材料工程基礎：5-2 材料的表面改性

1、6 材料表面工程技術 當機械零件受扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變載荷、沖擊負荷作用時，其表層承受比心部更高的應力； 當受磨擦時，材料表面要磨損，因此，常常要求表面具有高強度、硬度、耐磨性和疲勞極限，心部保持足夠的塑性和韌性。機械零件因接觸高溫金屬熔體或其他熔體而被腐蝕，使零件因表面首先發(fā)生破壞或失效。據(jù)統(tǒng)計，各種機電產(chǎn)品破壞中約70%是腐蝕和磨損造成 表面處理技術是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。材料表面工程技術已發(fā)展成為極其重要的一門獨立學科。 6.1 表面淬火6.2 化學表面改性 6.3 三束表面改性6.4 熱噴涂6.1 表面淬火 表面淬火 是指利用快速加熱使鋼在短時內(nèi)達到淬火溫度, 不等熱量傳至中心即迅速冷卻，僅

2、使表層得到馬氏體達到硬化的方法。表面淬火適用于鋼的含碳量 0.4-0.5% 表面淬火按加熱方式主要有： 感應加熱（高頻、中頻、工頻）表面淬火火焰加熱表面淬火激光、電子束、離子束加熱表面淬火（三束）6.1.1 感應加熱表面淬火 6.1.2 火焰加熱淬火 611 感應加熱表面淬火 1. 加熱基本原理 交變電流交變磁場渦流（感應電流）生成熱 感應電流的特性：集膚效應 原理演示2. 感應加熱的頻率選用 產(chǎn)生的感應電流深度（mm）與交變電流的頻率關系為 因此，選用不同的頻率可達到不同要求的淬硬深度通常，按照電流頻率的不同，感應加熱分為三類： 高頻加熱, 100-500 KHz，一般常用200-300 K

3、Hz 中頻加熱，500-10000 Hz，一般常用2500-8000 Hz工頻加熱, 50 Hz 各加熱頻率的適用范圍3.感應加熱表面淬火的特點 （1） 加熱速度快，A轉(zhuǎn)變溫度高隱晶馬氏體不易氧化脫C，變形小淬層易控制，易實現(xiàn)機械化和自動化球籠、軸類淬火設備 HKVP50D一體化雙工位小型曲軸淬火機床 汽車轉(zhuǎn)向器齒條專用淬火機床 HKVC350立式感應器掃描淬火機床 612 火焰加熱淬火 熱源：乙炔-氧、煤氣-氧工藝原理：圖10-2適用材料：中C鋼（35、45）、中碳合金鋼（40Cr、65Mn）、鑄鐵件。淬硬層厚度：一般2-6 mm適用范圍：單件、小批量、大型零件和局部淬火要求的工件。如大型軸

4、，大模數(shù)齒輪。缺點：質(zhì)量不穩(wěn)定工藝演示62 化學表面改性 前面提到的表面淬火僅改善了其表層結(jié)構(gòu)而強化，但對要求更高的情況，需要化學改性。 化學表面改性是通過原子擴散、化學反應等方法使被處處理材料的表面成分、組織、形貌發(fā)生改變，從而使表面獲得到不同于基體材料性能的工藝方法。 621 鋼材化學表面改性 1. 一般原理 鋼材化學表面改性：一定溫度下的活性介質(zhì)中保溫介質(zhì)中的元素滲入工件表面改變表層的化學成分和組織。 特點：表層既有組織的變化，也有成分的變化。 1. 一般原理 2. 鋼的滲碳 3. 鋼的氮化 4. 碳氮共滲 化學表面改性分類： 化學表面改性的基本過程： 滲劑中的反應滲劑中的擴散（向工件擴

5、散及反應產(chǎn)物從介面逸出）相介面反應（吸附與解吸反應）金屬工件中的擴散金屬中的反應2. 鋼的滲碳 （1）滲C的目的 鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱保溫后，活性碳原子滲入表面，增加表層的含碳量,并形成一定碳濃度梯度。如使低碳（Wc=0.15%0.30%）鋼件表面獲得高碳濃度（Wc約等于1.0%）。后續(xù)進行適當淬火回火處理，可得到高硬度、耐磨性及疲勞強度的表面及良好的塑韌性心部性能。 （2）滲C方法 氣體滲C：固體滲C法：真空滲C與離子滲C滲劑： 滲C濃度：0.15-0.2%1% C 溫度： 900-9501）氣體滲C：2）固體滲C法： 溫度： 900-950 滲劑：木碳+15-20% BaCO3或NaCO3

6、 3）真空滲C與離子滲C 溫度：920-1040滲劑：滲C氣特點：滲速快2-3倍，滲C均勻，適于深層滲C。 真空滲碳 離子滲碳基本原理 與離子氮化相似。在真空條件下，以工件為陰極，施以直流電，產(chǎn)生輝光放電，碳離子轟擊工件表面，將工件表面加熱并被表面吸收，然后向內(nèi)擴散。滲碳溫度：900 需附加外加熱源滲碳機理工作氣：H2、Ar、CH4輝光放電的等離子體中包括：離子轟擊清洗表面。等離子體中的H2+ 由于陰極電位降被加速，沖擊到工件表面，使表面的氧化物或附著物飛濺，達到清洗的效果。實際的滲碳工藝中，在滲碳之前導入Ar和H2的混合氣，用 H2+ 和Ar+轟擊一段時間之后再導入CH4進行滲碳。由于鋼的觸

7、媒作用引起C的吸附。 與通常的氣體滲碳一樣，熱活化的C由于熱能作用而與鋼的表面接觸，通過鋼的觸媒作用被吸附，然后向內(nèi)部擴散。 碳離子的吸附。C+由于陰極電位降被加速沖到鋼的表面后被吸附，然后向內(nèi)部擴散。 碳離子的注入。 被加速的C+的一部分撞入工件表面內(nèi)部一定深度，造成晶格缺陷。 氬離子的濺射效果。 Ar+沖擊到鋼的表面上會使表面鐵原子飛出，飛出的Fe與等離子體中的C結(jié)合生成FeC，F(xiàn)eC由于鋼的觸媒作用而被表面捕獲，然后，碳原子向內(nèi)部擴散。 （3）滲C工藝 滲C溫度滲C時間：滲層厚度與溫度T和滲C時間的關系 3）碳勢 4）滲C用鋼 低C鋼 0.15-0.2% C （要求不高的滲C件） 合金滲

8、C鋼 常用鋼種：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB、 18Cr2Ni4WA、20CrMnVBA. 4）滲C用鋼 （5）滲C后的熱處理 滲C后，常用的熱處理工藝有三種 直接淬火 + 低溫回火 見圖10-7（P315） 2）一次淬火 + 低溫回火 見圖10-8 3）二次淬火 + 低溫回火 見圖10-9 第一次：對心部 Ac3 第二次：對表層 Ac1 （稍高些） （6）滲C熱處理后的組織性能 表層：回火馬氏體 + 少量殘余奧氏體 + 一定數(shù)量粒狀碳化物。HRC 58-64心部：低C馬氏體。 HRC 30-50特點：表層壓應力 3. 鋼的氮化 氮化的目的 優(yōu)異性能：硬度 HV 100

9、0-1200，耐磨、提高抗咬合性 提高疲勞強度、降低缺口敏感性 提高耐蝕性、變形很小。 一般在Ac1溫度以下，使活性氮原子滲入工件表面，形成富氮硬化層的化學熱處理工藝。可使鋼的表面硬度達HV10001200。適于38CrMoAl及某些中碳鋼調(diào)質(zhì)鋼。 概念氮化工藝 （1）氣體氮化 1）氮化基本原理 Fe-N相圖：-Fe4N、-Fe2-3N、-Fe2N氨氣通入加熱的密封容器，氨氣在450與鐵接觸分解 2NH33H2+2N, 產(chǎn)生活性氮原子向鋼件內(nèi)擴散。N向鋼內(nèi)擴散，由FeN相圖決定生成的相 氮化后 從表層心部 相 /相 相 心部 緩冷時 + + 心部 2）氮化用鋼 38CrMoAl HV 1000

10、； 調(diào)質(zhì)鋼。 3）氮化工藝 抗磨氮化： 抗蝕氮化：形成相層 0.01-0.06mm，20-30min 4）氮化組織 （2）離子氮化 1）原理 氣體放電方式及其伏安特性曲線輝光放電的光區(qū)和有關特性曲線在低于常壓的滲氮氣氛中，利用工件（陰極）和陽極間產(chǎn)生的輝光放電進行滲氮。工件陰極、真空罩陽極、輝光放電、電離N+、H+ 廣泛用于機械零件、模具的表面處理，具良好的韌性耐磨性及較高疲勞強度。 在離子滲氮真空室中，少量的充入NH3或（N2+H2混合氣），在輝光放電過程被電離成N+與H+，并被電場加速。一部份離子直接滲入工件內(nèi)部，一部份轟擊工件表面，使工件升溫，并從陰極表面打擊出電子和原子（陰極濺射）。濺

11、射出的Fe原子和帶電原子態(tài)氮結(jié)合形成FeN，被吸附在工件表面。FeN受離子轟擊后變成低價Fe2-3N，而放出氮。其中一部份N原子將滲入工件，并向內(nèi)擴散形成氮化層。2）離子氮化工藝 電流密度：氣參數(shù)： 組成、氣壓、流量熱參數(shù)： 溫度、時間3）氮化層組織與性能 比氣體氮化硬度更高。 4. 碳氮共滲 向鋼工件表層同時滲入碳和氮的過程，多用氣體碳氮共滲。 概念工藝中溫氣體、C、N共滲；以滲C為主。820-860、煤油或滲C氣 + 氨氣 2）低溫氣體碳氮共滲；以滲N為主，又稱軟氮化 在570溫度下通入甲酰胺、三乙醇胺、尿素、醇類與氨等滲劑分解生成的活性CN原子完成共滲，保溫23h。滲層硬度雖較低，但韌性

12、好，不易脫落。 在820860度密封爐內(nèi)通入煤油（滲碳氣體）與氨或含氮有機液體，產(chǎn)生活性原子和N原子完成同時滲C、滲N。但以滲C為主，滲速更快，硬度更高，且可直接油淬，變形小。 63 三束表面改性 “三束”指激光束、離子束、電子束。 三束改性的特點： （1）激光束： 加熱、冷卻速度極快；溫度梯度 106-8K/cm；冷卻速度 106-10K/S（2）離子束： 異類原子直接注入材料表面進行表面合金化。引入的原子種類和數(shù)量不受常規(guī)熱力學條件的限制。 （3）三束加熱速度極快，基體材料幾乎不受影響。 6.3.1 激光束表面改性技術 6.3.2 離子束表面強化 6.3.3 電子束表面改性 631 激光束

13、表面改性技術 1. 激光束產(chǎn)生原理 具亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)受到外界能量激發(fā)時變成激活介質(zhì)，激活介質(zhì)受到激發(fā)產(chǎn)生光子輻射。當激活介質(zhì)放在由一個全反射鏡和部分反射鏡構(gòu)成的光學詣振腔中，激活介質(zhì)受到激發(fā)產(chǎn)生光子輻射。在輻射過程中引起連鎖性的受激輻射，使輻射加強。反射鏡使光子在腔內(nèi)不斷傳播、反射、形成光振蕩，最后在部分反射鏡端發(fā)出頻率、相位、傳播和振動方向相同的光子激光。 具亞穩(wěn)態(tài)能級-激活介質(zhì)-產(chǎn)生光子輻射-引起連鎖性的受激輻射-光子在腔內(nèi)不斷傳播、反射、形成光振蕩-發(fā)出頻率、相位、傳播和振動方向相同的光子2. 激光的發(fā)展概況Laser theorized in the 1950sLaser fir

14、st demonstrated in 1960Models established for optical applications by 1965Introduced in metalworking environment in 1966 (drilling, spot weldingpulsed solid state laser)Commercial 1 kW CW laser made in 1970, then, 1 50 kW CW CO2 laser3 激光束的特點 高功率密度; 方向性好; 高單色性4 激光束表面處理的原理 1）激光系統(tǒng)裝置示意圖JHM-1GY-3000CO2水

15、泵葉片激光焊接機 多功能激光熱處理成套設備 Schematic diagrams of laser surface cladding2）激光與材料的相互作用3）激光與材料的相互作用與工藝分類Laser material processingLaser drilling, cutting and weldingLaser surface treatmentHeating - Annealing, Trans. HardeningMelting -Alloying, Glazing, Grain refining,Cladding, Laser melt / particle injectionS

16、hocking - Shocking hardeningLaser rapid prototyping Produce 3D solid parts directly from CAD data on a layer - by layer basisFunctionally graded materials (FGM) fabricatedFig.2 Schematic of laser surface cladding(a) With preplaced powders(b) with continuous feed of powdersLaser power PBeam spot diam

17、eter DTraverse velocity VFeed rate g (thickness of replaced powders d) Power density P/S Specific energy P/DV Dilution Overlapping ratio Process parameters:應用實例The sample parts in the photo to the left illustrate the different types of geometries which have been laser formed at AeroMet. Some specifi

18、c examples are described in greater detail below.This photo shows the laser formed Ti-6Al-4V machining preform which protects the final geometry of the aircraft fitting illustrated above.6.3.2 離子束表面強化 在真空中離子化氣體或固體蒸汽源，由引出系統(tǒng)引出離子束，將其加速至數(shù)keV到數(shù)百keV，直接注入到靶室內(nèi)的固體材料，形成一定深度的離子注入層，改變表層的結(jié)構(gòu)和組分，達到改善力學性能和物理化學性能的目的

19、。（1）注入裝置原理示意圖正離子從離子源引出后具有一定的初速度；磁分析器：從引出的正離子中選出所需要注入的純度極高的離子；加速管將選出的正離子加速到所需能量，以控制注入深度；聚集掃描系統(tǒng)將離子束聚焦掃描，有控制地注入工件。注入的劑量由與工件相連的電荷積分儀給出。（2）離子注入的主要物理參數(shù)能量：主要決定注入離子在基體中所能達到的深度劑量：主要決定注入層的濃度劑量率：單位時間內(nèi)靶室中樣品接受的注入劑量（3）離子注入過程 高速運動的離子射入靶材，與靶原子發(fā)生一系列的碰撞作用，包括：核碰撞：離子與靶原子的核發(fā)生彈性碰撞電子碰撞：離子與電子碰撞為非彈性碰撞，碰撞引起電離、二次電子發(fā)射、X射線發(fā)射或熒光

20、離子與固體原子之間進行電荷交換 上述三種作用，使注入離子的能量逐漸消耗，最后停留在靶的某個部位。射程，R： 一個離子從靶表面到其停留點的路程。投影射程，Rp ： 射程在入射方向的投影長度。離子停留在靶的某個部位的描述：設：單個離子入射能量為E0，在靶內(nèi) x 處的能量為 E，Sn(E)為核阻止本領；Se(E)為電子阻止本領；N 為單位體積內(nèi)靶原子的平均數(shù)；則核阻止和電子阻止兩者引起的單位距離上的能量損失對上式積分可得到射程 R （分別表示離子在靶內(nèi)通過厚度為x時傳遞給靶內(nèi)原子核和電子的能量）R ？ 對離子注入具有實際意義的是投影射程Rp，以及它的標準偏差Rp（表示入射離子的投影射程的分散特性）因

21、為碰撞過程是隨機的，則各離子的射程R不同。R、Rp和Rp的意義示于下圖（4）注入元素的濃度分布注入元素種類非金屬： N、C、B耐蝕抗磨金屬元素： Ti、Cr、Ni固體潤滑元素： S、Mo、Sn、In耐高溫元素： Y及稀土元素注入離子濃度隨深度分布呈Gauss分布注入元素離子的軌跡與濃度分布（5）離子注入改性的一般機理損傷強化作用注入摻雜強化（沉淀強化）間隙固溶強化偏聚強化（與位錯之作用）噴丸強化作用（殘余壓應力）增強氧化膜，提高潤滑性（6）基底材料-注入離子種類-性能之間的組合關系（7）離子注入在磨損件中的應用（8）離子注入工藝技術的優(yōu)缺點優(yōu) 點由于離子能量很高，離子注入過程為非熱力學平衡過程

22、，可將在熱力學上與基體不互溶的元素注入基體中。可形成常規(guī)方法得不到的新合金相。注入層與基體材料無明顯界面，力學性能連續(xù)過渡，保證注入層與基體得匹配。真空處理技術，工件無變形、無氧化，尺寸精度高，表面狀態(tài)好。缺 點注入層薄。離子直線行進不能進行復雜形狀的處理。處理尺寸受到限制。設備昂貴。6.3.3 電子束表面改性 1. 電子束的產(chǎn)生及與材料表層的相互作用電子由電子槍陰極發(fā)射后，在加速電壓的作用下，速度高達光束的23。高速電子束經(jīng)電磁透鏡聚焦后輻照在待處理的工件表面，如圖1024所示。 電子束的產(chǎn)生當高速電子束照射到金屬表面時，電子能達到金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。電子與原子核的碰撞可看作為彈性碰撞。電子與金屬表層電子碰撞非彈性碰撞，起主要傳遞能量的作用，所傳遞的能量立即以熱能形式傳給金屬表層電子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高電子與表層金屬的相互作用與能量交換過程 目前電子束加速電壓達125kV，輸出功率達150kW，能量密度達10MWm2，這是激光器無法比擬的。因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。 2電子束表面處理的主要特點 加熱和冷卻速度快。將金屬材料表面由室溫加熱至奧氏體化溫度或熔化溫度僅需千分之幾秒，其冷卻速度可達成l06一108s。工件經(jīng)電子束表面處理后的變形很小，幾乎不影響表面，