材料表面工程課件

1、1材料表面工程Materials and Surface Engineering2材料與材料科學目錄緒論課程簡介教材與參考資料教學目的3課程簡介 材料表面工程為材料科學與工程、材料加工等專業(yè)選修課。本課程按照表面工程的體系，較為全面系統(tǒng)地介紹了表面工程的理論與技術。分類討論了應用廣泛的有發(fā)展前景的各類現(xiàn)代表面技術的特點、適用范圍、典型設備、工藝措施和應用實例，并介紹一些表面分析和檢測技術的內(nèi)容。 本課程突出表面工程學科“綜合、復合、交叉、系統(tǒng)”的特色，重視反映復合表面技術，調(diào)理論密切聯(lián)系生產(chǎn)實際，著力提高學生分析和解決表面工程問題的能力。 4教學目的通過本課程學習:系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術的

2、基本原理；能合理選擇并應用這些新的表面工程技術；解決材料表面硬度、強度、耐磨性與芯部強韌性之間的矛盾；充分發(fā)揮材料性能的潛力；延長產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。5教學事項特點: 內(nèi)容多、敘述多、學時少。環(huán)節(jié)：教材 講課 作業(yè) 復習 輔導 考核學習方法：著重理解教學內(nèi)容，盡量避免死記硬背；內(nèi)容多，每章要及時跟上消化；利用多媒體幫助加深理解；考試方式：閉卷統(tǒng)考。6材料：是指經(jīng)過某種加工，具有一定結構、成分和性能，并可應用于一定用途的物質(zhì)。 一般把來自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動對象稱為“原料”，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料成為“材料”。哥倫比亞號航天飛機7材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎。手錘銼刀“神舟”四號飛

3、船成功返回國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機8材料科學是一個跨物理、化學等的學科。材料科學的核心問題是材料的成分（Composition）、組織結構（Structure）、工藝（Processing Technology）和性能（Property）以及它們之間的關系。右圖為材料科學與工程四要素。9第一章 緒論表面工程技術的定義定義： 表面工程是指利用各種表面處理、表面涂層和表面改性技術作用于材料或工件的表面以獲得預想的性能。 表面工程包含了從設計、選材、表面處理工藝、表層質(zhì)量控制與檢測、工程應用以及失效分析等，是一個系統(tǒng)工程。10表面工程技術的目的表面工程技術的主要目的： 就是在于通過表面處理使材料表

4、面按人們希望的性能進行改變。 具體說：表面工程技術是在不改變基體材料的成分、不削弱基體材料的強度的條件下，通過物理手段或化學手段賦予材料表面以特殊的性能，從而滿足工程技術上對材料提出的要求的技術。11表面工程技術的重要性1. 表面技術可以減緩和消除金屬材料和零部件表面的變化和損傷在自然界和工程實踐中，金屬機器設備和零部件需要承受各種外界負荷， 并產(chǎn)生形式多樣、程度不一的表面變化及損傷。工程材料和零部件的表面往往存在微觀缺陷或宏觀缺陷。表面缺陷和損傷處成為降低材料力學性能、耐蝕性能及耐磨性能的發(fā)源地。使用表面技術減緩材料表面變化及損傷，掩蓋表面缺陷，可以提高材料及其零部件使用的可靠性，延長服役壽

5、命。122. 普通的廉價的材料經(jīng)過表面技術處理后可以獲得具有特殊功能的表面使用表面技術在普通的廉價的材料表面獲得某些稀貴金屬(如金、鉑、鉭等)和戰(zhàn)略元素(如鎳、鈷、鉻)具有的特殊功能，從而可以節(jié)約這些金屬材料。比如在Cu中加入Cr可以提高銅的耐腐蝕性能。從Cr-Cu相圖可知，用一般的冶金方法不可能產(chǎn)生出Cr濃度高于1%的單相銅合金。用激光表面合金化工藝可以在Cu表面獲得原子濃度為8%、厚約240nm的表面合金層，使耐蝕性大大提高。表面工程技術的重要性133. 表面技術可用于節(jié)約能源，降低成本，改善環(huán)境 在工件表面制備具有優(yōu)良性能的涂層，可以達 到提高熱效率，降低能源消耗的目的。 用先進的表面技

6、術代替污染大的一些技術，可 以改善作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。 零件的磨損、腐蝕和疲勞現(xiàn)象發(fā)生在表面，通 過表面的修復、強化，而不必整體改變材料， 使材料物盡其用，可以顯著地節(jié)約材料。 表面工程技術可以補救加工超差廢品，節(jié)約能 源和材料表面工程技術的重要性144. 表面技術是再制造工程不可缺少的手段再制造工程：對因磨損、腐蝕、疲勞、斷裂等原因造成的重要零部件的局部失效部位，采用先進的表面工程技術，優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、少污染地恢復其尺寸并改善其性能的系統(tǒng)性的技術工作。再制造工程可以大量地節(jié)省因購置新品、庫存?zhèn)浼凸芾硪约巴C等所造成的對能源、原材料和經(jīng)費的浪費，并極大地減少了環(huán)境污染及廢物的處理。表面工程技術

7、的重要性155. 表面技術在發(fā)展新興技術和學術研究中起著不可忽視的作用發(fā)展新興技術需要大量具有特殊功能的材料，包括薄膜材料和復合材料，如薄膜光電器件、導電涂層、光電探測器、液晶顯示裝置、超細粉末、高純材料、高強高韌性的結構陶瓷等。在這些方面，現(xiàn)代表面技術可以發(fā)揮重大的作用。表面工程新技術的發(fā)展，不僅有重大的經(jīng)濟意義，而且具有重大的學術價值。表面技術的開發(fā)與完善有力地促進了材料科學、冶金學、機械學、機械制造工藝學以及物理學、化學等基礎學科的發(fā)展。表面工程技術的重要性16改善或賦予表面各種性能 表面工程以最經(jīng)濟和最有效的方法改變材料表面及近表面區(qū)的形態(tài)、化學成分和組織結構，或賦予材料一種全新的表面

8、。一方面它可有效地改善和提高材料和產(chǎn)品的性能（耐蝕、耐磨、裝飾性），確保產(chǎn)品使用的可靠性和安全性，延長使用壽命，節(jié)約資源和能源，減少環(huán)境污染；另一方面還可賦予材料和器件特殊的物理和化學性能。 A: 節(jié)約材料：黃金獎杯鍍金鍍TiN薄膜化學染黃 模具：提高壽命整體合金化表面處理 B: 難加工： 純陶瓷模具極難加工表面涂層 C: 性能差： 純陶瓷模具韌性不足表面涂層 D: 耐磨損： TiN,TiC燃氣輪機葉片的高溫微粒流磨損 E: 耐腐蝕： NiP世界上鋼鐵腐蝕報廢量驚人 F: 耐高溫、抗氧化： Al2O3、(Ti,Al)N，發(fā)電機組，600以 上每提高10 其熱效率提高15-20%左右。 G: 太

9、陽能吸熱器： Co- Al2O3，吸收率達95%。 H: 氧傳感器：TiO2、ZrO2，汽車尾氣凈化與發(fā)動機油-氣控制。國外發(fā)展趨勢：薄膜化、小型化。 I: 裝飾：TiN系列：金黃桔紅-粉紅；茶色玻璃。 其應用已經(jīng)深入到我們的日常生活，無處不在。表面工程技術的作用17表面工程技術的分類一、電化學方法（一）電鍍?nèi)珏冦~、鍍鎳等。（二）氧化如鋼鐵的發(fā)藍處理。二、化學方法（一）化學轉化膜處理 如金屬表面的磷化、鈍化、鉻鹽處理等。（二）化學鍍?nèi)缁瘜W鍍鎳、化學鍍銅等。三、熱加工方法（一）熱浸鍍?nèi)鐭徨冧\、熱鍍鋁等。（二）熱噴涂如熱噴涂鋅、熱噴涂涂鋁等。（三）熱燙印 如熱燙印鋁箔等。（四）化學熱處理如滲氮、滲

10、碳等。（五）堆焊如堆焊耐磨合金等。四、真空法（一）物理氣相沉積（PVD）如蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍等。（二）離子注入如注硼等。（三）化學氣相沉積（CVD）如氣相沉積氧化硅、氮化硅等。五、其它方法 主要是機械的、化學的、電化學的、物理的方法。其中的主要方法是。（一）涂裝（二）沖擊鍍（三）激光表面處理（四）超硬膜技術（五）電泳及靜電噴涂電泳 18按學科特點： 1）表面合金化技術 利用外來元素與基材元素相混合，形成成分不同于基材和添加材料的表面新材料。噴焊、堆焊、離子注入、激光熔覆、熱滲鍍。 2）表面覆蓋和覆膜技術3）表面組織轉化不改變基材的成分，利用外加涂層或鍍層的性能使基材表面性能優(yōu)化。熱噴鍍、電

11、鍍、化學轉化處理、化學鍍、氣相沉積、涂裝、金屬染色。不改變材料的表面成分，只是通過改變其組織結構特性或應力狀況來改變材料的性能。激光表面淬火、電子束熱處理、噴丸、滾壓。表面工程技術的分類19按工藝特點分 電鍍、化學鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學轉化膜、涂裝、表面彩色、氣相沉積、“三束”改性以及表面熱處理、形變強化和襯里等13類 表面工程技術的分類20基于技術特點的分類2122金屬陶瓷高分子復合材料金屬材料層；陶瓷材料層；高分子材料層復合材料層基于材料的分類23表面工程技術發(fā)展概況2424“承旋”，酒器，東漢建武年間，現(xiàn)藏于北京故宮博物院獸形盒硯，東漢制，出土于1980年陜西臨潼姜寨新石器時代墓

12、葬品，由石硯、盒身、盒蓋三部分組成 中國古代的鎏金工藝 表面工程技術源遠流長25春秋晚期越國青銅兵器 （ 出土于湖北江陵楚墓 ）長55.7厘米 劍鍔鋒芒犀利 鋒能割斷頭發(fā) 26越王勾踐27春秋戰(zhàn)國時代的青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分的青銅組成，是復合材料很好的例子梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖28日本刀的覆土燒刃 世界三大名刃之一表面工程技術源遠流長291. 古代的表面處理 中國中心之國 兩千年前，秦兵馬俑已應用了滲碳、鍍鉻技術。 越王勾踐，臥薪嘗膽。其劍現(xiàn)仍鋒利無比，表面處理？ 2. 傳統(tǒng)與現(xiàn)代 固體滲碳氣體滲碳可控氣氛滲碳真空離子滲碳 火焰淬火高頻淬火激光淬火電子束淬火 3. 等離子技術

13、 1928年，郎繆爾(Langmirr)發(fā)現(xiàn)等離子體 1963年， 離子鍍膜技術得到應用 表面工程技術發(fā)展概況3020世紀70年代開始使用激光和電子束進行表面淬火。激光和電子束加熱，由于能量集中，加熱層薄，靠自激冷卻，因而淬火變形很小，無需淬火介質(zhì)，有利于環(huán)境保護，便于實現(xiàn)自動化。激光、電子束用于表面加熱后，使表面強化技術超出熱處理范疇，可以通過熔化-結晶過程，熔融合金化-結晶過程，熔化-非晶態(tài)過程，使硬化層的結構與性能發(fā)生很大變化。激光和電子束表面淬火表面工程技術發(fā)展概況31PVD技術由最初的真空蒸鍍，到1963年的離子鍍技術的應用，70年代末由于磁控濺射的出現(xiàn)，使濺射技術有了新的突破。磁控

14、濺射得到迅速的推廣應用。在環(huán)境保護方面，磁控濺射優(yōu)于一些濕法電鍍工藝。物理氣相沉積表面工程技術發(fā)展概況32CVD技術用于金屬表面硬化，始于20世紀50年代初，最早的應用是在鋼上涂覆TiC，后來沉積在模具鋼和高速鋼上。由于CVD技術的化學反應溫度過高，而使其應用范圍受到了限制。后來相繼開發(fā)了MTCVD法(中溫化學氣相沉積)、PCVD法(等離子體增強化學氣相沉積)、LCVD法(激光化學氣相沉積)等技術。化學氣相沉積表面工程技術發(fā)展概況33 1983年 表面工程的概念被首次提出 1986年 國際熱處理聯(lián)合會更名為國際熱處理與 表面工程聯(lián)合會 1987年 中國機械工程學會表面工程研究所成立 1988年

15、 表面工程雜志創(chuàng)刊，后更名為中國表面工程 2000年 全國焊接學會原“堆焊與熱噴涂專業(yè)委員會”正式更名為“堆焊及表面工程專業(yè)委員會”。表面工程形成一門獨立的學科34材料表面工程是一門新興的邊緣學科材料表面工程是一門很新的邊緣學科，它不但涉及到諸如表面物理學表面化學金屬學陶瓷、高分子學傳熱學傳質(zhì)學等多個學科的理論，而且其本身也融入了諸多學科的新技術。35第三章 熱噴涂技術 定義： 熱噴涂是將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，用高速氣流將其霧化、加速，使其高速噴射到工件表面形成具有特殊性能的涂層。36熱噴涂TiC37第一節(jié) 熱噴涂的原理及分類1.1 熱噴涂的基本原理一、基本過程加熱、加速、熔化（顆粒

16、狀）霧化（10-100 m ），再加速-形成高速粒子流。熔融與半熔融的高速粒子流撞擊到基材，變形、凝固，形成涂層。38涂層的形成39二、涂層與基體間的結合強度 1 機械結合： 高速粒子撞擊粒子微變形咬合 可見，表面粗化有利于結合強度提高。 2 金屬鍵結合： 當顆粒與基體表面達到原子間距時，會產(chǎn)生金屬鍵結合。-理論上的確存在，實際上作用極小 3 微擴散結合：高速、高溫、熔融或半熔融的粒子撞擊到基體表面，在界面上會造成微小的擴散，使結合力增加。 但，此結合力貢獻不大，因為基體溫度只有200左右。 機械結合-為主 金屬鍵結合很小 一般而言，熱噴涂涂層結合強度較低！ 微擴散結合很小 只相當于其母體材料

17、的530%。 4 冶金結合：Ni-Al粉，T=660時自反應放熱基體表面T形成冶金結合結合力最好。特指中間過渡層！總之，熱噴涂涂層結合力，但工藝簡單。401.2 熱噴涂涂層的質(zhì)量及影響因素一、熱噴涂涂層常見的缺陷及預防措施涂層剝落 原因：冷卻時涂層與基體收縮不一致，涂層中產(chǎn)生拉應力。 結合強度低于涂層拉 應力時，剝落。 措施：工件表面-清潔、粗糙 噴涂顆粒速度、 T 工件預熱- 涂層應力 涂層保護點在工件邊 緣預置小槽，或堆焊一周。41裂紋 原因：同上，涂層中拉應力小于膜基結合強度而又大于涂層的抗 拉強度時，涂層開裂。 措施：每次噴涂，薄而均勻(0.15mm)。太厚，收縮應力 涂層T不要太高，

18、否則收縮應力 (矛盾！因T ，結合力，涂層易剝落。) 工件預熱，緩慢冷卻，收縮應力多孔疏松 原因： 孔隙率：2-20%。-是噴涂難題之一 措施： 粉末T，全熔最好但應力又 垂直噴射事實上不可能42二、影響熱噴涂涂層質(zhì)量的主要因素噴涂工藝的影響 工藝方法： 粉體在加熱介質(zhì)中的運行時間t-t，T 粉體在加速介質(zhì)中的運行時間t-t，v 、 都取決于工件與噴嘴間的距離s， 總而言之，噴涂工藝問題就是T、v問題火焰等離子電弧爆炸超音速T300016000 7400 5000 2900 v50-200m/s350m/s200m/s720m/s986m/sS近距中距遠距T加熱不充分，T100mm左右T、v最

19、高遠離熱源，冷卻，Tv加速不充分，v空氣阻力， v432. 噴涂材料的影響 材料成分-決定材料的熱擴散系數(shù)Dr Dmax=3.65(Drt)1/2 其中Dmax為粉末在噴涂過程中能達到距表面90%深度處于熔融狀態(tài)（半熔融）時的最大直徑；t為加熱時間 顯然，若粉末直徑相同時，Dmax越大，粉末熔融程度越高。 幾種典型材料的Dr及Dmax 顯然，TaC最易噴涂-實際上仍是Dr所決定 材料的粒徑： D-T、v -結合力，涂層質(zhì)量 D太小-價格，且易被氣流帶走。MaterialsZrO2TiCTiNTaCDr, cm2/s0.0050.040.070.09Dmax, m 267296110441.3

20、熱噴涂技術的特點可在各種基體上制備各種材質(zhì)的涂層：金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及工程塑料等都可用作熱噴涂的材料；幾乎所有固體材料都可以作為熱噴涂的基材?；w溫度低：基材溫度一般在30200之間，因此變形小。操作靈活：可噴涂各種規(guī)格和形狀的物體，特別適合于大面積涂層，并可在野外作業(yè)。涂層厚度可控, 范圍寬：從幾十微米到幾毫米的涂層都能制備。噴涂效率高、成本低：生產(chǎn)效率為每小時數(shù)公斤到數(shù)十公斤。局限性：主要體現(xiàn)在熱效率低，材料利用率低、浪費大和涂層與基材結合強度較低三個方面。 盡管如此，熱噴涂技術仍然以其獨特的優(yōu)點獲得了廣泛的應用。451.4 熱噴涂的一般工藝流程一、表面預處理 去油、脫脂、除銹、去塵-

21、 結合力二、表面粗化 噴砂-增大接觸面積 開槽-增加結合點 結合力三、預熱 微擴散，熱應力-結合力 除去表面冷凝物、潮氣- 氣孔率四、噴涂 噴底層(Ni包Al，Al包Ni)-粗化， 結合力 噴涂層-0.15-0.2mm/次，總厚度2mm五、封孔 工件加熱到95，涂上石蠟-防腐蝕 表面預處理表面粗化預熱噴涂封孔46熱噴涂基體表面預處理 基體金屬表面的預處理狀況，決定著熱噴涂涂層與基體的結合性能，因此對其使用壽命有決定性的影響。表面預處理包括表面凈化，除去金屬表面的油脂、其他污物、銹、氧化皮、舊涂層、焊接熔粒，以及對表面的粗化處理。噴砂、車螺紋、滾花和電拉毛。 47涂層后處理和后加工 涂層后處理包

22、括后熱處理（重熔處理和擴散處理）及封孔處理。涂層后加工包括切削和磨削，切削熱噴涂涂層較好的刀具有以下3類：（1）添加碳化鉭、碳化鈮的超細晶粒硬質(zhì)合金；（2）陶瓷刀具材料；（3）立方氮化硼（CBN）。熱噴涂涂層的精加工通常采用磨削方法，因為它可以獲得更高的精度與更好的表面粗糙度。 48第二節(jié) 典型熱噴涂簡介常用熱噴涂的工藝分類 492.1 火焰噴涂 火焰噴涂的基本原理是通過乙炔、氧氣噴嘴出口處產(chǎn)生的火焰，將線材（棒材）或粉末材料加熱熔化，借助壓縮空氣使其霧化成微細顆粒，噴向經(jīng)預先處理的粗糙工件表面使之形成涂層。燃燒氣體還可以用丙烷、氫氣或天然氣等。粉末火焰噴涂的原理示意圖501.中心火焰最高可達

23、30002.霧化顆粒速度可達10-20m/s3.適用于熔點低于2500材料4.設備簡單,投資低火焰噴涂特點51常用的火焰噴涂涂層及作用涂層應用鋅、鋁鋼結構的防腐涂層鎳/鋁粘結底層鉬粘結底層，優(yōu)異的抗粘著磨損性能高鉻鋼耐磨保護涂層青銅，巴氏合金軸承修復不銹鋼、鎳、塑料耐腐蝕涂層鋁、鎳/鋁抗熱氧化涂層522.2 等離子噴涂 等離子噴涂法是利用等離子焰的熱能將引入的噴涂粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并在高速等離子焰的作用下，高速撞擊工件表面，并沉積在經(jīng)過粗糙處理的工件表面形成很薄的涂層。涂層與母材的結合主要是機械結合.等離子噴涂原理圖等離子噴焊原理圖532.2 等離子噴涂原理：等離子噴槍的作用是產(chǎn)生等

24、離子火焰并噴射出高速氣流。等離子噴槍由銅陽極嘴和鎢陰極頭組成。氣體從陰極流向陽極，經(jīng)壓縮、離化后從陽極噴射出去。壓縮后的等離子電弧，通過陽極孔道噴出后，離子氣發(fā)生急劇膨脹，將壓縮氣流加速到亞音速甚至超音速水平，粉末被迅速加熱、加速，并噴涂到基體表面。優(yōu)點： 等離子噴涂的最大優(yōu)勢是焰流溫度高，噴涂材料適應面廣，特別適合噴涂高熔點材料。等離子噴 涂層的密度可達理論密度的 8598%，真空噴涂可達9599.5%，結合強度也很高(3570 Mpa)，而且涂層中夾雜較少，噴涂質(zhì)量遠優(yōu)于火焰噴涂層 。54等離子噴涂特點1.等離子體溫度可達10000以上2.霧化顆粒速度可達600m/s以上3.適用于各種材料

25、4.設備投資高55火焰噴涂(左)和大氣等離子噴涂(右)Ni80Cr20涂層的金相組織 562.3 電弧噴涂(Arc Spray)原理：電弧噴涂的基本原理是將兩根被噴涂的金屬絲作自耗性電極，連續(xù)送進的兩根金屬絲分別與直流的正負極相連接。在金屬絲端部短接的瞬間，由于高電流密度，使兩根金屬絲間產(chǎn)生電弧，將兩根金屬絲端部同時熔化，在電源作用下，維持電弧穩(wěn)定燃燒；在電弧發(fā)射點的背后由噴嘴噴射出的高速壓縮空氣使熔化的金屬脫離金屬絲并霧化成微粒，在高速氣流作用下噴射到基材表面而形成涂層 。57特點：電弧噴涂只能用于具有導電性能的金屬線材。 電弧噴 涂的涂層密度可達7090%，比火焰噴涂涂層要致密、結合強度(

26、1040 MPa)高。且運行費用較低，沉積效率高。電弧溫度可達5000， 霧化顆粒速度可達180335m/s。應用：是噴涂大面積涂層尤其是長效防腐鋅、鋁涂層的最佳選擇。 582.4 爆炸噴涂原理：氧氣、燃料(如乙炔)和粉末輸送到槍管內(nèi)，點燃混合氣體產(chǎn)生爆炸，使粉末加熱、加速，以超音速噴出，沉積在基體表面。每次噴射后通入氮氣流清洗槍管。目前，爆炸噴涂的頻率達60Hz。特點：噴射速度快、結合強度高(85Mpa)；涂層密度可達99.9%。焰流溫度不太高，不適合噴涂陶瓷等高熔點材料，但可解決碳化物高溫分解 難題。 一般專用于噴涂碳化物或金屬陶瓷涂層。缺點：噴涂效率非常低，運行成本相對較高 。 592.

27、5 超音速噴涂(High Velocity Oxygen Fuel，簡稱HVOF) 原理：采用高壓水冷的反應腔和細長的噴射管，燃料(煤油、乙炔、丙烯和氫氣)和氧氣送入反應腔，燃燒產(chǎn)生高壓火焰。燃燒火焰被噴射管壓縮并加速噴射出去。噴涂粉末可以用高壓軸向送入或從噴射管側面送入。特點：速度高而溫度相對較低。密度可達99.9%，結合強度達70 Mpa以上。殘余應力小，甚至可以得到殘余壓應力，故可噴涂更厚的涂層（最大厚度為12.7mm ）。同樣適合噴涂含碳化物涂層。缺點：燃料消耗大，噴涂效率比爆炸噴涂高，但成本仍然比較高。60現(xiàn)代熱噴涂槍從上至下：超音速火焰噴槍，等離子噴槍，火焰噴槍，電弧噴槍61常用熱

28、噴涂技術的工藝特性 比較項目火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂爆炸噴涂超音速火焰噴涂熱 源O2+C2H4電弧加熱電弧產(chǎn)生高溫低壓等離子體O2+C2H2煤油、乙烯、丙烯、氫氣焰流溫度(oC)850200020,00020,000未知14002500焰流速度(m/s)5010030500200120080012003001200顆粒速度(m/s)208020300308008001001000熱效率6080%90%3555%未知5070%沉積效率5080%7090%5080%未知7090%噴涂材料形態(tài)粉末,線材線材粉末粉末粉末結合強度(Mpa)710358570最小孔隙率12%10%2%0.1% 有機溶劑

29、粗化 機械粗化。 機械粗化 機械粗化方法包括噴砂，砂紙打磨，滾磨(小零件)。優(yōu)點是操作簡單,成本低,但效果很有限。 溶劑粗化利用有機溶劑對塑料的溶脹作用167 化學粗化 將塑料制品在粗化液中進行浸蝕。化學粗化可大大增強鍍層與塑料基體的結合力，而機械粗化達到的結合力只有化學粗化的10% 左右。因此化學粗化是主要的粗化方法，機械粗化只作為化學粗化的輔助手段。 化學粗化液一般是鉻酐和硫酸溶液，這種強氧化性的酸溶液粗化速度快,效果好,粗化層均勻細致。 用于ABS 塑料的一種粗化液配方為 鉻酐 200g， 硫酸(比重1.84) 1000mL，水 400mL 溫度 5060， 時間 3060 min該配方

30、也適用于其它塑料。對其它塑料的粗化溫度及時間為脲醛塑料 20 25C 15 20min 聚氯乙烯 60 70 C 60 120min酚醛塑料 50 60C 30 40min 環(huán)氧樹脂 65 75C 5 15min1681. 對塑料制品表面進行選擇性浸蝕，使表面形成無數(shù)凹槽，微孔，造成表面微觀粗糙。 比如ABS 塑料的樹脂相組成剛性骨架，橡膠相以球形分散于S-A 骨架中。在化學粗化時，橡膠相被粗化液浸蝕掉，樹脂相骨架基本不溶，這樣表面便形成袋形凹槽結構 (見下圖)，在鍍覆金屬鍍層時可以產(chǎn)生機械的“鎖扣結合”。 化學粗化原理2. 粗化液使塑料制品表面的物理化學性質(zhì)發(fā)生某些改變，高分子的長鏈斷開，并

31、發(fā)生氧化，磺化反應，生成較多的親水性基團，表面由憎水變?yōu)橛H水，有利于化學結合。169 由于機械粗化只能在非金屬制品表面形成上大下小的敞口形凹坑，無法使鍍層和基體實現(xiàn)機械“鎖扣”結合，所以它對鍍層結合力的提高作用較小，通常只能作為化學粗化之前的輔助工序。表3 列出了以聚苯乙烯塑料上鍍銅為例說明不同機械粗化及其與化學粗化聯(lián)用的效果。表3 銅鍍層與聚苯乙烯塑料基體的結合力/kgcm-1機械粗化方法機械粗化機械粗化+化學粗化(20 ,1h)不粗化M14砂紙打磨5碳化硅液滾磨1h5浮石液滾磨1h2034101058195230304170塑料電鍍的步驟表面準備消除應力除油表面粗化表面活化敏化-活化-還原

32、工藝膠體鈀活化工藝化學鍍電鍍化學鍍銅化學鍍鎳171表面活化塑料表面沒有催化作用，化學鍍的反應難以進行。表面活化就是在塑料表面沉積具有催化作用的貴金屬微粒，形成催化中心。敏化-活化-還原工藝 敏化 將塑料制品浸入還原性溶液中(最常用的是加入一定量鹽酸的SnCl2溶液)，使其表面吸附一些易氧化物質(zhì)。錫并不具有催化性能，Sn2+的作用是促進活化反應中貴金屬成核，故稱為敏化劑。敏化工藝172 活化工件敏化后經(jīng)水洗，浸入含貴金屬離子(如Ag+, Pd2+ )的溶液中，貴金屬離子被Sn2+ 還原 2Ag+ + Sn2+ = Sn4+ + 2Ag Pd2+ + Sn2+ = Sn4+ + Pd 析出的銀或鈀

33、呈膠體狀微粒沉積在塑料制品表面上。這些貴金屬具有較強的催化活性，在化學鍍過程中成為催化中心，能加快反應速度。故Ag+和Pd2+稱為活化劑。Ag+ 只適用于化學鍍銅，Pd2+ 既可用于鍍銅也可用于鍍鎳。離子型活化工藝173 還原 為了不使制品表面的未還原活化劑帶入化學鍍?nèi)芤褐?，導致鍍液分解，在活化后制品?jīng)清洗，還要進行還原處理。即將制品浸入一定濃度的化學鍍所用還原劑溶液(化學鍍銅為甲醛，化學鍍鎳為次磷酸二氫鈉)中處理短時間，使未洗凈的活化劑被還原掉，然后清洗干燥。硝酸銀型活化甲醛溶液(3638%) 1份(體積)水 9份(體積)溫度 室溫時間 0.51min還原工藝氯化鈀型活化次磷酸二氫鈉 103

34、0g/L溫度 室溫時間 0.51min174膠體鈀活化工藝 活化 膠體鈀活化工藝是將敏化和活化兩道工序合為一步，亦叫直接活化法。 下面是膠體鈀活化的一種配方和工藝條件 甲液 ： 氯化鈀 1g 氯化亞錫 2.5 g 鹽酸(比重1.19) 100mL 蒸餾水 200mL 乙液 ： 氯化亞錫 75 g 錫酸鈉 7 g 鹽酸(比重1.19) 200mL 將預先配制好的乙液在不斷攪拌下緩緩倒入甲液，便得到棕褐色的膠體鈀溶液，在6065的水浴中保溫三小時，再用蒸餾水稀釋到一升。 175 解膠 用膠體鈀活化處理的制品，其表面上吸附的是一層膠態(tài)的鈀微粒(以原子態(tài)鈀為中心的膠團)，必須將鈀粒周圍的二價錫離子水解

35、膠層除去，露出具有催化活性的金屬鈀微粒，才能在化學鍍中起催化中心作用。這一處理過程叫做解膠。解膠工藝配方1：解膠效果好，應用普遍配方2：對塑料適應性強解膠176塑料電鍍的步驟表面準備消除應力除油表面粗化表面活化敏化-活化-還原工藝膠體鈀活化工藝化學鍍電鍍化學鍍銅化學鍍鎳177特點: 化學鍍不需要向工件通電，工件表面沒有導電觸點； 化學鍍的分散能力好，凡是與鍍液充分接觸的部位都可形成均勻的鍍層。 在非金屬材料表面也可進行化學鍍，前已指出化學鍍是塑料電鍍前被覆導電層的主要方法。 成本比電鍍高。化學鍍(Electroless Plating)利用還原劑使鍍液中的金屬離子在具有催化能力的基體上發(fā)生還原

36、反應，沉積在工件表面；鍍層形成后鍍層金屬必須具有自催化能力，才能使反應繼續(xù)進行下去。化學鍍與電鍍的原理有何異同?塑料電鍍前進行的化學鍍一般是鍍銅或鍍鎳。化學鍍銅成本低，銅層延展性好，應力較低，普通鍍件較多采用。但鍍液穩(wěn)定性差，不易維護?；瘜W鍍鎳溶液穩(wěn)定性好，維護方便，易于自動化生產(chǎn)，且鍍層沉積速度快，抗蝕性好，硬度高，較少露塑，故面積較大形狀較復雜的制品多采用鍍鎳。178主鹽：硫酸銅，提供Cu2+，還原劑：甲醛。只有在pH 11的堿溶液中甲醛才具有還原能力，故鍍液 中要加入氫氧化鈉。 化學鍍銅 按電化學理論，在銅的催化作用下，發(fā)生一對共軛反應。陽極反應：甲醛的氧化 2CH2O + 4OH- =

37、 2HCOO- + H2 + 2H2O + 2e陰極反應：銅離子的還原 Cu2+ + 2e = Cu總反應： Cu2+ + 2CH2O + 4OH- = Cu +H2 + 2HCOO- + 2H2O副反應：(1) 甲醛在濃堿作用下生成甲醇和甲酸，叫康尼查羅反應 2CH2O + OH- = HCOO- + CH3OH (2) Cu2+ 還原為Cu+ 2Cu2+ + HCHO + 5OH- = Cu2O + HCOO- + 3H2O (3) Cu+的歧化反應 Cu2O + H2O = Cu + Cu2+ + 2OH-179為了穩(wěn)定pH 值，鍍液中需要加入碳酸鈉作緩沖劑。為了使鍍層結晶細致，需要加入

38、絡合劑，如酒石酸鉀鈉，EDTA，或者同時使用酒石酸鉀鈉和EDTA。Cu2+ 的不完全還原會生成Cu+，Cu+發(fā)生歧化反應導致生成銅粉和Cu2O，這將造成鍍液分解和鍍層性質(zhì)惡化。為了穩(wěn)定鍍液，需要加入穩(wěn)定劑，如-聯(lián)吡啶，氰化鈉，若丹寧等?；瘜W鍍銅工藝電解液配方和操作條件180化學鍍鎳應用最廣泛181以NaH2PO2 為還原劑的化學鍍鎳工藝酸性鍍液堿性鍍液酸性鍍液沉積速度較快，鍍液穩(wěn)定，使用較多，但溫度高。堿性鍍液沉積速度較低，鍍液對雜質(zhì)敏感，主要用于塑料電鍍前沉 積導電層。182絡合劑：為了使鍍層結晶細致，以防止生成Ni(OH)2 或次磷酸鎳沉淀。酸性鍍液常用絡合劑有檸檬酸，乳酸，氨基乙酸，蘋果

39、酸等；堿性鍍液常用絡合劑有焦磷酸鈉，三乙醇胺。緩沖劑：穩(wěn)定pH值，因為pH值對沉積速度、鍍層質(zhì)量、鍍液穩(wěn)定性都有影響。穩(wěn)定劑：在化學鍍鎳過程中，鍍液里會生成鎳微粒，造成鍍液分解，為了解決這個問題，需加入穩(wěn)定劑吸附在鎳微粒表面以抑制其作用，如硫脲。但穩(wěn)定劑的量只能很少，否則會降低鎳的沉積速度。加速劑：提高沉積速度，如氟化物，脂肪酸。工藝分析主鹽：適當提高鎳鹽濃度可以提高沉積速度，當鎳鹽濃度增加到一定數(shù)值，鎳的沉積速度將趨于穩(wěn)定。還原劑：適當提高次磷酸鈉濃度，可以提高沉積速度；但次磷酸鈉濃度過高會使鍍液穩(wěn)定性下降。部分次磷酸鈉會還原為磷，鍍層為Ni-P合金。183陽極反應： H2PO2- + H2

40、O = H2PO3- + 2H+ + 2e 陰極主反應： Ni2+ + 2e = Ni (鎳的沉積反應) H2PO2- + 2H+ + e = P + 2H2O (磷的沉積反應)Ni和P一起形成合金。當P含量達到8wt%以上，鍍層結構為非晶態(tài)。 陰極副反應： 2H+ + 2e = H2 (析氫反應)化學鍍鎳的機理對化學鍍鎳的歷程，最早提出的是原子氫態(tài)理論，隨后又提出了氫化物理論。大量實驗研究表明，化學鍍鎳是在有催化作用的金屬表面上進行的電化學反應，而且是磷在鎳的誘導下發(fā)生的共沉積。184塑料電鍍的步驟表面準備消除應力除油表面粗化表面活化敏化-活化-還原工藝膠體鈀活化工藝化學鍍電鍍化學鍍銅化學鍍

41、鎳185 電鍍工藝和金屬基體上電鍍相同。只是需注意：塑料不導電，化學鍍層很薄，導電截面積很小，因此在開始電鍍時電流應較小。電鍍186第四章 高能束表面改性 激光束 離子束能量密度高，加熱速度快 電子束187美軍機載戰(zhàn)術激光武器成功擊中地面移動目標。高能激光束照射目標，并在其擋板上燒出了一個孔洞。188第一節(jié) 激光表面改性一、分類189二、特點 1. 改性層足夠厚（0.1-1.0mm） 注：氣相沉積一般為nm以及m級。 2. 結合強度因是冶金結合 3. 能量大而集中，作用時間短對基體影響小 4. 工藝簡單、操作靈活 激光功率、光斑大小以及掃描速度隨時可調(diào) 5. 自動化程度高生產(chǎn)效率高1901.1

42、 激光相變硬化一、原理 同一般鋼的淬火無差別 加熱（A化）冷卻（淬火，得到M） 硬化 問題是在特殊情況下（如亞共析、過共析鋼），極難獲得全M191二、激光相變硬化的特點 加熱速度 過熱度 時間短，晶粒來不及長大 （103-105/s） A形核率 極易全部A化 常規(guī)加熱：晶粒通常為8-10級，激光加熱：12級以上 淬火冷速（ 105/s） 得到全M組織 （基體自冷） 常規(guī)淬火，有先共析相或P析出 （激光加熱光斑極?。?先共析Fe3C，M中C量，硬度 顯微組織 亞共析：M M+F 心部原始組織(P+F) 過共析：M M+P 心部原始組織(P) 表層 次表層 心部 192三、激光相變硬化的性能 硬度

43、 M強化（C含量亦 ） 細晶強化 Hall-Pitch H=Hs+K/d1/2 抗疲勞性能 表面呈壓應力區(qū)，心部呈拉應力區(qū)。疲勞裂紋是由拉應力而產(chǎn)生。壓應力產(chǎn)生的原因 淬硬層A M時，體積膨脹，基體不變。使表層膨脹受約束而產(chǎn)生。193四、激光淬火的金相組織及硬度（45鋼實例）194五、激光相變硬化的工藝參數(shù) 工藝參數(shù)間的關系 激光淬火層的寬度主要決定于光斑直徑(D)，淬硬層深度(H)由激光功率(P)、光斑直徑和掃描速度(V)共同決定，主要關系為：H P/ ( D V ) 其中P/ ( D V )的物理意義為單位面積激光作用區(qū)注入的激光能量，稱為比能量，單位為J/cm2。描述激光淬火的另一個重要

44、工藝參數(shù)為功率密度，即單位面積注入工件表面的功率密度。為了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104 W/cm2，一般為1000 6000 W/cm2。 關鍵參數(shù)對具體設備，功率一定，關鍵是掃描速度 V V T達不到相變溫度 V T熔點變成激光熔凝 參數(shù)確定實驗這就是技術195六、影響激光相變硬化的因素1. 材料成分 隨著鋼中碳含量的增加，激光相變硬化層的硬度愈高。2. 原始組織 細片狀P、回火M或A可得到的硬化層較深。球狀P只能得到較淺的硬化層，淬火態(tài)的基材硬化層最深3. 掃描速度 196七、應用 優(yōu)點： 激光淬火具有加熱速度快、硬度高、變形小、淬火部位可控、不需淬火介質(zhì)、生產(chǎn)效率高

45、、無氧化、無污染等優(yōu)點 1. 發(fā)動機汽缸 1978年，美國通用汽車公司建成了柴油機汽缸套激光淬火生產(chǎn)線。壽命3倍。 （10萬公里不漏油） 國內(nèi)也已建立了數(shù)十條激光淬火生產(chǎn)線。 螺旋掃描，可避免產(chǎn)生回火軟化區(qū)。2.軋輥表面強化 軋輥表面激光淬火強化，使軋輥耐磨性提高一倍以上。 1971.2 激光表面熔凝一、原理 利用激光束將基材表面加熱到熔化溫度以上, 然后快速冷卻并凝固結晶。二、特點 比激光淬火層的總硬化層深度要深、硬度要高、耐磨性也要好。 缺點是，基材表面的粗糙度較大，后續(xù)加工量大。三、應用 1. 耐磨性 2. 激光快速熔凝Ni-P合金，可以得到均勻的非晶態(tài)層。 1981.3 激光表面合金化

46、一、原理 利用激光將基體材料和加入的粉末一起熔化并均勻化后迅速凝固，在表面獲得新的合金成分與結構。二、熔化層成分的均勻化 控制成分均勻性的關鍵在于控制熔池橫截面的形狀因子，即合金化層的寬度與深度之比。而寬度取決于光斑直徑，深度則取決于激光功率密度、掃描速度和合金元素加入方式與重量分數(shù)。 199三、特點優(yōu)點： 1. 同激光表面淬火、激光表面熔凝相比，其表面性能的改性幅度較大。 2. 變材料的整體合金化為局部、表面合金化，可以大大節(jié)約貴金屬元素的用量。 缺點： 1. 因為它要求基材的熔化程度很高，要獲得同樣尺寸的表面改性層，需要的能量密度比激光熔覆時的大得多，需要的成本也就較高。 2. 改性幅度不

47、如激光表面熔覆。 因此，在能滿足工藝要求的前提下，通常傾向于選擇效率更高的激光熔覆技術而非合金化，這是為什么迄今為止激光合金化在工業(yè)中成功應用得例子為數(shù)不多的主要原因。200四、應用典型基材表面激光合金化層的性能 基體材料添加的合金元素 性能 Fe, 45鋼、40Cr B HV 19502100 45, GCr15 MoS2, Cr, Cu 耐磨性提高2-5倍 Fe TiN, Al2O3 HV 2000 鉻 鋼 WC HV 2100 鉻 鋼TiC HV 1700 304不銹鋼 TiC HRC58 5052鋁 TiC TiC量為50%Vol時，耐磨性與標準耐磨材料相當 Ti合金 C、Si40%H

48、2SO4溶液中耐蝕性提高了40-50% 2011.4 激光表面熔覆 一、原理 相變硬化： 表面不熔 表面合金化：粉末全熔，基體有較深熔化，兩者全部混合 激光熔覆： 粉末全熔，基體表面微熔， 結合力二、激光熔覆粉末提供方式 (a) 預置涂層法 (b) 同步送粉法 預置粉末方式有粘結劑預涂覆、火焰噴涂、等離子噴涂、電鍍等 202三、激光熔覆層截面示意圖及微觀組織 激光熔覆層截面示意圖 激光熔覆層橫截面組織(400 x) 由激光熔覆Co基合金層與基材結合區(qū)的橫截面組織形貌圖可見熔覆層中有大量的枝晶組織，與基材呈冶金結合。 203四、激光熔覆的工藝參數(shù) 通過大量實驗，得到下列估算熔覆速度V的經(jīng)驗公式：

49、V=abWV為熔覆速度（mm/s） W為單道熔覆寬度（mm）K=exp( T/1.8H)T為熔覆厚度（mm） H為單道熔覆厚度（mm）VH=dC=KWVK為搭接因子 c為單位時間內(nèi)的熔覆面積（mm2/s） a、b、d為常數(shù)，當激光功率為3KW，光斑直徑為5mm時， a=57.36, b=10.81, d=5.17 實測與計算的關系：計算指導作用， 實測具體確定204五、工藝參數(shù)間的相互關系不同光斑直徑下熔覆層厚度與寬度隨激光束掃描速度的變化規(guī)律(a)厚度H與掃描速度Vs的關系 (b)寬度W與掃描速度Vs的關系基材：A3鋼，合金粉：WF150；送粉速率Vg = 11.9g/min, 功率P =

50、2 kw光斑直徑分別為：曲線1, D1 = 4.5mm; 曲線2 , D2 = 5.0 mm; 曲線3, D3 =6.0 mm 掃描速度V ， 厚度H與寬度W 光斑直徑D ， 厚度H ，寬度W 205六、典型基材表面激光熔覆工藝參數(shù) 基體材料 熔覆材料 送粉方式 工藝參數(shù) （CO2激光 ）2Cr13鋼、18-8不銹 Ni-Cr-B-Si預置或 同步P=2kw, V=2-18 mm/s, D=5 mm A3鋼 Ni-Cr-B-Si + 50%(wt) WC 同步送粉 P=2kw, V=2-6 mm/s, D=5 mm 層厚：0.5-2 mm A3鋼 鐵基自熔合金 預置涂層 P=1.6kw, D=

51、3-4mm, V=4-6mm/s 工具鋼 粉末高速鋼 同步送粉 P=1.5kw, D=5 mm, V=3-15mm/s，硬度可達Hv750-850 20鋼 Co-Cr-B-Si + WC 預置涂層 P=1.2 kw, D=3.5 mm, V=6mm/s 206七、特點優(yōu)點： 改性幅度高：熔覆層稀釋率低，且可以精確控制。 改性范圍大：不受相圖限制，可利用各種材料進行改性； 能量密度高、作用時間短，基材熱影響區(qū)及熱變形均。 激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，結合強度高。 激光熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制。設計專門的導光系統(tǒng)，可對深孔、內(nèi)孔、凹槽、盲孔等部位處理，采用一些特殊的導光系統(tǒng)可以使單道

52、激光熔覆層寬度達到2030mm，最大厚度可達3mm以上，使熔覆效率和覆層質(zhì)量進一步提高； 激光熔覆對環(huán)境無污染，無輻射、低噪音。 缺點： 表面粗糙再加工硬度高難以加工，成本 熔覆層開裂！207八、激光熔覆層開裂的原因及預防措施原因： 熔化層再凝固體積大大收縮 熔覆層拉應力開裂 基體受熱很少體積幾乎不變 通常涂層硬且脆 開裂問題到目前為止仍然沒有完全解決！措施： 預熱： 降低冷卻速度，降低熔覆層中的應力。但效果有限，因預熱溫度不可能過高，和熔覆溫度相比，畢竟有限。 涂層中加入韌性相：韌性相變形釋放應力。但性能 梯度涂層：多層熔覆，由軟及硬，緩和應力。 問題：高硬功能性涂層減薄，壽命 工藝難題：多

53、層熔覆工藝控制，梯度成分控制 效率低、成本高： 結論：仍難以圓滿解決208九、應用 發(fā)動機排氣門密封面和發(fā)動機缸蓋頭錐面熔覆鈷基合金。 航空發(fā)動機渦輪葉片表面激光熔覆抗燒蝕涂層。 汽輪機末級葉片葉尖迎風面熔覆耐水蝕Co基合金等(見圖)。 冶金行業(yè)的軋輥表面強化。 石油鉆頭熔覆WC層。209第二節(jié) 離子束表面改性一、離子束能量和表面改性技術的關系 能量在數(shù)十eV數(shù)百eV范圍內(nèi)用于離子束沉積；keV范圍為離子刻蝕區(qū)，用于表面微細加工；1030MeV為離子注入?yún)^(qū)； 210二、離子注入定義 離子注入技術是將從離子源中引出的低能離子束加速成具有幾萬到幾十萬電子伏特的高能離子束后注入到固體材料表面，形成特

54、殊物理、化學或機械性能表面改性層 三、工藝過程 離化氣體，在高溫燈絲加速電子的作用下離化。 簡單 金屬，先蒸發(fā)成原子，然后離化。 復雜 分離磁分析器從離子源產(chǎn)生的正離子中篩選出所需的離子 加速加速器將篩選出的正離子加速到所需的能量 聚焦利用四極透鏡系統(tǒng)將離子束進行聚焦 注入聚焦后的離子束高速注入靶面（工件表面）211離子注入過程的原理示意圖 212三、特點 靶材與注入或者添加的元素不受限制，幾乎所有固體材料都可以作為靶材，所有的元素都可以作為注入元素注入到靶材之中。 注入過程不受溫度限制，在高溫、低溫和室溫下進行。 注入到靶材中的原子不受靶材固溶度的限制，不受擴散系數(shù)和化學結合力的影響，因此可

55、以獲得許多合金相圖上并不存在的合金，為研究新材料體系提供了新途徑。 可以精確控制摻雜數(shù)量、摻雜深度與位置，摻雜的位置精度可以達到亞微米級。 離子注入過程橫向擴散可以忽略，深度均勻；大面積均勻性好，摻雜雜質(zhì)純度高，因此特別適合半導體器件和集成電路微細加工的工藝需求。 直接離子注入不改變工件尺寸，因此特別適合于精密機械零件的表面處理，如航空、航天等。 主要缺點為設備成本比較高，一次性投資比較大；離子注入層比較淺，一般以納米為單位進行計量，離子最大注入深度也只有數(shù)個微米。 213四、離子注入材料表面的強化機理 (1)固溶強化效應依據(jù)注入原子的種類及其與基材原子直徑比值大小差別，離子注入層的固溶強化機

56、理有間隙固溶強化與替位固溶強化。(2)晶粒細化效應離子注入層的晶粒尺寸較離子注入之前大幅度減少。因此注入層的硬度與強度也將大幅度提高。(3)晶格損傷效應高能量離子注入金屬表面后，使晶格大量損傷，產(chǎn)生大量空位和高密度位錯。當注入的離子是C、N、B等輕元素時，會釘扎位錯產(chǎn)生強化效應。(4)彌散強化效應離子注入會使靶材升溫，特別是N，B，C會與金屬形成-Fe4N, -Fe3N, CrN, TiN等氮化物，Be2B等硼化物和TiC等碳化物，并彌散分布，使基體強化。(5) 壓應力效應離子注入能把2050%的材料加入近表面區(qū)，使表面成為壓縮狀態(tài)。壓縮應力能填實表面裂紋，阻礙微粒從表面剝落，從而提高抗磨損及

57、抗疲勞能力。214五、離子注入技術的應用 在超大規(guī)模集成電路制造中的應用 離子注入技術在微電子工業(yè)中的應用主要是利用其如下特點：摻雜量和注入深度可以精確控制；注入到硅中的雜質(zhì)是直進的，橫向擴散比熱擴散小十倍；摻雜層大面積均勻，重復性好和雜質(zhì)純度高等等。離子注入技術也因此成為現(xiàn)代微電子技術中的基礎工藝 。 常用的注入離子為B、BF2、As（砷）和P，注入量從1011 1016/cm2，所使用的束流強度在10nA到10mA，注入能量為40keV-1MeV。 據(jù)報道，線寬為0.35微米的集成電路板，離子注入工序已達30多次。各種中束流注入機、強流離子注入機、超強流離子注入機相繼出現(xiàn)并應用于生產(chǎn)。據(jù)估

58、計，2000年全世界約有近萬臺離子注入機在半導體工業(yè)中應用，其中90%與先進的硅芯片生產(chǎn)有關。 215離子注入硅電路與器件參數(shù) 電路與器件注入離子注入能量/keV注入量(x1013/cm2)三極管發(fā)射區(qū)As, P100 150500 1000三極管基區(qū)B30 6050三極管超淺結As40500 1000MOS源B, P60 100500MOS源或漏自對準B, P60 10050 500MOS閾值調(diào)整B, P80 1000.05 300源漏超淺結BF240 5050 500吸雜Ar40 15050 1000掩埋基區(qū)B5000.5電路電阻B, P50 1505 1002162. 在機械工業(yè)中的應用

59、 提高機械零件的耐磨性、疲勞強度 機理：降低摩擦系數(shù)，提高表面的硬度，表面壓應力狀態(tài)。 在Ti-6Al-4V表面注入C、N離子，可使摩擦系數(shù)降低50%。 在不銹鋼表面注入N離子，可使摩擦系數(shù)從0.8降到0.6，如果注入的是Ti和Ti+N，其摩擦系數(shù)可以降低到0.2 0.4。 在AISI1018鋼表面注入N+，可使疲勞強度提高200%或更高。 提高機械零件的耐蝕、抗氧化性能 表面成分的變化：使電極電位發(fā)生變化。如注入Cr、Mo等元素，在金屬表面形成氧化物薄膜，或者形成不銹鋼成分的亞穩(wěn)態(tài)合金，從而大幅度改善耐蝕性和抗高溫氧化性能。 表面組織的變化：可以形成濃度遠遠大于平衡值的單相固溶體，從而避免腐

60、蝕微電池的形成。注入層甚至可以以非晶態(tài)方式存在，從而大幅度提高材料表面的耐蝕性。 217工、模具表面離子注入前后的性能變化 零件名稱1C1.6Cr鋼注入元素被加工材料使用結果切 紙 刀高速鋼N紙壽命提高2倍鉆塑絲錐WC-6% CoN塑料壽命提高5倍人工橡膠WC-6% CoN人工橡膠壽命提高2倍切 刀WC-6% CoN銅產(chǎn)量提高5倍銅桿拉模工具鋼N低碳鋼磨損速度降至原來的1/3鋼 絲 模WC-6% CoN碳鋼產(chǎn)量提高10倍汽車環(huán)型C、O碳鋼產(chǎn)量提高6倍沖壓模440C不銹鋼Ti、C、N提高印花質(zhì)量壓延模1C1.6Cr鋼Ti + C延壽100倍航空儀表軸承52100鋼Pb、Ag固體潤滑燃料噴嘴Ti、