材料表面改性精品課件

1、材料表面改性第1頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四主要內(nèi)容一，表面二，金屬表面形變強(qiáng)化三，表面淬火四，化學(xué)熱處理五，離子化學(xué)熱處理第2頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四一，表面1，理想表面2，清潔表面3，金屬表層的組成第3頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，理想表面 理想表面具有結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。半無限的晶體體內(nèi)原子的位置及結(jié)構(gòu)的周期性與原來的無限晶體相同第4頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，清潔表面包括臺階表面、弛豫表面、重構(gòu)表面第5頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，

2、清潔表面 表面偏析。物理吸附（范德華力）；化學(xué)吸附（化學(xué)鍵：離子鍵、金屬鍵或共價鍵）第6頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四3，金屬表層的組成（實際表面）普通臟污層：油污或灰塵；吸附層：大氣中液體或氣體分子吸附膜；氧化層：金屬表面與空氣中的氧形成氧化物層；貝氏層：機(jī)加工中表面的熔化分子層的流動；變形層：機(jī)加工而造成的變形層。第7頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四二，金屬表面形變強(qiáng)化1，機(jī)理2，表面形變強(qiáng)化的方法第8頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，機(jī)理 通過機(jī)械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成深度

3、可達(dá)0.51.5mm的形變硬化層 表面硬化層的變化：（1）亞晶粒極大地細(xì)化，位錯密度增加，晶格畸變度增大； （2）形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力；（3）表面粗糙度略有增加。第9頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，表面形變強(qiáng)化的方法表面形變強(qiáng)化的主要方法1，滾壓 適用于圓角、溝槽等表層形變強(qiáng)化。2，內(nèi)擠壓 內(nèi)孔擠壓是使孔的內(nèi)表面獲得形變強(qiáng)化的工藝措施。3，噴丸 噴丸是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種再結(jié)晶溫度以下的表面強(qiáng)化方法。其利用高速彈丸強(qiáng)烈沖擊零部件表面，使之產(chǎn)生形變硬化層并引進(jìn)殘余壓應(yīng)力。此工藝可應(yīng)用于鋼、鋁、球墨鑄鐵、鈦、鎂、鎳和鈷基合金等材料中。其可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲

4、勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動磨損、耐點蝕（孔蝕）能力。第10頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四三，表面淬火1，淬火2，淬火方式3，淬火方法第11頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，淬火淬火屬于熱處理，右圖為熱處理圖示說明。熱處理只是用于處理能發(fā)生固態(tài)相變的材料。第12頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，淬火方式（按加熱方式分） 淬火兩大類：（1）外熱源加熱表面淬火，如：火焰加熱表面淬火； (2)內(nèi)熱源加熱表面淬火，主要有感應(yīng)加熱表面淬火和接觸電阻加熱表面淬火。第13頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四3，淬

5、火中的冷卻（1）噴射冷卻法；（2）浸液冷卻法第14頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四四，化成熱處理1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估2，鋼的滲碳3，鋼的滲氮4，碳氮共滲第15頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估 化學(xué)熱處理是表面合金化與熱處理相結(jié)合的一項工藝技術(shù)，改變表層化成成分和組織。（表面淬火指改變表層的組織）第16頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估化成熱處理基本過程1，滲劑的分解氣體滲氮時常采用氨氣分解：2NH3 3H2 + 2N滲碳過程的基本反應(yīng)（可加入催化劑）

6、：Na2CO3 Na2O + CO2 BaCO3 BaO+ CO2CO2 + C 2CO 2COCO2 + C第17頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估化成熱處理基本過程2，吸附， 表面的缺陷處，如：鋼的表面上存在大量的位錯和晶界，為活性原子的滲入提供了方便的通道。第18頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估化成熱處理基本過程（例子）3，擴(kuò)散過程 表面與內(nèi)部存在著濃度差，要發(fā)生原子遷移現(xiàn)象，被滲元素的原子由濃度高處向低處遷移，發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象。第19頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分

7、，星期四1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估3，擴(kuò)散過程 純擴(kuò)散，可在母相金屬中形成無限固溶體（間隙、置換固溶體）第20頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估4，擴(kuò)散過程的影響因素主要影響因素為擴(kuò)散系數(shù)：一，溫度影響 D = D0 e -Q/RT （ D0為擴(kuò)散常數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，Q為擴(kuò)散激活）二，濃度的影響，在滲碳及碳氮共滲時，可采用強(qiáng)滲工藝三，晶格類型的影響，C、N原子在體心立方的-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)比在面心立方的-Fe中大四，固溶體類型的影響（擴(kuò)散激活能?。┪澹倘荏w中第三元素的影響六，晶粒界面的影響（缺陷）七，形變與應(yīng)力的影響

8、第21頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估滲層的性能評估1，硬度第22頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，概念，擴(kuò)散機(jī)理，參數(shù)性能評估滲層的性能評估（所滲物質(zhì)所改變相對的性能）滲碳：提高表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。氮化：提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐蝕性。氰化：提高表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。滲硼：提高表面硬度、耐磨性和耐蝕性。滲硫：提高表面減磨性和抗咬合性。滲鋁：提高表面抗氧化性。滲鉻：提高表面抗氧化性、耐蝕 性和耐磨性。滲硅：提高表面硬度、耐蝕性及抗氧化性。滲鋅：提高表面抗大氣腐蝕性力。第23頁，共42頁，20

9、22年，5月20日，4點38分，星期四2，鋼的滲碳 將鋼件在碳的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的一種表面化學(xué)熱處理工藝。 工藝流程：鍛造正火切削加工滲碳淬火+低溫回火精加工第24頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，鋼的滲碳滲碳劑：CO或CH4 ，化學(xué)分解出C影響因素：（1）滲碳溫度越高，滲層越厚，表面碳含量越高。（2）保溫時間技術(shù)要求：（1）表面碳含量，0.71.05%耐磨取上限，強(qiáng)韌性要求一定耐磨取下限。（2）表層硬度，5663HRC第25頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，鋼的滲碳固體滲碳第26頁，共42頁，2022年，5月20日，4

10、點38分，星期四2，鋼的滲碳?xì)怏w滲碳優(yōu)點：生產(chǎn)效率高，滲層質(zhì)量好，勞動條件好。缺點：滲層含碳量不易控制，耗電量大。第27頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，鋼的滲碳真空滲碳，新型第28頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，鋼的滲碳 滲碳后的熱處理：（1）直接淬火低溫回火法。（2）一次淬火低溫回火法。（3）二次淬火低溫回火法（細(xì)化心部組織，消除滲層的網(wǎng)狀碳化物）第29頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四2，鋼的滲碳滲碳件質(zhì)量的檢驗如：金相實驗；硬度測試；剝層化學(xué)分析法第30頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四3

11、，鋼的氮化 和別的化學(xué)熱處理一樣也包括三個過程：分解、吸收、擴(kuò)散。 滲氮介質(zhì)是氨氣：2NH33H2+2N第31頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四3，鋼的氮化 一段滲氮第32頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四3，鋼的氮化 二段滲碳（提高溫度為550，表層硬度有所降低）第33頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四3，鋼的氮化 三段滲碳（550 后520 濃度有所變化）第34頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四4，碳氮共滲/氮碳共滲 三個階段：（1）共滲介質(zhì)分解產(chǎn)生活性碳原子和氮原子。（2）分解出來的活性碳、氮原子被鋼

12、表層吸收，并逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。（3）鋼表面層飽和的碳、氮原子向內(nèi)層擴(kuò)散 兼得兩者優(yōu)點第35頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四五，離子化學(xué)熱處理1，定義2，等離子簡介3，等離子的獲得方法4、離子化學(xué)熱處理過程第36頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，定義 離子化學(xué)熱處理是利用稀薄氣體的輝光放電現(xiàn)象加熱工件表面和電離化學(xué)熱處理介質(zhì)，實現(xiàn)在金屬表面滲入欲滲元素的工藝。第37頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四1，等離子 形成：0K時，坐標(biāo)上平動（a）溫度上升到10000K，原子間發(fā)生振動（b），原子碰撞，發(fā)生解離（c），溫度進(jìn)一步升高，發(fā)生電離（d）第38頁，共42頁，2022年，5月20日，4點38分，星期四 3，等離子的獲得方法 條件：中性粒子電離 獲得方法： （1）粒子的熱運(yùn)動，燃燒或沖擊波使氣體達(dá)到很高溫度。（2）低壓氣體中施加高壓電場（直流電場、交流電場、微波電場等）。（3）利用光、X射線、射線等電磁波能量使氣體電離產(chǎn)生等離子體。（4）利用核聚