常用材料的表面处理工艺 表面处理的概念 表面处理技术的分类 常见的表面处理方法 常用材料的表面处理方法 目 录 一、表面处理概念 利用现代物理、化学、金属学和热处理等学科的边缘性新技术来改变零件表面的 状况和性质，使之与心部材料作优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法，称为表 面处理。 二、表面处理技术的分类（按工艺特点） 表面改性技术（金属、非金属） 表面涂（镀）层技术（金属、非金属） 表面转化膜技术（金属） 通过物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、相组成、微观结构、缺陷 状态、应力状态。材料表面化学组成不变。 通过化学方法，使添加材料与基体发生化学反应，形成转化膜。 通过物理、化学方法，使添加材料在基体表面形成镀、涂层。 基材不参与涂层的形成。 表面合金化技术（金属） 通过物理方法，使添加材料进入基体，形成合金化层。 三、常见的表面处理方法 3.1.1 表面淬火 3.1.2 喷砂 3.1.3 滚花 3.1.4 拉丝 3.1 表面改性技术 3.1.6 激光表面强化 通过物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、相组成、微观结构、缺 陷状态、应力状态。材料表面化学组成不变。 3.1.5 抛光 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 氏体化后进行快速冷却（淬火），使表面硬化的一种热处理方法。 3.1.1 表面淬火 3.1.2 喷砂 喷砂处理是利用高速喷射出的砂粒或铁粒，对工件表面进行撞击，以提高零件的部 分力学性能和改变表面状态的工艺方法。 喷砂与喷丸处理，工艺相似，主要差别在沙粒直径上。该工艺主要应用于提高零件机 械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐蚀性等，还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、焊 件的残余应力等。 3.1.3 滚压 滚压是在常温上用硬质滚柱或滚轮施压于旋转的工件表面上，并沿母线方向移动，使 工件表面塑性变形、硬化，以获得准确、光洁和强化的表面，或特定花纹的处理工艺。 3.1.4 拉丝 在外力作用下使金属强行通过模具,金属横截面积被压缩,并获得所要求的横截面积 形状和尺寸的技术加工方法称为金属拉丝工艺。使其改变形状、尺寸的工具称为拉丝模。 拉丝可根据装饰需要，制成直纹、乱纹、波纹、螺纹等几种。 直纹乱纹波纹螺纹 乱纹拉丝乱纹拉丝 是在高速运转的铜丝刷下，使金属板前后左右移动磨擦所获得的一种无规则、无明显纹路 的亚光丝纹。这种加工对金属板的表面要求较高。 直纹拉丝直纹拉丝 是指在金属表面用机械磨擦的方法加工出直线纹路。 波纹波纹 一般在刷光机或擦纹机上制取。利用上组磨辊的轴向运动，在金属板表面磨刷，得出波浪 式纹路。 螺纹螺纹 是用一台在轴上装有圆形毛毡的小电机，将其固定在桌面上，与桌子 边沿成60度左右的角度，另外做一个装有固定金属板的拖板，在拖板 上贴一条边沿齐直的聚酯薄膜用来限制螺纹进度。利用毛毡的旋转与 拖板的直线移动，在金属板表面旋擦出宽度一致的螺纹纹路。 3.1.5 抛光 抛光是对零件表面进行修饰的一种光整加工方法，一般只能得到光滑表面，不能提高 甚至不能保持原有的加工精度，随预加工状况不同，抛光后的Ra值可达1.60.008 m ， 按照实现原理的不同，可分为机械抛光和化学抛光。 3.1.5.1 机械抛光 用高速旋转的柔性抛光轮和极细的磨料对工件表面进行滚压和微量切削实现抛光。抛 光轮用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，用于较大零件的抛光。 3.1.5.1.1 轮式抛光 将工件、磨料和抛光液装入滚筒或振动箱内，滚筒缓慢滚动或振动箱振动，使工件与 工件，工件与磨料相互摩擦，加上抛光液的化学作用，除去工件表面的油污、锈层，磨去 凸峰，从而获得光滑的表面。用于细小而量大零件的抛光，后者比前者生产率高，抛光效 果更好。 3.1.5.1.2 滚筒抛光和振动抛光 3.1.5.2 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。 生物抛光是一种用纤维素酶改善纤维素纤维制品表面的整理工艺,以达到持久的抗起 毛起球并增加织物的光洁度和柔软度。生物抛光是去除从纱表面伸出来的细微纤维,这些 微纤被去除了就不会起毛起球，色泽也更光亮，表面茸毛减少使得布面更光洁。 3.1.5.3 生物抛光 3.1.6 激光表面强化 激光表面强化是用聚焦的激光束射向钢件表面，在极短时间内将工件表层极薄的材 料加热到相变温度或熔点以上的温度，又在极短时间内冷却使工件表面淬硬强化。激光 表面强化可分为激光相变强化处理、激光表面合金化处理和激光熔覆处理等。 激光表面强化的热影响区小，变形小，操作方便，主要用于局部强化的零件，如冲裁 模、曲轴、凸轮、凸轮轴、花键轴、精密仪器导轨、高速钢刀具、齿轮及内燃机缸套等。 高精准的硬化表面 表面选择性的硬化 激光冲击强化 3.2 表面合金化技术 通过物理方法，使添加材料进入基体，形成合金化层。该技术的典型工艺，就是金属 的渗碳、渗氮处理。通常是将金属与渗剂同放置于密闭的腔体内，采用加热、真空等措 施，活化金属表面，经分解、吸收、扩散过程等作用使碳、氮进入金属基体。 气体渗碳 法示意图 气体渗碳 法示意图 渗碳过程分析 煤油滴入渗碳炉后，经过高温热裂分解一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)，氧(O2)，氢 (H2)和饱和碳氢化合物(CnH2n+2)及不饱和碳氢合化物(CnH2n)等多种混合气体。 气体渗碳 主要利用其中一氧化碳，饱和的碳氢化合物和不饱和的碳氢化合物，靠这些气体在渗碳 温度分解得到原子状态的碳而产生渗碳作用。 2CO CO2 + C CnH2n+2 (n+1)H2 + nC 一氧化碳在高温渗碳时，其分解速度较慢，分解与吸收基本平衡， 因此，一般没有过剩碳沉积，而不饱和碳氢化合物，渗碳开始时会猛 烈地析出碳，形成一层碳黑，附于零件表面，阻止渗碳的进行。所以， 渗碳气体中不饱和碳氢化合物含量应控制低些。 3.3 表面转化膜技术 3.3.1 钢铁的发黑与磷化处理 3.3.3 铜及铜合金着色 3.3.4 铝合金的氧化与着色处理 通过化学方法，使添加材料与基体发生化学反应，形成转化膜。 3.3.2 不锈钢着色 3.3.1 钢铁的发黑与磷化处理 发黑发黑：是金属热处理的一种常用手段，原理是使金属表面产生一层氧化膜，以隔绝空气， 达到防锈目的。外观要求不高时可以采用发黑处理，钢制件的表面发黑处理，也有被称之 为发蓝的。发蓝处理是一种化学表面处理，其主要作用是在工件表面形成一层致密的氧化 膜，防止工件腐蚀上锈，提高工件的耐磨性，它只是一种表面处理，不会对内部组织产生 任何的影响，它不是热处理，和淬火有根本的区别。 发黑处理零件 磷化磷化：是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化 膜。磷化的目的主要是：给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底， 提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力；在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。磷化是常用的前处理技 术，原理上应属于化学转换膜处理，主要应用于钢铁表面磷化，有色金属（如铝、锌）件也可应用 磷化。工件（钢铁或铝、锌件）浸入磷化液（某些酸式磷酸盐为主的溶液），在表面沉积形成一层 不溶于水的结晶型磷酸盐转换膜的过程，称之为磷化。 磷化处理零件 名称区别共性名称区别共性 发黑 1.使工件表面的铁氧化为四氧化三铁来达到防腐的 目的，几乎不增加原零件尺寸； 2.发黑膜光滑，可以做到光亮效果。 均为钢铁表面的化学转化膜，对钢 铁的内部结构，组织无任何的影响， 且都有一定的抗腐蚀作用。 磷化 1.工件表面有磷酸二氢盐的沉淀，一般会增加520 微米，磷化后将孔隙封闭（一般是浸防锈油）即 可达到防锈的目的； 2.磷化膜相对粗糙（仅是相对而言），一般是亚光； 3.在金属冷加工工艺中起减摩润滑的作用。 名称名称 处理条件颜色膜特性 耐腐 蚀性 实际应用处理条件颜色膜特性 耐腐 蚀性 实际应用 发黑 在浓碱溶液中煮沸 （135155），生成四 氧化三铁氧化膜 黑色（蓝色/ 黑蓝色） 膜厚度0.51.6um， 吸附性好 差 金属热处理的一种常用手段，原理是 使金属表面产生一层氧化膜，以隔绝 空气，达到防锈目的； 磷化 在磷酸盐溶液中发生化学 反应，生成结晶性磷酸盐 膜 灰白色至黑色 膜厚度520um，吸 附性好 一般 给基体金属提供保护，在一定程度上 防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底提 高漆膜层的附着力与防腐蚀能力； 注意注意： 无论是发黑处理还是磷化处理，在处理之前均首先需对零件表面 要预处理（彻底的除锈），对于未预处理的零部件即使发黑处理或者 磷化处理也会在后续工作中使零件表面出现生锈或腐蚀的现象。 1. 磷化的防锈性要高于发黑，发黑的颜色黑亮，如果要防护性高就用磷化，如果要求 颜色就用发黑； 2. 对于磷化与发黑处理在加工成本方面前者的成本高于后者； 3. 由于磷化后的零件的表面一般情况为亚光，因此相比较清洁会比发黑处理麻烦。 选择性及优缺点：选择性及优缺点： 3.3.2 不锈钢着色 随着不锈钢的应用普及，不锈钢着色工艺需求逐步得到重视，目前不锈钢不仅可以 着黑色，还可以得到蓝色、绿色、褐色、橙色等颜色。 3.3.2.1 不锈钢着黑色 不锈钢着黑色主要应用于光学小光场合，着色方法有铬酸浴熔融法、铬酸盐化学氧化 法、硫化法。 3.3.2.2 不锈钢着彩色 不锈钢表面去除氧化膜厚，采用铬酸-硫酸等溶液处理，可以得到不同的颜色，膜的 颜色随厚度变化而变化，同时与材料的成分和表面处理方法有一定关系。 常用不锈钢中，奥氏体不锈钢最适合着色处理；而铁素体由于着色溶液有腐蚀倾向， 得到的色彩不如前者鲜艳；马氏体耐腐蚀性能更差，仅能得到灰黑或黑色的表面。 彩色奥氏体不锈钢彩色铁素体不锈钢 马氏体不锈钢 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 其显微组织为奥氏体，它是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为825%）而形成的， 具有奥氏体组织的不锈钢。奥氏体型不锈钢以1Cr18Ni9Ti合金为基础，在此基础上随着不同的用途， 发展成铬镍奥氏体不锈钢系列,这类不锈钢的国家标准牌号有1Cr17Mn6Ni15N、 1Cr18Mn8Ni5N、 1Cr18Ni9、 0Cr23Ni13等。 铁素体不锈钢铁素体不锈钢 它的内部显微组织为铁素体，其铬的质量分数在11.532.0%范围内。随着铬含量的提高，其耐 酸性能也提高，加入钼（Mo）后，则可提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。这类不锈钢的国家标 准牌号有00Cr12、1Cr17、00Cr17Mo、00Cr30Mo2等。 马氏体不锈钢马氏体不锈钢 它的显微组织为马氏体。这类钢中铬的质量分数为11.518.0，但碳 的质量分数最高可达0.6。碳含量的增高，提高了钢的强度和硬度。在这 类钢中加入的少量镍可以促使生成马氏体，同时又能提高其耐蚀性。这类钢 的焊接性较差。列入国家标准牌号的钢板有1Cr13、2 Cr13、3Cr13、 1Cr17Ni2等。 分类 大概成分（ 分类 大概成分（%） 淬火性耐蚀性加工性可焊接性磁性常用材料 CCrNi 铁素体系列7无奥氏体系列167无 优优优无 以 优优优无 以 Cr18Ni19 为基础为基础 马氏体不锈钢并不是都不可焊接，只是受某些条件的限制，如焊前应预热焊 后应作高温回火等，而使焊接工艺比较复杂。实际生产中一些马氏体不锈钢如 1Cr13，2Cr13以及2Cr13与45钢焊接还是比较多的。 对比选择：对比选择： 奥氏体不锈钢属于铬镍不锈钢奥氏体不锈钢属于铬镍不锈钢 具有很高的耐蚀性，优良的塑性，良好的焊接性及低温韧性，不具有磁性，易加工 硬化。主要用于在腐蚀介质中工作的零件、容器、管道、医疗器械以及抗磁环境中。 铁素体不锈钢也属于铬不锈钢铁素体不锈钢也属于铬不锈钢 含碳量小，抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀能力强，有高温抗氧化性能好等特点。 主要用于制作化工设备中的容器、管道 。 奥氏体不锈钢零件 铁素体不锈钢零件 马氏体不锈钢属于铬不锈钢马氏