合金表面处理基本知识

 

表面处理即是通过一定的方法在工件表面形成覆盖层的过程，其目的是赋以制品表面美观、防腐蚀的效果，进行的表面处理方法都归结于以下常用几种方法：

1、镀(Plating) 

电镀(Electroplating) ：将接受电镀的部件浸于含有被沉积金属化合物的水溶液中，以电流通过镀液，使电镀金属析出并沉积在部件上。一般电镀有镀锌、铜、镍、铬、铜镍合金等，有时把煮黑（发蓝）、磷化等也包括其中。

2、热浸镀锌：通过将碳钢部件浸没温度约为510℃的溶化锌的镀槽内完成。其结果是钢件表面上的铁锌合金渐渐变成产品外表面上的钝化锌。热浸镀铝是一个类似的过程。

3、机械镀：通过镀层金属的微粒来冲击产品表面，并将涂层冷焊到产品的表面上。

一般螺丝多采用电镀方式，但用在电力、高速公路等室外的六角木螺钉等用热浸锌；电镀的成本一般每公斤为0.6——0.8元，热浸锌一般为1.5——2元/公斤，成本较高。

电镀的效果：

电镀的质量以其耐腐蚀能力为主要衡量标准，其次是外观。耐腐蚀能力即是模仿产品工作环境，设置为试验条件，对其加以腐蚀试验。电镀产品的质量从以下方面加以控制：

1、外观：

制品表面不允许有局部无镀层、烧焦、粗糙、灰暗、起皮、结皮状况和明显条纹，不允许有针孔麻点、黑色镀渣、钝化膜疏松、龟裂、脱落和严重的钝化痕迹。

2、镀层厚度：

紧固件在腐蚀性大气中的作业寿命与它的镀层厚度成正比。一般建议的经济电镀镀层厚度为0.00015in～0.0005 in(4～12um).

热浸镀锌：标准的平均厚度为54 um（称呼径≤3/8为43 um），最小厚度为43 um（称呼径≤3/8为37 um）。

3、镀层分布：

采用不同的沉积方法，镀层在紧固件表面上的聚集方式也不同。电镀时镀层金属不是均匀地沉积在外周边缘上，转角处获得较厚镀层。在紧固件的螺纹部分，最厚的镀层位于螺纹牙顶，沿着螺纹侧面渐渐变薄，在牙底处沉积最薄，而热浸镀锌正好相反，较厚的镀层沉积在内转角和螺纹底部，机械镀的镀层金属沉积倾向与热浸镀相同，但是更为光滑而且在整个表面上厚度要均匀得多。

4、氢脆：

紧固件在加工和处理过程中，尤其在镀前的酸洗和碱洗以及随后的电镀过程中，表面吸收了氢原子，沉积的金属镀层然后俘获氢。当紧固件拧紧时，氢朝着应力最集中的部分转够，引起压力增高到超过基体金属的强度并产生微小的表面破裂。氢特别活动并很快渗入到新形成的裂隙中去。这种压力-破裂-渗入的循环一直继续到紧固件断裂。通常发生在第一次应力应用后的几个小时之内。

为了消除氢脆的威胁，紧固件要在镀后尽可能快地加热烘焙，以使氢从镀层中渗出，烘焙通常在375-4000F（176-190℃）进行3-24小时。

由于机械镀锌是非电解质的，这实际上消除了氢脆的威胁

5.自催化镀(Auto-catalytic Plating)，一般称为"化学镀(Chemical Plating)"、"无电镀(Electroless Plating)"等自催化镍磷镀及工业应用 

 

无电解镀镍是目前国际上发展速度较快的表面处理工艺。它以无公害、操作简单和可镀基底广泛以及镀层良好的耐磨耐腐性能受到工业界普遍瞩目和青睐。 

自催化镍磷镀（以下称化学镀镍）技术，是目前国际上发展速度最快的低温表面强化高新技术。它最初是作为电镀镍和电镀铬的代用镀层而工业化应用，以后发展到耐腐蚀性、耐磨性和电磁波屏蔽特性等多功能用途而获得广泛应用。尤其在国际上它作为一个无公害排放的表面处理工艺，获得绿色环保技术的美称，受到了工业界的普遍瞩目和青睐。其应用几乎涉及所有工业领域。化学镀镍在石油天然气工业中的应用 多年来石油天然气一直是化学镀镍的检验场,化学镀镍已在大量的应用中有出色表现.在北美所有的化学镀镍中大约15%是用于油气工业.已证明对石油天然气工业最有价值的性能是镀层的厚度均匀性,优异的耐蚀性能以及耐磨/耐冲刷性能.许多用于这一领域的传统基体材料的性能通过应用化学镀镍而大大改善,并且降低了制造成本,延长了使用寿命.延长寿命这一点具有特别重要的意义,因为石油天然气工业中停机更换部件费用很高. 石油天然气工业的作用分为三个主要部分,地面作业,地下/井下作业和海上作业.设备通常暴露于氢化物,硫化氢,二氧化碳,盐水,海水和含高浓度硫化物的暗礁水等苛刻的环境条件下,并且还合并有吸入泥沙和泥浆引起的磨损问题以及在某些情况下温度高达250ºC.通过化学镀镍而使性能提高的典型部件包括: 地面作业----防喷器,制动系统,节流器,压缩机,燃气轮机,泵体,泵,连接管路和阀等; 地下/井下作业---联接器,测井仪,拄塞,分隔器,泵,安全阀装置和油管. 海上作业---防喷器,燃气轮机/压缩机,热交换器,泵,隔水管连接器和阀 化学镀镍层的厚度均匀性,耐腐蚀性和耐磨性性能促使其广泛用于阀和流量控制装置.显然,这些设备是油井作业的关键设备,油井作业的主要经济因素是设备有良好的性能和长的寿命.人们首先认识到化学镀镍的可应用的性能是其耐腐蚀性,光洁度和厚度均匀性.这些性能为球阀塞提供了所要求的表面条件,并改善了阀座部分的密封状况.人们最初只把化学镀镍看作是可能代替硬铬的一种选择,而现在化学镀镍在这一市场已占统治地位.在这一领域最具典型性的是低碳钢球阀常常采用75微米厚的化学镀镍层. 可以看到化学镀镍在石油天然气工业所有领域中已获得了成功的应用.例如:中东一家工厂的原油生产,相关的气体中含有55%的硫化氢,加工温度80ºC,压力20MN/m2(3000psi).在这种条件下,由于腐蚀,表面开裂和冲蚀而发生的失效使低碳钢球阀的最长使用寿命仅3个月.而球阀采用75微米的化学镀镍层大大延长了设备的使用寿命,经过两年的连续运行未见设备表面损坏. 使用海水注入系统的采油厂,其球阀也能获得同样的好处.操作过程包括在高压下泵送海水以迫使原油到达表面.在沙特阿拉伯的Ghawar油田,阀采用75微米厚的化学镀镍层,成功地经受了操作条件的考验,运行四年未发现镀层损坏. 化学镀镍除了已成功地应用于石油天然气工业中的球阀,它在其他工程领域的阀部件的应用也同样成功.例如:为埃及阿斯旺大坝项目制造的大型球阀的阀杆采用了化学镀镍.阀部件必须保证即使长期不动也能在需要时开闭自如并且运行可靠.采用75微米厚的化学镀镍层保护阀杆免遭腐蚀和磨损便提供了这种可靠性.106吨的巨型阀,其孔径260cm,仅上阀杆就超过了6吨重. 在Khuff气井,经过化学镀镍处理的阀,节流器和其他部件的性能同样给人流下了深刻的印象.Khuff气井的气质较差,产生于大理石和石灰石岩层,岩层一般含有6%(mol)的二氧化碳和0.1%(mol)的硫化氢,它还含有大约28L/Mm3以己烷为主的冷凝物,7L/ Mm3的水.井口气压一般为35MN/ m2(5000psi),温度为90ºC,气体流速通常大于6米/秒.在这些条件下,由于腐蚀/冲蚀造成的钢部件损坏是非常严重的.点蚀和冲蚀导致碳钢节流器上金属损失率为每年3—5毫米,而在所有湿润表面上采用了25微米厚的化学镀镍层则成功地解决了这个问题.通过应用化学镀镍也能克服球阀在上述环境下产生的问题,一般采用75微米厚的化学镀镍层可使球塞至少六年免遭腐蚀. 化学镀镍的耐腐蚀性,硬度,表面光洁度,润滑性对防火流量阀的生产和性能十分有益.要求这些阀正常操作时能不漏气泡,而在不小心暴露于650ºC温度后能充当节流阀,并且要求在着火时也能工作.化学镀镍也用于某些关键的安全阀中.例如:防喷器是用于紧急情况下的关闭油气井的安全阀,由液压驱动活塞组成,能够切入油气管道,堵塞油气的流动.经测试以后,只要求一套装置在紧急情况下运行一次,但必须保证性能良好,为此,在活塞或密封表面不允许发生腐蚀和物理损伤.常用大约100微米厚的化学镀镍曾来达到所需的硬度和耐腐蚀性. 

6. 浸渍镀(Immersion Plating) 采用硫酸铜、硫酸亚锡为主盐的置换反应浸镀法在钢铁件表面制得金黄色铜锡合金层。通过添加含氟系阴离子及羧基系阴离子的络合剂 ,控制铜、锡离子的置换反应速度 ,获得 1 5%～ 39%铜含量的合金镀层 ,外观呈 1 8～ 2 2K金色 ,膜层结合力好 ,耐蚀性优良　化学镀仿金的类型有两种 ,一种是使用还原剂的化学还原型 ,所形成的镀膜一般为赤褐色或色泽不好的金色 ,其镀膜的附着力差。浸镀即置换镀或接触镀 ,是一种无需外界电流或还原剂 ,利用两种金属的电位差产生的电动势驱动的置换反应。浸渍镀设备少、效率高、成本低

7.阳极氧化(Anodizing) 接近表面镀层处理，金属或合金的电化学氧化。将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性 、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。例如铝阳极氧化，将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化 ，表面上形成氧化铝薄层 ，其厚度为5～20微米 ，硬质阳极氧化膜可达60～200微米 。阳极氧化后的铝或其合金，提高了其硬度和耐磨性，可达250～500千克／平方毫米，良好的耐热性 ，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K ，优良的绝缘性 ，耐击穿电压高达2000V ，增强了抗腐蚀性能 ，在ω＝0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金（如铝、镁及其合金等）都可进行阳极氧化处理，这种方法广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪器及无线电器材，日用品和建筑装饰等方面。

  补充：除金属外，其他物质在阳极所引起的氧化作用，也称为“阳极氧化”

  补充：在现实工艺中，针对铝合金的阳极氧化，比较多，可以应用在日常生活中，以为这种工艺的特性，使铝件表面产生坚硬的保护层，可用于生产厨具等日用品。但铸造铝的阳极氧化效果不好，表面不光良，还只能是黑色。铝合金型材就要好一点。

 

8. 化学转化层(Chemical Conversion Coating) ；化学转化层(Chemical Conversion Coating) 钢铁发蓝(Blackening)，俗称”发黑“ 钢铁磷化(Phosphating)... 复合电镀（弥散电镀） composite plating 用电化学法或化学法使用权金属离子与均匀悬浮在溶液中的不溶液性...钢铁发蓝(Blackening)，俗称"煲黑" 钢铁磷化(Phosphating) 

9铬酸盐处理(Chromating) 

10金属染色(Metal Colouring) 

11涂装(Paint Finishing)，包括各种涂装如手工涂装、静电涂装、电泳涂装等 

12热浸镀(Hot dip)，。热浸镀简称热镀，是将被镀金属材料浸于熔点较低的其他液态金属或合金中进行镀层的方法。此法的基本特征是在基体金属与镀层金属之间有合金层形成

13热浸镀锌(Galvanizing),俗称"铅水" 

14热浸镀锡(Tinning) ，热浸镀锡其主要是将待镀物利用一半自动工全自动方式经连续的水洗、酸洗藉以清除待镀物表面沾污的污物及锈点后，经浸渍助焊剂以利后续的镀锡加工之后再浸渍锡液，而后再经连串的撒甩、敲捶、回转等步骤后，藉以去除镀物本体上多余的锡液及使锡液均匀的布设于其上，再施以冷却干燥后，即可依上述步骤而得一对工作物产生热浸镀锡的作用

15阴极溅射，具有足够能量的带电粒子或中性粒子碰撞物体表面时，可把能量传递给表面的原子。只要表面原子获得的能量大于本身的电离能，就能摆脱周围原子的束缚而离开物体表面，这种现象称为溅射。

16真空镀(Vacuum Plating) ，真空镀主要包括真空蒸镀、溅射镀和离子镀几种类型，它们都是采用在真空条件下，通过蒸馏或溅射等方式在塑件表面沉积各种金属和非金属薄膜，通过这样的方式可以得到非常薄的表面镀层，同时具有速度快附着力好的突出优点，但是价格也较高，可以进行操作的金属类型较少，一般用来作较高档产品的功能性镀层，例如作为内部屏蔽层使用。

17离子镀(Ion Plating)，离子镀在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发离子镀原理图物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。

18 表面硬化： 

所谓表面硬化法是指通过适当的方法使零件的表层硬化而零件的心部仍然具有强韧性的处理。通过这种处理，可以改善零件的耐磨性以及耐疲劳性，而由于零件的心部仍然具有良好的韧性和强度，因此对冲击载荷有良好的抵抗作用。常用的表面硬化处理方法主要有渗碳、氮化、硬质阳极氧化、镀铬、表面淬火以及渗金属等。

 

（1）渗碳

钢的渗碳就是含碳量较低的钢制零件在渗碳介质中加热或者保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量，在淬火之后，含碳量高的表层硬度很高，而含碳量低的心部硬度低仍具有良好的韧性。目的是使零件获得高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。主要用于承受磨损、交变接触应力或者弯曲应力和冲击载荷的零件，如轴、齿轮、凸轮轴等，这些零件要求表面有很高的硬度而心部要有足够的强度和韧性。

渗碳法分为固体渗碳法、液体渗碳法和气体渗碳法三种。另外还有真空渗碳法。

固体渗碳法就是把零件放入固体渗碳剂（由木炭粉以及BaCO3和Na2CO3等促进剂组成）中然后放入渗碳容器里加热到900℃—930℃保温一定时间。液体渗碳是把工件浸入以氰化钠（NaCN）为主（含NaCl、NaCO3和Na2CO3等添加剂）

的熔融盐浴里，氰化钠分解所生成的C和N渗入工件中。气体渗碳是把零件放入通有CH4和CO的容器里加热使碳原子渗入工件表面。

渗碳层的深度可以达到几个毫米，其深度随渗碳时间的增加而增加，随渗碳温度的升高而加深，但是渗碳速度随时间的延长而减慢。对不要渗碳的部位一般采用镀铜保护或者预留加工余量、渗碳后把该处切掉的方法进行防护。

渗碳后必须进行淬火和低温回火处理以得到零件所需要的硬度（可达HRC55—65），注重高硬度时在150℃左右回火，而为了保持零件的尺寸精度，防止时效变形时在180℃—200℃左右回火。

最后必须要提及一点是，我们经常提到的渗碳层深度是指淬火后的有效硬化层深度，国标GB9450—88上规定为从零件表面到维氏硬度值为550HV的距离，实际碳在零件中扩散达到的距离比这个要大得多。

 

 

         

 

 

 

（2）.氮化

氮化是指把合金钢（一般含有Al、Cr、Mo）在无水氨气（NH3）流中在500℃—570℃左右长时间加热，使钢的表面形成一层硬度很高又耐腐蚀的氮化物（主要为Fe2N、Fe3N、Fe4N）。一般有气体渗氮、液体渗氮和辉光离子渗氮。

氮化时合金钢的含碳量一般在0.2%—0.5%，主要由零件心部的机械性能来决定含碳量，含碳量高时阻碍N的扩散，从而减少氮化层的厚度，而含碳量少时，零件截面上的硬度梯度变化就会大，从而造成氮化层容易剥离。Al的作用是增加渗氮后钢的表面硬度，Cr可以增加氮化层的厚度，Mo可以防止在500℃—570℃长时间加热造成的回火脆性，Cr、Mo对材质的改良也很重要。历史最久国际上普遍采用的渗氮钢是38CrMoAl。

一般的氮化零件的工艺流程为锻造—退火—粗加工—调质—精加工—氮化。不需要氮化的部位可以镀Ni或者镀Sn或者镀Pb20%+Sn80%。

氮化处理前先对零件进行调质处理，使其具有良好的塑性和韧性，氮化处理后不再实施淬火、回火，并且氮化处理本身的温度就比较低，所以工件的变形小。

氮化处理后工件表面的硬度可以达到HRC65—72，比渗碳处理后的硬度更高更耐磨，并且耐腐蚀性能要好。

辉光离子渗氮法是把零件置于真空反应炉内，用真空泵把炉内抽真空，然后通入N2和H2的混合气体，把炉内压力调整到100—1000Pa，以炉体接阳极，工件接阴极，在两极间通数百伏的直流电时产生辉光放电，这时所产生的氮离子就会高速向工件表面运动。而处在阴极的工件被冲击出铁原子，与氮离子结合成FeN，随即被工件表面吸附，在离子轰击作用下，逐步分解为低价氮化物和氮原子，氮原子就向内部渗入及扩散。辉光离子渗氮的时间与普通渗氮相比要短的多，普通渗氮要几十个小时，而辉光离子渗氮最快只要几个小时。

 

            附图：20#钢和40Cr钢氮化后显微组织（400倍）

 

               

 

 

（3）.硬质阳极氧化

铝的阳极氧化是以铝或铝合金作阳极，以铅板作阴极在电解液中电解，使其表面生成氧化膜层。经过阳极氧化，铝表面能生成厚度为几个至几百微米的氧化膜。这层氧化膜的表面是多孔蜂窝状的，比起铝合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显的改善和提高。采用不同的电解液和工艺条件，就能得到不同性质的阳极氧化膜。

阳极氧化的主要工艺流程：脱脂除油—碱腐蚀—抛光—阳极氧化—染色—封孔处理。

碱腐蚀的目的是去除铝合金表面致密但不均匀的氧化膜，对高硅铝合金，采用HN03、HF混合溶液，其他铝合金采用以NaOH溶液为主的碱性槽液。

抛光的目的是得到光亮的基体表面，分为机械抛光、电解抛光和化学抛光。机械抛光就是采用机械方法磨出光亮表面。电解抛光是利用电流的作用，使铝合金发生电化学反应，在铝合金表面凸凹不平的部分发生不同程度的溶解，使铝件表面产生光滑的镜面效果。化学抛光就是把零件浸在化学溶液里面发生反应从而得到光亮的表面，分为酸性抛光和碱性抛光。             

染色就是利用阳极氧化膜的多孔结构和强吸附性能，将已阳极氧化处理的铝制件浸渍在有机染料或无机染料的溶液中，则氧化膜针孔吸附染料而着色。另外还有电解着色、整体着色等。

由于铝及铝合金生成的氧化膜具有高的孔隙率和吸附性，很容易被污染，尤其在腐蚀性环境中，腐蚀介质容易进入膜层孔隙而引起腐蚀。氧化膜染色后应进行封闭处理，以增加色泽的耐晒性和耐蚀性。在工业生产中，经过阳极氧化的膜层，不管染色与否，一般都要进行封闭处理。一般采用的是热水封闭和蒸汽封闭，其原理为氧化膜表面和孔壁的三氧化二铝在热水中发生水化反应，生成水合氧化铝，使原来氧化膜的体积增加33~100%，氧化膜体积的膨胀使膜孔显著缩小，从而达到封孔的目的。反应式为：

Al2O3+nH2O= Al2O3•nH2O

此外还可以采用各种化学溶液封闭，如重铬酸钾溶液封闭，封闭后的阳极氧化膜呈浅黄色，有特别高的耐蚀性。

阳极氧化采用的电解液主要有硫酸、草酸、铬酸，其中硫酸阳极氧化处理应用最为广泛。如果没有特别指明，一般指的是硫酸阳极氧化。

硫酸阳极氧化具有槽液成本低、成分简单、操作维护简便、氧化膜透明度高、着色性高等特点，因而得到广泛应用。硫酸阳极氧化操作条件为：

    H2SO4(体积)        10％～30％

    温度℃             18～22

    Al/g.L-1          ≤20

    电流密度/A.dm-2   0.6～3

    时间/min          10～60

草酸氧化膜的特点和硫酸氧化膜相近，孔隙率低于硫酸氧化膜，耐蚀性和硬度高于硫酸氧化膜。草酸的槽液成本和操作电压高于硫酸，有些合金的草酸氧化膜颜色较深。草酸和硫酸阳极氧化都需要良好的冷却系统配套。

铬酸阳极氧化膜特别耐腐蚀，主要应用干飞机制造工业，铬酸氧化膜和油漆的附着力强，也用于作油漆的底层，铬酸阳极氧化膜灰色不透明，一般不用于装饰。

为了提高阳极氧化膜的硬度和厚度，把硫酸氧化槽的温度降低至0℃，电流密度提高至2.7～4.0A/dm2，可以获得25～50μm的“硬质氧化膜”。用草酸加少量硫酸可以在5～15℃得到硬质氧化膜。有些专利用优化硫酸的浓度，加有机酸或其他添加剂，进行硬质阳极氧化。

阳极氧化膜厚度一般为5—20μm，硬质阳极氧化膜最厚可以达到60—250μm，硬度一般为HV240—500，熔点高达2050℃，短时间能耐1500—2000℃的高温，并且导热系数低，电阻率好，具有很高的绝缘性能但是阳极氧化膜都很脆，随着厚度的增加脆性增大，因此硬质阳极氧化膜不能承受冲击、弯曲和变形。硬质阳极氧化膜的耐腐蚀性也比一般的阳极氧化膜要好。

附图：阳极氧化膜（前者为电镜扫描照片，后者为结构示意图）

 

               

      

（4）.镀铬

     铬的硬度可以达到 800~10OOHV，是最硬的金属。它有很强的钝化性能，在大气中很快钝化，因而铬层在大气中很稳定，能长期保持其光泽，在碱、硝酸、硫化物、碳酸盐以及有机酸等腐蚀介质中非常稳定，但可溶于盐酸等氢卤酸和热的浓硫酸中。

铬镀层优点为硬度高、耐磨性好、光反射性强。并且耐热性佳，在480"C以下不变色，50O ℃以上才开始氧化，700"C则硬度下降。铬镀层缺点为太硬易脆、易脱落。铬镀层具多孔性，所以对钢铁腐蚀性不很理想，所以一般先镀铜，再镀镍最后再镀一层铬才能达到防腐蚀及装饰的目的。

传统的镀铬工艺，其电镀液以铬酸为基础，以硫酸作催化剂，两者的比例为100：1。经典的常规镀铬溶液配方为 
　CrO3　 250 g/L
  H2SO4　2.5 g/L
  Cr3+　 3g /L

常规镀铬中，只有12-15%的电流用于沉积铬层，80-85%的电流用于析出氢气。氢气会渗入铬层，也会渗入基体达几十微米。氢气的渗入，使得钢的疲劳强度下降约30-40%。因此镀后必须进行去氢处理。而镀前也必须先做去应力处理: 因为镀铬对应力的敏感性很高，镀铬表面必须没有应力存在，一般镀件经机械加工、研磨，或硬化热处理都有残留应力，可加热 150至230"C消除残留应力。

镀硬铬就是比一般的镀铬层厚一点，所以相应的时间也要延长，一般需要十几个小时。

（5）.表面淬火

表面淬火是指将工件表面一定深度范围内迅速加热到淬火温度，然后迅速冷却，在一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。目的是在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，而心部仍保持淬火前的组织状态（调质或者正火状态），从而使表面硬而耐磨，而心部又有足够的塑性和韧性。主要用于中碳调质钢和球墨铸铁制的机器零件。

主要的表面淬火方式有感应加热表面淬火、火焰淬火以及激光加热和电子束加热表面淬火。

感应加热表面淬火，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法。

感应加热原理：工件放到感应器内，感应器一般是通入中频或高频交流电(500-300000Hz)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，叫做集肤效应。利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000ºC，而心部温度升高很小。

根据电流频率的不同，可将感应加热表面淬火分为三类：
    第一类是高频感应加热淬火，常用电流频率范围为200～300千赫兹，一般淬硬层深度为0.5～2.0mm。适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等。

第二类是中频感应加热淬火，常用电流频率范围为2500～800赫兹，一般淬硬层深度为2～10mm。适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。

第三类是工频感应加热淬火，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。

感应加热表面淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小等优点，所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。

火焰加热淬火是用乙炔—氧或煤气—氧等火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却，以获得表面硬化效果的淬火方法。火焰加热温度很高（约3000℃以上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。

表面淬火淬硬层深度一般计至半马氏体区。

附图：感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火示意图

                

 

 

         

 

 

 

表1　几种常用材料和工艺的选择

序号	工艺	时间	硬化层深度	材料	力学性能	使用范围	特点	示例
1	渗碳	较长	中等	低碳钢或者低碳低合金钢	硬度高，耐磨性高，抗接触载荷能力最好，良好的弯曲疲劳强度，良好的抗粘着性	用于耐磨、承受高接触应力的零件，可整体也可局部渗碳	处理温度高，时间中等，变形大	20 20Cr 15CrMn 20CrMn 12CrNi3A 18CrNiWA
2	氮化	长（一般的氮化方法要3—90小时）	浅（一般不超过0.5mm）	合金钢（含C量一般为0.2%—0.5%）	硬度高，耐磨性高，抗接触载荷能力较好，良好的弯曲疲劳强度，最好的抗粘着性	用于有一定接触应力或在500℃以下工作的耐磨零件。有时用来提高疲劳强度的表面强化。通常采用整体表面氮化	处理温度低，时间最长，变形最小，好的抗磨蚀性和尺寸稳定性	42CrMo 38CrMoAl 18Cr2Ni4WA
3	感应淬火	很短	深	中碳钢或者中碳低合金钢	硬度高，耐磨性较高，良好的抗接触载荷能力；良好的弯曲疲劳强度，满意的抗粘着性	用于耐磨，有较高接触应力的零件，可进行整体和局部表面感应淬火。淬火部位应是形状简单的回转体为宜。有时也可用来提高疲劳强度的表面强化	变形小，生产效率高，容易实行机械化和自动化，节能	45 42CrMo 34CrNiMo

 

　　在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。 

对于金属铸件，比较常用的表面处理方法是，

机械打磨，

化学处理，

表面热处理，

喷涂表面，

　　钕铁硼磁性材料表面处理，全新的稳定成熟，高效率低成本的处理工艺，优于磷化处理

　　钕铁硼磁性材料是钕，氧化铁等的合金。又称磁钢。

　　钕铁硼磁性材料牌号有：N30～N52；30H～50H；30SH～50SH；28UH～40UH；30EH～35EH等。

　　第三代稀土永磁钕铁硼是当代磁铁中性能最强的永磁铁。它的BHmax值是铁氧体磁铁的5-12倍，是铝镍钴磁铁的3-10倍；它的矫顽力相当于铁氧体磁铁的5-10倍，铝镍钴磁铁的5-15倍，其潜在的磁性能极高，能吸起相当于自身重量640倍的重物。

　　由于钕铁硼磁铁的主要原料铁非常便宜，稀土钕的储藏量较钐多10-16倍，故其价格也较钐钴磁铁低很多。

　　钕铁硼磁铁的机械性能比钐钴磁铁和铝镍钴磁铁都好，更易于切割和钻孔及复杂形状加工。 

　　钕铁硼磁铁的不足之处是其温度性能不佳，在高温下使用磁损失较大，最高工作温度较低。一般为80℃左右，在经过特殊处理的磁铁，其最高工作温度可达200℃。

由于材料中含有大量的钕和铁，故容易锈蚀也是它的一大弱点。所以钕铁硼磁铁必须进行表面涂层处理。可电镀镍(Ni), 锌(Zn), 金(Au), 铬(Cr), 环氧树脂(Epoxy)等。钕铁硼钝化剂,　阻止生锈及产生花斑,　主要成分：金属表面钝化剂、沉膜剂、表面活性剂、缓冲剂、聚和剂等`。 适用范围：适用于钕铁硼材质、铸铁、粉末冶金等多种材质的表面直接钝 化使用 

　　物理化学性质： 

　　物性外观 浅黄色透明液体状物 

　　PH 7．0-9．0 

　　沉膜剂 ＞20% 

　　钝化剂 ＞20% 

　　其他活性剂 ＞4% 

　　特 性: 

　　本产品是昆山瑞仕莱斯公司研发部门专门针对钕铁硼材质的磁性材料开发的新型高效环保型钝化剂指标符合RoHS指令；药剂具特殊的缓冲体系，克服工件表面及内部的腐蚀,钝化效能稳定。

　　该产品使用简单、方便，具有长时间放置在空气中不生锈的特点，其钝化膜均匀，呈均匀的本色金属光泽膜，其钝化膜为晶格歪曲的平面Υ-Fe3O4。普通钢铁材钝化后可通过盐雾测试96小时，达九级以上。 

　　使用方法: 

　　1． 使用工艺 

　　处理浓度 原液使用 

　　处理温度 常 温 

　　处理方法 浸 泡 

　　处理时间 100-300秒 

　　2．处理流程(参考工艺操作说明) 

　　工件脱脂---------水洗---------酸洗-------水洗----------侵入Royce-799钝化剂（120-180s）--------Royce-789封闭剂(10-20s)----------烘烤。 

　　注意事项： 

　　1． 严禁药剂与酸碱直接接触； 

　　表面处理的种类 

 

　　机械清理可有效去除工件上的铁锈、焊渣、氧化皮 , 消除焊接应力 , 增加防锈涂膜与金属基体的结合力 , 从而大大提高工程机械零部件的防锈质量。机械清理标准要求达到 ISO8501 — 1 ∶ 1988 的 Sa2 . 5 级。表面粗糙度要达到防锈涂层厚度的 1 /3 。喷、抛丸所用钢丸要达到 GB6484 要求。 

 

　　薄板冲压件的表面处理称一般用化学表面处理。工艺流程为 : 

 

　　预脱脂→脱脂→热水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→中和→冷水洗→表面调整→磷化→冷水洗→热水洗→纯水洗→干燥 

 

　　上述工艺过程也可根据薄板冲压件的油、锈情况作适当调整 , 或不用酸洗工序 , 或不用预脱脂工序。而脱脂和磷化是化学处理工艺中的关键工序 , 这两道工序直接影响工件化学处理的质量和防锈涂层的质量。有关工艺参数和相关辅助设备也是影响表面处理质量的不可忽视的因素。 

冷焊机修补

　　修补冷焊机历史介绍 修补冷焊机在国际上叫ESD（ELECTRO SPARK DEPOSITION），是由前苏联的专家应用类似于放电加工机Electro Discharge Machining 的电路原理研究开发出来的。主要用途是使用高硬度的碳化钨等材料对模具/金属表面进行涂层加工，提高耐磨性，耐热性，耐烧粘等性能。当初的加工机涂层厚度最大只能达到30üm 左右，因此无法满足修补需要。之后，经过了大量的研究开发，提高了其输出功率，改进了焊枪结构和焊条材料成份。针对以往的前后震动式电极，采用了旋转式电极，并且利用氩气保护来防止熔敷金属的氧化，氮化，实现了连续多层修补堆焊，提高了修补堆焊厚度，从而作为金属工件修复加工机推向市场。对于那些金属制品制造厂家，在工件制品出现毛刺、针孔、气孔、裂纹、磨损，划痕等缺陷时，利用以往的焊接方法来修复工件的话，工件会产生变形，甚至热裂或是易脱落。常常会得不到理想的修补效果，将就用或者直接报废。直接带来很多经济上的成本开支或交货的延迟。 

　　本公司有多年代理德国多功能修补机器的经验。在不断创新改良的基础上，生产出“智能多功能修补王”。采用国内外资厂家生产的最优质的零配件，在性能上更胜一筹。在市场中俱有相当的性价比。 

 

　　该机型简介： 此机型为生造智能修补机械设备产品，是我公司针对广大模具业、铸造业、电器制造业、医疗器械、汽车、造船、锅炉、建筑、钢构、桥梁建设等行业改良生产，具有广泛的适用性。在国内是广大中小企业的首选修补设备。

　　智能冷焊机修补原理：

智能冷焊机是通过微电瞬间放电产生的高热能将专用焊丝熔覆到工件的破损部位，与原有基材牢固熔接，焊后只需经过很少打磨抛光的后期处理。

　　1．工作原理： 智能修补冷焊机的原理是，利用充电电容，以10－3～10–1秒的周期，10－6～10–5秒的超短时间放电。电极材料与工件接触部位会被加热到8000～25000℃，等离子化状态的熔融金属以冶金的方式过渡到工件的表层。图1所示的是（堆焊，涂层）的示意图及各种特性。A区是堆焊到工件表面的涂层或堆焊层，由于与母材之间产生了合金化作用，向工件内部扩散，熔渗，形成了扩散层B，得到了高强度的结合. 

 

　　2． 实现冷焊（热输入低）： 为什么能实现冷焊呢，如图2所示，放电时间（Pt）与下一次放电间隔时间（It）相比极短，机器有足够的相对停止时间，热量会通过工件基本体扩散到外界，因此工件的被加工部位不会有热量的聚集。虽然工件的升温几乎停留在室温，可是由于瞬时熔化的原因，电极尖端的温度可以达到25000℃左右.

 

3． 结合强度高： 利用智能修补冷焊机进行修补堆焊时，既然热输入低，为什么结合强度还很大呢？这是因为焊条瞬间产生金属熔滴，过渡到与母材金属的接触部位，同时由于等离子电弧的高温作用，表层深处开成像生了根一样的强固的扩散层。呈现出高结合性，不会脱落。

产品优点：

　　1、设计合理，自由调节。可根据不同金属材质选用不同档放电频率，以达到最佳修补效果。 

　　2、热影响区域小。堆覆的瞬间过程中无热输入，因而无变形，咬边和残余应力。不会产生局部退火，修复后不需要重新热处理。

　　3、极小的焊补冲击 ，本焊机在焊补过程中克服了普通氩弧焊对工件周边产生冲击的现象。对没有余量的工件加工面也可进行修补。 

　4、修复精度高：堆焊厚度从几微米到几毫米，只需打磨，抛光

　　5、熔接强高：由于充分渗透到工件表面材料产生极强的结合力

　　6、携带方便：重量轻（28公斤），220V电源，无工作环境要求

　　7、经济性：在现场立刻修复，提高生产效率，节省费用。

 

8、一机多用：可进行堆焊，表面强化等功能。通过调节放电功率和放电频率可获得要求 的堆焊和强化的厚度的光洁度。

　　9、堆焊层硬度及补材多样性：

　　使用不同的电极棒材料（补材）可获得不同要求的硬度。堆焊修补 层硬度可从HRC 25 ~ HRC 62 。 主机控制系统：采用改进型内置工控微机进行双闭环精密控制。其稳定性和运行能力远远优于同类产品，采用智能IC控制板。 气体保护系统：改为微机控制的同步氩气保护系统，使氩气保护更好，焊接效果更加牢固，美观。同时保持了原有优点--与激光焊机媲美，可以最大限度地节约氩气。 安装条件 及耗材：(28℃) ，湿度： 5% to 75% 不结露220伏50HZ交流电，电压稳定，环境：干净无灰尘或灰尘较少 . 主要消耗：焊丝、氩气、电. 　　*适应范围：

　　●冲模 ● 锻模 ●注塑模 ●铸模 ●压铸模 ●金属类产品 ●机器零部件 ●工具

　　1)适用的材质 

　　●铝质、铝合金 ● 铜质、铜合金 ●碳钢、不锈钢 ●全钢、半钢 ●铸钢、铸铁 

　　2)修复的缺陷 

　　●针孔、气孔 ●毛刺、飞边 ●磕碰、划伤 ●崩角、塌角 ●砂眼、裂纹 ●磨损、内陷 ●制造错误、制造缺陷、焊接缺陷 

　　3)修复的缺陷部位 

　　●尖角、锐边 ●沟槽、侧壁 ●底部、深腔 ●平面、分型 ●生产作业线上现场修复

飞行器制造中常用的表面处理方法　　在航空史上,最初用硬铝板材做飞机蒙皮的尝试,因出现晶间腐蚀而失败。在发明并生产出表面包镀纯铝的硬铝板材之后，飞机才有可能采用全金属结构形式。耐热合金叶片表面涂以耐高温涂层，可提高涡轮进口温度，增大发动机的推力和热效率。玻璃表面上镀以透明电热薄膜，可制成防霜、防雾的风挡和观察窗。高强度钢、铝合金、钛合金和镁合金等异种材料，因电偶腐蚀原因不能直接接触使用，但这些材料的零件经过适当的表面处理后便可以装在一起。飞行器制造中常用的表面处理方法大体分为机械法、物理法和覆（镀）层法3类。 

　　机械法 典型的方法是喷丸处理，常用以改变飞行器结构和发动机零件表层的残余应力状态，强化表层金属，提高表层质量，以延长疲劳寿命。 

　　物理法 包括表面淬火和激光表面处理。表面淬火是利用钢的淬硬性，用高频感应电流或激光束将零件表层金属加热到高温，随后冷却使表面硬化。利用激光束也可以使表面极薄的一层金属熔化，表层下的冷基体使表层熔化的金属以极高的速度冷却，形成超微晶粒或非晶结构，从而提高材料对磨损、腐蚀和疲劳的抗力。 

　　覆（镀）层法 这种方法在飞行器制造中应用得最广泛。常用的有:①电镀：各种钢制零件,除形状特别复杂的零件因受镀液分散能力限制不宜电镀外，大都经过电镀。②包镀：硬铝合金板材表面均包覆纯铝。每面包铝层的厚度一般占板材总厚度的2％～4％。③热渗（见热处理）：在航天器制造中，纯硅化物与复合硅化物涂层可用于防护难熔金属制件。料浆法涂敷铝化物涂层则适用于铌合金火箭喷管的高温防护。④喷镀（涂）：向制件表面喷涂熔化或半熔化的金属、合金、金属间化合物、金属氧化物或有机材料等的颗粒而形成镀层。喷涂锌、铝金属层可防止飞行器钢焊接件的常温腐蚀；喷涂难熔的碳化物、硼化物可防止高温腐蚀和磨损。⑤真空镀：包括物理气相沉积、化学气相沉积和离子镀，在飞行器制造中用于玻璃、塑料零件覆盖镀层，也用于各种钢制和钛制紧固件以及需要与铝、镁合金连接的航天器不锈钢薄壁冷却管的表面镀铝。其防护性能大大超过一般镀层。⑥转化膜：包括铬酸盐处理、磷酸盐处理、氧化等化学转化处理和阳极化处理。化学转化处理简单方便，可以处理形状复杂的零件。黑色金属的发蓝处理常用作航空仪表和光学仪器零件的装饰防护层。铝合金上的阳极氧化膜具有硬度高、耐磨、绝缘、绝热、表层多孔而且吸附能力好和化学稳定性高的优点，所以重要的铝合金零件，如蒙皮、翼肋、框架、接头等，均经过这种处理。硬阳极化处理主要用于飞行器上的各种耐磨铝合金零件，如作动筒和汽缸的内壁、轴承、舱门、地板、导轨等。⑦有机涂层：利用刷涂、浸涂、喷涂、电泳涂覆、静电喷涂等方法将有机涂料或塑料涂敷到零件表面上，经固化后形成连续的薄膜，以达到防护、装饰和伪装的目的。特种涂料还可用于推进系统和高速飞行器表面的高温防护。飞行器上的漆层要尽量的薄。漆膜的厚度由常规的0.1毫米减至0.075毫米时，一架巨型运输机的总重量约可减少1吨。 

 

　　空间环境要求 航天器的表面处理还必须能耐高真空环境，防止镀层快速升华。锌与镉层升华后冷凝和沉积会导致电器系统短路或光学镜头模糊。铬的熔点比铂高,但升华速率是后者的1010倍，因此，航天器常常不得不采用昂贵的铂作镀层材料。合金镀层因升华速率不同可能导致成分变化,使性能降低。在真空环境中,吸附气体膜不复存在，必须防止轴承或密封装置中紧贴的金属面间发生冷焊。飞船与外界的热交换在真空中只能依靠辐射作用，所以改善表面辐射特性成为控制温度和利用太阳能的唯一手段。此外，同微流星和原子碰撞会使航天器表面粗糙，辐射特性改变，这也是航天器表面处理中需要考虑的因素。 

 

真空镀膜表面处理

　　通常，在真空镀膜之前，应对基材（镀件）进行除油、除尘等预处理，以保证镀件的整洁、干燥，避免底涂层出现麻点、附着力差等缺点。对于特殊材料，如PE（聚乙烯）料等，还应对其进行改性，以达到镀膜的预期效果。