《材料科學與工程概論》課件第10章

第10章材料表面處理技術(shù)10.1概述10.2表面淬火10.3化學表面熱處理10.4電鍍和化學鍍10.5氣相沉積技術(shù)10.6離子注入10.7熱噴涂10.8堆焊10.9熔覆技術(shù)10.10表面技術(shù)選擇與設(shè)計的一般原則

10.1概述

10.1.1表面工程及其應用

表面工程是經(jīng)表面預處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學成分、組織結(jié)構(gòu)和應力狀況，以獲得所需要表面性能的系統(tǒng)工程。10.1.2表面工程技術(shù)的分類

1．表面改性

表面改性是指通過改變基質(zhì)材料表面的化學成分，來達到改善表面結(jié)構(gòu)和性能的目的。這一類表面工程技術(shù)包括化學熱處理、離子注入和轉(zhuǎn)化膜技術(shù)等。轉(zhuǎn)化膜技術(shù)取材于基質(zhì)中化學成分形成新的表面膜層，可歸入表面改性類(見圖10-1)。圖10-1表面改性技術(shù)

2．表面處理

表面處理時不改變基質(zhì)材料的化學成分，只通過改變表面組織結(jié)構(gòu)及應力達到改變表面性能的目的。這一類表面工程技術(shù)包括表面變形處理、表面淬火熱處理以及表面納米化加工技術(shù)等(見圖10-2)。圖10-2表面處理技術(shù)

3．表面涂覆

表面涂覆是在基質(zhì)表面上形成一種膜層。涂覆層的化學成分、組織結(jié)構(gòu)可以和基質(zhì)材料完全不同。涂覆層的厚度可以是幾毫米，也可以是幾微米。通常在基質(zhì)零件表面留有加工余量，以實現(xiàn)表面具有工況需要的涂覆層厚度。

4．復合表面工程技術(shù)

復合表面工程技術(shù)是對上述三類表面工程技術(shù)的綜合應用。

5．納米表面工程技術(shù)

納米表面工程技術(shù)是利用納米材料、納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能，將納米材料、納米技術(shù)與表面工程技術(shù)交叉、復合、綜合，在基質(zhì)材料表面制備出含納米顆粒的復合涂層或具有納米結(jié)構(gòu)的表層。

10.2表面淬火

10.2.1火焰加熱表面淬火

火焰加熱表面淬火是用乙炔—氧或煤氣—氧的混合氣體燃燒的火焰，噴射在零件表面上，使它快速加熱，當達到淬火溫度時立即噴水冷卻，從而獲得預期的淬硬層深度和硬度的一種熱處理方法，其示意圖如圖10-3所示。圖10-3火焰加熱表面淬火示意圖10.2.2感應加熱表面淬火

感應加熱表面淬火是將工件放在通有中頻或高頻交流電(頻率一般為500～300?000?Hz)的感應器(空心銅管繞成)內(nèi)，于是工件中就感應產(chǎn)生同頻率的感應電流，將工件表面迅速加熱，當達到淬火溫度時立即噴水或浸油冷卻，從而獲得預期的淬硬層深度和硬度的一種表面淬火方法。圖10-4感應加熱表面淬火示意圖10.2.3激光表面淬火

激光表面淬火是利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面(激光加熱速度一般為103～104℃/s)，使其發(fā)生相變，然后停止加熱或移開激光束，形成馬氏體淬硬層的過程。激光淬火的功率密度高，冷卻速度快(冷卻速度可達104℃/s，甚至1010℃/s)，可實現(xiàn)自冷淬火，即不需要水或油等冷卻介質(zhì)，是一種清潔、快速的淬火工藝。激光淬火的特點如下：

(1)激光淬火的熱循環(huán)過程快，淬火零件不變形；

(2)采用防氧化保護薄涂層幾乎不破壞表面粗糙度；

(3)淬火激光淬火不開裂；

(4)對局部、溝、槽可進行定位精確的數(shù)控淬火；

(5)激光淬火清潔、高效，不需要水或油等冷卻介質(zhì)；

(6)淬火硬度比常規(guī)方法高，淬火層組織細密、強韌性好。

10.3化學表面熱處理

化學表面熱處理是通過原子擴散、化學反應等方法，使被處理材料表面成分、組織、形貌發(fā)生改變，從而使表面獲得不同于基體材料性能的工藝方法。這一工藝方法已被廣泛應用于金屬材料以及無機非金屬材料的表面改性處理。

10.4電鍍和化學鍍

10.4.1電鍍

1．電鍍及其應用

電鍍是用電化學的方法在鍍件表面上沉積所需金屬或合金覆層的工藝。它是以被鍍件金屬為陰極，在外電流作用下，使鍍液中欲鍍金屬的陽離子沉積在被鍍件金屬的表面上，而形成鍍層(金屬、合金或半導體等)的表面加工方法。

2．電鍍層的種類

電鍍層的種類有多種，若根據(jù)鍍層使用的目的來分，大致可分為八類：

①防護性鍍層，鍍鋅層和鍍錫層屬于此類鍍層。

②裝飾性鍍層，裝飾性鍍層多半都是由多層鍍形成的組合鍍層，例如，銅/鎳/鉻多層鍍，現(xiàn)在汽車鋁輪轂的電鍍層數(shù)有的多達九層。

③功能性鍍層，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和科技上的一些要求。

④抗高溫氧化鍍層，例如，噴氣發(fā)動機的轉(zhuǎn)子葉片和轉(zhuǎn)子發(fā)動機的內(nèi)腔等，常需要鍍鎳、鈷、鉻及鉻合金，以防止其在高溫腐蝕介質(zhì)中氧化或熱疲勞而損壞。⑤導電鍍層，在印制電路板、IC元件等，需要大量使用提高表面導電性鍍層，通常采用鍍銅、銀和金。

⑥磁性鍍層，在電子計算機和錄音機等設(shè)備中，所使用的錄音帶、磁盤和磁鼓等儲存裝置均需要磁性材料。

⑦焊接性鍍層，有些電子元件器件進行組裝時，常需要進行釬焊，為了改善和提高它們的焊接性能，在表面需要鍍一層銅、錫、銀以及錫-鉛合金等。

⑧修復性鍍層，有些大型和重要的機器部件經(jīng)過使用磨損后，可以用電鍍或刷鍍法進行修補。10.4.2化學鍍

化學鍍是利用合適的還原劑被氧化而釋放自由電子，把溶解中的金屬離子還原為金屬原子，并沉積在工件表面的過程。

10.5氣相沉積技術(shù)

氣相沉積是利用氣相中發(fā)生的物理、化學過程，在材料表面形成具有特殊性能的金屬或化合物覆層的工藝方法。圖10-5氣相沉積分類方法10.5.1物理氣相沉積

物理氣相沉積技術(shù)是在真空條件或充氬氣(Ar)的真空條件下，采用物理方法，將材料源——固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體(或等離子體)過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。10.5.2化學氣相沉積

化學氣相沉積是反應物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體材料表面，形成覆蓋層的工藝技術(shù)。CVD與PVD的區(qū)別在于CVD依賴于化學反應生成固態(tài)薄膜，它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過程。常見CVD的化學反應有以下幾種類型。

(1)熱分解反應，如

(2)還原反應，如

(3)氧化反應，如

(4)水解反應，如

(5)綜合反應，如

10.6離子注入

離子注入是將元素的原子電離成離子后，在高電場(幾十至幾百千伏)作用下被加速獲得高能量和高速率攝入工件表面的技術(shù)。注入是在高真空(10-4?Pa)和較低溫度下進行的，基體不受污染，不引起熱變形、退火和尺寸的變化。注入原子與基體材料間沒有界面，注入層不存在剝落問題。

10.7熱噴涂

熱噴涂是以一定形式的熱源將粉末、絲狀或棒狀噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流并使其霧化，噴射在經(jīng)過預處理的零件表面，形成噴涂層，用以改善或改變工件表面性能的一種表面工程技術(shù)。圖10-6熱噴涂的分類10.7.1火焰噴涂

1．線材氧-乙炔火焰噴涂技術(shù)

線材氧-乙炔火焰噴涂技術(shù)以氧-乙炔作為加熱金屬線材的熱源，使金屬線材端部連續(xù)被加熱熔化，借助于壓縮空氣或惰性氣體高速氣流使金屬絲端部液滴脫落并霧化成顆粒，在火焰和氣流的共同推動下，噴射到集基體表面形成“牢固”結(jié)合的涂層。圖10-7為氧-乙炔火焰線材噴涂原理示意圖。圖10-7線材火焰噴涂原理示意圖

2．粉末氧-乙炔火焰噴涂技術(shù)

粉末氧-乙炔火焰噴涂技術(shù)與線材火焰噴涂的不同之處是噴涂材料不是線材而是粉末，同時不用壓縮空氣。噴涂粉末在氣流的作用下，從噴嘴端部的燃燒火焰中噴出被加熱、加速而成為熔融顆粒，噴射并沉積到基體表面形成“牢固”結(jié)合的涂層。10.7.2電弧噴涂

電弧噴涂是以兩電極之間的氣體介質(zhì)放電產(chǎn)生的電弧為熱源，用高速氣流將熔化金屬的液滴從金屬絲端部脫離、霧化，并高速噴射到工件表面形成涂層的一種工藝。10.7.3等離子噴涂

等離子噴涂是利用在陰極和陽極之間產(chǎn)生的直流電弧把氣體電離后形成的等離子焰，將噴涂粉末加熱、熔化、加速和噴射到基體表面形成的一種工藝涂層。

10.8堆焊

1．軋輥堆焊

各類軋輥都要承受大載荷、高溫磨損、熱疲勞等因素的作用，要求有高的耐金屬間磨損的能力，并能承受一定的沖擊。軋輥早期報廢的主要原因是磨損和表面裂紋，如冷熱交替環(huán)境導致的龜裂、因擠壓產(chǎn)生的粘著磨損和磨粒磨損等。

2．閥門密封面堆焊

閥門的壽命和工作可靠性主要取決于其密封面的質(zhì)量，密封面不僅因閥門周期性的開啟和關(guān)閉而受到擦傷、擠壓和沖擊的作用，而且還因所處工作環(huán)境和介質(zhì)而受到高溫、腐蝕、氧化等作用，我國石化企業(yè)因密封面失效導致閥門報廢而造成的損失十分嚴重。

3．高爐料鐘堆焊

高爐料鐘堆焊的工況比較復雜，既要經(jīng)受金屬礦石、石灰石、焦炭等的磨料磨損，且有一定的溫度，還經(jīng)常有沖擊作用，密封面還要受到帶塵高溫氣流的沖刷，等等。

4．挖掘機鏟斗和斗齒堆焊

挖掘機鏟斗受到磨料磨損和沖擊的雙重作用。如果在沙性土壤中工作，主要是低應力磨料磨損，只要求堆焊層有中等的耐磨料磨損性，多用馬氏體鋼堆焊；如果在巖石性土壤中工作，主要是鑿削磨損，則用合金鑄鐵堆焊材料堆焊。斗齒受到的沖擊力很大，一般用奧氏體高錳鋼制造，并在磨損最嚴重區(qū)域堆焊高鉻合金鑄鐵，提高抗磨性。

5．刮板輸送機中部槽中板堆焊

刮板輸送機屬于井下機械化采煤設(shè)備。中部槽中板的磨損主要是低應力磨料磨損，對耐沖擊性沒有要求，要求堆焊硬度大于等于58?HRC。采用Fe-05自熔性耐磨合金粉塊，碳極空氣等離子堆焊及手工碳弧堆焊均取得很好效果。

10.9熔覆技術(shù)

10.9.1激光熔覆

1．激光熔覆及其應用

激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它是指在被涂敷表面基體上，以不同的填料方式放置選擇的涂層材料，以激光輻射使之和基體表面薄層同時熔化，快速凝固后形成稀釋度極低、與基體金屬成冶金結(jié)合的涂層，從而顯著改善基體材料表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能。

2．激光熔覆技術(shù)工藝及特點

按照激光束工作方式的不同，激光熔覆技術(shù)可分為脈沖激光熔覆和連續(xù)激光熔覆。脈沖激光熔覆一般采用YAG脈沖激光器，連續(xù)激光熔覆多采用連續(xù)波CO2激光器。脈沖激光熔覆的技術(shù)特點是：

①加熱速度和冷卻速度極快，溫度梯度大；

②可以在相當大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)合金元素在基體中的飽和程度；

③生產(chǎn)效率低，表面易出現(xiàn)鱗片狀宏觀組織。

連續(xù)激光熔覆的技術(shù)特點是：

①生產(chǎn)效率高；

②容易處理任何形狀的表面；

③層深均勻一致。圖10-8激光熔覆裝置示意圖

3．激光熔覆材料

激光熔覆材料主要是指形成熔覆層所用的原材料。熔覆材料的狀態(tài)一般有粉末狀、絲狀、片狀及膏狀等。其中粉狀材料應用最為廣泛。10.9.2氧-乙炔火焰熔覆

氧-乙炔火焰熔覆是一種傳統(tǒng)的材料表面改性或零件修復技術(shù)，其原理是以氧-乙炔火焰為熱源，把自熔劑合金粉末噴涂在經(jīng)過預處理的工件表面上，然后加熱涂層，使其熔融并潤濕工件，通過液態(tài)合金與固態(tài)工件表面的相互溶解于擴散，形成一層呈冶金結(jié)合并具有特殊性能的表面熔覆層。

10.10表面技術(shù)選擇與設(shè)計的一般原則

1．適應性原則

適用性主要是指工藝適用性，即評估所選表面技術(shù)能否適應(滿足)工件的各種要求。

2．耐久性原則

零件的耐久性是指其使用壽命。由于運用表面技術(shù)是為了對零件的失效進行有針對性的防護，因而采用表面工程技術(shù)“強化”(含涂敷、處理和改性)過的零件，其使用壽命應比未強化的要高。零件的使用壽命隨其使用目的的不同有著不同的度量方法。

3．經(jīng)濟性原則

除了滿足適應性和耐久性等要求，還要重視分析擬采用的表面技術(shù)的經(jīng)濟性。分析技術(shù)經(jīng)濟性時要綜合考慮表面涂敷或改性處理成本和采用表面技術(shù)所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益與資源環(huán)境等因素。從成本上看，應盡可能選用成本低廉且使用壽命長的表面技術(shù)，通常應滿足

(10-1)

K?=?TT/TH，為采用表面技術(shù)強化零件的使用壽命TT與未強化零件使用壽命TH的比值。上式也可寫為

(10-2