材料強(qiáng)度學(xué)_表面強(qiáng)化技術(shù).

1、材 料 強(qiáng) 度 學(xué) 表面強(qiáng)化技術(shù)按表層強(qiáng)化技術(shù)的物理化學(xué)過(guò)程進(jìn)行分類，按表層強(qiáng)化技術(shù)的物理化學(xué)過(guò)程進(jìn)行分類，大致可分為五大類：大致可分為五大類：1.1. 表面變形強(qiáng)化、表面變形強(qiáng)化、2.2. 表面熱處理強(qiáng)化、表面熱處理強(qiáng)化、3.3. 化學(xué)熱處理強(qiáng)化、化學(xué)熱處理強(qiáng)化、4.4. 表面冶金強(qiáng)化、表面冶金強(qiáng)化、5.5. 表面薄膜強(qiáng)化。表面薄膜強(qiáng)化。表面強(qiáng)化技術(shù)的分類表面強(qiáng)化技術(shù)的分類1.1.表面變形強(qiáng)化表面變形強(qiáng)化通過(guò)機(jī)械的方法使金屬表面層發(fā)生塑性變形，從而形成高硬度和高強(qiáng)度的通過(guò)機(jī)械的方法使金屬表面層發(fā)生塑性變形，從而形成高硬度和高強(qiáng)度的硬化層，這種表面強(qiáng)化方法稱為表面變形強(qiáng)化，也稱為加工硬化。硬化

2、層，這種表面強(qiáng)化方法稱為表面變形強(qiáng)化，也稱為加工硬化。包括包括l噴丸、噴砂，噴丸、噴砂，l冷擠冷擠 壓、滾壓、冷碾，壓、滾壓、冷碾，l沖擊、爆炸沖擊強(qiáng)化等。沖擊、爆炸沖擊強(qiáng)化等。這些方法的這些方法的特點(diǎn)特點(diǎn)是：是：強(qiáng)化層位錯(cuò)密度增高，亞晶結(jié)構(gòu)細(xì)化，從而使其硬度和強(qiáng)度提高，強(qiáng)化層位錯(cuò)密度增高，亞晶結(jié)構(gòu)細(xì)化，從而使其硬度和強(qiáng)度提高，表面粗糙度值減小，能顯著提高零表面粗糙度值減小，能顯著提高零 件的表面疲勞強(qiáng)度和降低疲勞缺口件的表面疲勞強(qiáng)度和降低疲勞缺口的敏感性。的敏感性。這種強(qiáng)化方法工藝簡(jiǎn)單、效果顯著，硬化層和基體之間不存在明顯這種強(qiáng)化方法工藝簡(jiǎn)單、效果顯著，硬化層和基體之間不存在明顯的界限，結(jié)構(gòu)

3、連貫，不易在使用中脫落。的界限，結(jié)構(gòu)連貫，不易在使用中脫落。AAn-B(a) dptAAn-A(b) auto nanocristallisation de surfaceAn-XAn-AC(c) nanocristallisation de surface hybride表面納米化的三種方法表面納米化的三種方法K. Lu, J. Lu/ Maerials Science and Engineering A (2003)2.2.表面熱處理強(qiáng)化表面熱處理強(qiáng)化利用固態(tài)相變，通過(guò)快速加熱的方法對(duì)零件的表面層進(jìn)行淬火處理利用固態(tài)相變，通過(guò)快速加熱的方法對(duì)零件的表面層進(jìn)行淬火處理稱為表面熱處理，俗稱表面

4、淬火。稱為表面熱處理，俗稱表面淬火。包括包括l火焰加熱淬火、火焰加熱淬火、l高高( (中中) )頻感應(yīng)加熱淬火、頻感應(yīng)加熱淬火、l激光加熱或電子束加熱淬火等。激光加熱或電子束加熱淬火等。這些方法的特點(diǎn)是：這些方法的特點(diǎn)是：表面局部加熱淬火，工件變形??；表面局部加熱淬火，工件變形??；加熱速度快，生產(chǎn)效率高；加熱速度快，生產(chǎn)效率高；加熱時(shí)間短，表面氧化脫碳很輕微。加熱時(shí)間短，表面氧化脫碳很輕微。該方法特別是對(duì)提高承受一定沖擊載荷的大型和特大型軸承零件的該方法特別是對(duì)提高承受一定沖擊載荷的大型和特大型軸承零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度效果顯著。耐磨性和疲勞強(qiáng)度效果顯著。3.3.化學(xué)熱處理強(qiáng)化化學(xué)熱處理強(qiáng)化利

5、用某種元素的固態(tài)擴(kuò)散滲入，來(lái)改變金屬表面層的化學(xué)成分，以利用某種元素的固態(tài)擴(kuò)散滲入，來(lái)改變金屬表面層的化學(xué)成分，以實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化的方法稱為化學(xué)熱處理強(qiáng)化，也稱之為擴(kuò)散熱處理。實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化的方法稱為化學(xué)熱處理強(qiáng)化，也稱之為擴(kuò)散熱處理。包括包括l滲硼、滲金屬、滲硼、滲金屬、l滲碳及碳氮共滲、滲氮及氮碳共滲、滲碳及碳氮共滲、滲氮及氮碳共滲、l滲硫及硫氮碳共滲、滲硫及硫氮碳共滲、l滲鉻、滲鋁及鉻鋁硅共滲等等。滲鉻、滲鋁及鉻鋁硅共滲等等。這些方法的這些方法的特點(diǎn)特點(diǎn)是：是：滲入元素或溶入基體金屬形成滲入元素或溶入基體金屬形成固溶體固溶體，或與其他金屬元素結(jié)合形成，或與其他金屬元素結(jié)合形成化合物化合物?？傊?/p>

6、滲入元素即能改變表面層的化學(xué)成分，又可以得到不?？傊疂B入元素即能改變表面層的化學(xué)成分，又可以得到不同的相結(jié)構(gòu)。同的相結(jié)構(gòu)。滲碳軸承鋼零件的處理工藝和滾針軸承套的表面滲氮強(qiáng)化處理均屬滲碳軸承鋼零件的處理工藝和滾針軸承套的表面滲氮強(qiáng)化處理均屬這一類強(qiáng)化方法。這一類強(qiáng)化方法。3.13.1 滲碳滲碳 3.1.1 3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí)背景基礎(chǔ)知識(shí)背景a)a) 從從19301930年以來(lái)，應(yīng)用最廣泛的表面強(qiáng)化年以來(lái)，應(yīng)用最廣泛的表面強(qiáng)化技術(shù)；技術(shù)；b)b) 應(yīng)用在滾珠、齒輪、轉(zhuǎn)頭等應(yīng)用在滾珠、齒輪、轉(zhuǎn)頭等c)c) 溫度溫度900930C (austenite)900930C (austenite)d)d)

7、 加熱時(shí)間加熱時(shí)間 1120 hours 1120 hourse)e) 滲碳層厚度滲碳層厚度 0.22.0 mm 0.22.0 mm 3.13.1.2 .2 氣體滲碳工藝氣體滲碳工藝 分解：滲碳介質(zhì)在基體表面分解產(chǎn)生活性碳原子分解：滲碳介質(zhì)在基體表面分解產(chǎn)生活性碳原子CO+HCO+H2 2 C+HC+H2 2O OCHCH4 4 C+ 2H C+ 2H2 22CO 2CO C+COC+CO2 2 擴(kuò)散：表面含碳量增加便與心部含碳量出現(xiàn)濃度差擴(kuò)散：表面含碳量增加便與心部含碳量出現(xiàn)濃度差表表面的碳遂向內(nèi)部擴(kuò)散面的碳遂向內(nèi)部擴(kuò)散J=-D(J=-D(dCdC/ /dxdx)=k(Cp-Cs) g/cm

8、)=k(Cp-Cs) g/cm2 2sec Fick-1 lawsec Fick-1 law dCdC/ /dtdt = D(d = D(d2 2C/dxC/dx2 2 ) Fick-2 law ) Fick-2 law 反應(yīng)反應(yīng): : 形成碳化物形成碳化物 FeFe3 3C, (C, (Fe.MeFe.Me) )3 3C, C, MeMex xC Cy y 氣體滲碳設(shè)備氣體滲碳設(shè)備固體滲碳設(shè)備固體滲碳設(shè)備3.1.3滲碳工藝的關(guān)鍵因素：溫度、時(shí)間、成分；擴(kuò)散距離：x = k (Dt)1/2 , D=D0 exp(-Q/RT)碳勢(shì)取決于滲碳介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：例如：CO+HCO+H2 2 C+H

9、C+H2 2O,O,平衡常數(shù)K=acPH2O/PCOPH2thenCp=ac=PCOPH2/PH2O3.1.4表面表征DistancefromcarburizedsurfacemmHardness(HRC)CarboncontentC%C%HRCSurfacecarboncontent:1.01.2%(Carbides+highcarbonmartensite+residualaustenite)3.2滲氮3.2.1 3.2.1 基礎(chǔ)知識(shí)背景基礎(chǔ)知識(shí)背景a)a) 滲氮層厚度為滲氮層厚度為0.050.5 mm0.050.5 mmb)b) 應(yīng)用于要求一定耐磨、耐蝕性的輕載荷器件：如某些應(yīng)用于要求一

10、定耐磨、耐蝕性的輕載荷器件：如某些工具、齒輪等工具、齒輪等c)c) 主要是生產(chǎn)氮化物合金主要是生產(chǎn)氮化物合金d)d) 加工溫度加工溫度 450580C (Ferrite) 450580C (Ferrite)e)e) 加熱時(shí)間加熱時(shí)間 2120 h2120 h3.23.2.2 .2 氣體滲氮工藝氣體滲氮工藝通常情況，滲氮工藝與滲碳工藝類似通常情況，滲氮工藝與滲碳工藝類似: : 2NH2NH3 3 2N+ 3H 2N+ 3H2 2氮?jiǎng)莸獎(jiǎng)? : NpNp= P= PNH3NH3 /P /PH H2 23/23/2滲氮介質(zhì)滲氮介質(zhì): :NHNH3 3 , NH , NH3 3+N+N2 2, NH,

11、 NH3 3+N+N2 2+CO+CO2 2 等等. . 和離子滲氮和離子滲氮 3.23.2.3 .3 表面特征表面特征從表面到心部從表面到心部: : - - 氮化物氮化物 (Fe (Fe3 3N FeN Fe4 4N) N) 130 microns 130 microns 具有良好的耐蝕性具有良好的耐蝕性( (亮白層亮白層) )- - 相相 (Fe (Fe2 2NFeNFe3 3N)N) 高強(qiáng)度高強(qiáng)度擴(kuò)散層擴(kuò)散層 氮的固溶強(qiáng)化氮的固溶強(qiáng)化3.3碳氮共滲高溫碳氮共滲高溫碳氮共滲 ( (氰化氰化):): 共滲層厚度為共滲層厚度為0.51.2 mm, 0.51.2 mm, 滲碳多于滲氮滲碳多于滲氮

12、 T=750800C , t = 26 hours T=750800C , t = 26 hours低溫碳氮共滲低溫碳氮共滲 ( (軟氮化軟氮化):):共滲層厚度為共滲層厚度為0.050.6 mm,0.050.6 mm,滲氮多于滲碳滲氮多于滲碳 T=500650C , t = 26 hours T=500650C , t = 26 hours4.4.表面冶金強(qiáng)化表面冶金強(qiáng)化利用工件表面層金屬的重新融化和凝固，以得到預(yù)期的成分或組織的利用工件表面層金屬的重新融化和凝固，以得到預(yù)期的成分或組織的表面強(qiáng)化處理技術(shù)稱為表面冶金強(qiáng)化。表面強(qiáng)化處理技術(shù)稱為表面冶金強(qiáng)化。包括包括l表面自溶性合金或復(fù)合粉末涂

13、層、表面自溶性合金或復(fù)合粉末涂層、l表面融化結(jié)晶或非晶態(tài)處理、表面融化結(jié)晶或非晶態(tài)處理、l表面合金化等方法。表面合金化等方法。這些方法的這些方法的特點(diǎn)特點(diǎn)是：是：采用高能量密度的快速加熱，將金屬表面層或涂覆于金屬表面的合金采用高能量密度的快速加熱，將金屬表面層或涂覆于金屬表面的合金化材料熔化，隨后靠自己冷卻進(jìn)行凝固以得到特殊結(jié)構(gòu)或化材料熔化，隨后靠自己冷卻進(jìn)行凝固以得到特殊結(jié)構(gòu)或 特定性能的特定性能的強(qiáng)化層。這種特殊的結(jié)構(gòu)或許是細(xì)化的晶體組織，也或許是過(guò)飽和相、強(qiáng)化層。這種特殊的結(jié)構(gòu)或許是細(xì)化的晶體組織，也或許是過(guò)飽和相、亞穩(wěn)相、甚至是非晶體組織，這取決于表面冶金的工藝參數(shù)和方法。亞穩(wěn)相、甚至

14、是非晶體組織，這取決于表面冶金的工藝參數(shù)和方法。滾動(dòng)軸承行業(yè)滾動(dòng)軸承行業(yè) 在微型軸承工作表面做過(guò)激光加熱強(qiáng)化研究，效果良好。在微型軸承工作表面做過(guò)激光加熱強(qiáng)化研究，效果良好。5.5.表面薄膜強(qiáng)化表面薄膜強(qiáng)化應(yīng)用物理的或化學(xué)的方法，在金屬表面涂覆于基體材料性能不同的強(qiáng)應(yīng)用物理的或化學(xué)的方法，在金屬表面涂覆于基體材料性能不同的強(qiáng)化膜層，稱為表面薄膜強(qiáng)化?；?，稱為表面薄膜強(qiáng)化。包括包括電鍍、化學(xué)鍍電鍍、化學(xué)鍍( (鍍鉻、鍍鎳、鍍銅、鍍銀等鍍鉻、鍍鎳、鍍銅、鍍銀等) )以及復(fù)合鍍、以及復(fù)合鍍、 刷鍍或轉(zhuǎn)刷鍍或轉(zhuǎn)化處理等，化處理等，CVDCVD、PVDPVD、P-CVDP-CVD等氣相沉積薄膜強(qiáng)化方

15、法等氣相沉積薄膜強(qiáng)化方法離子注入表面強(qiáng)化技術(shù)離子注入表面強(qiáng)化技術(shù)( (也稱原子冶金技術(shù)也稱原子冶金技術(shù)) )等等。等等。它們共同的特點(diǎn)：它們共同的特點(diǎn)：能在工作表面形成特定性能的薄膜，以強(qiáng)化表面的耐磨性、耐疲勞、能在工作表面形成特定性能的薄膜，以強(qiáng)化表面的耐磨性、耐疲勞、耐腐蝕和自潤(rùn)滑等性能。耐腐蝕和自潤(rùn)滑等性能。例如離子注入技術(shù)強(qiáng)化軸承工作表面，能使軸例如離子注入技術(shù)強(qiáng)化軸承工作表面，能使軸 承工作表面的耐磨性、承工作表面的耐磨性、耐蝕性、和抗接觸疲勞性能都得到顯著提高，從而使軸承的使用壽命耐蝕性、和抗接觸疲勞性能都得到顯著提高，從而使軸承的使用壽命得到成倍的增長(zhǎng)。得到成倍的增長(zhǎng)。 電鍍電鍍

16、化學(xué)鍍化學(xué)鍍 將含有覆層材料元素的反應(yīng)介質(zhì)置于較低溫度下汽將含有覆層材料元素的反應(yīng)介質(zhì)置于較低溫度下汽化，然后送入高溫反應(yīng)室與工件表面接觸，產(chǎn)生高溫化化，然后送入高溫反應(yīng)室與工件表面接觸，產(chǎn)生高溫化學(xué)反應(yīng)，析出合金或金屬及其化合物，沉積于工件表面學(xué)反應(yīng)，析出合金或金屬及其化合物，沉積于工件表面形成覆層。形成覆層。 覆層材料可以是氧化物、碳化物、氮化物、硼化物。覆層材料可以是氧化物、碳化物、氮化物、硼化物。獲得需要的獲得需要的CVD覆層，反應(yīng)必須具備如下條件：覆層，反應(yīng)必須具備如下條件： 能夠形成所需的沉積層，反應(yīng)物應(yīng)是氣態(tài)。能夠形成所需的沉積層，反應(yīng)物應(yīng)是氣態(tài)。 反應(yīng)物質(zhì)在室溫下或不太高的溫度

17、下應(yīng)是氣態(tài)，且易獲得反應(yīng)物質(zhì)在室溫下或不太高的溫度下應(yīng)是氣態(tài)，且易獲得 高純度。高純度。 沉積設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本適宜。沉積設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本適宜。化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（CVDCVD）物理氣相沉積屬于真空沉積技術(shù)，包括真空蒸發(fā)鍍膜、濺物理氣相沉積屬于真空沉積技術(shù)，包括真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍膜。優(yōu)點(diǎn)是：處理溫度低，工件變形小，射鍍膜和離子鍍膜。優(yōu)點(diǎn)是：處理溫度低，工件變形小，處理后工件表面硬度高，外觀色澤美觀。處理后工件表面硬度高，外觀色澤美觀。 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜在真空容器中，將蒸鍍?cè)谡婵杖萜髦校瑢⒄翦儾牧喜牧?金屬或非金屬金屬或非金屬)加加熱，當(dāng)?shù)竭_(dá)適當(dāng)溫度后，熱，當(dāng)?shù)竭_(dá)適當(dāng)溫度后，便有大量的原子或分子便有大量的原子或分子離開(kāi)其表面進(jìn)入氣相。離開(kāi)其表面進(jìn)入氣相。因?yàn)闅鈮鹤銐虻?，這些因?yàn)闅鈮鹤銐虻?，這些原子或分子幾乎不經(jīng)碰原子或分子幾乎不經(jīng)碰撞地在空間內(nèi)徑直飛散，撞地在空間內(nèi)徑直飛散，當(dāng)?shù)竭_(dá)表面溫度相對(duì)較當(dāng)?shù)竭_(dá)表面溫度相對(duì)較低的被鍍工件表面，便低的被鍍工件表面，便凝結(jié)而形成覆膜。凝結(jié)而形成覆膜。 濺射鍍膜濺射鍍膜在氣體壓力為在氣體壓力為13.3 2.66Pa的的氣體輝光放電氣體輝光放電爐中，正離子爐中，正離子(通常用氬離子通常用氬離