離子滲氮1課件

1、表面改性技術表面改性技術概述概述 定義定義：采用某種工藝手段使材料表面獲得與其基體表面材料的組織結構、性能不同的一種技術。J傳統表面改性技術有噴丸強化、表面熱處理、化學熱處理；J優(yōu)質清潔表面工程技術包括等離子體、激光、電子束、高密度太陽能表面處理和離子注入表面改性。離子滲氮離子滲氮（等離子體表面處理技術）（等離子體表面處理技術）離子滲氮的意義離子滲氮的意義 提高零件表面的提高零件表面的硬度硬度、強度強度和和耐磨損耐磨損性能。性能。齒頂面齒頂面齒面齒面什么是等離子體什么是等離子體 等離子體：等離子體：是一種電離度超過是一種電離度超過0.1%的氣體，由離的氣體，由離子、電子、中性粒子（原子和分子）

2、的組成。子、電子、中性粒子（原子和分子）的組成。氣體加熱或放電氣體加熱或放電中性粒子中性粒子中性粒子、離子和電子中性粒子、離子和電子什么是等離子體什么是等離子體 等離子體等離子體是一種物質能量極高的物質狀態(tài)，被稱為是一種物質能量極高的物質狀態(tài)，被稱為物質第四態(tài)。物質第四態(tài)。 固固 液液 氣氣 等離子體等離子體等離子體獲得等離子體獲得 高溫下高溫下：利用粒子碰撞等產生；利用粒子碰撞等產生； 等離子體獲得等離子體獲得 低溫下：低溫下：主要方法是氣體放電（電流通過主要方法是氣體放電（電流通過氣體的現象）氣體的現象）。等離子體表面處理分類等離子體表面處理分類 分類分類 離子滲碳 離子滲氮 離子碳氮共滲

3、 離子滲金屬C元素離子滲碳N元素離子滲氮C、N元素離子碳氮共滲金屬元素離子滲金屬工件工件離子滲氮離子滲氮 定義定義：在壓力為在壓力為10-3-10-2Torr的滲氮氣氛（的滲氮氣氛（N2-H2或或NH3或純或純N2）中，利用工件（陰極）和陽極間）中，利用工件（陰極）和陽極間稀薄含氮氣體產生輝光放電進行滲氮的工藝。稀薄含氮氣體產生輝光放電進行滲氮的工藝。 必要條件必要條件 1）真空；）真空； 2）稀薄含氮氣體；）稀薄含氮氣體； 3）輝光放電。）輝光放電。離子滲氮爐離子滲氮爐離子滲氮爐控制柜離子滲氮爐控制柜工件的擺放工件的擺放工件工件爐體密閉爐體密閉離子滲氮過程離子滲氮過程離子滲氮過程離子滲氮過程

4、 離子滲氮離子滲氮. AVI 離子滲氮離子滲氮.MPG 離子滲氮離子滲氮.WMV離子滲氮的濺射和沉積理論離子滲氮的濺射和沉積理論 滲氮層的形成滲氮層的形成：反應陰極濺射。反應陰極濺射。 詳細過程詳細過程：滲氮爐中滲氮爐中,稀薄氣體在陰極、陽極間稀薄氣體在陰極、陽極間的直流高壓下形成等離子體，的直流高壓下形成等離子體，N+、H+、NH3+等等正離子轟擊陰極工件表面，轟擊的能量可加熱陰正離子轟擊陰極工件表面，轟擊的能量可加熱陰極，工件發(fā)生二次電子發(fā)射，同時陰極濺射，從極，工件發(fā)生二次電子發(fā)射，同時陰極濺射，從工件上打出工件上打出C、O、Fe等。等。Fe與陰極附近活性氮與陰極附近活性氮原子形成原子形

5、成FeN，又沉積到工件陰極表面，又沉積到工件陰極表面，FeN分分解，解，FeN-Fe2N-Fe3N-Fe4N，分解出的氮原子大，分解出的氮原子大部分滲入工件表面內，一部分返回到離子區(qū)。部分滲入工件表面內，一部分返回到離子區(qū)。沖入含氮氣體沖入含氮氣體氣體電離氣體電離N離子轟擊離子轟擊N工件表面（陰極）濺射工件表面（陰極）濺射NFe、N化和化和NFe生成生成FeNFeN沉積沉積NFeN分解分解NN沉積沉積NFe2N分解分解NN沉積沉積NFe3N分解分解NN沉積沉積N氮化層生成氮化層生成N動畫動畫離子滲氮的優(yōu)點離子滲氮的優(yōu)點 1、離子滲氮形成的氮化層可以大大提高零件的、離子滲氮形成的氮化層可以大大提

6、高零件的表面硬度表面硬度和耐磨損性能和耐磨損性能,從而延長零件壽命從而延長零件壽命,防止其磨損失效；防止其磨損失效； 2、優(yōu)質、低耗、潔凈、優(yōu)質、低耗、潔凈 ；離子滲氮的優(yōu)點離子滲氮的優(yōu)點 3、離子轟擊離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面有凈化表面作用，能去除工件表面鈍化膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮鈍化膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮； 4、實現、實現局部滲氮局部滲氮 ； 5、工件變形、工件變形小小； 6、離子氮化是在、離子氮化是在真空真空中進行，因而可獲得無氧中進行，因而可獲得無氧化的加工表面?；募庸け砻妗?.激光表面處理激光表面處理概述概述 目的目的：改變表面層的成分和顯微結構

7、，以改變表面層的成分和顯微結構，以提高表面性能，適應基體材料的需要提高表面性能，適應基體材料的需要。 激光表面處理工藝包括：激光表面處理工藝包括： 激光相變硬化；激光相變硬化； 激光熔覆；激光熔覆； 激光合金化；激光合金化； 激光非晶化；激光非晶化； 激光沖擊硬化等。激光沖擊硬化等。概述概述 設備設備：CO2激光器激光器 激光與金屬相互作用激光與金屬相互作用 光能光能-熱能熱能-熔點（熔點（us、ns、ps） 激光處理前表面預處理激光處理前表面預處理 激光波長激光波長 ，吸收率，吸收率 磷化、黑化和涂覆紅外能量吸收材料（如石墨、磷化、黑化和涂覆紅外能量吸收材料（如石墨、含炭黑的涂料等）含炭黑的

8、涂料等） 磷化工藝繁瑣，黑化簡單，激光吸收率高達磷化工藝繁瑣，黑化簡單，激光吸收率高達90%。激光表面合金化激光表面合金化概述概述 定義定義：用鍍膜或噴涂等技術把所需合金元：用鍍膜或噴涂等技術把所需合金元素涂敷在金屬表面，利用激光照射使敷層素涂敷在金屬表面，利用激光照射使敷層合金元素和基體表面薄層融化、混合，而合金元素和基體表面薄層融化、混合，而形成新的表層，從而改善表層耐磨性、耐形成新的表層，從而改善表層耐磨性、耐蝕性和高溫抗氧化性等。蝕性和高溫抗氧化性等。分類分類 根據工藝不同，激光表面合金化可分為：根據工藝不同，激光表面合金化可分為：激光粉末涂覆合金化激光粉末涂覆合金化激光硬質粒子噴射合

9、金化激光硬質粒子噴射合金化激光氣體合金化激光氣體合金化鑄造鋁合金預置鑄造鋁合金預置Si粉激光表面合金粉激光表面合金化研究化研究 研究背景研究背景 1、A357、A319 等鋁合金中等鋁合金中Si 的質量分數約為的質量分數約為6% ,-A l軟軟相是該類合金中的主要組成相，在發(fā)動機組中作為摩擦副相是該類合金中的主要組成相，在發(fā)動機組中作為摩擦副零件使用時存在硬度低、摩擦系數高、磨損大、容易拉傷零件使用時存在硬度低、摩擦系數高、磨損大、容易拉傷等缺陷等缺陷,不能直接用于發(fā)動機氣缸內壁等缺陷。不能直接用于發(fā)動機氣缸內壁等缺陷。 2、為了提高鑄造鋁合金氣缸的耐磨性、為了提高鑄造鋁合金氣缸的耐磨性,一種

10、方法是在鑄造鋁一種方法是在鑄造鋁合金氣缸內表面內襯缸套，內襯缸套增加了缸體的重量，合金氣缸內表面內襯缸套，內襯缸套增加了缸體的重量，且鑄鐵缸套與鋁合金熱膨脹系數不同，在使用過程中也存且鑄鐵缸套與鋁合金熱膨脹系數不同，在使用過程中也存在問題在問題; 另一種方法是采用鋁硅合金氣缸，以合金中的另一種方法是采用鋁硅合金氣缸，以合金中的Si作作為主要相。而鋁硅合金有較好的耐磨性，但其鑄造成本高，為主要相。而鋁硅合金有較好的耐磨性，但其鑄造成本高，且合金中出現粗大的板條狀且合金中出現粗大的板條狀Si相，使合金基體受到嚴重割相，使合金基體受到嚴重割裂，容易形成裂紋，破壞基體的連續(xù)性，顯著降低合金的裂，容易形

11、成裂紋，破壞基體的連續(xù)性，顯著降低合金的強度、韌性。強度、韌性。研究內容研究內容 低低Si含量的含量的A357合金為基，采用激光表面合金為基，采用激光表面合金化技術，選用合金化技術，選用Si粉末作為合金化涂層粉末作為合金化涂層材料，適當提高基體合金中的材料，適當提高基體合金中的Si含量，制含量，制備高硅備高硅Al2Si合金涂層，研究了激光表面合合金涂層，研究了激光表面合金化涂層的組織和性能。金化涂層的組織和性能。1試驗材料及方法試驗材料及方法 材料材料：基體材料為基體材料為A357鑄鋁合金，主要化學成分鑄鋁合金，主要化學成分(質量分質量分數數, % )為為7. 63Si、0. 54Mg, 其余

12、其余Al。試樣尺寸為。試樣尺寸為70 mm 10 mm的圓片。的圓片。 表面預處理：表面預處理： 1、首先采用、首先采用100 目到目到400 目的砂紙將試樣表面磨平；目的砂紙將試樣表面磨平； 2、采用、采用5wt%的的NaOH溶液浸泡溶液浸泡5 min用以去除試樣表面用以去除試樣表面的油跡的油跡,破壞鋁合金表面致密的破壞鋁合金表面致密的Al2O3 氧化膜氧化膜,并且可以起并且可以起到黑化的作用到黑化的作用,提高試樣表面對激光光束的吸收率；提高試樣表面對激光光束的吸收率； 3、用工業(yè)酒精和丙酮溶液清洗表面；、用工業(yè)酒精和丙酮溶液清洗表面； 4、將、將Si粉粉(純度為純度為99. 95% ,粒度

13、為粒度為200目目)用用4 wt %的聚乙的聚乙烯醇有機粘結劑調成糊狀烯醇有機粘結劑調成糊狀,然后均勻地涂刷到基板合金表然后均勻地涂刷到基板合金表面面,涂刷厚度為涂刷厚度為0. 5 mm左右。左右。1試驗材料及方法試驗材料及方法 激光器激光器：激光器為激光器為5 kW的的CO2 橫流激光器橫流激光器,激光表面合金化所用激光功率為激光表面合金化所用激光功率為3. 5 kW,光光斑直徑斑直徑3. 0 mm,掃描速度為掃描速度為15 mm / s,搭搭接率接率33%。試驗結果及分析試驗結果及分析 涂層的表面形貌涂層的表面形貌 金相試樣沿涂層橫向截取。圖金相試樣沿涂層橫向截取。圖1是預置是預置Si粉末

14、激光表面合粉末激光表面合金化高硅金化高硅Al2Si合金涂層的大面積搭接表面宏觀照片。由合金涂層的大面積搭接表面宏觀照片。由圖圖1可見可見,多道搭接獲得的大面積激光表面合金化層表面比多道搭接獲得的大面積激光表面合金化層表面比較平整、光滑較平整、光滑,且表面無氣孔、裂紋等缺陷且表面無氣孔、裂紋等缺陷,宏觀表面質量宏觀表面質量較好。較好。樣本橫截面樣本橫截面 Si是與是與Al有共晶反應的合金有共晶反應的合金元素元素,預置預置Si粉經激光照射熔粉經激光照射熔化后化后,與基板上的與基板上的Al宏觀上形宏觀上形成了均勻的合金化層成了均勻的合金化層,其橫截其橫截面組織如圖面組織如圖2所示所示,可以看出可以看

15、出,整個激光表面合金化層組織整個激光表面合金化層組織均勻、致密、無氣孔、無裂均勻、致密、無氣孔、無裂紋紋,且與基體呈冶金結合。相且與基體呈冶金結合。相對于原始基板合金對于原始基板合金,預置預置Si粉粉末激光表面合金化層組織較末激光表面合金化層組織較為細小為細小,合金化層中合金化層中Si含量約含量約20 wt% ) 。激光表面合金化層的維氏硬度激光表面合金化層的維氏硬度1、對比基體合金，涂層的維氏硬度有一定的提高，且沿涂層層深方向硬度、對比基體合金，涂層的維氏硬度有一定的提高，且沿涂層層深方向硬度分布相對比較均勻。分布相對比較均勻。(VMHT30M型顯微硬度計對涂層的硬度分布進行測量型顯微硬度計

16、對涂層的硬度分布進行測量)原因：激光表面合金化的快速凝固效應原因：激光表面合金化的快速凝固效應,使得合金化涂層組織均勻細小、具使得合金化涂層組織均勻細小、具有優(yōu)異的強韌性配合有優(yōu)異的強韌性配合,故整個涂層硬度分布比較均勻。激光表面合金化層中故整個涂層硬度分布比較均勻。激光表面合金化層中細小的未熔細小的未熔Si顆粒、細小的共晶相顆粒、細小的共晶相,增加了涂層的維氏硬度。激光表面合金增加了涂層的維氏硬度。激光表面合金化高硅化高硅Al2Si合金涂層能在一定程度上提高鋁合金的硬度合金涂層能在一定程度上提高鋁合金的硬度,進而為一定程度上進而為一定程度上提高鋁合金的耐磨性奠定了基礎。提高鋁合金的耐磨性奠定

17、了基礎。激光表面合金化層的耐磨性激光表面合金化層的耐磨性試驗名稱試驗名稱：室溫油潤滑磨損試驗室溫油潤滑磨損試驗設備設備：在：在SRV型高溫磨損試驗機上進行型高溫磨損試驗機上進行試驗前準備及參數設置試驗前準備及參數設置 潤滑介質潤滑介質：L2AN22機油機油 試樣尺寸試樣尺寸：24. 0 mm 7. 88 mm 對磨上試樣對磨上試樣：直徑：直徑10. 0 mm硬度為硬度為55 HRC的的GCr15鋼球鋼球,法向載荷法向載荷20 N,微動頻率微動頻率20 Hz,沖程沖程1. 2mm,磨損時間為磨損時間為10min。 試樣和標樣試樣和標樣：選取合金涂層和未經激光處理：選取合金涂層和未經激光處理的原始的原始A357鑄造鋁合金作為試樣和標樣鑄造鋁合金作為試樣和標樣 體積磨損量測量體積磨損量測量：用：用Taly2surfsp2120表面形