表面改性技術(shù)

第七章表面改性技術(shù)1.表面改性技術(shù)的定義采用某種工藝手段使材料表面獲得與其基體材料的組織結(jié)構(gòu)、性能不同的一種技術(shù)。2.表面改性處理的目的既能發(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，潤滑，絕緣，儲氫等。3.表面改性技術(shù)的作用可以掩蓋基體材料表面的缺陷；延長材料和構(gòu)件的使用壽命；節(jié)約稀、貴材料；節(jié)約能源，改善環(huán)境；對各種高新技術(shù)的發(fā)展具有重要作用。7.1金屬表面形變強(qiáng)化7.2表面熱處理7.3金屬表面化學(xué)熱處理7.4離子束表面擴(kuò)滲處理7.5離子注入表面改性7.6其它表面改性技術(shù)

主要內(nèi)容一、表面形變強(qiáng)化原理表面形變強(qiáng)化是提高金屬材料疲勞強(qiáng)度的重要措施之一?；驹恚和ㄟ^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，使表面形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達(dá)0.5mm—1.5mm。7.1金屬表面形變強(qiáng)化在此形變硬化層中產(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。7.1金屬表面形變強(qiáng)化表面壓應(yīng)力可防止裂紋在受壓的表層萌生和擴(kuò)展。經(jīng)噴丸和滾壓后，金屬表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的大小，不但與強(qiáng)化方法、工藝參數(shù)有關(guān)，還與材料的晶體類型、強(qiáng)度水平以及材料在拉伸時(shí)的硬化率有關(guān)。具有高硬化率的面心立方晶體的鎳基或鐵基奧氏體熱強(qiáng)合金，表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力高，可達(dá)材料自身屈服強(qiáng)度的2-4倍。材料的硬化率越高，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力越大。7.1金屬表面形變強(qiáng)化一些表面形變強(qiáng)化手段雖然可能使表面粗糙度略有增加，但卻可使切削加工的尖銳刀痕圓滑，因此可減輕由切削加工留下的尖銳刀痕的不利影響。這種表面形貌和表層組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化，有效地提高了金屬表面強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度。7.1金屬表面形變強(qiáng)化二、表面形變強(qiáng)化的主要方法及應(yīng)用表面形變強(qiáng)化的主要方法表面形變強(qiáng)化是近年來國內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的表面技術(shù)之一。強(qiáng)化效果顯著，成本低廉。常用的金屬表面形變強(qiáng)化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等工藝,尤以噴丸強(qiáng)化應(yīng)用最為廣泛。7.1金屬表面形變強(qiáng)化1．滾壓定義：用輥輪、滾球或者輥軸對被加工零件表面進(jìn)行滾壓或者擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強(qiáng)化層的工藝過程。對于圓角、溝槽等可通過滾壓獲得表層形變強(qiáng)化，并能在表面產(chǎn)生約5mm深的殘余壓應(yīng)力層。表面滾壓強(qiáng)化示意圖7.1金屬表面形變強(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，效果明顯。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，即利用高速彈丸強(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。噴丸強(qiáng)化已廣泛用于彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件；可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動(dòng)磨損、耐點(diǎn)蝕(孔蝕)能力。7.1金屬表面形變強(qiáng)化噴丸表面形變強(qiáng)化工藝及應(yīng)用

噴丸材料鑄鐵彈丸：直徑0.2~1.5mm，硬度58~65HRC，沖擊韌性差，易破碎，損耗較大，目前已很少使用。鑄鋼彈丸：品質(zhì)與碳含量有很大關(guān)系，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.85%~1.20%。鋼絲切割彈丸：直徑0.4~1.2mm，硬度45~50HRC，使用壽命為鑄鐵彈丸的20倍。玻璃彈丸：新型噴丸材料，SiO2含量為67%以上。直徑0.05~0.4mm，硬度46~50HRC，脆性較大。陶瓷彈丸：硬度很高，脆性較大，造成殘余壓應(yīng)力較大。聚合塑料彈丸：主要原料為聚碳酸酯，硬度較低，常用于消除零件表面的毛刺。7.1金屬表面形變強(qiáng)化應(yīng)當(dāng)指出，強(qiáng)化用的彈丸與清理、成型、校形用的彈丸不同，必須是圓球形，不能有棱角毛刺，否則會(huì)損傷零件表面。一般來說，黑色金屬制件可以用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金屬如鋁合金、鎂合金、鈦合金和不銹鋼制件則需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。7.1金屬表面形變強(qiáng)化噴丸表面形變強(qiáng)化工藝及應(yīng)用噴丸強(qiáng)化用的設(shè)備噴丸采用的專用設(shè)備，按驅(qū)動(dòng)彈丸的方式可分為機(jī)械離心式噴丸機(jī)和氣動(dòng)式噴丸機(jī)兩大類。噴丸機(jī)又有干噴和濕噴之分。干噴式工作條件差，濕噴式是將彈丸混合在液態(tài)介質(zhì)中形成懸浮狀混合物，然后噴丸，因此工作條件有所改善。7.1金屬表面形變強(qiáng)化機(jī)械離心式噴丸機(jī)機(jī)械離心式噴丸機(jī)又稱葉輪式噴丸機(jī)或拋丸機(jī)。工作時(shí)，彈丸由高速旋轉(zhuǎn)的葉片和葉輪離心力加速拋出。彈丸的速度取決于葉輪轉(zhuǎn)速和彈丸的重量。功率小，生產(chǎn)效率高，噴丸質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備制造成本較高，適用于工件形狀簡單、批量大的零件。7.1金屬表面形變強(qiáng)化氣動(dòng)式噴丸機(jī)以壓縮空氣驅(qū)動(dòng)彈丸達(dá)到高速度后撞擊工件表面。工作室內(nèi)可安置多個(gè)噴嘴，方位調(diào)整方便。能最大限度適應(yīng)零件幾何形狀。功耗大，生產(chǎn)效率低。適用于要求噴丸強(qiáng)度低、品種多、批量少、形狀復(fù)雜且尺寸較小的零部件。7.1金屬表面形變強(qiáng)化噴丸強(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55萬次提高到150-180萬次。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天還沒有產(chǎn)生破壞。此外，噴丸和其他形變強(qiáng)化工藝在汽車工業(yè)中的變速箱齒輪、宇航飛行器的焊接齒輪、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的鉻鎳鐵合金(Inconel718)渦輪盤等制件中獲得應(yīng)用。7.1金屬表面形變強(qiáng)化一、概述定義：表面熱處理是指僅對零部件表層加熱、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。7.2表面熱處理表面熱處理原理表面熱處理時(shí)，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相變點(diǎn)以上達(dá)到奧氏體狀態(tài)時(shí)，隨后的快冷可以獲得馬氏體組織，而心部仍保留原組織狀態(tài)，從而得到硬化的表面層，即通過表面層的相變達(dá)到強(qiáng)化工件表面的目的。7.2表面熱處理二、表面淬火在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將零件表層奧氏體化后進(jìn)行淬火，以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。7.2表面熱處理7.2表面熱處理回顧——鋼的熱處理工藝方法鋼的淬火將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上30-50℃，保溫一定時(shí)間后，在油中或水中快速冷卻的一種熱處理工藝。淬火的目的是獲得高硬度的馬氏體組織。7.2表面熱處理回顧——鋼的熱處理工藝方法鋼的回火淬火鋼一定要回火?；鼗鹗菍⒋慊痄撝匦录訜岬紸1以下某一溫度，經(jīng)保溫一定時(shí)間后冷卻的一種熱處理工藝。回火的作用：穩(wěn)定馬氏體組織，降低鋼件的淬火應(yīng)力和脆性；回火后的鋼有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、硬度以及較高塑性、韌性相配合的綜合力學(xué)性能。淬火+高溫回火──調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì)1、表面淬火目的使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限；心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌；適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。軸的感應(yīng)加熱表面淬火7.2表面熱處理2、適宜表面淬火的材料0.4-0.5%C的中碳鋼。含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降；含碳量過高，心部韌性下降；鑄鐵：提高其表面耐磨性。機(jī)床導(dǎo)軌表面淬火齒輪7.2表面熱處理3、預(yù)備熱處理工藝對于結(jié)構(gòu)鋼為調(diào)質(zhì)或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。目的為表面淬火作組織準(zhǔn)備；獲得最終心部組織?；鼗鹚魇象w索氏體7.2表面熱處理4、表面淬火后的回火采用低溫回火，溫度不高于200℃。目的為降低內(nèi)應(yīng)力，保留淬火高硬度、耐磨性。5、表面淬火+低溫回火后的組織表層組織為M回；心部組織為S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)。感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)淬火機(jī)床7.2表面熱處理6、表面淬火工藝感應(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高密度能量的表面淬火浴爐加熱表面淬火電解液加熱表面淬火表面保護(hù)熱處理等火焰加熱感應(yīng)加熱7.2表面熱處理感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱是一種用途極廣的熱處理加熱方法，可用于退火、正火、淬火、各種溫度范圍的回火以及各種化學(xué)熱處理。生產(chǎn)中常用工藝是高頻和中頻感應(yīng)加熱淬火。近年來又發(fā)展了超音頻、雙頻感應(yīng)加熱淬火工藝。7.2表面熱處理感應(yīng)加熱的基本原理利用交變電流在工件表面感應(yīng)巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。7.2表面熱處理感應(yīng)加熱的物理過程將工件放在感應(yīng)線圈中，在高頻交流磁場的作用下，產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流，并由于集膚效應(yīng)而集中分布于工件表面。7.2表面熱處理感應(yīng)加熱的物理過程集膚效應(yīng)：感應(yīng)電流集中分布于工件表面，使受熱區(qū)迅速加熱到鋼的相變臨界溫度Ac3或Accm之上，然后在冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使工件表層獲得馬氏體。7.2表面熱處理感應(yīng)電流透入深度感應(yīng)電流透入深度，即從電流密度最大的工件表面到電流值為表面的1/e(e＝2.718)處的距離，用Δ表示。Δ的值(單位為mm)可根據(jù)下式求出：其中，f為電流頻率；μ為材料磁導(dǎo)率；ρ為材料的電阻率，作為近似，工業(yè)上常用下式估算Δ與f的關(guān)系：7.2表面熱處理硬化層深度硬化層深度總小于感應(yīng)電流透入深度。頻率越高，渦流分布越陡，接近電流透入深度處的電流強(qiáng)度越小，發(fā)出的熱量也就比較小，又以很快的速度將部分熱量傳入工件內(nèi)部，因此在電流透入深度處不一定達(dá)到奧氏體化溫度，所以也不可能硬化。如果延長加熱時(shí)間，實(shí)際硬化層深度可以有所增加。感應(yīng)加熱表面淬火硬化層深度取決于加熱層深度、淬火加熱溫度、冷卻速度和材料本身淬透性等因素。7.2表面熱處理感應(yīng)加熱表面淬火后的組織和性能工件表面組織呈細(xì)小隱晶馬氏體，碳化物呈彌散分布，表面硬度比普通淬火的高2HRC—3HRC，耐磨性也提高。表層因相變體積膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，降低缺口敏感性，大大提高疲勞強(qiáng)度。感應(yīng)加熱表面淬火工件表面氧化、脫碳小，變形小，質(zhì)量穩(wěn)定。加熱速度快，熱效率高，生產(chǎn)率高，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。7.2表面熱處理電流頻率及功率密度的選擇選擇電流頻率和功率密度要根據(jù)零件尺寸及其淬火條件而定。電流頻率越低、零件直徑越小、所要求的硬化層深度越小，則所選擇的功率密度值應(yīng)越大。高頻淬火常用于零件直徑較小、硬化層深度較淺的場合。中頻淬火常用在大直徑工件和硬化層深度較深的場合。7.2表面熱處理火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧一乙炔或其他可燃?xì)怏w對零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。7.2表面熱處理與感應(yīng)加熱表面淬火相比優(yōu)點(diǎn)如下：設(shè)備簡單，操作靈活；適用鋼種廣泛；零件表面清潔、一般無氧化和脫碳、畸變小。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。缺點(diǎn)：加熱溫度和均勻度不易控制，噪音大，勞動(dòng)條件差，混合氣體不夠安全，不易獲得薄的表面淬火層。7.2表面熱處理接觸電阻加熱表面淬火利用觸頭(銅滾輪或碳棒)和工件間的接觸電阻使工件表面加熱，并依靠自身熱傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)冷卻淬火的表面淬火技術(shù)。7.2表面熱處理接觸電阻加熱表面淬火特點(diǎn)設(shè)備簡單，操作靈活，工件變形小，淬火后不需回火。接觸電阻加熱表面淬火能顯著提高工件的耐磨性和抗擦傷能力，但淬硬層較薄(0.15mm～0.30mm)，金相組織及硬度的均勻性都較差，目前多用于機(jī)床鑄鐵導(dǎo)軌的表面淬火，也用于汽缸套、曲軸、工模具等的淬火。7.2表面熱處理一、概述定義：利用合金元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種表面技術(shù)。7.3金屬表面化學(xué)熱處理金屬表面化學(xué)熱處理基本工藝過程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)通過分解(包括活性組分向工件表面擴(kuò)散以及界面反應(yīng)產(chǎn)物向介質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散)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；溶入表面的原子向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層，從而改變表層的成分、組織和性能。7.3金屬表面化學(xué)熱處理金屬表面化學(xué)熱處理的目的

提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。提高材料疲勞強(qiáng)度。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。提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。7.3金屬表面化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理滲層的基本組織類型形成單相固溶體：如滲碳層中的α鐵素體相。形成化合物：如滲氮層中的ε相(Fe2-3N)，滲硼層中Fe2B等。化學(xué)熱處理后，一般可同時(shí)存在固溶體、化合物的多相滲層。低碳鋼滲碳后金相組織7.3金屬表面化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理后的性能化學(xué)熱處理后的金屬表層、過渡層與心部在成分、組織和性能上有很大差別。強(qiáng)化效果不僅與各層的性能有關(guān)，而且還與各層之間的相互聯(lián)系有關(guān)。如滲碳的表面層碳含量及其分布，滲碳層深度和組織等均可影響材料滲碳后的性能。7.3金屬表面化學(xué)熱處理化學(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：固體法：包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法，覆蓋層(電鍍層、噴鍍層等)擴(kuò)散法等。液體法：包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。氣體法：包括固體氣體法、間接氣體法、流動(dòng)粒子爐法等。等離子法。7.3金屬表面化學(xué)熱處理二、滲硼提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性?？捎糜阡撹F材料、金屬陶瓷和某些有色金屬材料，如鈦、鉭和鎳基合金。這種方法成本較高。滲硼零件滲硼層7.3金屬表面化學(xué)熱處理1、滲硼原理滲硼就是把工件置于含有硼原子的介質(zhì)中加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后，在工件表面形成一層堅(jiān)硬的滲硼層。在高溫下，供硼劑硼砂與介質(zhì)中SiC發(fā)生反應(yīng)：7.3金屬表面化學(xué)熱處理2、滲硼層的組織硼原子在γ相或α相中的溶解度很小，當(dāng)硼含量超過其溶解度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生硼的化合物Fe2B(ε)；當(dāng)硼含量大于質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.83％時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeB；當(dāng)硼含量在6％—16％時(shí)，形成上述兩種混合物。3、滲硼層的性能滲硼層的硬度很高，這是由于：Fe2B的硬度為1300HV—1800HV；FeB的硬度為1600HV—2200HV。由于FeB脆性大，一般希望得到單相的、厚度為0.07～0.15mm的Fe2B層。7.3金屬表面化學(xué)熱處理4、滲硼方法固體滲硼：將工件置于含硼的粉末或膏劑中；氣體滲硼：供硼劑為易爆氣體，未工業(yè)化應(yīng)用；液體滲硼：即鹽浴滲硼，應(yīng)用廣泛；電解滲硼：在鹽浴的基礎(chǔ)上進(jìn)行，工件為陰極。5、鋼鐵材料的滲硼最適合的鋼種：中碳鋼及中碳合金鋼；滲硼后應(yīng)進(jìn)行熱處理：淬火+回火。7.3金屬表面化學(xué)熱處理三、滲碳、滲氮、碳氮共滲滲碳、滲氮、碳氮共滲等技術(shù)可提高材料的表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，在工業(yè)中有十分廣泛的應(yīng)用。7.3金屬表面化學(xué)熱處理滲碳爐1、滲碳結(jié)構(gòu)鋼的滲碳結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)滲碳后，能使零件工作表面獲得高的硬度、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。高合金鋼的滲碳目前高合金鋼(主要是一些高鉻鋼、工具鋼等)的滲碳越來越受到重視。工具鋼經(jīng)滲碳后，其表面具有高強(qiáng)度、高耐磨性和高熱硬性。與傳統(tǒng)的模具鋼制造的工具相比，壽命可得到提高。碳氮共滲液體碳氮共滲以往稱氰化。碳氮共滲比滲碳溫度低(700℃～880℃)，變形小、且由于氮的滲入提高了滲碳速度和耐磨性。7.3金屬表面化學(xué)熱處理常用的滲碳方法氣體滲碳在含碳的氣體介質(zhì)中通過調(diào)節(jié)氣體滲碳?xì)夥諄韺?shí)現(xiàn)滲碳目的。工業(yè)上一般有井式爐滴注式滲碳和貫通式氣體滲碳、真空滲碳等。真空滲碳爐7.3金屬表面化學(xué)熱處理井式滲碳爐氣體滲碳目的：提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，同時(shí)保持心部良好的韌性。滲碳用鋼：含0.1%-0.25%C的低碳鋼。碳高則心部韌性降低。

經(jīng)滲碳的機(jī)車從動(dòng)齒輪7.3金屬表面化學(xué)熱處理氣體滲碳滲碳方法：將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳?xì)夥罩袧B碳。滲劑為氣體(煤氣、液化氣等)或有機(jī)揮發(fā)性液體(煤油、甲醇等)。優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量好，效率高。缺點(diǎn)：滲層成分與深度不易控制。氣體滲碳法示意圖7.3金屬表面化學(xué)熱處理常用的滲碳方法液體滲碳也稱鹽浴滲碳，是指將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中，通過加熱使?jié)B碳劑分解出活性的碳原子來進(jìn)行滲碳。鹽浴滲碳爐7.3金屬表面化學(xué)熱處理常用的滲碳方法固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，使用固體滲碳劑。在固體滲碳中，膏劑滲碳具有工藝簡單方便的特點(diǎn)，主要用于單件生產(chǎn)、局部滲碳或返修使用。7.3金屬表面化學(xué)熱處理滲碳新工藝真空滲碳法：將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。優(yōu)點(diǎn)：表面質(zhì)量好，

滲碳速度快。真空滲碳爐7.3金屬表面化學(xué)熱處理滲碳的一般工藝參數(shù)滲碳溫度：為900-950℃。滲碳層厚度(由表面到過渡層一半處的厚度)：一般為0.5-2mm。滲碳層表面含碳量：以0.85%-1.05%為最好。滲碳后的熱處理：淬火+低溫回火，回火溫度一般為160-180℃。7.3金屬表面化學(xué)熱處理2、滲氮、碳氮共滲滲氮、碳氮共滲是在含有氮，或氮、碳原子的介質(zhì)中，將工件加熱到一定溫度，使工件表面被氮或氮、碳原子滲入的一種工藝方法。滲氮工藝復(fù)雜，時(shí)間長，成本高，所以只用于耐磨、耐蝕和精度要求高的耐磨件，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、排氣閥、閥門、精密絲桿等。7.3金屬表面化學(xué)熱處理機(jī)車曲軸滲氮工件的特性鋼經(jīng)滲氮后可獲得高的表面硬度(HV1000-2000)，且加熱到500℃時(shí)，滲氮層硬度也變化不大，故具有低的劃傷傾向和高的耐磨性?？色@得500～1000MPa的殘余壓應(yīng)力，使零件具有較高的疲勞強(qiáng)度。因表層形成的氮化物化學(xué)穩(wěn)定性高，因此具有高耐蝕性，在自來水、潮濕空氣、氣體燃燒物、過熱蒸汽、苯、不潔油、弱堿溶液、硫酸、醋酸、正磷酸等介質(zhì)中均有一定的耐蝕性。因滲氮溫度一般較低，且滲氮后不需進(jìn)行熱處理，故滲氮后工件變形小。7.3金屬表面化學(xué)熱處理常用滲氮工藝低溫滲氮低溫滲氮是指滲氮溫度低于600℃的各種滲氮方法。滲氮層的結(jié)構(gòu)主要決定于Fe—N相圖。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲氮法：把需滲氮的零件放入密封滲氮爐內(nèi)，通入氨氣，加熱至一定溫度，氨發(fā)生分解反應(yīng)：2NH3＝3H2+2[N]生成的活性氮原子[N]滲入鋼表面，形成一定深度的氮化層。7.3金屬表面化學(xué)熱處理常用滲氮工藝低溫滲氮適于低溫滲氮的材料：一般為含Cr、Mo、Al、Ti、V等合金元素的中碳鋼。常用鋼號為38CrMoAl。氮化溫度為：500-570℃。氮化層厚度：一般＜0.6-0.7mm。井式氣體氮化爐7.3金屬表面化學(xué)熱處理常用滲氮工藝低溫滲氮除氣體滲氮外，離子滲氮法也獲得了廣泛應(yīng)用。離子氮化法是在電場作用下，使電離的氮離子高速?zèng)_擊作為陰極的工件。與氣體滲氮相比，離子滲氮的氮化時(shí)間短，氮化層脆性小。離子氮化爐7.3金屬表面化學(xué)熱處理常用滲氮工藝低溫滲氮——組織根據(jù)Fe-N相圖，氮溶入鐵素體和奧氏體中，與鐵形成γ’相(Fe4N)和ε相(F2-3N)，滲氮過程中也會(huì)溶解一些碳。所以滲氮后；工件最外層是白色ε相或γ’

相，次外層是暗色γ’+ε共析體層。高溫滲氮高溫滲氮是指在滲氮溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度(600℃～1200℃)下進(jìn)行的滲氮。主要用于鐵素體鋼、奧氏體鋼、難熔金屬(Ti、Mo、Nb、V等)的滲氮。7.3金屬表面化學(xué)熱處理滲氮工藝的應(yīng)用范例

1、結(jié)構(gòu)鋼滲氮任何珠光體類、鐵素體類、奧氏體類以及碳化物類的結(jié)構(gòu)鋼都可以滲氮。滲氮后可獲得高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。2、工具鋼滲氮高速鋼切削刃具短時(shí)滲氮可獲得1340~1460HV的高硬度，700℃時(shí)仍可保持700HV的硬度，使用壽命提高0.5~1倍。3、有色金屬及合金滲氮鈦及其合金離子滲氮后硬度可達(dá)800~1200HV，鉬及其合金離子滲氮后硬度可達(dá)300~800HV，鈮及其合金滲氮后可獲得硬度＞2000HV的滲氮層。7.3金屬表面化學(xué)熱處理氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度38CrMoAl氮化層組織及硬度分布7.3金屬表面化學(xué)熱處理一、概述定義：離子束表面擴(kuò)滲是利用低真空中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子(等離子體)轟擊工件表面，使表面成分、組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生改變的處理方法。發(fā)展歷史1920年，德國科學(xué)家Franz和Skaupy利用惰性氣體中的輝光放電加熱金屬工件。1930年，德國的Bernhard、Berghaus和美國的JohnJ.Egan等科學(xué)家同時(shí)取得了氣體放電離子滲氮法的專利。二次世界大戰(zhàn)后的50-60年代，離子轟擊擴(kuò)滲技術(shù)逐步在工業(yè)上獲得應(yīng)用。7.4離子束表面擴(kuò)滲處理二、等離子體的物理概念等離子體是一種電離度超過0.1％的氣體，是由離子、電子和中性粒子(原子和分子)所組成的集合體。等離子體整體呈電中性，但含有相當(dāng)數(shù)量的電子和離子，表現(xiàn)出相應(yīng)的電磁學(xué)等性能，如等離子體中有帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散，也有電場作用下的遷移。等離子體是一種物質(zhì)的能量較高的聚集狀態(tài)，被稱為物質(zhì)第四態(tài)。利用粒子熱運(yùn)動(dòng)、電子碰撞、電磁波能量法以及高能粒子等方法可獲得等離子體，但低溫產(chǎn)生等離子體的主要方法是利用氣體放電。7.4離子束表面擴(kuò)滲處理三、離子擴(kuò)滲的基本原理以工件作為陰極，容器壁作為陽極，調(diào)節(jié)送氣和抽氣速率，維持133-1333Pa的壓力，極間施以300V以上的直流電壓，使產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體。離子轟擊陰極表面時(shí)將發(fā)生一系列物理、化學(xué)現(xiàn)象，包括：7.4離子束表面擴(kuò)滲處理陰極濺射現(xiàn)象：中性原子或分子從陰極表面分離出來的現(xiàn)象(也可看作是蒸發(fā)過程)；凝附現(xiàn)象：陰極濺射出來的粒子與靠近陰極表面的等離子體中的活性原子結(jié)合的產(chǎn)物吸附在陰極表面的現(xiàn)象；此外，還存在陰極二次電子發(fā)射現(xiàn)象、局部區(qū)域原子擴(kuò)散和離子注入等現(xiàn)象。三、離子擴(kuò)滲處理的優(yōu)點(diǎn)離子對表面的轟擊可使表面高度活化，且易于被表面吸收，故擴(kuò)滲速度非常快，較常規(guī)擴(kuò)滲工藝，所需時(shí)間大幅降低?？煞奖愕赝ㄟ^調(diào)整滲劑成分、有關(guān)電參數(shù)和氣體參數(shù)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)滲層組織的精確控制。由于離子的轟擊作用，可以去除氧化膜和鈍化膜，對于易氧化或易鈍化金屬工件，特別合適進(jìn)行離子擴(kuò)滲。輝光放電可均勻地覆蓋于工件表面，便于形狀復(fù)雜工件的擴(kuò)滲處理，且變形很小。易于實(shí)現(xiàn)工藝過程的計(jì)算機(jī)控制，無公害污染，工人勞動(dòng)條件好。7.4離子束表面擴(kuò)滲處理四、離子滲氮輝光離子滲氮又稱離子滲氮，或離子氮化，是一種在壓力低于105Pa的滲氮?dú)夥罩?，利用工?陰極)和陽極間稀薄含氮?dú)怏w產(chǎn)生輝光放電進(jìn)行滲氮的工藝。即在電場作用下，使電離氮離子高速?zèng)_擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時(shí)間短，氮化層脆性小。該技術(shù)已用于結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼等材料的滲氮處理，并由黑色金屬滲氮發(fā)展到有色金屬滲氮，特別在鈦合金滲氮中取得了良好效果。7.4離子束表面擴(kuò)滲處理離子滲氮的主要特點(diǎn)速度快：尤其淺層滲氮更為突出。例如，滲氮層深度為0.3-0.5mm時(shí)，離子滲氮的時(shí)間僅為普通氣體滲氮的1/3-l/5。活化表面并提高氮濃度，加快氮向試樣內(nèi)部的擴(kuò)散；陰極濺射產(chǎn)生表面脫碳，增加位錯(cuò)密度等，加速了氮向內(nèi)部擴(kuò)散的速度。熱效率高，節(jié)約能源、氣源。滲氮所需的氮、碳、氫等氣氛可調(diào)整控制，可獲得5-30μm深的脆性較小的ε相單相層或≤8μm厚的韌性γ相單相層，也可獲得韌性更好的無化合物的滲氮層。7.4離子束表面擴(kuò)滲處理離子滲氮的主要特點(diǎn)離子滲氮可使用氨氣，壓力很低，用量極少，所以污染低，勞動(dòng)條件好。離子滲氮溫度可在低于400℃以下進(jìn)行，工件畸變小。可用于不銹鋼、粉末冶金件、鈦合金等有色金屬的滲氮。由于設(shè)備較復(fù)雜，因此投資大，調(diào)整維修較困難，對操作人員的技術(shù)要求較高。7.4離子束表面擴(kuò)滲處理離子滲氮的設(shè)備和工藝1．離子滲氮的設(shè)備7.4離子束表面擴(kuò)滲處理離子滲氮的設(shè)備和工藝2．離子滲氮的工藝7.4離子束表面擴(kuò)滲處理五、離子滲碳及離子碳氮共滲離子滲碳(也稱等離子體滲碳)及離子碳氮共滲，均與離子滲氮相似，是在壓力低于105Pa的滲碳或碳氮混合氣氛中，利用工件(陰極)和陽極間產(chǎn)生輝光放電進(jìn)行滲碳或同時(shí)滲碳氮的工藝。以滲碳?xì)鉃楸?C3H8)為例，在等離子滲碳過程中發(fā)生反應(yīng)如下：C3H8[C]

+

C2H6

+

H2

C2H6[C]

+

CH4

+

H2

CH4

[C]

+

2H27.4離子束表面擴(kuò)滲處理輝光放電(900~1000℃)輝光放電(900~1000℃)輝光放電(900~1000℃)一、概述定義：離子注入是將所需物質(zhì)的離子在幾萬至幾百萬電子伏特電場中加速后高速轟擊工件表面，使之注入工件表面—定深度的真空處理工藝，也屬于PVD范圍。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。7.5離子注入表面改性離子注入航空液壓泵配流盤離子注入設(shè)備離子注入可使材料表面層的物理、化學(xué)和機(jī)械性能發(fā)生顯著變化。用離子注入方法可獲得高度過飽和固溶體、亞穩(wěn)定相、非晶態(tài)和平衡合金等不同組織結(jié)構(gòu)形式，大大改善了工件的使用性能。全方位離子注入與沉積設(shè)備7.5離子注入表面改性二、離子注入的裝置及原理離子注入裝置離子注入裝置包括：離子發(fā)生器、分選裝置、加速系統(tǒng)、離子束掃描系統(tǒng)、樣品室和排氣系統(tǒng)。7.5離子注入表面改性二、離子注入的裝置及原理離子注入原理從離子發(fā)生器發(fā)出的離子由幾萬伏電壓引出，進(jìn)入分選部，將一定的質(zhì)量／電荷比的離子選出。在幾萬至幾十萬伏電壓的加速系統(tǒng)中加速獲得高能量，通過掃描機(jī)構(gòu)掃描轟擊工件表面。離子進(jìn)入工件表面后，與工件內(nèi)原子和電子發(fā)生一系列碰撞。這—系列碰撞主要包括三個(gè)獨(dú)立的過程：核碰撞：入射離子與工件原子核的彈性碰撞。碰撞結(jié)果使固體中產(chǎn)生離子大角度散射和晶體中產(chǎn)生輻射損傷等。7.5離子注入表面改性二、離子注入的裝置及原理離子注入原理電子碰撞：入射離子與工件內(nèi)電子的非彈性碰撞，其結(jié)果可能引起離子激發(fā)原子中的電子或使原子獲得電子、電離或X射線發(fā)射等。離子與工件內(nèi)原子作電荷交換。無論那種碰撞都會(huì)損失離子自身的能量，離子經(jīng)多次碰撞后能量耗盡而停止運(yùn)動(dòng)，作為一種雜質(zhì)原子留在固體中。離子進(jìn)入固體后對固體表面性能發(fā)生的作用除了離子擠入固體內(nèi)的化學(xué)作用外，還有輻照損傷(離子轟擊產(chǎn)生晶體缺陷)和離子濺射作用，它們在改性中都有重要意義。7.5離子注入表面改性三、離子注入的特征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。離子注入溫度和注入后溫度可以任意控制，且在真空中進(jìn)行，不氧化，不變形，不發(fā)生退火軟化，表面粗糙度一般無變化，可作為最終工藝使用。可控性和重復(fù)性好。注入層元素分布均勻，并可獲得兩層或兩層以上性能不同的復(fù)合材料層。復(fù)合層不易脫落。注入層薄，工件尺寸基本不變。7.5離子注入表面改性三、離子注入的特征離子注入在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，可提高工件的抗疲勞性能。注入層與基體結(jié)合牢固，無明顯界面。但從目前的技術(shù)水平看，離子注入還存在一些缺點(diǎn)：注入層薄(＜1μm)；離子只能直線行進(jìn)，不能繞行，對于復(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，應(yīng)用還不廣泛。7.5離子注入表面改性四、離子注入表面改性的機(jī)理離子注入提高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的機(jī)理硬度方面，研究表明，離子注入提高硬度是由于注入的原子進(jìn)入位錯(cuò)附近或固溶體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的緣故。當(dāng)注入的是非金屬元素時(shí)，常常與金屬元素形成化合物，如氮化物、碳化物或硼化物的彌散相，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。離子轟擊造成的表面壓應(yīng)力也有冷作硬化作用，這些都使得離子注入表面硬度顯著提高。7.5離子注入表面改性四、離子注入表面改性的機(jī)理離子注入提高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的機(jī)理耐磨性方面，離子注入之所以能提高耐磨性，其原因是多方面的。離子注入能引起表面層組分與結(jié)構(gòu)的改變。大量的注入雜質(zhì)聚集在因離子轟擊產(chǎn)生的位錯(cuò)線周圍，形成柯氏氣團(tuán)，起釘扎位錯(cuò)的作用，使表層強(qiáng)化，加上高硬度彌散析出物引起的強(qiáng)化，提高了表面硬度，從而提高耐磨性。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，離子注入引起摩擦系數(shù)的降低是耐磨性提高的主要原因。7.5離子注入表面改性四、離子注入表面改性的機(jī)理離子注入提高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的機(jī)理疲勞強(qiáng)度方面，離子注入改善疲勞性能是因?yàn)楫a(chǎn)生的高損傷缺陷阻止了位錯(cuò)移動(dòng)及其間的凝聚，形成可塑性表面層，使表面強(qiáng)度大大提高。分析表明，離子注入后在近表面層可能形成大量細(xì)小彌散均勻分布的第二相硬質(zhì)點(diǎn)而產(chǎn)生強(qiáng)化，而且離子注入產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力可以壓制表面裂縫的產(chǎn)生。從而延長了疲勞壽命。7.5離子注入表面改性離子注入提高抗氧化性的機(jī)理注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程擴(kuò)散通道