工程摩擦學(xué)8教材

2024/2/11工程摩擦學(xué)基礎(chǔ)

FundamentalofEngineeringTribology

2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.1表面工程簡(jiǎn)介

表面工程是經(jīng)表面預(yù)處理后，通過(guò)表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況，以獲得所需要的表面性能的系統(tǒng)工程。1995-SurfaceEngineering.功能薄層厚度一般從幾十微米到幾毫米，僅占工件整體厚度的幾百分之一到幾十分之一；但卻使工件具有了比基體材料更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫性能。此外，表面工程的費(fèi)用低廉，一般只占產(chǎn)品價(jià)格的5％-10％．卻可以大幅度地提高產(chǎn)品的性能及附加值，從而獲得更高的利潤(rùn)。采用表面工程措施的平均效益高達(dá)5-20倍以上。英國(guó)科技開發(fā)中心的調(diào)查報(bào)告表明：英國(guó)主要依靠表面工程而獲得產(chǎn)值超過(guò)50-200億英鎊。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.1表面工程簡(jiǎn)介

表面工程中的各種表面技術(shù)分為兩大類型：其一是表面改性，其二是表面涂層。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

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8.2表面改性8.2.1表面淬火主要用于各種齒輪、凸輪、曲軸脛、頂桿、閥門、套筒及軋輥等的表面改性.表面淬火主要是通過(guò)快速加熱與立即淬火冷卻相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即利用快速加熱使鋼件表面很快地達(dá)到淬火的溫度，而不待熱量傳至鋼件中心，即迅速予以冷卻，如此便可以只使表層被淬硬為馬氏體，而中心仍為未淬火組織.表面淬火用鋼的含碳量以wc=0.40％-0.50％為宜。如果提高含碳量，則會(huì)增加淬硬層脆性，降低心部塑性和韌性，并增加淬火開裂傾向.2024/2/118.SurfaceEnginTribology

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1)感應(yīng)加熱表面淬火(1)感應(yīng)加熱時(shí)，鋼的加熱速度極大.(2)隱晶馬氏體,具有比普通淬火稍高的硬度(高2—3HRC)和較低的脆性，并具有較高的疲勞強(qiáng)度。(3)不易氧化和脫碳，變形也小.(4)淬硬層深度易于控制.2024/2/118.SurfaceEnginTribology

1)感應(yīng)加熱表面淬火形狀復(fù)雜的零件感應(yīng)器不易制造2024/2/118.SurfaceEnginTribology

2)火焰加熱表面淬火火餡加熱表面淬火的淬硬層深度一般為2-6mm，若要獲得更深的淬硬層，往往會(huì)引起零件表面嚴(yán)重的過(guò)熱，且易產(chǎn)生淬火裂紋。材料常用中碳鋼如35、45鋼以及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr、65Mn等.2024/2/118.SurfaceEnginTribology

3)激光表面淬火

指碳鋼或合金綱在室溫下經(jīng)激光輻照．表層被迅速加熱至奧氏體化溫度以上，在激光停止輻照后，快速自冷淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法。采用球墨鑄鐵制造的汽車曲軸，其圓弧處經(jīng)表面淬火后，硬度可升高到55—62HBC，耐磨性與疲勞強(qiáng)度也大為提高；采用鋼或鑄鐵制造的凸輪、齒輪、活塞環(huán)、缸套、模具等，經(jīng)激光表面淬火后，大大提高表面硬度與耐磨性。(1)硬度升高(2)改善疲勞性能(3)提高耐磨性能(4)表面殘余壓應(yīng)力2024/2/118.SurfaceEnginTribology

4)電子束表面淬火電子束表面淬火處理與激光表面淬火相似，只是能量的來(lái)源和功率密度不同。

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8.2.2化學(xué)熱處理1)概述化學(xué)熱處理是利用固態(tài)擴(kuò)散使其他元素滲入工作表面的一種熱處理工藝，所以又稱擴(kuò)散熱處理。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理1)概述2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理1)概述2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理2)化學(xué)熱處理的基本過(guò)程(1)滲劑中的反應(yīng)(2)滲劑中的擴(kuò)散(3)相界面反應(yīng)(4)金屬工件中的擴(kuò)散(5)金屬中的反應(yīng)2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理3)金屬擴(kuò)滲

金屬擴(kuò)滲是金屬化學(xué)熱處理中常用的一種方法，其基本原理和其他化學(xué)熱處理相似。滲硼、滲釩、滲鈦、滲鈮和滲鉻等.2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理3)金屬擴(kuò)滲目前，滲金屬的化學(xué)熱處理工藝，特別是多元共滲工藝，如碳、氮、硼三元共滲，巳在石油機(jī)械(如公錐、母錐)、冷作模具(如拉絲模、冷沖模等)領(lǐng)域顯示出較大的優(yōu)越性?？梢灶A(yù)見，滲金屬方法將會(huì)有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理3)非金屬擴(kuò)滲非金屬擴(kuò)滲根據(jù)滲入元素的不同，可分為滲碳、滲氮(氮化)碳、氮共滲(氰化),滲硫等。目前生產(chǎn)中常用的化學(xué)熱處理工藝是滲碳、氮化、氰化。

滲碳是為了增加鋼表層含碳量和一定的濃度梯度，將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面的工藝。主要用于汽車齒輪、活塞銷、套筒等。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.1化學(xué)和電化學(xué)方法化學(xué)和電化學(xué)方法形成表面涂層的具體方法主要有電鍍和化學(xué)鍍兩種。1)電鍍用作耐磨減摩的鍍層主要有硬鉻、松孔鍍、Ni—SiC、Ni—石墨、Ni—PTFE復(fù)合鍍層等.由于鉻是摩擦系數(shù)最小的金屬之一,一般來(lái)講鍍鉻耐磨性能較好,硬鉻鍍層硬度通常在850—1100HV，而900HV左右的鉻鍍層耐磨性最好。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.1化學(xué)和電化學(xué)方法1)電鍍電刷鍍是一項(xiàng)應(yīng)用較廣的表面強(qiáng)化和表面修復(fù)的電鍍技術(shù)。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.1化學(xué)和電化學(xué)方法2)化學(xué)鍍含有鍍層金屬離子的溶液在還原劑的作用下，在有催化作用的工件表面上形成鍍層的方法，稱為化學(xué)鍍?；瘜W(xué)鍍可用在金屬和絕緣體工件上，鎳、鈷、鈀、鉑、銅、金和某些合金鍍層都可用化學(xué)鍍獲得?；瘜W(xué)鍍層一般具有良好的耐蝕性、耐磨性、鉛焊性及其他特殊的電學(xué)或磁學(xué)等性能。不同成分的鍍層，其性能變化很大，因此在電子、石油、化工、航空航天、汽車、機(jī)械等工業(yè)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.2冶金熔合法1)堆焊堆焊是用焊接的方法在零件表面堆敷一層金屬的工藝過(guò)程.2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.2冶金熔合法1)堆焊2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.2冶金熔合法2)熱噴涂2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.2冶金熔合法2)熱噴涂2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.3氣相沉積(Vapordeposition)1)物理氣相沉積(PVD)(1)真空蒸發(fā)鍍膜在真空室內(nèi)進(jìn)行加熱，使固態(tài)原材料蒸發(fā)汽化或升華．并凝結(jié)淀積到一定溫度的襯底的表面，形成薄膜．這就是真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)。(2)濺射鍍膜濺射是指利用氣體放電產(chǎn)生的正離子，在電場(chǎng)作用下加速成為高能離子，撞擊固體表面，進(jìn)行能量和動(dòng)量交換后，固體表面的原子或分子在轟擊下離開表面。

PVD工藝處理溫度低，在600℃以下對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度沒有影響；薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，更適合于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜類刀具的涂層工藝，對(duì)環(huán)境沒有不利影響，符合目前綠色工業(yè)的發(fā)展方向。

目前PVD技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，涂層成分也由第一代的TiN發(fā)展到了TiC，TiCN，ZrN，CrN，MoS2，TiALN，TiAlCN，TiN-AlN，CNx等多種多元復(fù)合涂層，且由于納米級(jí)涂層的出現(xiàn)，使得PVD涂層刀具質(zhì)量又有了新的突破，這種薄膜涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好，并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，在進(jìn)行高精度加工時(shí)，其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。

1)PVD

（PhysicalVaporizingdeposition）

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8.3表面涂層8.3.3氣相沉積(Vapordeposition)3)物理氣相沉積(PVD)(3)離子鍍離子鍍是將真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的技術(shù)，是“輝光放電中的蒸發(fā)法”．即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離子化，一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性離子。(4)分子束外延(MBE)分子束外延是在真空蒸發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。在超高真空下，將各組成元素的分子束流，以一個(gè)個(gè)分子的形式噴射到襯底表面，在適當(dāng)?shù)囊r底溫度等條件下外延沉積。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.3氣相沉積(Vapordeposition)(4)分子束外延(MBE)2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3表面涂層8.3.3氣相沉積(Vapordeposition)2)化學(xué)氣相沉積(CVD)化學(xué)氣相沉積是指利用流經(jīng)襯底表面的氣態(tài)物料的化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)，在襯底表面形成薄膜的方法。設(shè)備、操作簡(jiǎn)單;適用于金屬、非金屬及合金等多種膜的制備；薄膜粘附性好；反應(yīng)所需原材料易獲得；可進(jìn)行可控雜質(zhì)摻雜；輻射損傷低，可獲得平滑的沉積表面．且易實(shí)現(xiàn)外延；可在常壓和低真鄉(xiāng)下進(jìn)行。溫度相對(duì)較高,反應(yīng)氣體業(yè)揮發(fā)性氣體常有毒,對(duì)襯底的掩模操作困難；沉積速率較低。

CVD技術(shù)自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來(lái)，在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具上得到了極為廣泛的應(yīng)用。在CVD工藝中，可實(shí)現(xiàn)TiC,TiN,TiCN,TiBN,TiB2,Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層，該涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，薄膜厚度可達(dá)7-9μm,相對(duì)而言，CVD涂層具有更好的耐磨性。

CVD工藝的缺陷：一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度的下降；二是薄膜內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用中易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生；三是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會(huì)造成工業(yè)污染，對(duì)環(huán)境影響較大，與目前所提倡的綠色工業(yè)相抵觸。

2)CVD-ChemicalVaporizing

Deposition8.SurfaceEnginTribology

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8.3表面涂層8.3.3氣相沉積(Vapordeposition)2)化學(xué)氣相沉積(CVD)

是以含C/N的有機(jī)物乙腈(CH3CN)為主要反應(yīng)氣體和TiCl4,H2,N2在700℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反應(yīng)，生成TiCN的一種新方法，可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層，涂層厚度可達(dá)8~10μm。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨損性、抗熱振性及韌性，并可通過(guò)HT-CVD（高溫化學(xué)氣相沉積）工藝技術(shù)在表層沉積上Al2O3,TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤(rùn)滑性能好的材料。

CVD工藝（包括MT-CVD）主要用于硬質(zhì)合金車削類刀具的表面涂層，其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。因此，在干式切削加工中，CVD涂層技術(shù)仍占有極其重要的地位。2)-1MT-CVD（中溫化學(xué)氣相沉積）

8.SurfaceEnginTribology

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8.3表面涂層8.3.4離子束注入

離子束注入是指把所需要元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進(jìn)行加速，進(jìn)而轟擊零部件表面，使離子注入一定深度的表層，從而改變材料表面層的物理化學(xué)和機(jī)械性能的真空處理工藝技術(shù).1)離子注入的基本過(guò)程

(1)注入離子與基體原子的原子核發(fā)生彈件碰撞、使基體產(chǎn)生離子大角度散射或受到輻射損傷，此過(guò)程稱為核碰撞.

(2)注入離子與基體內(nèi)的電子發(fā)生非彈性碰撞，使原子失去或獲得電子而發(fā)生電離或產(chǎn)生x射線，此過(guò)程稱為電子碰撞。注入離子在上述多次碰撞過(guò)程后，耗盡白身能量而停止運(yùn)動(dòng)．保留在基體表層中。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3.4離子束注入

2)提高材料機(jī)械性能的基本原理

(1)損傷強(qiáng)化-在一系列的碰撞過(guò)程中，表面的原子排列受到強(qiáng)烈損傷，由長(zhǎng)程有序變?yōu)槎坛逃行?，甚至使晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷А２⑶?，離子注入所產(chǎn)生的大量空位集結(jié)在位錯(cuò)周圍，對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用，從而表層得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。

(2)間隙固溶強(qiáng)化-一些非金屬元素如N、C、B，它們的原于半徑小于1A，接近于晶格的某些間隙(如面心立方的八面體間隙或體心立方的四面體間隙)的尺寸,它們?cè)诮饘俚木Ц裰刑幱陂g隙位置，使晶格產(chǎn)生畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高表面層的強(qiáng)度和硬度。2024/2/118.SurfaceEnginTribology

8.3.4離子束注入

2)提高材料機(jī)械性能的基本原理

(3)偏聚強(qiáng)化-原子往往偏聚在位錯(cuò)