表面改性技術(shù)

1、 第七章 外表改性技術(shù) 外表改性是指采用某種工藝手段使資料外表獲得與其基體資料的組織構(gòu)造、性能不同的一種技術(shù)。外表改性處置目的：既能發(fā)揚基體資料的力學(xué)性能；又能使資料外表獲得各種特殊性能如耐磨，耐腐蝕，耐高溫，適宜的射線吸收、輻射和反射才干，超導(dǎo)性能，光滑，絕緣，儲氫等。.外表改性技術(shù)的作用：可以掩蓋基體資料外表的缺陷；延伸資料和構(gòu)件的運用壽命；節(jié)約稀、貴資料；節(jié)約能源，改善環(huán)境；對各種高新技術(shù)的開展具有重要作用。.一、外表形變強化原理外表形變強化是提高金屬資料疲勞強度的重要工藝措施之一。根本原理:經(jīng)過機械手段(滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等)在金屬外表產(chǎn)生緊縮變形，使外表構(gòu)成形變硬化層，此形變硬化層的

2、深度可達0.5mm1.5mm。7.1 金屬外表形變強化.在此形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化：1.在組織構(gòu)造上，亞晶粒極大地細化，位錯密度添加，晶格畸變度增大；2.構(gòu)成了高的宏觀剩余壓應(yīng)力。.外表壓應(yīng)力防止裂紋在受壓的表層萌生和擴展。在大多數(shù)資料中這兩種機制并存。在軟質(zhì)資料情況下第一種機制占優(yōu)勢；在硬質(zhì)資料的情況下第二種機制起主導(dǎo)作用。.經(jīng)噴丸和滾壓后，金屬外表產(chǎn)生的剩余壓應(yīng)力的大小，不但與強化方法、工藝參數(shù)有關(guān)，還與資料的晶體類型、強度程度以及資料在單調(diào)拉伸時的硬化率有關(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合金，外表產(chǎn)生的壓應(yīng)力高，可達資料本身屈服點的2-4倍。資料的硬化率越高，產(chǎn)生的

3、剩余壓應(yīng)力越大。. 此外，一些外表形變強化手段還能夠使外表粗糙度略有添加，但卻使切削加工的鋒利刀痕圓滑，因此可減輕由切削加工留下的鋒利刀痕的不利影響。這種外表形貌和表層組織構(gòu)造產(chǎn)生的變化，有效地提高了金屬外表強度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強度。.二、外表形變強化的主要方法及運用(一)外表形變強化的主要方法外表形變強化是近年來國內(nèi)外廣泛研討運用的工藝之一。強化效果顯著，本錢低廉。常用的金屬外表形變強化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等工藝,尤以噴丸強化運用最為廣泛。.1滾壓目前，滾壓強化用的滾輪、滾壓力大小等尚無規(guī)范對于圓角、溝槽等可經(jīng)過滾壓獲得表層形變強化，并能在外表產(chǎn)生約5mm深的剩余壓應(yīng)力。外表滾

4、壓強化表示圖.2內(nèi)擠壓 內(nèi)孔擠壓是使孔的內(nèi)外表獲得形變強化的工藝措施，效果明顯。 3噴丸 噴丸是國內(nèi)外廣泛運用的一種再結(jié)晶溫度以下的外表強化方法，即利用高速彈丸劇烈沖擊零部件外表，使之產(chǎn)生形變硬化層并引進剩余壓應(yīng)力。噴丸強化已廣泛用于彈簧、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、抗微動磨損、耐點蝕(孔蝕)才干。. (二)噴丸外表形變強化工藝及運用 1噴丸資料(1)鑄鐵彈丸(2)鑄鋼彈丸(3)鋼絲切割彈丸(4)玻璃彈丸(5)陶瓷彈丸 (6)聚合塑料彈丸 .該當指出，強化用的彈丸與清理、成型、校形用的彈丸不同，必需是圓球形，不能有棱角毛刺，否那么會損

5、傷零件外表。 普通來說，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、鎂臺金、鈦合金和不銹鋼制件那么需采用不銹鋼九、玻璃丸和陶瓷丸。. 2噴丸強化用的設(shè)備 噴丸采用的公用設(shè)備， 按驅(qū)動彈丸的方式可分為機械離心式噴丸機和氣動式噴丸機兩大類。噴丸機又有干噴和濕噴之分。干噴式任務(wù)條件差，濕噴式是將彈丸混合在液態(tài)中成懸浮狀，然后噴丸，因此任務(wù)條件有所改善。. (1)機械離心式噴丸機機械離心式噴丸機又稱葉輪式噴丸機或拋丸機。任務(wù)時，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)速和彈丸的分量。.3.外表形變強化的運用噴丸強化的運用實例(1) 20CrM

6、nTi圓輥滲碳淬火回火后進展噴丸處置，剩余壓應(yīng)力為-880MPa，壽命從55萬次提高到150-180萬次。(2)液體火箭推進劑容器的鈦制零部件未噴丸強化時，在40下運用14h就發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞；容器內(nèi)外表經(jīng)玻璃珠噴丸強化后，在同樣條件下實驗30天還沒有產(chǎn)生破壞。 此外，噴丸和其他形變強化工藝在汽車工業(yè)中的變速箱齒輪、宇航飛行器的焊接齒輪、噴氣發(fā)動機的鉻鎳鐵合金(Inconel 718)渦輪盤等制造中獲得運用。.外表熱處置是指僅對零部件表層加熱、冷卻，從而改動表層組織和性能而不改動成分的一種工藝，是最根本、運用最廣泛的資料外表改性技術(shù)之一。當工件外表層快速加熱時，工件截面上的溫度分布是不均勻的，

7、工件表層溫度高且由表及里逐漸降低。假設(shè)外表的溫度超越相變點以上到達奧氏體形狀時，隨后的快冷可以獲得馬氏體組織，而心部仍保管原組織形狀，從而得到硬化的外表層，即經(jīng)過外表層的相變到達強化工件外表的目的7.2 外表熱處置.外表淬火在不改動鋼的化學(xué)成分及心部組織情況下，利用快速加熱將表層奧氏體化后進展淬火以強化零件外表的熱處置方法。.外表熱處置工藝包括：感應(yīng)加熱外表淬火火焰加熱外表淬火接觸電阻加熱外表淬火浴爐加熱外表淬火電解液加熱外表淬火高密度能量的外表淬火外表維護熱處置等 火焰加熱感應(yīng)加熱.外表淬火目的： 使外表具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限; 心部在堅持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌

8、性。即表硬里韌。適用于接受彎曲、改動、摩擦和沖擊的零件。軸的感應(yīng)加熱外表淬火.1.外表淬火用資料 0.4-0.5%C的中碳鋼。含碳量過低，那么外表硬度、耐磨性下降。含碳量過高，心部韌性下降； 鑄鐵 提高其外表耐磨性。機床導(dǎo)軌外表淬火齒輪.2、預(yù)備熱處置工藝：對于構(gòu)造鋼為調(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:為外表淬火作組織預(yù)備； 獲得最終心部組織?；鼗鹚魇象w索氏體.3、外表淬火后的回火采用低溫回火，溫度不高于200。回火目的為降低內(nèi)應(yīng)力，保管淬火高硬度、耐磨性。4、外表淬火+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)加熱外

9、表淬火感應(yīng)淬火機床.5、外表淬火常用加熱方法 感應(yīng)加熱: 利用交變電流在工件外表感應(yīng)宏大渦流，使工件外表迅速加熱的方法。. 一、感應(yīng)加熱外表淬火(一)感應(yīng)加熱外表處置的根本原理 消費中常用工藝是高頻和中頻感應(yīng)加熱淬火。近年來又開展了超音頻、雙頻感應(yīng)加熱淬火工藝。.1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)而集中分布于工件外表，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。 .2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外表到電流值為外表的1/e (e2.718)處的間

10、隔，可用表示。的值(單位為m)可根據(jù)下式求出：式中，f 為電流頻率的值(Hz) .3硬化層深度 硬化層深度總小于感應(yīng)電流透入深度。這是由于工件內(nèi)部傳熱才干較大所致。即頻率越高，渦流分布越陡，接近電流透入深度處的電流強度越小，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到達奧氏體化溫度，所以也不能夠硬化。假設(shè)延伸加熱時間，實踐硬化層深度可以有所添加。 實踐上，感應(yīng)加熱外表淬火硬化層深度取決于加熱層深度、淬火加熱溫度、冷卻速度和資料本身淬透性等要素。. 4感應(yīng)加熱外表淬火后的組織和性能 感應(yīng)加熱外表淬火獲得的外表組織呈細小隱晶馬氏體，碳化物呈彌散分布，外表

11、硬度比普通淬火的高2HRC3HRC，耐磨性也提高，這是因快速加熱時在細小的奧氏體內(nèi)有大量亞構(gòu)造殘留在馬氏體中所致。噴水冷卻時，這種差別會更大。表層因相變體積膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，降低缺口敏感性，大大提高疲勞強度。感應(yīng)加熱外表淬火工件外表氧化、脫碳小，變形小，質(zhì)量穩(wěn)定。感應(yīng)加熱外表淬火加熱速度快，熱效率高，消費率高，易實現(xiàn)機械化和自動化。.(二)中、高頻感應(yīng)加熱外表熱處置 感應(yīng)加熱是一種用途極廣的熱處置加熱方法，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)熱處置。.選擇功率密度要根據(jù)零件尺寸及其淬火條件而定。電流頻率越低、零件直徑越小及所要求的硬化層深度越小，那么所選擇的功率密度值應(yīng)越大。

12、高頻淬火常用于零件直徑較小、硬化層深度較淺的場所；中頻淬火常用在大直徑工件和硬化層深度較深的場所。.二、火焰加熱外表淬火 火焰加熱外表淬火是運用氧一乙炔或其他可燃氣體對零件外表加熱，隨后淬火冷卻的工藝。與感應(yīng)加熱外表淬火等方法相比，具有設(shè)備簡單，操作靈敏，適用鋼種廣泛，零件外表清潔、普通無氧化和脫碳、畸變小等優(yōu)點。常用于大尺寸和分量大的工件，尤其適用于批量少種類多的零件或部分區(qū)域的外表淬火，如大型齒輪、軸、軋輥和導(dǎo)軌等。但加熱溫度不易控制，噪音大，勞動條件差，混合氣體不夠平安，不易獲得薄的外表淬火層。.三、接觸電阻加熱外表淬火 接觸電阻加熱外表淬火是利用觸頭(銅滾輪或碳棒)和工件間的接觸電阻使

13、工件外表加熱，并依托本身熱傳導(dǎo)來實現(xiàn)冷卻淬火。這種方法設(shè)備簡單，操作靈敏，工件變形小，淬火后不需回火。接觸電阻加熱外表淬火能顯著提高工件的耐磨性和抗擦傷才干，但淬硬層較薄(0.15mm0.30mm)，金相組織及硬度的均勻性都較差，目前多用于機床鑄鐵導(dǎo)軌的外表淬火，也用于汽缸套、曲軸、工模具等的淬火。 .四、高密度能量的外表淬火 高密度能量包括激光、電子束、等離子體和電火花等。.一、概述(一)金屬外表化學(xué)熱處置過程 金屬外表化學(xué)熱處置是利用元素分散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處置工藝。根本工藝過程是：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)經(jīng)過分解(包括活性組分向

14、工件外表分散以及界面反響產(chǎn)物向介質(zhì)內(nèi)部分散)井釋放出欲滲入元素的活性原子、活性原子被外表吸附并溶入外表、溶入外表的原子向金屬表層分散滲入構(gòu)成一定厚度的分散層，從而改動表層的成分、組織和性能。7.3 金屬外表化學(xué)熱處置. (二)金屬外表化學(xué)熱處置的目的 (1)提高金屬外表的強度、硬度和耐磨性。滲氮可使金屬外表硬度到達950HV-1200HV；滲硼可使金屬外表硬度到達1400HV2000HV等，因此工件外表具有極高的耐磨性。(2)提高資料疲勞強度如滲碳、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)生很大的剩余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強度。(3)使金屬外表具有良好的抗粘著、抗咬合的才干和降低摩擦

15、系數(shù)，如滲硫等。(4)提高金屬外表的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。. (三)化學(xué)熱處置滲層的根本組織類型(1)構(gòu)成單相固溶體如滲碳層中的鐵素體相等。(2)構(gòu)成化合物如滲氮層中的相(Fe2-3N)，滲硼層中Fe2B等。(3)化學(xué)熱處置后，普通可同時存在固溶體、化合物的多相滲層。. (四)化學(xué)熱處置后的性能 化學(xué)熱處置后的金屬表層、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)絡(luò)有關(guān)。如滲碳的外表層碳含量及其分布，滲碳層深度和組織等均可影響資料滲碳后的性能。. (五)化學(xué)熱處置種類 根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處形狀不同，化學(xué)熱處置可分以下幾類：(1)固體法：

16、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)分散法等。(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、流動粒子爐法等。(4)等離子法。.二、滲碳、滲氮、碳氮共滲 滲碳、滲氮、碳氮共滲等可提高資料外表硬度、耐磨性和疲勞強度，在工業(yè)中有非常廣泛的運用。 (一)滲碳、碳氮共滲 1構(gòu)造鋼的滲碳 構(gòu)造鋼經(jīng)滲碳后，能使零件任務(wù)外表獲得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕磨損性、接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，而心部具有一定強度、塑性、韌性的性能。. 2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)的滲碳越來越遭到注重。工具鋼經(jīng)滲碳后，其外表

17、具有高強度、高耐磨性和高熱硬性。與傳統(tǒng)的模具鋼制造的下具相比，壽命可得到提高。 3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(700880)，變形小、且由于氮的滲入提高了滲碳速度和耐磨性。.常用的滲碳方法有三種：(1)氣體滲碳氣體滲碳是目前消費中運用最為廣泛的一種滲碳方法，它是在含碳的氣體介質(zhì)中經(jīng)過調(diào)理氣體滲碳氣氛來實現(xiàn)滲碳目的的。工業(yè)上普通有井式爐滴注式滲碳和貫穿式氣體滲碳兩種。 (2)鹽浴滲碳液體滲碳是將被處置的零件浸入鹽浴滲碳劑中，經(jīng)過加熱使?jié)B碳劑分解出活性的碳原子來進展?jié)B碳。.(3)固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，它運用固體滲碳劑。在固體滲碳中，膏劑滲碳具有工藝簡一方

18、便的特點，主要用于單件消費、部分滲碳或返修運用。.氣體滲碳1、滲碳目的提高工件外表硬度、耐磨性及疲勞強度，同時堅持心部良好的韌性。2、滲碳用鋼含0.1-0.25%C的低碳鋼。碳高那么心部韌性降低。 經(jīng)滲碳的機車從動齒輪.3、滲碳方法 氣體滲碳法將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳氣氛中滲碳。滲劑為氣體 (煤氣、液化氣等)或有機液體(煤油、甲醇等)。優(yōu)點: 質(zhì)量好, 效率高；缺陷: 滲層成分與深度不易控制。氣體滲碳法表示圖.真空滲碳法:將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳氣體加熱滲碳。優(yōu)點: 外表質(zhì)量好, 滲碳速度快。真空滲碳爐.4、滲碳溫度：為900-950。滲碳層厚度由外表到過度層一半處的厚度

19、： 普通為0.5-2mm。滲碳層外表含碳量：以0.85-1. 05為最好。5、滲碳后的熱處置淬火+低溫回火, 回火溫度為160-180。.滲碳后的熱處置表示圖. (三)滲氮、氮碳共滲 滲氮、氮碳共滲是在含有氮，或氮、碳原子的介質(zhì)中，將工件加熱到一定溫度，鋼的外表被氮或氮、碳原子滲入的一種丁藝方法。滲氮工藝復(fù)雜，時間長，本錢高，所以只用于耐磨、耐蝕和精度要求高的耐磨件，如發(fā)動機汽缸、排氣閥、閥門、精細絲桿等。 .鋼經(jīng)滲氮后獲得高的外表硬度，在加熱到500時，硬度變化不大，具有低的劃傷傾向和高的耐磨性，可獲得500MPa1000MPa的剩余壓應(yīng)力，使零件具有高的疲勞極限和高耐蝕性，在自來水、潮濕空

20、氣、氣體熄滅物、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。.1滲氮的分類(1)低溫滲氮低溫滲氮是指滲氮溫度低于600的各種滲氮方法。滲氮層的構(gòu)造主要決議于FeN相圖。 目前廣泛運用的是氣體滲氮法：把需滲氮的零件放入密封滲氮爐內(nèi)，通入氨氣，加熱至500600，氮發(fā)生以下反響： 2NH32H2+2N 生成的活性氮原子N 滲入鋼外表，構(gòu)成一定深度的氮化層。.滲氮(氮化)是指向鋼的外表滲入氮原子的過程。1、氮化用鋼為含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳鋼。常用鋼號為38CrMoAl。2、氮化溫度為500-570氮化層厚度 0.6-0.7mm。井式氣體氮化爐.3、常用氮化

21、方法氣體氮化法與離子氮化法。氣體氮化法與氣體滲碳法類似，滲劑為氨。離子氮化法是在電場作用下，使電離的氮離子高速沖擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時間短，氮化層脆性小。離子氮化爐.根據(jù)Fe-N相圖，氮溶入鐵素體和奧氏體中，與鐵構(gòu)成相(Fe4N)和相(F2-3N)，也溶解一些碳。所以滲氮后；工件最外層是白色相或 相，次外層是暗色 + 共析體層。 (2)高溫滲氮高溫滲氮是指滲氮溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度(6001200)下進展的滲氮。主要用于鐵素體鋼、奧氏體鋼、難熔金屬(Ti、Mo、Nb、V等)的滲氮。. 2各種資料滲氮(1)構(gòu)造鋼滲氮任何珠光體類、鐵素體類、奧氏體類以及碳化物類的構(gòu)造鋼都可以滲氮。

22、 (2)高鉻鋼滲氮3、氮化的特點及運用 氮化件外表硬度高HV1000-2000，耐磨性高。 疲勞強度高。由于外表存在壓應(yīng)力。.氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度.工件變形小。緣由是氮化溫度低，氮化后不需進展熱處置。 耐蝕性好。由于表層構(gòu)成的氮化物化學(xué)穩(wěn)定性高。氮化的缺陷：工藝復(fù)雜，本錢高，氮化層薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。如儀表的小軸、輕載齒輪及重要的曲軸等。 縫紉機用氮化件經(jīng)氮化的機車曲軸.四、滲金屬滲金屬方法是使工件外表構(gòu)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)合構(gòu)成金屬碳化物的化合物層，如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等，次層為

23、過渡層。此類工藝方法適用于高碳鋼，滲入元素大多數(shù)為W、Mo、Ta、V、Nb、Cr等碳化物構(gòu)成元素。為了獲得碳化物層，基材的碳的質(zhì)量分數(shù)必需超越0.45。.一、等離子體的物理概念等離子體是一種電離度超越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。等離子體整體呈中性，但含有相當數(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動和分散，也有電場作用下的遷移。等離子體是一種物質(zhì)的能量較高的聚集形狀，被稱為物質(zhì)第四態(tài)。利用粒子熱運動、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 等離子體外表處置

24、.離子轟擊陰極外表時將發(fā)生一系列物理、化學(xué)景象，包括：1.陰極濺射景象：中性原子或分子從陰極外表分別出來的 (也可看作蒸發(fā)過程)景象；2.凝附景象：陰極濺射出來的粒子與接近陰極外表等離子體中活性原子結(jié)合的產(chǎn)物吸附在陰極外表的景象；3.陰極二次電子的發(fā)射景象；部分區(qū)域原子分散和離子注入等景象。.二、離子滲氮輝光離子滲氮又稱離子滲氮，是一種在壓力低于105 Pa的滲氮氣氛中，利用工件(陰極)和陽極間稀薄含氮氣體產(chǎn)生輝光放電進展?jié)B氮的工藝。即在電場作用下，使電離的氮離子高速沖擊作為陰極的工件。與氣體氮化相比，氮化時間短，氮化層脆性小。這種技術(shù)用于構(gòu)造鋼、不銹鋼、耐熱鋼的滲氮，并由黑色金屬開展到有色金

25、屬滲氮，特別在鈦合金滲氮中獲得良好效果。.(一) 離子滲氮的主要特點(1)離子滲氮速度快尤其淺層滲氮更為突出。例如，滲氮層深度為0.3mm0.5mm時，離子滲氮的時間僅為普通氣體滲氮的13 - l5。.提高外表氮濃度，加快氮向試樣內(nèi)部分散。 陰極濺射產(chǎn)生外表脫碳，添加位錯密度等，加速了氮向內(nèi)部分散的速度。(2)熱效率高，節(jié)約能源、氣源。(3)滲氮的氮、碳、氫等氣氛可調(diào)整控制，可獲得5m30m深的脆性較小的相單相層或8m厚的韌性相單相層，也可獲得韌性更好的無化合物的滲氮層。.(4)離子滲氮可運用氨氣，壓力很低，用量極少,所以污染低，勞動條件好。(5)離子滲氮溫度可在低于400以下進展，工件畸變小

26、。 (6)可用于不銹鋼、粉末冶金件、鈦合金等有色金屬的滲氮。 (7)由于設(shè)備較復(fù)雜，投資大，調(diào)整維修較困難，對操作人員的技術(shù)要求較高。. (二)離子滲氮的設(shè)備和工藝1離子滲氮的設(shè)備.2離子滲氮的工藝.近年來，金屬資料外表改性處置新技術(shù)得到了迅速開展，開發(fā)出許多新的工藝方法，這里只引見主要的幾種。 .三束外表改性技術(shù)是指將激光束、電子束和離子束(合稱“三束)等具有高能量密度的能源(普通大于103W/cm2)施加到資料外表，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，以獲得特殊外表性能的技術(shù)。激光束加工電子束加工等離子束加工. 進展快速加熱和快速冷卻，使表層的構(gòu)造和成分發(fā)生大幅度改動如構(gòu)成微晶、納米晶、非晶、亞穩(wěn)成分

27、固溶體和化合物等，從而獲得所需求的特殊性能。束流技術(shù)還具有能量利用率高、工件變形小、消費效率高等特點。由于這些束流具有極高的能量密度，可對資料外表離子束濺射系統(tǒng). 激光外表處置是高能密度外表處置技術(shù)中的一種主要手段。在一定條件下它具有傳統(tǒng)外表處置技術(shù)或其他高能密度外表處置技術(shù)不能或不易到達的特點，這使得激光外表處置技術(shù)在外表處置的領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)了一定的位置。75 激光外表處置.激光外表處置的目的：改動外表層的成分和顯微構(gòu)造，從而提高外表性能，以順應(yīng)基體資料的需求；激光外表處置工藝：激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光沖擊硬化等；.激光外表處置的許多效果是與快速加熱和隨后的急速冷卻分

28、不開的：加熱和冷卻速率可達106 s 108 s；運用：目前，激光外表處置技術(shù)已用于汽車、冶金、石油、機車，機床、軍工、輕工、農(nóng)機以及刀具、模具等領(lǐng)域，并正顯示出越來越廣泛的工業(yè)運用前景。.一、激光的特點(1)高方向性：(2)高亮度性：激光器發(fā)射出來的光束非常強，經(jīng)過聚焦集中到一個極小的范圍之內(nèi)，可以獲得極高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可達1014 Wcm2，焦斑中心溫度可達幾千度到幾萬度，只需電子束的功率密度才干和激光相比較。(3)高單色性： . 二、激光外表處置設(shè)備 激光外表處置設(shè)備包括激光器、功率計、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、任務(wù)臺、數(shù)控系統(tǒng)和軟件編程系統(tǒng)。.CO2氣體激光器 目前工業(yè)上用

29、來進展外表處置的激光器，大多為大功率C02激光器。 C02激光器是目前可輸出功率最大的激光器，效率高達33。比較適用的多為2.5kW5kW左右。.1.CO2氣體激光器的特點: C02氣體激光器是以CO2氣體為激活媒質(zhì)，發(fā)射的是中紅外波段激光，波長為10.6m。普通是延續(xù)波(簡稱CW)，但也可以脈沖式地任務(wù)。其特點是： 電一光轉(zhuǎn)換功率高，實際值可達40，普通為10-20。其他類型的激光器如纖寶石的僅為2。 單位輸出功率的投資低。 能在工業(yè)環(huán)境下，長時間延續(xù)穩(wěn)定任務(wù)。 易于控制，有利于自動化。. 2.激光外表處置技術(shù) (1)激光束加熱金屬的過程 激光束向金屬外表層的熱傳送，是經(jīng)過“逆韌致輻射效應(yīng)實

30、現(xiàn)的。 由于光子能穿過金屬的才干極低(僅為10-4mm的數(shù)量級)，故僅能使其極外表的一薄層溫度升高。由于導(dǎo)帶電子的平均自在時間只需10-3s左右，因此這種熱交換和熱平衡的建立是非常迅速的。從實際上分析，在激光加熱過程中，金屬外表極薄層的溫度可在微秒(10-6s)級、甚至納秒(10-9s) 級或皮秒(10-12s)級內(nèi)就能到達相變或熔化溫度。這樣構(gòu)成熱層的時間遠小于激光實踐輻照的時間，其厚度明顯遠低于硬化層的深度。. (2)激光處置前外表的預(yù)處置資料的反射系數(shù)和所吸收的光能取決于激光輻射的波長。激光波長越短，金屬的反射系數(shù)越小，所吸收的光能也就越多。由于大多數(shù)金屬外表對波長10.6m的CO2激光

31、的反射高達90以上，嚴重影響激光處置的效率。金屬外表形狀對反射率極為敏感，如粗糙度、涂層、雜質(zhì)等都會極大改動金屬外表對激光的反射率，而反射率變化1，吸收能量密度將會變化10。因此在激光處置前，必需對工件外表進展涂層或其他預(yù)處置。.常用的預(yù)處置方法:磷化、黑化和涂覆紅外能量吸收資料(如膠體石墨、含炭黑和硅酸鈉或硅酸鉀的涂料等)。磷化處置后對CO2激光吸收率約為88，但預(yù)處置工序煩瑣，不易去除。黑化方法簡單，黑化溶液如膠體石墨和含炭黑的涂料可直接刷涂或噴涂到工件外表，激光吸收率高達90以上。.(3)激光處置工藝及運用激光外表強化.齒輪激光外表強化.激光外表熔敷a.激光涂敷陶瓷層火焰噴涂、等離子噴涂

32、和爆燃槍噴涂等熱噴涂的方法廣泛用來進展陶瓷涂敷。但一切這些方法都不能令人稱心。由于它們獲得的涂層含有過多的氣孔、熔渣夾雜和微觀裂紋，而且涂層結(jié)合強度低，易零落。這會導(dǎo)致高溫時由于內(nèi)部硫化、剝落、機械應(yīng)變降低、坑蝕、滲鹽和滲氧而使涂層早期蛻變和破壞。運用激光進展陶瓷涂敷，即可防止產(chǎn)生上述缺陷，提高涂層質(zhì)量，延伸運用壽命。.激光熔覆系統(tǒng).激光熔覆系統(tǒng).曲軸激光熔覆.漿葉激光熔覆強化.c.激光外表非晶態(tài)處置 激光加熱金屬外表至熔融形狀后，以大于一定臨界冷卻速度激冷至低于某一特征溫度，防止晶體成核和生長，從而獲得非晶態(tài)構(gòu)造，也稱為金屬玻璃。這種方法稱為激光外表非晶態(tài)處置，又稱激光上釉。非晶態(tài)處置可減少

33、表層成分偏析，消除表層的缺陷和能夠存在的裂紋。非晶態(tài)金屬具有高的力學(xué)性能，在堅持良好韌性的情況下具有高的屈服點和非常好的耐蝕性、耐磨性以及特別優(yōu)良的磁性和電學(xué)性能，遭到資料界的廣泛關(guān)注。.汽車凸輪軸和柴油機鑄鋼套外壁經(jīng)激光外表非晶態(tài)處置后，強度和耐腐蝕性均明顯提高，激光外表非晶態(tài)處置對消除奧氏體不銹鋼焊縫的晶界腐蝕也有明顯效果，還可用來改善變形鎳基合金的疲勞性能等。.d激光外表合金化 激光外表合金化是一種既改動表層的物理形狀，又改動其化學(xué)成分的激光外表處置技術(shù)，方法是用鍍膜或噴涂等技術(shù)把所需合金元素涂敷在金屬外表(預(yù)先或與激光照射同時進展)，這樣，激光照射時使涂敷層合金元素和基體外表薄層熔化、

34、混合，而構(gòu)成物理形狀、組織構(gòu)造和化學(xué)成分不同的新的表層。從而提高表層的耐磨性、耐蝕性和高溫抗氧化性等。.激光外表合金化. e激光氣相堆積激光氣相堆積是以激光束作為熱源在金屬外表構(gòu)成金屬膜，經(jīng)過控制激光的工藝參數(shù)可準確控制膜的構(gòu)成，目前已用這種方法進展了構(gòu)成鎳、鋁、鉻等金屬膜的實驗，所構(gòu)成的膜非常干凈。還可以在金屬外表用激光涂覆陶瓷以提高外表硬度，用激光氣相堆積可以在低級資料上涂覆與基體完全不同的具有各種功能的金屬或陶瓷，這種方法節(jié)省資源效果明顯，遭到人們的關(guān)注。在真空中采用延續(xù)CO2激光把陶瓷資料蒸發(fā)堆積到基材外表,可以在軟的基材外表獲得硬度達2000HV4500HV的非晶BN薄層。.高速運動

35、的電子具有波的性質(zhì)。當高速電子束照射到金屬外表時，電子能深化金屬外表一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。電子與原子核的碰撞可看作為彈性碰撞，因此能量傳送主要是經(jīng)過電子束的電子與金屬表層電子碰撞而完成的。所傳送的能量立刻以熱能方式傳與金屬表層原子，從而使被處置金屬的表層溫度迅速升高。這與激光加熱有所不同，激光加熱時被處置金屬外表吸收光子能量，激光并未穿過金屬外表。目前電子束加速電壓達125kV，輸出功率達150kW，能量密度達103 MWm2，這是激光器無法比較的。因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。76 電子束外表處置.電子束外表處置系統(tǒng). 一、電子束外表處置主要特點 (1)加熱

36、和冷卻速度快將金屬資料外表由室溫加熱至奧氏體化溫度或熔化溫度僅幾分之一到千分之一秒，其冷卻速度可達106s 108 s ； (2)與激光相比運用本錢低電子束處置設(shè)備一次性投資比激光少(約為激光的13)，每瓦約8美圓，而大功率激光器每瓦約30美圓；電子束實踐運用本錢也只需激光處置的一半；.(3)構(gòu)造簡單電子束靠磁偏轉(zhuǎn)動、掃描，而不需求工件轉(zhuǎn)動、挪動和光傳輸機構(gòu)；(4)電子束與金屬外表巧合性好電子束所射外表的角度除3 4小角度外，電子束與外表的巧合不受反射的影響，能量利用率遠高于激光。因此電子束處置工件前，工件外表不需加吸收涂層；(5)電子束是在真空中任務(wù)的，以保證在處置中工件外表不被氧化，但帶來

37、許多不便。(6)電子束能量的控制比激光束方便，經(jīng)過燈絲電流和加速電壓很容易實施準確控制。.(7)電子束輻照與激光輻照的主要區(qū)別在于產(chǎn)生最高溫度的位置和最小熔化層的厚度。電子束加熱時熔化層至少幾個微米厚，這會影響冷卻階段固一液相界而的推進速度。電子束加熱時能量堆積范圍較寬，面且約有一半電子作用區(qū)幾乎同時熔化。電子束加熱的液相溫度低于激光，因此溫度梯度較小，激光加熱溫度梯度高且能堅持較長時間。(8)電子束易激發(fā)X射線，運用過程中應(yīng)留意防護。. 二、電子束外表處置工藝 1電子束外表相變強化處置 2電子束外表重熔處置 3電子束外表合金化處置 4電子束外表非晶化處置.經(jīng)電子束外表合金化處置后的零件.三、

38、電子束外表處置設(shè)備 處置設(shè)備包括：高壓電源、電子槍、低真空任務(wù)室、傳動機構(gòu)、高真空系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)。. 四、電子束外表處置的運用 1汽車離合器凸輪電子束外表處置汽車離合器凸輪由SAE3060鋼(美國構(gòu)造鋼)制成，有8個溝槽需硬化。溝槽深度15mm，要求硬度為58HRC。采用42kW六工位電子束安裝處置，每次處置3個，一次循環(huán)時間為42s，每小時可處置255件。 (2)薄形三爪彈簧片電子束外表處置三爪彈簧片資料為T7鋼，要求硬度為800HV。用1.75kW電子束能量，掃描頻率為50Hz，加熱時間為0.5s。. 離子注入是將所需物質(zhì)的離子在電場中加速后高速轟擊工件外表使之注入工件外表定深度的真空

39、處置工藝，也屬于PVD范圍。離子注入已在外表非晶化、外表冶金，外表改性和離子與資料外表相互作用等方面獲得了可喜的研討成果。特別是在工件外表合金化方面獲得了突出的進展。77 離子注入外表改性.離子注入：在真空下，將注入元素離子在幾萬至幾十萬電子伏特電場作用下高速注入資料外表，使資料外表層的物理、化學(xué)和機械性能發(fā)生變化的方法。離子注入航空液壓泵配流盤離子注入設(shè)備.離子注入：在真空下，將注入元素離子在幾萬至幾十萬電子伏特電場作用下高速注入資料外表，使資料外表層的物理、化學(xué)和機械性能發(fā)生變化的方法。.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構(gòu)造方式，大大改善了工件的運

40、用性能。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運用，尤其是在工具和模具制造工業(yè)的運用效果突出。全方位離子注入與堆積設(shè)備.一、離子注入的原理離子注入安裝包括離子發(fā)生器、分選安裝、加速系統(tǒng)、離子束掃描系統(tǒng)、試樣室和排氣系統(tǒng)。從離子發(fā)生器發(fā)出的離子由幾萬伏電壓引出，進入分選部，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，經(jīng)過掃描機構(gòu)掃描轟擊工件外表。離子進入工件外表后，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二個獨立的過程：.離子進入工件外表后，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二個獨立的過程：(1)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。(2)電子碰撞：入射離子與工件內(nèi)電子的非彈性碰撞，其結(jié)果能夠引起離子激發(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。(3)離子與工件內(nèi)原子作電荷交換。無論那種碰撞都會損失離子本身的能量，離子經(jīng)多次碰撞后能量耗盡而停頓運動，作為一種雜質(zhì)原子留在固體中。.離子進入固體后對固體外表性能發(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。離子注入除了在表而層中添加注