表面改性技術(shù)

關(guān)于表面改性技術(shù)舉例:鋼熱處理第2頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天第八章表面改性技術(shù)舉例:鋼表面熱處理材料經(jīng)表面改性處理后，既能發(fā)揮基體材料的力學(xué)性能，又能使材料表面獲得各種特殊性能(如耐磨，耐腐蝕，耐高溫，合適的射線吸收、輻射和反射能力，超導(dǎo)性能，潤(rùn)滑，絕緣，儲(chǔ)氫等)。第3頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天第八章表面改性技術(shù)

常用的表面改性技術(shù)主要有：表面形變強(qiáng)化（按壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）表面熱處理三束(激光、電子和離子束)表面改性技術(shù)離子注入表面改性等離子體擴(kuò)散處理第4頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天第八章表面改性技術(shù)一、表面形變強(qiáng)化二、表面熱處理三、表面化學(xué)熱處理四、三束(激光、電子和離子束)表面改性技術(shù)五、離子注入表面改性第5頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、金屬表面形變強(qiáng)化1、表面形變強(qiáng)化：是通過(guò)機(jī)械手段在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，從而使材料強(qiáng)化。機(jī)械手段：按壓內(nèi)擠壓噴丸滾壓第6頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、金屬表面形變強(qiáng)化第7頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、表面形變強(qiáng)化原理在形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化：在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變度增大形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力結(jié)果：反抗外力的能力增強(qiáng)，表面強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度提高。一、金屬表面形變強(qiáng)化第8頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、金屬表面形變強(qiáng)化3、噴丸強(qiáng)化的應(yīng)用實(shí)例

20CrMnTi圓輥滲碳淬火回火后進(jìn)行噴丸處理，殘余壓應(yīng)力為880MPa，壽命從55萬(wàn)次提高到150~180萬(wàn)次；

40CrNiMo鋼調(diào)質(zhì)后再經(jīng)噴丸處理，殘余壓應(yīng)力為880MPa，壽命從4.6×106次提高到1.04×107次以上；

鋁合金LD2，經(jīng)噴丸處理后，壽命從1.1×106次提高到1×108次以上；第9頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、金屬表面形變強(qiáng)化在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％的NaCl水溶液中工作的45鋼，經(jīng)噴丸處理后，其疲勞強(qiáng)度σ-1從100MPa提高到202MPa；

耐蝕鎳基合金鼓風(fēng)機(jī)葉輪在150℃熱氮?dú)庵羞\(yùn)行，六個(gè)月后發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。經(jīng)噴丸強(qiáng)化并用玻璃珠去污，運(yùn)行了四年都未發(fā)生進(jìn)一步破壞。液體火箭推進(jìn)劑容器的鈦制零部件未噴丸強(qiáng)化時(shí)，在40℃下使用14h就發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞；容器內(nèi)表面經(jīng)玻璃珠噴丸強(qiáng)化后，在同樣條件下試驗(yàn)30天還沒(méi)有產(chǎn)生破壞。第10頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、表面熱處理強(qiáng)化

表面熱處理:

指僅對(duì)零部件表層加熱、冷卻，從而改變表層組織和性能而不改變成分的一種工藝，是最基本、應(yīng)用最廣泛的材料表面改性技術(shù)之一。（包括表面化學(xué)熱處理是一個(gè)專業(yè)——熱處理）第11頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、表面熱處理強(qiáng)化強(qiáng)化基本思想:當(dāng)工件表面層快速加熱時(shí)，工件截面上的溫度分布是不均勻的，工件表層溫度高且由表及里逐漸降低。如果表面的溫度超過(guò)相變點(diǎn)以上達(dá)到奧氏體狀態(tài)時(shí)，隨后的快冷可獲得馬氏體組織，而心部仍保留原組織狀態(tài)。結(jié)果:

得到硬化的表面層，即通過(guò)表面層的相變達(dá)到強(qiáng)化工件表面的目的。第12頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、表面熱處理強(qiáng)化分類:

根據(jù)加熱方式表面熱處理工藝分包括：

感應(yīng)加熱表面淬火

火焰加熱表面淬火

接觸電阻加熱表面淬火

浴爐加熱表面淬火

電解液加熱表面淬火

高密度能量的表面淬火表面保護(hù)熱處理等第13頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、表面熱處理強(qiáng)化(一)感應(yīng)加熱表面淬火1、感應(yīng)加熱表面處理的基本原理生產(chǎn)中常用工藝是高頻和中頻感應(yīng)加熱淬火。近年來(lái)又發(fā)展了超音頻、雙頻感應(yīng)加熱淬火工藝。其交流電流頻率范圍見(jiàn)表6-9。第14頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、表面熱處理強(qiáng)化感應(yīng)加熱的物理過(guò)程感應(yīng)加熱主要依據(jù):熱傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)和集膚效應(yīng)等基本原理。圖感應(yīng)加熱表面淬火示意第15頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、表面熱處理強(qiáng)化

電磁感應(yīng)：線圈通電流

交變磁場(chǎng)工件內(nèi)部產(chǎn)生閉合感應(yīng)電流即渦流。

金屬零件的電阻很小，所以渦電流很大，渦電流產(chǎn)生的熱量：

Q=I2Rt

圖感應(yīng)加熱表面淬火示意第16頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天集膚效應(yīng)：零件表面的電流密度最大，電阻的熱效應(yīng)使工件表面被迅速加熱。并且，頻率f越大，被加熱的表面厚度越小。二、表面熱處理強(qiáng)化第17頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、表面熱處理強(qiáng)化圖感應(yīng)加熱表面淬火示意2、感應(yīng)加熱方式方式：同時(shí)加熱和連續(xù)加熱方式。同時(shí)加熱方式淬火時(shí)，零件需要淬火的區(qū)域整個(gè)被感應(yīng)器包圍，通電加熱到淬火溫度后迅速冷卻淬火。此法適用于大批量生產(chǎn)。連續(xù)加熱方式淬火時(shí)，零件與感應(yīng)器相對(duì)移動(dòng)，使加熱和冷卻連續(xù)進(jìn)行。適用于淬硬區(qū)較長(zhǎng)，設(shè)備功率又達(dá)不到同時(shí)加熱要求的情況。第18頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、表面熱處理強(qiáng)化（二）火焰加熱表面淬火

火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧－乙炔或其他可燃?xì)怏w對(duì)零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。

優(yōu)點(diǎn)：與感應(yīng)加熱表面淬火等方法相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，適用鋼種廣泛，零件表面清潔、一般無(wú)氧化和脫碳、形變小等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：加熱溫度不易控制，噪音大，勞動(dòng)條件差，使用混合氣體不夠安全，不易獲得薄的表面淬火層。

應(yīng)用：常用于大尺寸和重量大的工件，尤其適用于批量少品種多的零件或局部區(qū)域的表面淬火，如大型齒輪、軸、軋輥和導(dǎo)軌等。第19頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、金屬表面化學(xué)熱處理金屬表面化學(xué)熱處理：利用元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。(一)金屬表面化學(xué)熱處理過(guò)程其基本工藝過(guò)程是：首先將工件置于含有滲入元素的活性介質(zhì)中加熱到一定溫度，使活性介質(zhì)通過(guò)分解并釋放出欲滲入元素的活性原子；活性原子被表面吸附并溶入表面；溶入表面的原子向金屬表層擴(kuò)散滲入形成一定厚度的擴(kuò)散層。

結(jié)果：改變表層的成分、組織和性能。第20頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、金屬表面化學(xué)熱處理

(二)金屬表面化學(xué)熱處理的目的(1)提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。如滲氮可使金屬表面硬度達(dá)到950～1200Hv；滲硼可使金屬表面硬度達(dá)到1400～2000Hv等。因而工件表面具有極高的耐磨性。(2)提高材料疲勞強(qiáng)度。如滲碳、滲氮、滲鉻等滲層中由于相變使體積發(fā)生變化，導(dǎo)致表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。(3)使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數(shù)。如滲硫等。(4)提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。第21頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、金屬表面化學(xué)熱處理(三)化學(xué)熱處理種類

根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同，化學(xué)熱處理可分以下幾類：(1)固體法。包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層等)擴(kuò)散法等。(2)液體法。包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。(3)氣體法。包括固體氣體法、間接氣體法、流動(dòng)粒子爐法等。(4)等離子法。第22頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、金屬表面化學(xué)熱處理根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理可分以下幾類：(1)滲碳、滲氮、碳氮共滲?？商岣卟牧媳砻娅@得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕磨損性、接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，而心部具有一定強(qiáng)度、塑性、韌性的性能。

(2)滲硼。提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。可用于鋼鐵材料、金屬陶瓷和某些有色金屬材料，如鉭和鎳基合金。這種方法成本較高。第23頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、金屬表面化學(xué)熱處理(3)滲金屬。

使工件表面形成一層金屬碳化物的一種工藝方法，即滲入元素與工件表層中的碳結(jié)合形成金屬碳化物的化合物層，如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等。(4)滲其他元素。如材料表面滲硅、滲硫等。滲硅的主要目的是提高工件的耐蝕性、穩(wěn)定性、硬度和耐磨性。滲硫的目的是在鋼鐵零件表面生成FeS薄膜，以降低摩擦系數(shù)，提高抗咬合性能。(5)多元共滲。如硼和另一種或多種金屬元素進(jìn)行的多元滲硼、氧氮共滲等。第24頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天（四）滲碳以結(jié)構(gòu)鋼滲碳為例。方法：1、氣體滲碳：在滲碳爐中通人含碳的氣體介質(zhì)，如甲醇、乙醇、丙酮、煤油、苯等來(lái)滲碳。2、固體滲碳：用固體滲碳劑，如木炭、焦炭等。3、鹽?。ㄒ后w）滲碳：在熔融鹽浴中進(jìn)行滲碳。鹽浴如：KCl、NaCl和Na2CO3組成的鹽浴。三、金屬表面化學(xué)熱處理第25頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、三束表面改性處理

激光束、電子束和離子束—三束表面處理是高能密度表面處理技術(shù)中的一種主要手段。三束表面處理的目的是利用在加熱和冷卻時(shí)速率高，如激光可達(dá)106～108℃／s的優(yōu)點(diǎn)，改變表面層的成分和顯微結(jié)構(gòu)，從而提高表面性能，以適應(yīng)基體材料的需要。第26頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天（一）激光表面處理1、激光的特點(diǎn)1)高方向性。激光光束的發(fā)散角可以小于一到幾個(gè)毫弧度。2)高平行性。光束基本上是互相平行的。3)高亮度性。激光器發(fā)射出來(lái)的光束非常強(qiáng)，通過(guò)聚焦集中到一個(gè)極小的范圍之內(nèi)?？梢垣@得極高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可達(dá)1014w／cm2，焦斑中心溫度可達(dá)幾千度到幾萬(wàn)度，只有電子束的功率密度才能和激光相比擬。4)高單色性。激光具有相同的位相和波長(zhǎng)，所以激光的單色性好。激光的頻率范圍非常狹。四、三束表面改性處理第27頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、激光表面處理設(shè)備

激光表面處理設(shè)備包括激光器、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、工作臺(tái)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等，如圖所示。激光器控制計(jì)算機(jī)光束調(diào)制工作臺(tái)X-Y掃描聚焦鏡圖6-10激光表面處理系統(tǒng)組成四、三束表面改性處理第28頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)激光與材料的相互作用激光與材料的相互作用主要是通過(guò)電子激發(fā)實(shí)現(xiàn)的。只有一部分激光光子能量被材料所吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，激光并未穿過(guò)金屬表面;另一部分激光則從材料表面反射。不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光的反射率是不同的。一般情況下，電導(dǎo)率高的金屬材料對(duì)激光的反射率高，表面粗糙度小反射率也高。工件激光器四、三束表面改性處理第29頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)激光器

激光器的種類：現(xiàn)已有幾百種激光器。主要有：固體激光器和氣體激光器。

固體激光器：

晶體固體激光器：如紅寶石激光器、釹-釔鋁石榴石激光器

玻璃激光器：如釹離子玻璃激光器四、三束表面改性處理第30頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天氣體激光器：中性原子氣體激光器(如He-Ne激光器)、離子激光器(如Ar+激光器)、分子氣體激光器(如CO2、Kr激光器)、準(zhǔn)分子激光器(如Xe激光器)。液體激光器。無(wú)機(jī)液體激光器、染料激光器。

半導(dǎo)體激光器(砷化鎵激光器)。

化學(xué)激光器。四、三束表面改性處理第31頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、激光表面處理前工件表面的預(yù)處理：

由于激光加熱時(shí)被處理金屬表面吸收光子能量，激光并未穿過(guò)金屬表面，為了減少反射，提高處理效率，因此需進(jìn)行。常用的預(yù)處理方法：磷化（吸收率88％）、黑化和涂覆紅外能量吸收材料（如涂碳黑吸收率高達(dá)90％以上）四、三束表面改性處理第32頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天應(yīng)用舉例：激光表面強(qiáng)化：激光表面淬火的應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表6-29。第33頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天舉例：第34頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天有色金屬激光涂履利用激光進(jìn)行鋁合金表面涂覆可以從根本上改善工件的表面的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能，很少受基體材料的限制。

如:西安交通大學(xué)等對(duì)ZL101鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁進(jìn)行激光涂覆硅粉和MoS2，獲得0．1～0．2mm的硬化層，其硬度可達(dá)基體的3．5倍。四、三束表面改性處理第35頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天金屬表面非晶態(tài)處理紡紗機(jī)鋼令跑道表面硬度低，易生銹，造成鋼令使用壽命低，紡紗斷頭率高。用激光非晶化處理后，鋼令跑道表面的硬度提高至1000HV以上，耐磨性提高1.3倍，紡紗斷頭率下降75％，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

汽車凸輪軸和柴油機(jī)鑄鋼套外壁經(jīng)激光表面非晶態(tài)處理后，強(qiáng)度和耐腐蝕性均明顯提高。在真空中采用連續(xù)氣相沉積激光技術(shù),在軟的基材表面獲得硬度達(dá)2000~4500HV的非晶BN薄層。四、三束表面改性處理第36頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天

離子注入：將所需的某種元素的原子電離成離子，在電場(chǎng)中加速后高速轟擊工件表面使之注入工件表面一定深度的真空處理工藝，也屬于PVD范圍。（一）離子注入的原理1、入射離子工件材料與發(fā)生相互作用五、離子注入表面改性第37頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天入射離子經(jīng)過(guò)與電子、原子若干次碰撞后，自身的能量幾乎耗盡而停止運(yùn)動(dòng)，在材料中的一定深度處停留下來(lái)，成為材料中的一種雜質(zhì)原子留在固體中（圖右側(cè)注入處）。五、離子注入表面改性第38頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天結(jié)果：離子進(jìn)入固體后對(duì)固體表面性能發(fā)生的上述作用在改性中都有重要意義。離子注入除了在表面層中增加注入元素含量外，還在注入層中增加了許多空位、間隙原子、位錯(cuò)、位錯(cuò)團(tuán)、空位團(tuán)、間隙原子團(tuán)等缺陷。它們對(duì)注入層的性能有很大影響。五、離子注入表面改性第39頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、離子注入設(shè)備圖6-17是離子注入裝置簡(jiǎn)圖。裝置包括離子發(fā)生器、加速系統(tǒng)、分選裝置、離子束掃描系統(tǒng)、試祥室和排氣系統(tǒng)。從離子發(fā)生器發(fā)出的離子由幾萬(wàn)伏電壓引出，在幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)伏電壓的加速系統(tǒng)中加速獲得高能量，進(jìn)入分選部，將一定的質(zhì)量／電荷比的離子選出。通過(guò)掃描機(jī)構(gòu)掃描轟擊工件表面，離子與工件材料發(fā)生一系列相互作用。五、離子注入表面改性第40頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）離子注入的特點(diǎn)離子注入法不同于任何熱擴(kuò)散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和擴(kuò)散系數(shù)的影響。因此，用這種方法可能獲得不同于平衡結(jié)構(gòu)的特殊物質(zhì)的方法；是開發(fā)新型材料的非常獨(dú)特的方法；

離子注入溫度和注人后的溫度可以任意控制，且在真空中進(jìn)行，工件不氧化，不變形，不發(fā)生退火軟化，表面租糙度一般無(wú)變化，可作為最終處理工藝；五、離子注入表面改性第41頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天可控性和重復(fù)性好。通過(guò)改變離子源和加速器能量，可以調(diào)整離子注入深度和分布；通過(guò)可控掃描機(jī)構(gòu)，不僅可實(shí)現(xiàn)在較大面積上的均勻化，而且可以在很小范圍內(nèi)進(jìn)行局部改性。

可獲得兩層或兩層以上性能不同的復(fù)合材料。復(fù)合層不易脫落。注入層薄，工件尺寸基本不變。70年代初，人們利用離子注入進(jìn)行金屬表面合金強(qiáng)化的研究，使離子注入技術(shù)成為目前最活躍的研究方向之一。離子注入已在表面非晶化、表面冶金、表面改性和離子與材料表面相互作用等方面取得了可喜的研究成果。特別是在工件表面合金化方面取得了突出的進(jìn)展。五、離子注入表面改性第42頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天目前，離子注入在微電子技術(shù)、生物工程、宇航、醫(yī)療等高技術(shù)領(lǐng)域獲得了比較廣泛的應(yīng)用，尤其是在工具和模具制造工業(yè)的應(yīng)用效果突出。但從目前的技術(shù)水平看，還存在一些缺點(diǎn)，如注入層薄(〈1nm)；離子只能直線行進(jìn)，不能繞行，對(duì)于復(fù)雜的和有內(nèi)孔的零件不能進(jìn)行離子注入，設(shè)備造價(jià)高，所以應(yīng)用還不廣泛。五、離子注入表面改性第43頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天（三）離子注入表面改性的應(yīng)用１．離子注入金屬表面合金化

離子注入金屬表面會(huì)改善材料的耐磨性、耐蝕性、硬度、疲勞壽命和抗氧化性等。以下從微觀角度分析離子注人改善性能的可能機(jī)制:輻照損傷強(qiáng)化。離子注入產(chǎn)生的輻照損傷增加了各種缺陷的密度，改變了正常的晶格原子的排列。同時(shí)，注入元素離子阻止位錯(cuò)滑移，從而使表面層強(qiáng)化并降低表面疲勞裂紋的形成可能性，但對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展影響不大。

固溶強(qiáng)化。離子注入可獲得過(guò)飽和度很大的固溶體，固溶強(qiáng)化效果較強(qiáng)。而且注入離子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用也使材料得到強(qiáng)化。五、離子注入表面改性第44頁(yè),共49頁(yè)，2024年2月25日，星期天

沉淀強(qiáng)化。注入元素可能與基體材料中的元素形成各種化合物，使表面離子注入層產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。如鈦離子注入含有C的鋼或合金中，有可能形成TiC微粒沉淀。

非晶態(tài)化。當(dāng)離子注入的量達(dá)到一定值時(shí)，可使基體金屬形成非晶態(tài)表面層。因此可降低鋼的