材料表面工程技术复习资料

第一章

表面工程的概念

表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程

表面工程是改善机械零件、电子电器元件基质材料表面性能的一门科学和技术

表面工程的基础是表面技术

表面工程的作用

对于机械零件

提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等力学性能

保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持续地

运行

对于电子电器元件

提高元器件表面的电、磁、声、光等特殊物理性能

保证现代电子产品容量大、传输快、体积小、高转换率、高可靠性

对于机电产品的包装及工艺品

提高表面的耐蚀性和美观性

实现机电产品优异性能、艺术造型与绚丽外表的完美结合

对生物医学材料

提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性、耐蚀性，尤其是生物相容性

保证患者的健康并提高生活质量

表面工程的功能

提高耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳、耐氧化、防辐射性能

提高表面的自润滑性

实现表面的自修复性（自适应、自补偿和自愈合）

实现表面的生物相容性

改善表面的传热性或隔热性

改善表面的导电性或绝缘性

改善表面的导磁性、磁记忆性或屏蔽性

改善表面的增光性、反光性或吸波性

改善表面的润湿性或憎水性

改善表面的黏着性或不黏性

改善表面的吸油性或干摩性

改善表面的摩擦因数（提高或降低）

改善表面的装饰性或仿古做旧性

表面工程的发展

经历的三个阶段

第一阶段以单一表面工程技术的品种增加、工艺成熟为特征

第二阶段以复合表面工程技术的出现和协同创新为主要特征

第三阶段以微纳米材料和纳米技术与传统表面工程技术的结合与实用化为主

要特征

发展表面工程的意义

使提升机电产品服役性能、支持制造业技术创新的需要

是贯彻可持续发展战略，建设节能型社会和保护环境的需要

是大力推进废旧机电产品再制造的需要

是促进电子电器高新技术和生物医学材料发展的需要

是提高人民生活水平的需要

表面工程技术的应用

在廉价而机械力学性能好的基材上进行表面处理，以提高材料抵御环境作用的能力 材料经表面处理后可获得特殊功能的表面

在节约材料、节省能源、改善环境发挥巨大作用

在发展的新兴技术和学术研究中具有重要地位

第二章

淬火

淬火是将钢加热到AC3或AC1点以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺

淬火的目的提高硬度、强度、耐磨性以及满足零件的使用性能

淬火加热温度

亚共析钢Ac3+（30-50）℃

共析钢和过共析钢Ac1+（30-50）℃

表面淬火用钢的特点

含碳量0.40-0.50%的优质碳素结构钢采用表面淬火最为常见 依据加热的方式不同表面淬火方法有：

感应加热（高频、中频、工频）表面淬火

火焰加热表面淬火

激光加热表面淬火

等离子体加热表面淬火

热扩渗

将工件放在特殊的介质中，加热到一定的温度，使介质中的元素渗入工件表层，从而改变表层金属组织与性能的一种工艺操作

目的

使在复杂的交变载荷下工作的构件通过热扩渗获得具有较高的疲劳强度、硬度和耐磨性能的表面，而心部保持有足够的强度和韧性

对普通的碳钢可通过渗铝、渗铬、渗硼获得较高的化学稳定性，以提高耐腐蚀及耐热性能，延长使用寿命

热扩渗

原理

介质分解

活性介质在一定温度下，进行化学分解，析出活性（初生态的）原子

（或离子）的过程

化学介质分解的速度，取决于化学介质性质、数量、分解的温度、压

力以及有无催化剂

吸收

活性原子在金属表面吸附与金属表面原子产生键合而进入金属表层的

过程

吸收的方式活性原子向钢的固溶体中溶解或形成化合物

吸收的强弱与活性介质的分解速度、渗入元素的性质、扩散速度、钢

件的成分及其表面状态有关

扩散

被钢件表面吸收的活性原子（或离子）向钢件深处迁移，以形成一定

厚度的扩散层（即渗层）

与普通淬火比较感应淬火具有以下优点

热源在工件表面，加热速度快，热效率高

工件因不是整体加热，变形小

工件加热时间短，表面氧化脱碳量少

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具有很大提高，有利于发挥材料潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命

设备紧凑，使用简便，劳动条件好

可将设备组织到生产线中，如果采用程序自动调节系统，可对过程精确控制，废品量较低

不仅可应用于工件的表面，内孔等的淬火，还可以应用于工件的穿透加热和化学热处火焰加热淬火原理

将工件置于强烈的火焰中进行加热，使其表面温度迅速达到淬火温度后，急速用水或水溶液进行冷却，从而获得预期的硬度和硬化层深度的一种方法

优点

设备简单使用方便，成本低

不受工件体积大小限制，可灵活移动使用

淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形小

利用火焰直接加热，容易过热

火焰加热原理

用高功率激光束快速扫描工件，使光斑扫到的局部区域急速升至相变温度，而处在常温下的工件散热极快，从而在瞬间达到自冷淬火，实现工件表面的相变硬化

优点

淬硬层组织细化，硬度比常规淬火提高15-20%，铸铁经淬火后耐磨性可提高3-4倍 加工速度极快，工艺周期短，生产效率高，成本低，工艺过程易实现数控

可进行大型零件局部表面硬化及形状复杂工件的硬化处理

淬硬层深度可精确控制

可以实现自冷淬火，不需要油或水等淬火介质

等离子淬火原理

利用电弧等离子体对钢铁零件表面快速加热并主要靠金属自身快速冷却可获得高硬超细的局部表面淬火组织

优点

其控制方法先进、精度高、效率高，扫描速度可达3—4米/分钟

节省能源

设备投资运行费仅为一般处理设备的1/10

处理表面质量好，残余变形小

处理部位的耐磨性和抗疲劳强度显著提高

处理过程易于机械化、自动化，可在大批量生产线上使用，也可用于镰刀、剪刀刀口局部淬火，也可用于汽缸套内表面淬火

等离子特点

有较大的表面残余应力，能提高零件抗疲劳寿命

能广泛适用于中碳钢、合金钢、铸铁等制造的零件及刀具表面淬火，尤其适用于大型零