第六章 表面改性技术-表面热处理(高等教学)
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表面改性技术-表面热处理
表面热处理通过提高材料表面的 硬度，有效降低摩擦系数，从而
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。
提高工件的耐磨性。
氧化层的形成
在表面热处理过程中，材料表面 会形成一层致密的氧化层，有助
于提高耐磨性。
抗疲劳性能的改善
通过表面热处理，工件的抗疲劳 性能得到显著改善，从而延长工
件的使用寿命。
表面热处理对工件疲劳强度的影响
表面质量的改善
01
表面热处理可以改善工件表面的粗糙度，降低应力集中效应，
表面改性技术的发展趋势
01
02
03
高能束表面改性
利用激光、等离子体等高 能束技术进行表面改性， 具有高效、环保等优点。
复合表面改性
结合多种表面改性技术进 行复合处理，以提高材料 表面的综合性能。
智能化表面改性
利用计算机技术实现表面 改性的智能化控制和优化， 提高表面改性的效率和效 果。
02
表面热处理技术
目的
表面改性的目的在于提高材料的耐腐蚀性、耐磨性、装饰性和使用寿命，以满 足各种工程应用的需求。
表面改性技术的分类
物理表面改性
利用物理方法改变材料表面的结 构和性质，如离子注入、激光熔
覆等。
化学表面改性
通过化学反应改变材料表面的组成 和性质，如氧化、还原、化学镀等。
机械表面改性
利用机械力对材料表面进行加工处 理，如喷丸强化、滚压加工等。
• 处理过程简单，成本较低。
表面热处理技术的优缺点
01
缺点
02
可能引起材料内部结构变化，影响材料整体性能。
03
对处理设备和环境要求较高，需要严格控制加热温 度和时间。
03
表面热处理技术的方法
火焰喷涂
火焰喷涂是一种传统的表面处理技术， 通过将熔融的金属雾化成微粒，并利 用火焰将微粒喷射到基材表面形成涂 层。
表面热处理技术
表面热处理技术是一种只加热工件表层的金属热处理
工艺，主要目的是改变工件表层的力学性能。
根据加热方法的不同，表面热处理可以分为多种类型，如感应加热表面淬火、火焰淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。
其中，感应加热表面淬火是最常用的表面热处理方法之一，它利用交变磁场在工件中产生涡流，使工件表层快速加热，然后迅速冷却，实现表面硬化的目的。
根据加热方式的不同，感应加热表面淬火又可以分为高频、中频、工频等类型。
火焰淬火也是一种常用的表面热处理方法，通过火焰加热工件表面，然后快速冷却，实现表面硬化的目的。
激光加热表面淬火和电子束表面淬火则是利用高能激光束或电子
束快速加热工件表面，实现表面硬化的目的。
表面热处理技术可以提高工件的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度等性能，广泛应用于机械、汽车、石油化工、航空航天等行业的零部件制造中。
在实际应用中，需要根据工件的材料、性能要求、工艺要求等因素选择合适的表面热处理方法。
表面改性
层材料的光,电,热,化学性能等来表征表面改性的效果。
纳米二氧化硅的表面改性
由于纳米二氧化硅的粒径小、比表面大、比表面能高 ，表面带有羟基，呈亲水性，所以能否发挥其在复合材料 中的作用关键在于它的分散和与聚合物的复合。当二氧化 硅表面未经改性，与聚合物共混、共聚或接枝时，纳米二 氧化硅容易团聚，与聚合物产生相分离或发生相反转。所 以，对其进行改性是解决纳米二氧化硅团聚，制备无机有 机纳米复合材料的重要步骤。 二氧化硅的表面未经改性，体系的粘度较大，经表面 改性后，即使二氧化硅的含量高达35%（质量分数）时， 体系的粘度仍适中。 加入改性二氧化硅的复合材料的存 储模量大约是未加改性剂的2倍，丙烯酸酯的粘弹性及耐 磨性随二氧化硅含量的增加而提高。但如果纳米二氧化硅 加入过量，也会导致体系粘度增加。一般在30%~35%.
应用：
广泛应用于机械工业、国防工业航空航天领域,通过表 面改性可以使材料性能提高,产品质量提高,降低企业成 本.在提高零部件的使用寿命和可靠性,提高产品质量,以 及节约材料,节约能源等方面都有着十分重要的意义。
工艺：
表面改性工艺依表面改性的方法、设备和粉体制备方 法而异。目前工业上应用的表面改性工艺主要有干法工 艺、湿法工艺、复合工艺三大类。
表面改性方法
到填料表面改性的工艺。 反应，对粉体颗粒表面进行包覆，使颗粒表面改性的方 法。
面形成一层和多层包覆膜，以改善粉体表面性质。
物理涂覆：利用高聚物或树脂等对材料表面进行处理以 达
化学包覆：利用有机物分子中的官能团与填料表面发生化学
沉淀反应：通过无机化合物在颗粒表面沉淀反应，在颗粒表
插层改性：利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱
反应,并且烷氧基硅烷价格较高,在乳液聚合中易形成凝胶
《表面改性技术》课件
表面改性技术的实 例分析
热处理：通过加热和冷却，改变金属材料的表面性能 涂层：在金属表面涂覆一层保护层，提高耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性 电化学处理：通过电化学反应，改变金属表面的化学成分和结构 激光处理：利用激光束照射金属表面，改变其表面性能和微观结构
实例：聚四氟乙烯（PTFE）表面改性 目的：提高耐磨性、耐腐蚀性和耐热性 方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等 应用：航空航天、汽车、电子等领域
原理：利用高能粒子轰 击材料表面，使其发生 化学反应或物理变化， 形成新的表面层
特点：可以在低温 下进行，对材料表 面无破坏，可形成 多种表面层
应用：广泛应用于 金属、陶瓷、塑料 等材料的表面改性
优点：可以提高材 料的耐磨性、耐腐 蚀性、导电性等性 能
原理：利用电化学反应，在表 面形成一层具有特定性质的薄 膜
添加标题
表面改性：通过改变复合材料表面的物理、化学性质， 提高其性能
添加标题
表面改性方法：化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化 学气相沉积（PECVD）、激光表面处理等
表面改性技术的发 展趋势和未来展望
环保型表面改性技 术：减少有害物质 排放，提高环保性 能
纳米表面改性技术： 提高表面性能，增 强表面功能
改性目的：提高材料的耐磨性、 耐腐蚀性、抗老化性等性能
改性方法：化学改性、物理改 性、复合改性等
改性效果：提高材料的表面性 能，延长使用寿命
应用领域：汽车、电子、建筑、 医疗等行业
添加标题
复合材料：由两种或两种以上不同性质的材料组成的材 料
添加标题
实例：碳纤维增强复合材料（CFRP）
添加标题
表面改性效果：提高复合材料的耐磨性、耐腐蚀性、导 电性等性能
金属表面改性技术
来自第二节 表面热处理
火焰表面淬火应用实例
火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装配工 作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因为 除刃口部位表面淬硬以外，其余部位并未淬硬，仍可进行钻 孔等加工。这些优点对于像汽车覆盖件一类的大型模具的制 造是非常有利的，既节省了工时，又保证了模具的精度。 近年来， 7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制成功， 使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主导地 位。
一、感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之 迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。
第二节 表面热处理
当感应圈中通过一定频率交流电时， 在其内外将产生与电流变化频率相同 的交变磁场。将工件放入感应圈内， 在交变磁场作用下，工件内就会产生 与感应圈频率相同而方向相反的感应 电流。感应电流沿工件表面形成封闭 回路，通常称之为涡流。 此涡流能将电能变成热能，使工件加 热。涡流在被加热工件中的分布由表 面至心部呈指数规律衰减。因此涡流 主要分布在工件表面，工件内部几乎 没有电流通过。这种现象叫做表面效 应或集肤效应。 感应加热就是利用集肤效应，依靠电 流热效应把工件表面迅速加热到淬火 温度的。当工件表面在感应圈内加热 到相变温度时，立即喷水或浸水冷却， 实现表面淬火工艺。
化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在固溶 体、化合物的多相深层
第三节 金属表面化学热处理
形成扩渗层的3个基本条件：
（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。要满足 这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、晶体结构的差 异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件 （2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条件来实 现
火焰表面淬火应用实例
火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装配工 作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因为 除刃口部位表面淬硬以外，其余部位并未淬硬，仍可进行钻 孔等加工。这些优点对于像汽车覆盖件一类的大型模具的制 造是非常有利的，既节省了工时，又保证了模具的精度。 近年来， 7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制成功， 使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主导地 位。
一、感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之 迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。
第二节 表面热处理
当感应圈中通过一定频率交流电时， 在其内外将产生与电流变化频率相同 的交变磁场。将工件放入感应圈内， 在交变磁场作用下，工件内就会产生 与感应圈频率相同而方向相反的感应 电流。感应电流沿工件表面形成封闭 回路，通常称之为涡流。 此涡流能将电能变成热能，使工件加 热。涡流在被加热工件中的分布由表 面至心部呈指数规律衰减。因此涡流 主要分布在工件表面，工件内部几乎 没有电流通过。这种现象叫做表面效 应或集肤效应。 感应加热就是利用集肤效应，依靠电 流热效应把工件表面迅速加热到淬火 温度的。当工件表面在感应圈内加热 到相变温度时，立即喷水或浸水冷却， 实现表面淬火工艺。
化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在固溶 体、化合物的多相深层
第三节 金属表面化学热处理
形成扩渗层的3个基本条件：
（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。要满足 这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、晶体结构的差 异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件 （2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条件来实 现
表面热处理(Surface heat treatment)
表面热处理（Surface heat treatment）表面处理1.1表面处理（表面处理）表面处理的对象非常广泛，从传统工业到现在的高科技工业，从以前的金属表面到现在的塑料，非金属的表面。
它使材料更耐腐蚀，更耐磨耗，更耐热，它使材料之寿命延长，此外改善材料表面之特性，光泽美观等提高产品之附加价值，所有这些改变材料表面之物理，机械及化学性质之加工技术统称为表面处理（表面处理）或称为表面加工（表面处理）。
1.1.1金属表面处理（金属表面处理）金属经初步加工成型后需修饰金属表面，美化金属表面，更进一步改变金属表面的机械性质及物理化学性质等之各种操作过程，称之为金属表面处理。
或称之金属表面加工（金属表面处理）。
1.2表面处理的目的表面处理的目的可以分四大类：（1）美观（外观）。
（2）防护（保护）（3）特殊表面性质（特殊表面性能）（4）机械或工程性质（机械或工程性质）（1）美观（外观）为了提高制品之附加价值，赋予制品表面美观，例如装饰性电镀（装饰性电镀Au、Ag、Rh），Ni，Cr，黄铜等电镀（电镀）。
（2）防护（保护）为了延长制品的寿命，再制品表面披覆（涂料）耐腐蚀之材料，例如保护性电镀（保）Zn、Cd、Ni、Cr、Sn等电镀。
（3）特殊表面性质（特殊表面性能）1。
提高制品之导电性（电子电导），例如电镀银、Cu。
2。
提高焊接性（可焊性）在通讯急电子工业应用，例如锡铅合金电镀。
三.提高光线之反射性（光反射）例如宇宙飞船，人造卫星的外壳需反射光线，银及RH的镀层被应用上。
4。
减小接触阻抗（接触电阻）例如在电子组件之金及PD电镀。
（4）机械或工程性质（机械或工程性质）1。
提高制品之强度（强度），例如塑料电镀。
2。
提高制品之润滑性（轴承性质）例如多孔洛电镀（多孔铬电镀），内燃机之铝合金活塞（活塞），镀锡锡以防止汽缸（缸）壁刮伤。
三.增加硬度（硬度）及耐磨性（耐磨），例如硬洛电镀（镀硬铬）。
4。
提高制品之耐热性，耐候性，抗幅射线，例如塑料，非金属之电镀。
6第六章表面改性技术1
第29页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火 感应淬火类型：
根据频率不同，分为中频感应淬火，高频感应淬火， 此外还有超音频感应淬火、双频感应淬火。表6-9.
第30页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、 工频 5类。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火
感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁 场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电集肤效应 ，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法。
集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电
流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高 的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的 截面积中。频率越高，趋肤效用越显著。
四、电解液加热表面淬火
第25页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火
第26页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.2 表面热处理
一、感应加热表面淬火
电流频率愈高，电流透 入深度就愈小，硬化层深度 越厚薄。因此应根据零件所 要求的淬火层深度来选择频 率，从而选定设备。
第27页，共40页。
表面强化层的组织变 化：
第6页，共40页。
第六章 表面改性技术
表面强化层的组织：
6.1 金属表面形变强化
第7页，共40页。
第六章 表面改性技术 6.1 金属表面形变强化
强化后残余应力的分布规律 表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表面层由 于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲线上有“抬头 ”现象。
第6章-高分子材料的表面改性方法
• 聚合物材料表面常常呈现出表面惰性和憎水性，比 如难于润湿和粘合。所以对聚合物表面常常需要进 行表面处理，以此来改变其表面化学组成，增加表 面能，改善结晶形态和表面形貌，除去污物，增加 弱边界层等，以提高聚合物表面的润湿性和黏结性 等。
4
汽车的前后保险杆
聚乙烯手提袋的印 刷
5
聚合物在表面改性后，其表面化学、物理结构发生了变 化，表面改性的效果往往由材料使用性能评估
15
火焰处理和热处理
• 聚合物中常常加有抗氧剂，抗氧剂对火焰氧化没有影响， 对热氧化却有很大影响。
• 热氧化是按自由基机理进行的，引发阶段是通过热活化慢 速产生高分子自由基：
RH 热活化 R H (或R1 R2)
• 抗氧剂可消除热氧化产生的聚合物自由基而使整个氧化反 应淬灭，因而阻止热氧化的进行
1
复习
• 表面张力与温度的关系 • 表面张力与分子量的关系
• 表面张力与表面形态的关系:晶态的表面张力高于非晶态;高聚
物熔体固化时，通常表面生成非晶态高聚物，本体富集晶态高聚物高聚物;熔 体在具有不同成核活性（或不同表面能）的表面上冷却，可得到结晶度不同的 表面。
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度
24
等离子体表面改性
2.极性基团的引入
等离子体处理可在聚合物表面引进各 种极性基团。如NH3等离子体或N2与O2 混合的等离子体处理可在高分子表面 引入胺基、亚胺基或腈基等； 氩等离子由于产生长寿命的自由基， 可与氧反应形成羰基、羧基和羟基等； 空气和氧的等离子体可引起大范围的 表面氧化，引入丰富的极性基团。
14
火焰处理和热处理
• 热处理是把聚合物暴露在热空气中进行氧化反应，使 其表面被引进羰基、羧基以及某些胺基和过氧化物， 从而获得可润湿性和粘结性。热处理的温度只有几百 度（<500℃），远低于火焰处理的温度，因而处理时 间较长。
4
汽车的前后保险杆
聚乙烯手提袋的印 刷
5
聚合物在表面改性后，其表面化学、物理结构发生了变 化，表面改性的效果往往由材料使用性能评估
15
火焰处理和热处理
• 聚合物中常常加有抗氧剂，抗氧剂对火焰氧化没有影响， 对热氧化却有很大影响。
• 热氧化是按自由基机理进行的，引发阶段是通过热活化慢 速产生高分子自由基：
RH 热活化 R H (或R1 R2)
• 抗氧剂可消除热氧化产生的聚合物自由基而使整个氧化反 应淬灭，因而阻止热氧化的进行
1
复习
• 表面张力与温度的关系 • 表面张力与分子量的关系
• 表面张力与表面形态的关系:晶态的表面张力高于非晶态;高聚
物熔体固化时，通常表面生成非晶态高聚物，本体富集晶态高聚物高聚物;熔 体在具有不同成核活性（或不同表面能）的表面上冷却，可得到结晶度不同的 表面。
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度
24
等离子体表面改性
2.极性基团的引入
等离子体处理可在聚合物表面引进各 种极性基团。如NH3等离子体或N2与O2 混合的等离子体处理可在高分子表面 引入胺基、亚胺基或腈基等； 氩等离子由于产生长寿命的自由基， 可与氧反应形成羰基、羧基和羟基等； 空气和氧的等离子体可引起大范围的 表面氧化，引入丰富的极性基团。
14
火焰处理和热处理
• 热处理是把聚合物暴露在热空气中进行氧化反应，使 其表面被引进羰基、羧基以及某些胺基和过氧化物， 从而获得可润湿性和粘结性。热处理的温度只有几百 度（<500℃），远低于火焰处理的温度，因而处理时 间较长。
表面改性技术
•
维氏硬度计试件允许最 大高度：130毫米
粒子的表面形貌分析
图4(a)与图4(b)粒子尺寸在数十至数百纳米范围内, 但粒 子形状不一样, 图4(b)中粒子形状更规则, 呈正多边形。
铜片上沉积粒子的X射线衍射分析
1、 当处理电压为600V 时, 沉积的粒子是铁的氧化物(Fe3O4)和少量 的铁的氮化物(γ′-Fe4N、ε-Fe3N)。 当处理电压高于800V 后, 这些粒子则是铁的氮化物(γ′, ε少量)和少量 的氧化物, 并且随着电压的升高, γ′增多, ε和Fe3O4 减少。电压达到 1000V 时, 粒子中几乎没有氧化物存在。
表面改性技术
概述
• 定义：采用某种工艺手段使材料表面获得 与其基体表面材料的组织结构、性能不同 的一种技术。 传统表面改性技术有喷丸强化、表面热处 理、化学热处理； 优质清洁表面工程技术包括等离子体、激 光、电子束、高密度太阳能表面处理和离 子注入表面改性。
1.等离子体表面处理
等离子体表面处理概述
金相组织
由图2 所示的金相照片可知, 38CrMoAl 钢在600V 进 行纯氮ASPN 处理后观察不到明显的渗氮层; 电压高 于800V 后才能形成明显的渗氮层, 见图2(b)、(c)。
显微硬度分析
放电电压在600V 时几乎没有渗 氮效果, 在高于800V 才有明显的 渗氮硬化效果, 而且渗氮层较深, 与金相组织相对应。
样本横截面
• Si是与Al有共晶反应的合金 元素,预置Si粉经激光照射熔 化后,与基板上的Al宏观上形 成了均匀的合金化层,其横截 面组织如图2所示,可以看出, 整个激光表面合金化层组织 均匀、致密、无气孔、无裂 纹,且与基体呈冶金结合。相 对于原始基板合金,预置Si粉 末激光表面合金化层组织较 为细小,合金化层中Si含量约 20 wt% ) 。
4第六章-表面改性和处理新技术
离子注入表面改性特点
• ⑤可控性和重复性好。通过改变离子源和加速器能 量，可以调整离子注入深度和分布；通过可控扫描 机构，可以控制面积大小；
• 上面说的是其优点，总得看来，让我们觉得离子注 入恰似给工件的“皮肤”渗入了“维生素”，正是 它们，使工件“延年益寿”，真像一首诗描绘的一 样：“好雨知时节，当春乃发生。随风潜入夜，润 物细无声。”想想感觉是不是这样呢？
• 经表面热处理的零件，不仅提高了表面层的 硬度和耐磨性，而且与经过适当热处理的芯 部组织配合，可以获得较高的疲劳强度和较 好的韧性。
Байду номын сангаас
高密度太阳能表面处理
• 定义——高密度太阳能表面处理是利用聚焦 的高密度太阳能对零件表面进行局部加热， 使表面在短时间（0.5s至数秒）内升温到所 需温度，然后冷却的处理方法。
离子注入表面改性机理
• ③离子注入提高疲劳强度的机理：因为产生的高损 伤缺陷阻止了位错移动及其间的凝聚，形成可塑性 表面层，使表面强度大大提高。分析表明，一是形 成大量细小弥散分布的第二相硬质点而产生强化， 而且离子注入产生的表面压力可以压制表面裂缝的 产生，从而延长了疲劳寿命。
• ④离子注入提高抗氧化性的机理：因为注入元素在 晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道，防止氧进一 步向内扩散；形成致密的氧化膜阻挡层，使其他元 素的扩散难以通过；改善氧化物的塑性，减少氧化 产生的应力，防止氧化膜开裂；注入元素进入氧化 膜后改变了膜的导电性，抑制阳离子向外扩散，从 而降低氧化速率。
激光束加热金属的过程——
逆韧致辐射效应 ，晶格热振荡，微妙、纳秒至皮秒
激光处理前表面的预处理 ——
激光波长越短，金属的反射系数越小，所吸收的光能也就越多 表面粗糙度、涂层、杂质等都会极大改变金属表面对激光的反 射率 ，反射率变化1%，吸收能量密度将会变化10% 方法：磷化、黑化（炭素法）和涂覆红外能量吸收材料
第六章 表面改性技术解读
（二）中、高频感应加热表面热处理
是一种用途极广的热处理加热方法，可用于退火、
正火、淬火、各种温度范围的回火以及各种化学热
处理。
加热方式有同时加热和连续加热。 用同时加热方式淬火时，零件需要淬火的区域整个 被感应器包围，冷却淬火时可直接从感应器的喷水 孔中喷水冷却，也可将工件移出感应器迅速浸入淬 火槽中冷却。
高碳钢的表面硬度和耐磨性。
1、气体渗钛
（1）气相渗钛
工业纯铁在TiCl4蒸气和纯氩气中发生置换反应，产 生活性钛原子，高温下向工件表面吸附与扩散：
却速度。
（四）双频感应加热淬火和超音频感应加热淬火
1、双频感应加热淬火
对于凹凸不平的工件如齿轮等，当间距较小时，无
论用什么形状的感应器，都不能保持工件与感应器 的施感导体之间的间隙一致，因而难获得均匀的硬 化层。 双频感应加热淬火就是采用两种频率交替加热，较 高频率加热时，凸出部温度较高；较低频率加热时， 则低凹处温度较高。
优点。
（一）渗金属方法 1、气相渗金属法
（ 1 ）在适当温度下，从可挥发的金属化合物中析出
活性原子，并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。
工艺过程：将工件置于含有渗入金属卤化物的容器 中，通入 H 2 或 Cl 2 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。
2、超音频感应加热淬火
频率大于20KHz的波称为超音频波。
对于低淬透性钢，高、中频淬火都难以获得凹
凸零部件均匀分布的硬化层。 采用的20KHz~50KHz频率可实现中小模数齿轮 表面的均匀硬化层。
（五）表面淬火用材料
试述表面改性技术
表面改性技术概述与应用表面工程是指通过对材料表面进行涂覆或改性，改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等,以使表面获得所需特殊性能的系统工程。
它包括表面改性、表面处理、表面涂覆、复合表面技术和纳米表面工程技术。
而表面改性最为一种重要的表面工程技术通过改变基体材料成分，达到改善性能的目的，不附加膜层。
表面改性的方法有很多，这里主要介绍电子束表面改性和等离子体表面处理。
1 电子束表面改性高速运动的电子具有波的性质。
当高速的电子照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核和电子发生作用。
电子与原子核弹性碰撞，能量的传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子碰撞而完成的。
所传递的能量立即以热的形式传与金属表层原子，从而使表层温度迅速升高。
图1 电子束表面改性工作原理图1.1 电子束表面相变强化处理用散焦方式的电子束轰击金属工件表面，控制加热速度，使金属表面加热到相变点以上，随后高速冷却产生马氏体等相变强化。
此方法使用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。
1.2 电子束表面重熔处理利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化并快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳配和。
对某些合金，电子束重熔可以使各组成相间重新分布，降低某些元素的显微偏析程度，改善工件表面的性能。
目前，电子束重熔主要用于工模具的表面处理上，以便在保持或改善工模具韧性的同时，提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性。
由于电子束重熔是在真空条件下进行的，表面重熔时有利于去除表层的气泡，因此可有效地提高铝合金和钛合金表面处理质量。
1.3 电子束表面合金化处理先将具有特殊性能的合金粉末涂覆在金属表面上，再用电子束轰击加热融化，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔化在工件表面上，在工件表面上形成一层新的具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的合金表层。
电子束表面合金化所需电子束功率密度约为相变强化的3倍以上，或增加电子束辐照时间，使基体表层的一定深度内发生熔化。
第六章-表面改性技术-表面热处理ppt课件
承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心 部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀 等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使 零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳 极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧 性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。
一、表面淬火的概念
表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立 即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层 的热处理方法。
b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物
二、钢的渗碳
1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。
2、渗碳目的：
提高钢表层的含碳量，经热处理后， 使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。
Hale Waihona Puke 3、渗碳钢材：采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好）
3、化学热处理进行的必要条件
a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解 度，或具有与活性原子形成化合物的能力。
b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散 能力。
4、化学热处理的基本过程
a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力； 同时介质在高温下分解，产生活性原子。
疲劳强度、耐腐蚀性。
3、氮化用钢：含有Al、Mo、V、Ti 等合金元素
的钢。
最典型的: 38 CrMoAl ，35 CrMo ，18 CrNiW 4、氮化组织：钢件表面形成一层陶瓷层 AlN、
MoN 、VN、 TiN 。
5、气体氮化
①原理：
400～600℃
2NH3
3H2+ 2[N]
活性[N]原子被钢吸收后，在表层形成氮化物。
（1） 感应加热的原理
一、表面淬火的概念
表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立 即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层 的热处理方法。
b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物
二、钢的渗碳
1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。
2、渗碳目的：
提高钢表层的含碳量，经热处理后， 使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。
Hale Waihona Puke 3、渗碳钢材：采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好）
3、化学热处理进行的必要条件
a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解 度，或具有与活性原子形成化合物的能力。
b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散 能力。
4、化学热处理的基本过程
a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力； 同时介质在高温下分解，产生活性原子。
疲劳强度、耐腐蚀性。
3、氮化用钢：含有Al、Mo、V、Ti 等合金元素
的钢。
最典型的: 38 CrMoAl ，35 CrMo ，18 CrNiW 4、氮化组织：钢件表面形成一层陶瓷层 AlN、
MoN 、VN、 TiN 。
5、气体氮化
①原理：
400～600℃
2NH3
3H2+ 2[N]
活性[N]原子被钢吸收后，在表层形成氮化物。
（1） 感应加热的原理
表面改性技术
喷丸机有叶轮式与压缩空气 式两大类 喷丸过程还可以采用湿喷方 式，即将弹丸与液体混合， 形成悬浮液后喷向工件。湿 喷的表面粗糙度比干喷低。
• 受控喷丸对材料表面 形貌与性能的影响： 1）对硬度的影响 弹丸强度或动能越大， 则变形层深度越大； 弹丸硬度越高，喷丸 层深度越深； 被喷零件的硬度越高， 则喷丸强化层越浅。
火焰加热表面淬火技术
将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件 表面，使其迅速加热到淬火温度，然后在 一定淬火介质中冷却，称为火焰加热表面 淬火法。 • 燃料：煤气、碳氢化合物 • 参数：加热面积、工件移动速度、加热温 度时间 • 缺点：生产效率低、淬硬层均匀程度差、 质量控制困难，用于小批量、单件生产
平板类、长条类、曲轴、花键轴、缸体（套）内孔、模具、内 外螺纹、离合器零件的爪面、细牙、导轨、轧辊、齿轮、粉末 冶金零件
影响淬硬层性能的主要因素：
（1）工艺参数--淬火层的宽度取决于光斑直 径D 淬硬深度h由激光功率(P)、 光斑直径和扫描速度(V)共同 决定，主要关系为： hP/(DV) （2）表面预处理 a. 表面组织准备，即通过调质 处理等手段使材料表面具有较 细的表面组织，以保证淬火时 组织与性能的均匀、稳定。 b. 表面“黑化”处理,以提高对 激光束的吸收率。磷化法；碳 素法；氧化物涂层 （3）基体组织及其他因素的影 响
200 k～300k
0.5～2
• 二、感应加热淬火工艺流程 1、选材 2、加工工序
• 最适宜的钢种是中碳钢（如40、45钢）和中碳合金钢（如40Cr、 40MnB钢等），常用零件有齿轮、轴、销类等。 • 锻件→正火→机械加粗加工→调质处理→机械精（半精加工）→ 感应淬火→精加工
• 局限： • 1.设备成本高；2.尖 角过热效应；3.套内璧激光热处理.
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如：15、20、20Cr、20CrMnTi
4、渗碳工艺的分类
按所用渗碳介质的不同，分为：气体渗 碳、固体渗碳、液体渗碳、等离子体渗碳。
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5、气体渗碳
表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立 即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层 的热处理方法。
表面淬火用钢的含碳量以 0.40%-0.50%为宜(中 碳钢)
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二、表面淬火的分类
根据加热方式的不同，表面淬火可分为：
① 感应加热表面淬火
② 火焰加热表面淬火
③ 电接触加热表面淬火
④ 激光加热表面淬火
•将工件放入温度较高的盐浴中进行加热，以较 快的速度，在较短时间内使其表面层温度超过高 的临界点，然后冷却淬火的工艺，称为盐浴加热 表面淬火。
•盐浴快速加热常用KCl+NaCl混合盐。盐浴的加 热速度要比高频感应加热和火焰加热缓慢得多， 所以淬硬层较深。并且由于常用浸液冷却，没有 喷射冷却强烈，故淬火工件的表面硬度较低。
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（3）感应加热的方式
同时加热：将欲淬硬的工件表面同时感应加热到 奥氏体状态，然后冷却淬火。同时加热法生产效 率高，设备功率足够大时应尽量采用。
连续加热：采用感应器与工件作相对运动，使工 件表面逐次得到加热，随后逐次冷却淬火。连续 加热淬火后，硬化层分布均匀，感应器通用性大， 大多采用连续加热法。
化学热处理与物理热处理最大的区别是前 者改变了钢的化学成分。
一、化学热处理及分类
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1、化学热处理
将零件置于一定介质中加热、保温，使介 质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的 化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的 特殊性能。
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2、分类
按渗入元素的不同，化学热处理分为：
渗碳、氮化、碳氮共渗、渗金属（钒、铌…）。
产率高。
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缺点： 设备投资大，只适用于外形简单的零件，
形状复杂的零件，感应器不易制造。
（5）表面淬火的预热处理 为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能，
表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。
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2 火焰加热表面淬火
用氧-乙炔、氧-煤气混合气体燃烧产生的火 焰，喷射在零件表面，使之快速升温，当温度达
⑤ 等离子体加热表面淬火
工业上使用最多的是 ① ②
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5
1 感应加热表面淬火
通过使零件表面产生一定频率的感 应电流，将零件表面迅速加热到淬火温 度，然后迅速喷水冷却的一种表面淬火 方法。
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（1） 感应加热的原理
零件放在感应器（空心铜管绕成）中，感应 器中通以中频或高频交流电（500-300000Hz） 以产生交变磁场，于是零件表面就有感应产生同 频率的感应电流。
这种感应电流在零件表层电流密度很大，离 开表层则很快衰减，零件内部感应电流几乎为零 ━集肤效应，且频率越高，电流集中层越浅。
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由于零件本身存在电阻，因此集中于表层 的电流，可使零件表层迅速被加热，在几秒钟 内升温到 800-1000℃，而心部温度接近室温， 经迅速喷水淬火冷却，使零件表层淬硬，心部 仍保持较好的塑性、韧性。
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（2）感应加热频率的选用
感应电流集中层的厚度取决于电流频率，频 率越高，集中层越薄，即淬透层越薄，因此可通 过控制电流频率来控制淬硬层深度，非常方便。
高频加热： 100-500KHz，常用200-300KHz 中频加热： 500-10000Hz, 常用2500-8000Hz 工频加热： 50Hz
到淬火温度时，迅速喷水冷却，从而获得表面淬
硬层的淬火方法。 火焰加热表面淬火的淬硬层一般为2～6mm，
若要获得更深的淬硬层，则会引起零件表面过热，
且易淬裂。
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优点：简单，不需特殊设备，操作灵活，尤适合 局部表面淬火。
缺点：生产效率低，淬火质量不稳定，表面易过
热。
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3盐炉加热表面淬火
3、化学热处理进行的必要条件
a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解
度，或具有与活性原子形成化合物的能力。
b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散
能力。
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4、化学热处理的基本过程
a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力； 同时介质在高温下分解，产生活性原子。
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4电解液加热表面淬火
•
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第三节 化学热处理
表面淬火，钢材的合适含C量为0.4～0.5%。 由于表层性能与心部性能矛盾——“外硬内韧”， 只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”， 又兼顾了“内韧”，但“外硬”与“内韧”的水
平都不高。
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要解决这一问题，可以采用化学热处理的 方法。
b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物
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二、钢的渗碳
1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。
2、渗碳目的：
提高钢表层的含碳量，经热处理后， 使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。
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3、渗碳钢材：
采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好）
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第二节 表面热处理
承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心 部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀 等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使 零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳 极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧 性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。
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一、表面淬火的概念
前言
热处理的概念 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作
方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性 能的一种工艺。
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热处理的分类
普通热处理：退火、正火、淬火、回火
热处理
表面热处理
表面淬火：火焰加热、
感应加热、电接触加热、 激光加热、等离子体加热
化学热处理：渗碳、氮化、
渗V、渗B、渗Nb（4）感应加热表面淬火的特点
优点：
①加热速度极大，使珠光体转变为奥氏体的转变温 度升高，转变时间极短（不需保温），转变速度 极快。
②淬火后，可使零件表层获得极细的“隐晶马氏体”
组织，零件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高
2-3HRC），较低的脆性，较高的疲劳强度。 ③零件不易氧化、脱碳，且变形小。 ④零件淬硬层深度易于控制，操作易实现自动化，生
4、渗碳工艺的分类
按所用渗碳介质的不同，分为：气体渗 碳、固体渗碳、液体渗碳、等离子体渗碳。
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5、气体渗碳
表面淬火是通过对钢件表面快速加热与立 即冷却相结合，在零件表面获得淬火马氏体层 的热处理方法。
表面淬火用钢的含碳量以 0.40%-0.50%为宜(中 碳钢)
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二、表面淬火的分类
根据加热方式的不同，表面淬火可分为：
① 感应加热表面淬火
② 火焰加热表面淬火
③ 电接触加热表面淬火
④ 激光加热表面淬火
•将工件放入温度较高的盐浴中进行加热，以较 快的速度，在较短时间内使其表面层温度超过高 的临界点，然后冷却淬火的工艺，称为盐浴加热 表面淬火。
•盐浴快速加热常用KCl+NaCl混合盐。盐浴的加 热速度要比高频感应加热和火焰加热缓慢得多， 所以淬硬层较深。并且由于常用浸液冷却，没有 喷射冷却强烈，故淬火工件的表面硬度较低。
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（3）感应加热的方式
同时加热：将欲淬硬的工件表面同时感应加热到 奥氏体状态，然后冷却淬火。同时加热法生产效 率高，设备功率足够大时应尽量采用。
连续加热：采用感应器与工件作相对运动，使工 件表面逐次得到加热，随后逐次冷却淬火。连续 加热淬火后，硬化层分布均匀，感应器通用性大， 大多采用连续加热法。
化学热处理与物理热处理最大的区别是前 者改变了钢的化学成分。
一、化学热处理及分类
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1、化学热处理
将零件置于一定介质中加热、保温，使介 质中的活性原子渗入零件表层，以改变表层的 化学成分和组织，从而使零件表层具有所需的 特殊性能。
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2、分类
按渗入元素的不同，化学热处理分为：
渗碳、氮化、碳氮共渗、渗金属（钒、铌…）。
产率高。
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缺点： 设备投资大，只适用于外形简单的零件，
形状复杂的零件，感应器不易制造。
（5）表面淬火的预热处理 为了保证淬火质量，改善零件心部机械性能，
表面淬火前，可进行正火或调质预热处理。
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2 火焰加热表面淬火
用氧-乙炔、氧-煤气混合气体燃烧产生的火 焰，喷射在零件表面，使之快速升温，当温度达
⑤ 等离子体加热表面淬火
工业上使用最多的是 ① ②
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1 感应加热表面淬火
通过使零件表面产生一定频率的感 应电流，将零件表面迅速加热到淬火温 度，然后迅速喷水冷却的一种表面淬火 方法。
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（1） 感应加热的原理
零件放在感应器（空心铜管绕成）中，感应 器中通以中频或高频交流电（500-300000Hz） 以产生交变磁场，于是零件表面就有感应产生同 频率的感应电流。
这种感应电流在零件表层电流密度很大，离 开表层则很快衰减，零件内部感应电流几乎为零 ━集肤效应，且频率越高，电流集中层越浅。
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由于零件本身存在电阻，因此集中于表层 的电流，可使零件表层迅速被加热，在几秒钟 内升温到 800-1000℃，而心部温度接近室温， 经迅速喷水淬火冷却，使零件表层淬硬，心部 仍保持较好的塑性、韧性。
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（2）感应加热频率的选用
感应电流集中层的厚度取决于电流频率，频 率越高，集中层越薄，即淬透层越薄，因此可通 过控制电流频率来控制淬硬层深度，非常方便。
高频加热： 100-500KHz，常用200-300KHz 中频加热： 500-10000Hz, 常用2500-8000Hz 工频加热： 50Hz
到淬火温度时，迅速喷水冷却，从而获得表面淬
硬层的淬火方法。 火焰加热表面淬火的淬硬层一般为2～6mm，
若要获得更深的淬硬层，则会引起零件表面过热，
且易淬裂。
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优点：简单，不需特殊设备，操作灵活，尤适合 局部表面淬火。
缺点：生产效率低，淬火质量不稳定，表面易过
热。
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3盐炉加热表面淬火
3、化学热处理进行的必要条件
a、材料本身对欲渗的活性原子具有一定的溶解
度，或具有与活性原子形成化合物的能力。
b、渗入的原子必须具有化学活性和较大的扩散
能力。
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4、化学热处理的基本过程
a、将钢材和介质加热到高温，以提高对活性 原子的溶解度，提高活性原子扩散能力； 同时介质在高温下分解，产生活性原子。
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4电解液加热表面淬火
•
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第三节 化学热处理
表面淬火，钢材的合适含C量为0.4～0.5%。 由于表层性能与心部性能矛盾——“外硬内韧”， 只能选用中碳钢来制作，虽然既照顾了“外硬”， 又兼顾了“内韧”，但“外硬”与“内韧”的水
平都不高。
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要解决这一问题，可以采用化学热处理的 方法。
b、活性原子被钢吸收，并由表及里扩散，在 表层（扩散层）形成固溶体或化合物
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二、钢的渗碳
1、渗碳：是向钢表层渗入碳原子的过程。
2、渗碳目的：
提高钢表层的含碳量，经热处理后， 使表层具有高硬度，高耐磨性，而心部 仍保持一定的强度，较高的塑、韧性。
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3、渗碳钢材：
采用低碳钢，低碳合金钢 （零件心部塑、韧性很好）
2
第二节 表面热处理
承受交变载荷、冲击载荷的零件，表面比心 部承受较高的应力，且表面由于受到磨损、腐蚀 等，故零件表面失效较快，需进行表面强化，使 零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性、疲劳 极限、耐腐蚀性；而心部仍保持足够的塑性、韧 性，防止脆断，即具有“外硬内韧”组织。
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一、表面淬火的概念
前言
热处理的概念 通过对材料进行加热、保温、冷却的操作
方法使钢的组织结构发生变化，以获得所需性 能的一种工艺。
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热处理的分类
普通热处理：退火、正火、淬火、回火
热处理
表面热处理
表面淬火：火焰加热、
感应加热、电接触加热、 激光加热、等离子体加热
化学热处理：渗碳、氮化、
渗V、渗B、渗Nb（4）感应加热表面淬火的特点
优点：
①加热速度极大，使珠光体转变为奥氏体的转变温 度升高，转变时间极短（不需保温），转变速度 极快。
②淬火后，可使零件表层获得极细的“隐晶马氏体”
组织，零件表层具有比普通淬火稍高的硬度（高
2-3HRC），较低的脆性，较高的疲劳强度。 ③零件不易氧化、脱碳，且变形小。 ④零件淬硬层深度易于控制，操作易实现自动化，生