精通金属表面处理：直观详解关键技术

表面强化技术-化学表面处理

化学表面处理是一种增强金属表面性能的关键技术，通过在金属表面形成保护层或装饰层，改善其耐蚀性、外观或其他表面性质。常见的化学表面处理方法包括发蓝和磷化，这两种技术各有其独特的应用和效果。

1.发蓝

发蓝，通常也称为发黑，是一种在控制的气氛中加热钢材使其表面形成一层蓝色或黑色氧化膜的过程。这层氧化膜能够提供一定的防锈保护，同时美化产品外观。发蓝处理通常应用于精密仪器、光学设备、手工具及各种机械行业的标准件，以提升其抗腐蚀能力和增强外观质感。

2.磷化

磷化是将钢铁或铝、锌件浸入富含磷酸盐的化学溶液中，通过化学反应在金属表面形成一层坚硬的磷酸盐膜。这种结晶型转换膜不仅增强了材料的防蚀能力，还改善了金属表面的涂装前处理性能。磷化处理被广泛应用于提高金属件的耐磨性和耐腐蚀性，尤其在汽车工业、冷变形金属加工和重型机械制造中占有重要地位。

这些化学表面处理方法使得金属工件能在恶劣环境下长期保持性能和外观，同时也是现代工业不可或缺的关键步骤。

化学表面热处理

化学表面热处理是一种通过加热使得特定介质中的活性元素渗入工件表层的技术，这一过程不仅改变了金属的表层组织，还改变了其化学成分，从而显著提升工件的表面性能。与单纯的表面淬火相比，化学热处理通过添加或改变工件的化学成分，使其获得更高的表面硬度和更好的韧性。发蓝、磷化可以归为表面处理，不属于化学热处理。

1.渗碳

这是一种通过将低碳钢置于富含碳元素的环境中加热，使碳元素渗入钢的表层的方法。这提高了表面的硬度和耐磨性，而心部保持了良好的韧性。渗碳常用于加工齿轮、轴承和其他承载零件。

用材: 含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。

常用方法：气体渗碳法、固体渗碳法、真空渗碳法

温度：900-950℃

表面厚度：一般为0.5～2mm

2.氮化
在氮化处理中，通过加热使氮元素渗入钢材表层，不仅提升硬度和耐腐蚀性，还因低处理温度而减少了材料的热变形。氮化适用于高精度齿轮、轴和工具等。

用材：为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。

常用方法：气体氮化法、离子氮化法

温度：500～570℃

表面厚度：不超过0.6～0.7mm

3.多元共渗

结合了渗碳和氮化的优点，同时渗入碳和氮等多种元素，进一步提升了材料的性能。这种处理适用于要求极高耐磨性和耐疲劳性的应用。

4.其他元素的渗入

包括渗硫、渗铝、渗铬等，每种都有其特定的应用场景和目的，例如渗铬可以显著提升抗氧化性和硬度。

这些过程的共同特点是，它们都涉及到分解、吸收和扩散这三个基本的化学过程，确保活性元素均匀且深入地渗透到工件的表层。

通过这些化学热处理方法，工件表层的性能得到了优化，同时保持了核心部分的机械性质，满足了现代工业对于高性能材料的需求。

表面形变强化

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。

1.喷丸

通过高速喷射微小的金属弹丸至工件表面，类似于无数小锤敲打，引发表层及其下层的塑性变形，进而增强材料。这种方法特别适合用于形状复杂的零件，常在磨削或电镀等工序后执行，以改善零件的表面质量和抗疲劳性能。

2.滚压处理

使用旋转的淬火钢滚子对工件的加工表面进行压实处理，通过物理压力减少表面粗糙度并形成残余压应力。这不仅提高了表面的光滑度，也增强了耐磨性和抗疲劳性，常用于圆柱面、锥面和平面等简单形状的部件。

3.表面胀光（挤光或挤压）

在常温条件下，将直径略大于工件内孔的钢球或其他形状工具强行通过，以实现内孔表面的精确、光洁和增强。这种方法特别适用于需要高精度和光洁度的内部表面处理。

这些表面形变强化技术，通过简单直接的物理变形，有效地提升了金属部件的表层性能，使其在实际应用中具有更长的耐用性和更优的性能表现。

表面覆层强化

表面覆层强化技术通过在金属表面涂覆一层或多层其他金属或非金属来提升材料的性能，目的是增强钢件的耐磨性、耐蚀性和耐热性，同时也可用于美化表面。

1.金属喷涂（热喷涂技术）

这项技术涉及将金属粉末加热至熔化或半熔化状态，然后用高压气流使其雾化并喷射到工件表面上，形成涂层。热喷涂技术不仅改善了材料的耐磨性、耐蚀性和耐热性，还增加了绝缘性。此技术广泛应用于航空航天、原子能、电子等高科技领域。

2.金属镀层

气相沉积技术通过将含有沉积元素的气体在特定的物理或化学条件下沉积到材料表面，形成薄膜。这项技术分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两大类。

3.金属碳化物覆层～气相沉积法
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。

根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。

1、物理气相沉积（PVD）

物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。

物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。

物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。

广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。

2、化学气相沉积（CVD）

化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。

由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。

表面洁化及装饰

1.抛光

抛光是一种用于提升金属表面光洁度的加工方法，主要目的是实现表面的美观和光滑。虽然抛光可以显著提高表面的光滑度，但它通常不会增加零件的加工精度。根据抛光前的处理条件，抛光后的表面粗糙度(Ra值)可从1.6降至0.008毫米。

1.1、机械抛光：包括使用轮式、滚筒和振动设备进行抛光，通过物理磨擦的方式减少表面不平整。

1.2、化学抛光：将金属零件浸入特制的化学溶液中，利用金属表面凸起部位比凹洼部位溶解速度快的现象实现零件表面的抛光。

1.3、电化学抛光：电化学抛光与化学抛光类似，不同点是还要通以直流电，工件接阳报，产生阳极溶解，也是利用金属表面凸起部位比凹洼部位溶解速度快的现象进行抛光的。

2.涂装

涂装是将涂料或其他保护层覆盖在对象表面的过程，不仅增强了美观，还可以提供保护作用，如防锈和增强耐用性。涂装工艺多样，每种方法都适合于不同的应用需求和材料特性。

常见涂装工艺有： 

2.1刷涂：适用于小面积或复杂形状的手工涂装。

2.2自动浸涂和手工喷涂：适用于较大批量的生产，可以实现均匀的涂层覆盖。

2.3高压无气喷涂：提供更细腻和均匀的涂层，适合要求高质量完成的表面。

2.4淋涂和幕帘淋涂：快速覆盖大面积，适合连续的生产线。

2.5流化床涂覆：通过热塑性粉末为工件提供均匀的涂层，特别适合复杂的形状。

2.6辊涂：适用于平板材料，可以快速且经济地涂装。

2.7静电喷涂：使用静电力将涂料颗粒吸附到工件表面，提高涂料的利用率和涂层的均匀性。

这些抛光和涂装技术不仅增强了金属工件的外观和表面性能，也延长了其使用寿命，特别适用于那些在恶劣环境中使用的工业产品。