金属表面工程工艺

201211601113 材卓121 刘才兴

由现实中的实际需求，金属材料既要求表面有较高的硬度和耐磨性，又要求心部具有足够的韧性，必须采用各种表面强化工艺。近年来，金属表面处理技术获得了迅速发展，已广泛应用于众多领域。

随着金属加工业、铁路制造业、汽车行业的飞速发展，对生产各种金属制品及铁路、汽车零部件产品的质量有了更高要求，通过长期的实践证明，一些简单、简易的前处理方式，已经不能满足金属加工及涂装的基本要求，必须采用合适的表面工程工艺来强化金属，常见的几种工艺如下：

1表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法，使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限，心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性，即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。

2化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。

3表面形变强化指使钢件在常温下发生塑性变形，以提高其表面硬度并产生有利的残余压应力分布的表面强化工艺。工艺简单，成本低廉，是提高钢件抗疲劳能力，延长其使用寿命的重要工艺措施。

4金属喷涂技术是将金属粉末加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。

5金属镀层是在基体材料的表面覆上一层或多层金属镀层，可以显著改善其耐磨性、耐蚀性和耐热性，或获得其他特殊性能。包括电镀、化学镀、复合镀。应用在对材料有特殊要求。原子能工业和航天航空工业。

6金属碳化物覆层气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。7化学转化膜是将金属部件置于选定的介质条件下，使表层金属和介质中的阴离子发生反应，生成附着牢固的稳定化合物。铝及铝合金制品阳极化处理、钢铁制品化学氧化处理，能大大提高其耐蚀性；镀锌层经过铬酸盐处理后，在盐雾试验中出现锈点的时间大大增加。

8电解着色铝及铝合金的电解着色是将经过阳极氧化的制件浸入含有重金属盐的电解液中，通过交流电作用，发生电化学反应，使进入氧化膜微孔中的重金属离子还原为金属原子，沉积于孔底阻挡层上而着色。

9喷丸处理也称喷丸强化，是提高零件疲劳寿命的有效方法之一，喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受载荷时可以抵消一部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度。

喷丸是用来清除厚度不小于2mm的或不要求保持准确尺寸及轮廓的中型、大型金属制品以及铸锻件上的氧化皮、铁锈、型砂及旧漆膜。是表面涂(镀)覆前的一种清理方法。广泛用于大型造船厂、重型机械厂、汽车厂等。

喷丸强化是一个冷处理过程，它被广泛用于提高长期服役于高应力工况下金属零件，如飞机引擎压缩机叶片、机身结构件、汽车传动系统零件等的抗疲劳属性。

喷丸强化，是在一个完全控制的状态下，将无数小圆形称为钢丸的介质高速且连续喷射，捶打到零件表面，从而在表面产生一个残余压应力层。因为当每颗钢丸撞击金属零件上，宛如一个微型棒捶敲打表面，捶出小压痕或凹陷。为形成凹陷，金属表层必定会产生拉伸。表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球。无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。最终，零件在压应力层保护下，极大程度地改善了抗疲劳强度，延长了安全工作寿命。

喷丸又分为喷丸和喷砂。用喷丸进行表面处理，打击力大，清理效果明显。但喷丸对薄板工件的处理，容易使工件变形，且钢丸打击到工件表面（无论抛丸或喷丸）使金属基材产生变形，由于Fe3o4和Fe2o3没有塑性，破碎后剥离，而油膜与基材一同变形，所以对带有油污的工件，抛丸、喷丸无法彻底清除油污。在现有的工件表面处理方法中，清理效果最佳的还数喷砂清理。

喷砂适用于工件表面要求较高的清理。但是我国目前通用喷砂设备中多由铰龙、刮板、斗式提升机等原始笨重输砂机械组成。用户需要施建一个深地坑及做防水层来装置机械，建设费用高，维修工作量及维修费用极大，喷砂过程中产生大量的矽尘无法清除，严重影响操作工人的健康并污染环境。

喷丸强化分为一般喷丸和应力喷丸。一般处理时，钢板在自由状态下，用高速钢丸打击钢板的里面，使其表面产生预压应力。以减少工作中钢板表面的拉应力，增加使用寿命。应力喷丸处理是将钢板在一定的作用力下的预先弯曲,然后进行喷丸处理。

粉末涂料的静电喷涂称为喷塑，其原理为： 利用电晕放电现象使粉末涂料吸附在工件上的。其过程是这样的：粉末涂料由供粉系统借压缩空气气体送入喷枪，在喷枪前端加有高压静电发生器产生的高压，由于电晕放电，在其附近产生密集的电荷，粉末由枪嘴喷出时，形成带电涂料粒子，它受静电力的作用，被吸到与其极性相反的工件上去，随着喷上的粉末增多，电荷积聚也越多，当达到一定厚度时，由于产生静电排斥作用，便不继续吸附，从而使整个工件获得一定厚度的粉末涂层，然后经过热使粉末熔融、流平、固化，即在工件表面形成坚硬的涂膜。

抛丸和喷砂都是表面处理,但不是说只有铸件才抛丸,喷砂主要功能是表面除锈,除氧化皮等,比如热处理后的零件,而抛丸的作用和功能就较多:不但除锈,除表面氧化皮,还提高表面粗糙度,去除零件机加工毛刺,消除零件内应力,减少热处理后零件变形,提高零件表面耐磨,受压能力等,用于喷丸的工艺有很多,例如:铸件,锻件,机加工后零件表处,零件热处理后表处等,喷砂主要是人工操作,而抛丸自动化和半自动化的多,抛丸所用的钢丸和铁丸其实并不是真正意义上的丸,准确的说它是小钢丝或小钢棍,只是使用了一段时间后才看起来象丸子的,所谓喷砂的砂说穿了,也就是河砂而已,和建筑用的没有什么两样,只是喷砂用的经过筛制,含泥少,颗粒大小规格而已。当然有的行业也有不同，如船舶行业的抛丸用的是真正的钢丸、喷砂用的是金属矿砂。

学习表面工程以来，我们清楚的认识到表面工程在现代工艺中的重要工艺，材料表面技术是上世纪80年代以来世界十项关键技术之一。30余年来，已迅速发展成为一门新兴的跨学科的，综合性强的先进工程技术。表面工程作为一个完整的概念，是一门典型的多学科交叉，系统性强，涉及面广的边缘学科。 表面工程技术是应用物理，化学，电子学，机械学，材料学等多学科的最新知识，对产品或材料表面进行热处理，赋予材料表面减磨、耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化、抗疲劳、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术，不仅技术含量高，产品附加值高，综合收益大，投资见效快，而且节约材料资源，保护环境，降低能耗，所以它的应用极其广泛和重要。相信不久的将来，必将在生产工艺起重要作用。

我们作为材料专业的学生，必须与时俱进，充分了解材料工艺前景，发挥表面工艺优良性，把材料生产运用于实际生产中，合理协调各种工艺，来达到材料的最终性能。表面工程技术可以兼备装饰和防护作用，在人们的周围创造了一个五彩缤纷的世界，推动了产品的更新换代。在材料工艺中，与计算机技术相结合，能完成各种复杂材料的优化。在学习中，表面工程技术运用简单的手段达到优良效果，对我的启发很大，在将来的学习中，也将继续深入学习表面工程，以期运用到实际生产中。

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