面快速加热到相变点以上（对亚共析钢-Ac3，过共析钢-Ac1），并使之发生奥氏体转变，随后进行快速冷却，使表面发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。,分类：根据表面淬火的热源来分：感应加热淬火、火焰淬火激光淬火、电子束淬火,常用淬火材料：主要是中碳钢和球墨铸铁低淬透性钢、限制淬透性钢,火焰表面淬火,高频感应表面淬火,等离子弧表面淬火,激光表面淬火,电阻表面淬火,第一节 表面淬火技术的原理与特点,第四章 表面淬火和形变强化技术,一般按加热源的名称分类,第一节 表面淬火技术的原理与特点,第四章 表面淬火和形变强化技术,二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别,因为表面淬火的加热速度和冷却速度很快。

11、,有很大的区别,1、加热速度提高使钢的相变点升高；奥氏体晶粒及其中的亚结构显著细化；甚至出现无扩散奥氏体相变；冷却速度快，淬火后的硬度值比普通淬火高,2、加速加热使渗碳体难以分解，形成的奥氏体成分不均匀，促进了过冷奥氏体分解，缩短奥氏体转变孕育期，淬火后形成高、低马氏体区域，造成纤维硬度的微观硬度不均匀。表面淬火钱要进行预先热处理（调质、正火、球化退火）使碳化物和自由铁素体均匀、细小分布，以有利于快速加热时奥氏体均匀化。,第一节 表面淬火技术的原理与特点,第四章 表面淬火和形变强化技术,三、表面淬火层的组织与性能,1、组织,表面淬火层分为：（1）淬硬区（完全相变区）（2）过渡区（部分相变区）（

12、3）心部区（无相变区）,45钢的淬硬区组织为马氏体；过渡区组织为马氏体铁素体；心部组织为珠光体铁素体。,第一节 表面淬火技术的原理与特点,第四章 表面淬火和形变强化技术,2、性能,（1）表面硬度：经高频加热淬火的工件其表面硬度比普通淬火高25个HRC。这是由于表面淬火晶粒细化和高的残余压应力。,（2）耐磨性：高频淬火件的耐磨性比普通淬火要高。这是由于淬硬层中马氏体晶粒极为细小，碳化物高度弥散，淬硬层硬度和强度都比较高。,第一节 表面淬火技术的原理与特点,第四章 表面淬火和形变强化技术,（3）疲劳强度：高频淬火可显著提高零件的疲劳强度。这是由于表面产生的压应力可以抑制裂纹的萌生和扩展，使其缺口敏

13、感性下降。,第二节 感应加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,一、感应加热淬火技术,感应电流在工件表层密度最大，而心部几乎为零，这种现象称为集肤效应。,电流透入工件表层的深度主要与电流频率有关：,1、感应加热的基本原理,第二节 感应加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,一、感应加热淬火技术,2、感应加热表面淬火的分类根据电流频率的不同，可将感应加热表面淬火分为三类：第一类 高频感应加热淬火：电流频率范围为200-300千赫兹，淬硬层深度为。适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等。第二类 中频感应加热淬火：常用电流频率范围为2500-800赫兹，淬硬层深度为2-10mm。适用

14、于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。第三类 工频感应加热淬火：电流频率为50赫兹，不需要变频设备，淬硬层深度可达10-15mm。适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮等的表面淬火。,感应加热频率越高，淬硬层越浅，但加热速度越快。,第二节 感应加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,一、感应加热淬火技术,3、感应加热适用的材料 表面淬火一般适用于中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB等。这些钢经预先热处理（正火或调质处理）后再表面淬火，心部有较高的综合机械性能，表面也有较高的硬度和耐磨性。另外，铸铁也是适合于表面淬火的材料。,第二节 感应加热淬火技术,第四章 表

15、面淬火和形变强化技术,二、感应加热淬火工艺流程,预先调质处理确定加热温度与家人方式根据工件要求选择比功率设计加热感应器确定冷却方式与冷却介质制定回火工艺参数,第二节 感应加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,三、感应加热表面淬火的特点,与普通淬火相比，感应加热表面淬火具有以下主要特点：一、加热温度高，升温快。这是由于感应加热速度很快，因而过热度大。尖角部分容易过热（尖角效应）二、工件表层易得到细小的隐晶马氏体，因而硬度比普通淬火提高2-3HRC，且脆性较低。三、工件表层存在残余压应力，因而疲劳强度较高。四、工件表面质量好。这是由于加热速度快，没有保温时间，工件不易氧化和脱碳，且由于内部

16、未被加热，淬火变形小。五、形状复杂零件按不容易得到均匀的淬硬层五、生产效率高，便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。,第二节 感应加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,高频感应加热装置（电子管式）,第二节 感应加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,晶体管式高频感应加热设备,第二节 感应加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,第三节 火焰加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,用火焰将工件表面快速加热到Ac3或Acm以上，然后用水快速冷却，以在表层获得马氏体组织。,第三节 火焰加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,火焰加热淬火方法,（1）旋转法：火焰喷

17、嘴或工件旋转。适合中小型工件。,（2）推进法：工件和火焰喷嘴做相对移动。适合导轨、大齿轮等工件；,第三节 火焰加热淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,（3）联合法(旋转推进法)：使火焰喷嘴及冷却装置沿着转动的工件作相对移动。适合长轴类工件。,第四节 激光淬火与电子束淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,激光淬火齿轮,利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，处于低温的内层材料快速导热，表层快速冷到马氏体相变一下，获得淬硬层。,一、激光淬火技术（激光相变硬化）：,合金铸铁（活塞环）,60,500,第四节 激光淬火与电子束淬火技术,第四章 表面淬火

18、和形变强化技术,1、激光淬硬层的组织和性能,相变硬化区：极细的马氏体；过渡区：为复杂的多相组织；基体：原始的基体组织。,45钢表面激光淬火区横截面金相组织,45钢激光淬火区显微硬度与淬硬层深度的关系,第四节 激光淬火与电子束淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,1、材料成分,影响淬硬层因素,淬硬层的硬度与和钢的淬硬性有关。,2、激光工艺参数,3、表面处理状态,（1）与基体力学性能有关的热处理：被处理金属的原始组织对激光淬硬层的硬度和深度都有影响。,（2）提高零件表面激光吸收率的黑化处理：约80的激光被平整金属表面反射，黑化处理可以增加激光吸收率。黑化处理的方法有：涂碳素墨汁、磷化处理、氧化

19、处理或激光专用黑色涂料。,第四节 激光淬火与电子束淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,二、激光表面熔凝技术：,激光熔覆轧辊,激光束将基材表面快速加热到熔化温度以上，由基材内部传热冷却而使熔化层表面快速冷凝结晶的表面处理工艺技术。,工件横截面沿深度方向的组织依次为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材。熔凝层为铸态组织（也可能出现非晶态组织）。,第四节 激光淬火与电子束淬火技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,激光熔凝处理特别适合于灰口铸铁和球墨铸铁的表面强化，熔凝层为碳含量很高的白口铸铁，显微硬度可以高达10001100HV，耐磨性非常优越。,激光熔凝层比激光淬火层的硬化层深，硬度高，耐磨

20、性更好。缺点是基材表面的粗糙度较大，需精加工后才能使用。,三、激光冲击淬火技术：,四、电子束淬火技术：,类似于激光表面淬火技术。工件对电子束的吸收能力大于激光束，所以淬硬层深度高于激光淬火。电子束淬火必须在真空环境下进行，设备投入大，还要防止x射线辐射，所以应用范围受到限制。,第四章 表面淬火和形变强化技术,第五节 电阻加热表面淬火技术,利用电接触界面之间低压大电流产生的电阻热快速加热到相变温度以上并淬火的工艺方法。,电阻加热表面淬火技术：1）电接触加热法：电极工件之间通低压大电流，利用电流产生电阻热加热工件表面，然后用水冷却淬火。如机床导轨表面硬化处理。2）电解液加热法：工件（阴极）置入电解

21、质液（阳极）中，在电解作用下工件表面与电解质之间形成一层电阻较大的氢气膜，当电流流过时将工件表面快速加热，然后断电，让工件在电解质中淬火。,电阻加热表面淬火技术特点：工艺简单，设备费用低，工件变形小。但不易处理形状复杂的工件。,第四章 表面淬火和形变强化技术,第六节 几种典型表面淬火工艺的特点比较,第四章 表面淬火和形变强化技术,第七节 表面形变强化技术,一、喷丸强化技术1 喷丸强化技术原理 小弹丸高速射向金属工件表面，使金属表层发生塑性变形并产生大量的位错和较大的残余压应力，从而提高金属表面的硬度、强度、抗疲劳强度和抗应力腐蚀能力。,喷丸强化层深度一般在0.10.8mm之间。,第四章 表面淬

22、火和形变强化技术,第七节 表面形变强化技术,（1）叶轮抛丸式：利用高速旋转的叶轮产生的离心力将弹丸高速射向工件。,适合处理形状简单、批量较大的工件。,（2）压缩空气式：利用压缩空气将弹丸喷向工件，弹丸的飞行速度取决于压缩空气的压力。喷丸有干喷和湿喷两种。,第七节 表面强化技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,常用弹丸材料有铸铁、不锈钢、钢丝、玻璃、陶瓷等，选择时主要考虑被处理工件材料的硬度、表面粗糙度、强化深度、残余应力等。,2、喷丸材料,3、喷丸对表面形貌和性能的影响,第七节 表面强化技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,1）喷丸金属表面的粗糙度：2）硬化层的深度：弹丸越硬或弹丸动能越大，硬

23、化层越深，硬化效果越好。3）疲劳强度：喷丸后在金属表层生成数百兆帕的残余压应力，有利于提高金属的疲劳强度。,汽车板簧喷丸强化处理后可延长寿命5倍。渗碳齿轮喷丸处理后可提高使用寿命4倍。20CrMnTi钢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。,第七节 表面强化技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,4、喷丸强化技术的应用,第七节 表面强化技术,第四章 表面淬火和形变强化技术,喷丸强化技术的应用实例,