表面处理和改性

表面覆盖一切。材料表面为我们提供的吸引力和功能至关重要。 Therefore SURFACE TREATMENT and SURFACE MODIFICATION are among our everyday industrial operations.表面处理和改性可提高表面性能，可以作为最终精加工操作或在涂层或连接操作之前进行。表面处理和改性过程（也称为 SURFACE ENGINEERING） ，定制材料和产品的表面以：

 

 

 

- 控制摩擦和磨损

 

- 提高耐腐蚀性

 

- 增强后续涂层或连接部件的附着力

 

- 改变物理特性电导率、电阻率、表面能和反射

 

- 通过引入官能团改变表面的化学性质

 

- 改变尺寸

 

- 改变外观，例如颜色、粗糙度……等。

 

- 清洁和/或消毒表面

 

 

 

通过表面处理和改性，可以提高材料的功能和使用寿命。我们常见的表面处理和改性方法可以分为两大类：

 

 

 

覆盖表面的表面处理和改性：

 

有机涂料：有机涂料将油漆、水泥、层压板、熔融粉末和润滑剂涂在材料表面。

 

无机涂层：我们流行的无机涂层是电镀、自催化电镀（化学镀）、转化涂层、热喷涂、热浸、堆焊、熔炉、金属、玻璃、陶瓷等薄膜涂层，如 SiO2、SiN 等。涉及涂层的表面处理和改性在相关子菜单下有详细说明，请点击这里 功能涂料/装饰涂料/薄膜/厚膜

 

 

 

改变表面的表面处理和改性：在此页面上，我们将集中讨论这些。并非我们下面描述的所有表面处理和改性技术都是在微米或纳米尺度上进行的，但我们仍将简要提及它们，因为基本目标和方法在很大程度上与微制造规模上的那些相似。

 

 

 

硬化：通过激光、火焰、感应和电子束进行选择性表面硬化。

 

 

 

高能治疗：我们的一些高能治疗包括离子注入、激光上釉和融合以及电子束治疗。

 

 

 

薄扩散处理：薄扩散工艺包括铁素体氮碳共渗、渗硼、其他高温反应工艺，如 TiC、VC。

 

 

 

重扩散处理：我们的重扩散工艺包括渗碳、渗氮和碳氮共渗。

 

 

 

特殊表面处理：低温、磁性和声波处理等特殊处理会影响表面和散装材料。

 

 

 

选择性硬化过程可以通过火焰、感应、电子束、激光束进行。大型基材使用火焰硬化进行深度硬化。另一方面，感应淬火用于小零件。激光和电子束硬化有时与表面硬化或高能处理中的硬化没有区别。这些表面处理和改性工艺仅适用于具有足够碳和合金含量以允许淬火硬化的钢。铸铁、碳钢、工具钢和合金钢都适合这种表面处理和改性方法。这些硬化表面处理不会显着改变零件的尺寸。硬化深度可以从 250 微米到整个截面深度不等。然而，在整个截面的情况下，截面必须很薄，小于 25 毫米（1 英寸），或者很小，因为硬化过程需要材料快速冷却，有时在一秒钟内。这在大型工件中很难实现，因此在大截面中，只能对表面进行硬化。作为一种流行的表面处理和改性工艺，我们在许多其他产品中硬化弹簧、刀片和手术刀片。

 

 

 

高能工艺是相对较新的表面处理和改性方法。在不改变尺寸的情况下改变表面的属性。我们流行的高能表面处理工艺是电子束处理、离子注入和激光束处理。

 

 

 

电子束处理：电子束表面处理通过快速加热和快速冷却来改变表面特性——在材料表面附近约 100 微米的非常浅的区域中，速度约为 10Exp6 摄氏度/秒（10exp6 华氏度/秒）。电子束处理也可用于堆焊以生产表面合金。

 

 

 

离子注入：这种表面处理和改性方法使用电子束或等离子体将气体原子转化为具有足够能量的离子，并将离子注入/插入到基板的原子晶格中，并在真空室中由电磁线圈加速。真空使离子更容易在腔室中自由移动。注入离子与金属表面之间的不匹配会产生使表面硬化的原子缺陷。

 

 

 

激光束处理：与电子束表面处理和改性一样，激光束处理通过在表面附近非常浅的区域快速加热和快速冷却来改变表面特性。这种表面处理和改性方法也可用于堆焊以生产表面合金。

 

 

 

植入物剂量和处理参数方面的专业知识使我们能够在我们的制造工厂中使用这些高能表面处理技术。

 

 

 

薄扩散表面处理：

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铁素体氮碳共渗是一种表面硬化工艺，可在亚临界温度下将氮和碳扩散到黑色金属中。加工温度通常为 565 摄氏度（1049 华氏度）。在此温度下，钢和其他铁合金仍处于铁素体相，这与在奥氏体相中发生的其他表面硬化工艺相比是有利的。该过程用于改进：

 

•耐磨损

 

•疲劳特性

 

•耐腐蚀性能

 

由于加工温度低，在硬化过程中很少发生形状变形。

 

 

 

渗硼是将硼引入金属或合金的过程。它是一种表面硬化和改性过程，通过该过程硼原子扩散到金属部件的表面。结果，表面包含金属硼化物，例如硼化铁和硼化镍。这些硼化物在其纯净状态下具有极高的硬度和耐磨性。渗硼金属部件具有极强的耐磨性，其使用寿命通常是经过淬火、渗碳、渗氮、氮碳共渗或感应淬火等常规热处理的部件的五倍。

 

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重扩散表面处理和改性：如果碳含量低（例如低于 0.25%），那么我们可以增加表面的碳含量进行硬化。根据所需的性能，零件可以通过在液体中淬火进行热处理，也可以在静止空气中冷却。这种方法只允许在表面进行局部硬化，而不能在核心中进行。这有时是非常理想的，因为它允许硬表面具有良好的耐磨性能，如齿轮，但具有坚韧的内核，在冲击载荷下表现良好。

 

 

 

在其中一种表面处理和改性技术中，即渗碳，我们将碳添加到表面。我们将零件暴露在高温下富含碳的气氛中，并允许扩散将碳原子转移到钢中。只有当钢的碳含量低时才会发生扩散，因为扩散是根据浓度微分原理起作用的。

 

 

 

包渗碳：将零件包装在碳粉等高碳介质中，并在 900 摄氏度（1652 华氏度）的炉中加热 12 至 72 小时。在这些温度下会产生 CO 气体，它是一种强还原剂。还原反应发生在释放碳的钢表面上。由于高温，碳随后扩散到表面。根据工艺条件，表面碳含量为 0.7% 至 1.2%。达到的硬度为 60 - 65 RC。渗碳层的深度范围从大约 0.1 毫米到 1.5 毫米。包渗碳需要很好地控制温度均匀性和加热的一致性。

 

 

 

气体渗碳：在这种表面处理变体中，将一氧化碳 (CO) 气体供应到加热炉中，碳沉积的还原反应发生在零件表面上。这个过程克服了包渗碳的大部分问题。然而，一个问题是 CO 气体的安全控制。

 

 

 

液体渗碳：将钢部件浸入富含碳的熔融浴中。

 

 

 

氮化是一种表面处理和改性过程，涉及将氮扩散到钢表面。氮与铝、铬和钼等元素形成氮化物。零件在氮化前进行热处理和回火。然后将零件清洗并在熔炉中在 500-625 摄氏度（932 - 1157 华氏度）的分解氨（含有 N 和 H）气氛中加热 10 到 40 小时。氮扩散到钢中并形成氮化物合金。这可以渗透到高达 0.65 毫米的深度。外壳非常坚硬，失真度低。由于外壳很薄，因此不建议进行表面研磨，因此对于表面光洁度要求非常高的表面，氮化表面处理可能不是一种选择。

 

 

 

碳氮共渗表面处理和改性工艺最适用于低碳合金钢。在碳氮共渗过程中，碳和氮都扩散到表面。零件在与氨 (NH3) 混合的碳氢化合物（例如甲烷或丙烷）气氛中加热。简而言之，该过程是渗碳和渗氮的混合。碳氮共渗表面处理在 760 - 870 摄氏度（1400 - 1598 华氏度）的温度下进行，然后在天然气（无氧）气氛中淬火。由于固有的变形，碳氮共渗工艺不适用于高精度零件。达到的硬度与渗碳（60 - 65 RC）相似，但不如氮化（70 RC）高。表壳深度介于 0.1 和 0.75 毫米之间。表壳富含氮化物和马氏体。需要进行后续回火以降低脆性。

 

 

 

特殊的表面处理和改性工艺处于开发的早期阶段，其有效性尚未得到证实。他们是：

 

 

 

深冷处理：一般应用于硬化钢，将基材缓慢冷却至约-166摄氏度（-300华氏度）以增加材料的密度，从而增加耐磨性和尺寸稳定性。

 

 

 

振动处理：这些旨在通过振动减轻热处理中产生的热应力并延长磨损寿命。

 

 

 

磁处理：这些旨在通过磁场改变材料中原子的排列，并有望提高磨损寿命。

 

 

 

这些特殊的表面处理和改性技术的有效性仍有待证明。上述三种技术也影响除表面外的散装材料。