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金属材料表面处理技术及其应用其表面处理方法

  为了适应耐磨耐高温、耐酸碱腐蚀等特殊要求,往往需要不断研究开发各种特殊合金以满足上述的需求,然而特殊合金材料往往成本较高,且多数情况下,难以同时满足多个性能要求。


  产品在服役过程中金属表面不可避免的与大气/海水等接触,当金属表面发生破坏或失效时,将影响其保护效果和使用寿命,因此在1983年由英格兰大学教授首次提出表面工程的概念,利用少量金属/非金属材料对母材表面进行处理,使产品表面得到保护和强化。

  01、金属表面处理的基本概念


  金属表面处理是指在集体材料表面上人工形成一层与母材的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法使得满足产品所需求的耐磨性、耐腐蚀性、装饰或其他特殊功能的要求。


  目前已有较多成熟的金属表面处理技术,按照加工方式,可分为机械方法、物理方法和化学方法三类。


  按照是否对金属材料表面添加其他元素或物质,将金属表面处理分为两大类,即表面组织强化方法和表面涂层方法。


  02、金属表面处理的常见方法


  增加表面晶体缺陷(获得致密的表面或增加位错获得更好的附着力);


  获得压应力状态表层(如抛丸、喷砂等);


  表面形成硬化组织(如马氏体等);


  表面晶粒细化或微晶化;


  部分化学处理也可归为表面组织强化方法(如酸、碱处理,过氧化氢处理以及电化学晶界腐蚀等)。


  03、部分金属表面处理方法解读


  机械抛光:


  利用柔性抛光工具和磨料颗粒对工件表面进行的修饰加工和去毛刺。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度,而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的。机械抛光是依靠非常细小的抛光粉的磨削、滚压作用,除去试样磨面上的极薄一层金属。


  表面淬火:


  利用快速加热使表层奥氏体化,立即淬火使表层组织转变为马氏体以强化表面,心部组织基本不变。


  目的是提高产品表面的硬度、耐磨性和疲劳强度而心部仍具有较高的韧性。


  感应加热:


  利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流,依靠这些涡流的能量达到加热目的,从而使得金属表面形成氧化层。


  等离子喷涂:


  采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源,将合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态,并加压高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的特殊防护用途的表面。


  04、金属表面处理技术的应用


  防护性:


  对产品表面有防护和强化的作用,提高金属在大气、海水或其他腐蚀介质中的耐蚀性能,以及在服役期的抗疲劳性、耐磨性和润滑性等。如生活和工程应用中铝合金阳极氧化、镀锌钢丝、五金表面镀铬等。


  装饰性:


  由于产品本身会随着时间、环境的变化产生锈蚀等影响,失去金属本身的光泽等;表面处理可赋予金属材料表面一定的光亮度、色彩度和花纹图案,对金属表面起到美化效果。

  功能性:


  表面处理技术还可以赋予产品表面某种特殊用途,使金属材料的应用更加广泛,如绝缘、反射、隔热、亲/疏水、生物相容性等。


  1、热处理概念:将金属材料放入特定的介质中加热,保温和冷却,来改变材料表面或内部的金相组织结构,来得到我们需要的材质特性。作为机械工程师,我们也不必全面了解,只需掌握一些常用材料的热处理知识就够了。


  2、分类:1)、普通热处理:退火、正火、淬火、回火2)、表面热处理:表面淬火、化学热处理(渗碳、渗氮、发黑(发蓝))


  一、退火(1)工艺:将钢加热至适当温度——保温——缓慢冷却(一般为随炉冷却)


  (2)目的:


  A、改善钢的铸造、锻轧、焊接后粗大而不均匀的组织,从而改善机械性能。


  B、降低硬度,提高塑性,从而改善切削加工和冷压加工的工艺性,为切削加工做准备。


  C、改善组织,细化晶体,消除成分不均匀性,消除内应力,为零件的后续热处理做准备。


  (3)分类:完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火。


  二、正火


  (1)工艺:将工件加热至Ac3以上30-50度——保温——取出空冷/喷水/吹风冷却。


  (2)目的:使晶粒细化和碳化物分布均匀化。


  (3)区别:功能和退火有点类似,但还是有区别,正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快,因而正火组织要比退火组织更细一些,其机械性能也有所提高。另外,正火炉外冷却不占用设备,生产率较高,退火,正火在同样能达到要求的时候优先选择正火,因为正火成本低却效率高。


  三、淬火


  (1)工艺:将钢加热至临界点以上——保温一段时间——快速冷却(水、油等淬冷介质)


  (2)目的:提高钢的强度,硬度,耐磨性,韧性,疲劳强度甚至铁磁性,耐腐蚀性,淬火后钢件变硬,但同时变脆,表面淬火的零件不仅能提高表面硬度、耐磨性,而且也可以获得高的疲劳强度和强韧性。


  四、回火(一般紧接着淬火进行,淬火后的工件应及时回火,通过淬火和回火的相配合,才可以获得所需的力学性能)


  (1)工艺:工件淬火后——重新加热——保温——空冷/水冷/油冷


  (2)目的:


  A、清除淬火产生的应力


  B、改善零件综合性能,降低工件的强度,硬度,提高塑性和韧性


  C、稳定尺寸,保证精度


  (3)区别:退火,正火一般发生在切削和淬火前,但是对于性能要求不高的工件也可代替回火,作为最终热处理。


  (4)分类:低温回火、中温回火、高温回火、冷处理及低温时效五、调质(主要是防止材料变形,对于齿轮:齿根调质可以增强齿根弯曲强度)


  (1)工艺:调质=淬火+高温回火


  (2)目的:处理要求有高的综合力学性能的含碳0.38%~0.50%的中碳钢及中碳合金钢工件,如连杆、轴等,各种连接件及传动件,调节材料强度和韧性,获得综合性能好的零件六、渗碳、渗氮


  1)、渗碳:


  (1)工艺:就是将低碳钢在渗碳的介质中,加热到高温(一般为900--950C),使活性碳原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织,随后经淬火和低温回火。


  (2)目的:渗碳的目的是提高钢表层的硬度和耐磨性而心部仍保持韧性和高塑性(3)注意:通常采用含碳量为0.15%~0.25%的低碳钢及低合金钢,但对大截面的零件或中心部分要求较高的强度及承受重载荷的零件,均采用含碳量为0.2%~0.3%的钢材进行渗碳2)、渗氮


  (1)工艺:将工件放在渗氮气氛中,加热到500~600℃,使工件表面渗入氮原子形成氮化物的过程,为了保证工件心部的力学性能,氮化前应进行调质等热处理


  (2)目的:渗氮较渗碳可获得较高的硬度、耐磨性,氮化层不用淬火即可得到很高的硬度,渗碳58-62HRC,渗氮67--72HRC,氮化在钢件表面形成稳定的化合物层,所以氮化还可以提高钢件的抗蚀性。


  七、固溶处理


  (1)工艺:将奥氏体不锈钢加热到1100℃左右,使碳化物相全部或基本溶解,碳固溶于奥氏体中,然后快速冷却至室温。


  (2)目的:使合金中各种相充分溶解,强化固溶体,并提高韧性及抗蚀性能,消除应力与软化,以便继续加工或成型。


  八、时效处理


  1).人工时效(1)工艺:低温回火后,精加工前——加热材料至100-150度——保温5-20小时。


  (2)目的:稳定精密制件的尺寸,消除残余应力2).自然时效(1)工艺:工件在室温条件长时间放置


  (2)目的:释放残余应力,改善机械性能,稳定尺寸九、发黑(发蓝)


  (1)工艺:加热——碱性药液浸泡——形成氧化膜


  (2)目的:表面防腐蚀,防锈十、其他表面处理技术:电镀、电泳、抛丸、喷砂、抛光、阳极氧化、拉丝、蚀刻、喷涂、喷砂、烤漆、酸洗钝化等。

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