材料成形技術基礎 第8章 表面成形及強化技術

第八章表面成形及強化技術一、熱噴涂技術

1.熱噴涂方法分類：§8-1表面涂層技術熱噴涂火焰噴涂等離子噴涂電弧噴涂其它噴涂方法粉末火焰噴涂線材火焰噴涂爆炸火焰噴涂超音速火焰噴涂大氣等離子噴涂低氣壓等離子噴涂高頻等離子噴涂水穩(wěn)等離子噴涂激光噴涂線爆噴涂2.火焰噴涂（1）線材火焰噴涂：將線材（或棒材）從噴涂槍中心孔送出，并使線材（或-棒材）端部進入氧－燃氣火焰熔化，周圍的壓縮空氣流（霧化氣）將熔化的金屬微粒化，并噴射到基材表面沉淀為涂層§8-1表面涂層技術線材火焰噴涂原理示意§8-1表面涂層技術（2）粉末氣體火焰噴涂：粉末材料由送料罐內自然落下而進入，或由自動送給粉末裝置將粉末送入噴槍內部的氣流中，隨氣流從噴嘴端部的燃燒火焰噴出，在飛行中加熱和加速，成為熔融粒子，高速地撞擊到基體表面上成為扁平狀粒子，形成所需涂層（3）超音速火焰噴涂：當一定壓力的氧氣與氣體燃料在燃燒室內燃燒產生的壓力使得燃氣流在噴槍出口處的排泄達到阻塞條件時，從出口處排出的火焰流可達到超音速粉末氣體火焰噴涂原理示意超音速火焰噴涂槍原理示意3.等離子弧噴涂將粉末送進高溫、高速等離子弧中加熱熔化并使其高速撞擊于基體表面形成涂層4.電弧噴涂送入噴槍的兩根噴涂用線材彼此絕緣，在噴槍端部分別接直流電源的正、負極，兩根線材在噴嘴端部形成電弧。利用電弧熱熔化線材，通過高壓氣體或壓縮空氣霧化成小顆粒并加速使其向基體表面噴去，在表面形成涂層§8-1表面涂層技術等離子弧噴涂原理示意電弧噴涂原理示意1-直流電源，2-金屬絲，3-送絲滾輪，4-導電塊，5-導電嘴，6-空氣噴嘴，7-電弧，8-噴涂射流二、涂層結合機理、結構特點及噴涂材料1.熱噴涂層與基體結合機理●機械結合●金屬鍵結合●微擴散結合●微熔合§8-1表面涂層技術2.涂層結構特點涂層平行和垂直于表面的兩個方向性能不一致，表現為涂層結構不均勻性涂層是由撞擊基體表面的熔融粒子堆積而成，因此必然會存在許多沒有完全填滿的部位，表現為涂層的多孔性一般情況下（低壓等離子噴涂和惰性氣體中噴涂除外），熔融顆粒表面都覆蓋有氧化膜，因此涂層中含有大量氧化膜，表現為涂層化學不均勻性由于熔融粒子的快速冷卻和收縮，會產生內應力，表現為涂層中存在有較大內應力3.熱噴涂材料自熔合金：含有一定量B、Si的鎳基、鐵基、鈷基和銅基合金，為了提高涂層性能，除了B、Si外還有Cr、C等元素陶瓷材料：Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2等氧化物為最常用的一類陶瓷噴涂材料。ZrO2主要用作熱障涂層，其他的常用于耐磨損零件金屬陶瓷：碳化物由于高溫穩(wěn)定性差，一般用金屬作粘接劑制成金屬陶瓷粉末自粘結噴涂粉末：常用的自粘結性粉末有Ni-Al和NiCr-Al復合粉末這種復合粉末常采用包覆形式

§8-1表面涂層技術三、電鍍、化學鍍及堆焊1.電鍍：在含有欲鍍金屬的鹽溶液中，以被鍍工件為陰極，通過電解作用，使鍍液中欲鍍金屬的陽離子在工件表面上還原成金屬（或合金）的過程隨著電鍍技術的廣泛應用，開發(fā)了許多電鍍工藝，主要包括合金電鍍、復合電鍍、電刷鍍等§8-1表面涂層技術合金電鍍：是在一個鍍槽中同時沉積含有兩種或兩種以上金屬元素形成合金鍍層的技術復合電鍍：是在金屬電沉積過程中，將懸浮在電鍍液中的一種或數種不溶性的固體顆粒，與金屬一起均勻地沉積夾雜到金屬鍍層，形成復合鍍層的方法電刷鍍：浸滿鍍液的毛刷或鍍筆作陽極，工件作陰極。鍍筆在工件表面上移動，兩者之間鍍液中的金屬離子在電場作用下移到工件表面，獲得電子后還原成金屬原子，在表面沉淀結晶，形成鍍層§8-1表面涂層技術電刷鍍：浸滿鍍液的毛刷或鍍筆作陽極，工件作陰極。鍍筆在工件表面上移動，兩者之間鍍液中的金屬離子在電場作用下移到工件表面，獲得電子后還原成金屬原子，在表面沉淀結晶，形成鍍層電刷鍍原理示意§8-1表面涂層技術2.化學鍍：又稱為無電解鍍。是采用某種還原劑，把溶液中的金屬離子還原為金屬，沉積在經過處理，具有催化活性的金屬或非金屬基體表面通過化學鍍可鍍的金屬有Ni、Co、Pt、Cu、Ag、Au等金屬及其合金3.堆焊：堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一層金屬的工藝過程，其目的不是為了連接零件，而是為了使零件獲得具有耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的熔敷金屬材料，或是為了恢復或增加零件的尺寸四、表面沉積1.物理氣相沉積：真空蒸鍍：真空蒸鍍常在1×10-2~2×10-4Pa的真空度下進行，加熱置于坩鍋內的材料，使其蒸發(fā)（或升華），產生的蒸氣原子（或分子）向周圍運動，當碰到溫度較低的基體時，將凝結在基體表面形成鍍膜§8-1表面涂層技術真空蒸鍍原理示意濺射鍍膜：利用輝光放電或離子源產生的包括正離子在的荷能離子轟擊靶材時，通過粒子動能傳遞打出靶材中的原子及其它粒子，即為濺射過程，使濺射出來的原子或其他粒子沉積凝集在基體表面形成薄膜的方法離子鍍（IP）：通過蒸發(fā)源，在真空條件下使金屬或合金蒸發(fā)，利用某些惰性氣體的輝光放電使氣化的物質離子化，離子在高電壓電場的作用下加速向工件（陰極）運動，在工件表面接受電子，并沉積在帶電的工件上，形成鍍層§8-1表面涂層技術離子鍍原理示意2.化學氣相沉積（CVD法）將常溫下不發(fā)生化學反應的單質氣體或氣體化合物，利用運載氣體送至被加熱到高溫的襯底表面附近，在其表面上發(fā)生化學反應生成固態(tài)物質并沉積于襯底之上形成固態(tài)薄膜可以制備各種用途的薄膜，主要包括絕緣體薄膜，導體及超導體薄膜以及防腐耐磨薄膜，同時用于高熔點金屬的提純，新材料的制備§8-1表面涂層技術化學汽相淀積原理示意一、固態(tài)表面強化在工件表面通過機械的作用使其產生塑性變形實現表面強化。在工業(yè)上常用的表面加工硬化方法有拋丸處理、滾壓加工、內孔擠壓等，其中以拋丸處理應用最廣泛§8-2表面改性技術二、表面相變強化依熱源不同，其方法分有：

●感應加熱表面淬火●激光加熱表面淬火●火焰加熱表面淬火●電子束加熱表面淬火目前應用較多的為感應加熱與激光加熱表面淬火三、化學熱處理強化利用固態(tài)擴散使合金元素滲入金屬表面層的一種熱處理強化工藝主要用途有兩個方面：①是提高工件表面的疲勞強度、硬度和耐磨性，如滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、硫氮共滲、碳氮硼共滲②是增加工件表面抗腐蝕、氧化性能，如滲鉻、滲硅、滲硼可提高工件表面抗腐蝕性，而滲鋁、滲鉻可增加工件表面的抗氧化性§8-2表面改性技術四、液態(tài)表面強化1.激光表面熔化——凝固處理：使激光束能量進一步增加，金屬表面層溫度超過固相線溫度而熔化，然后依靠基體自冷效應使表面層熔體快速凝固，則可獲得特殊的表層組織。當激光熔凝處理時，冷卻速度可高達106℃/s，這一冷速足以抑制正常晶粒的形成，使表層1~100μm深度內產生亞穩(wěn)結構2.激光表面合金化：是在激光束作用下，將一種或多種合金元素與基體表面一起快速熔凝，從而使價廉材料表面具有預定的高合金結構與特性的技術它比激光表面熔化--凝固處理多了向表面添加合金元素的內容，從而使表面不僅因快速冷卻產生組織變化，而且便其成分也有不同的變化§8-2表面改性技術3.激光熔敷處理●是將具有表層擬得到成分的合金粉末預先涂敷在零件表面，通過激光束使之熔化并與基材達到冶金結合●目前常用的工藝是將自熔合金粉末用粘接劑調成膏狀涂敷在待熔敷的表面，有時也用各種噴涂方法將合金粉末噴在待熔敷表面，而后用激光束照射●為防止處理時，金屬或合金粉末的氧化，在激光照射的同時，對照射區(qū)噴惰性氣體（氬氣或氦氣）保護§8-2