第六章表面改性技術

表面改性技術教師：強穎懷學院：材料學院當前1頁，總共199頁。6.1激光束表面處理技術最引人注目的技術之一成功地走向工業(yè)化生產應用傳統(tǒng)的表面處理技術相競爭提高制品的性能和壽命獲得極大的社會效益和經濟效益當前2頁，總共199頁。6.1激光束表面處理技術相位一致方向性好波長單一優(yōu)越的聚光性可以獲得很高的能量密度高能束表面改性技術中的一種主要手段當前3頁，總共199頁。6.1激光束表面處理技術激光束表面處理：采用激光對材料表面進行改性的一種表面處理技術。激光照射到材料表面表層材料受熱升溫激光作用后冷卻激光被吸收變?yōu)闊崮芄虘B(tài)相變/熔化/蒸發(fā)當前4頁，總共199頁。加熱速度快：105-109℃/S自冷速度高：＞104℃/S輸入功率小，工件變形小可局部加熱精確控制：線加工自動化但反射率高、轉換率低、設備昂貴、不能大面積6.1激光束表面處理技術當前5頁，總共199頁。激光與材料：反射與吸收；吸收通過大量傳導電子的帶間躍遷實現。波長越短，吸收率高越粗糙，越易吸收溫度升高、吸收越多：熔點40-50%，沸點90%雜質影響吸收黑化處理：碳素/磷化/油漆6.1激光束表面處理技術當前6頁，總共199頁。激光相變激光電鍍：陰極加熱激光物理氣相沉積激光化學氣相沉積6.1激光束表面處理技術激光熔融激光表面沖擊當前7頁，總共199頁。1.激光相變硬化：在固態(tài)下經受激光輻照，其表層被迅速加熱到奧氏體溫度以上，并在激光停止輻射后快速淬火得到馬氏體組織的一種工藝。加熱和冷卻速度高：105～109℃/S高硬度：比常規(guī)淬火提高15%～20%變形?。杭訜釋颖∑趶姸雀呒す獗砻嫣幚砉に嚠斍?頁，總共199頁。

由于激光加熱速率極快，相變在很大的過熱度下進行，形核率很大。因加熱時間短，碳原子的擴散及晶粒的長大受到限制，所以得到的奧氏體晶粒小。冷卻速率也比使用任何淬火劑都快，因而易得到隱針或細針馬氏體組織。激光表面處理工藝當前9頁，總共199頁。低碳鋼可分為兩層：外層是完全淬火區(qū)，組織是隱針馬氏體；內層是不完全淬火區(qū)，保留有鐵素體。中碳鋼可分為四層：外層是白亮的隱針馬氏體，硬度HV達800，比一般淬火硬度高出100以上；第二層是隱針馬氏體加少量屈氏體，硬度稍低；第三層是隱針馬氏體加網狀屈氏體，再加少量鐵素體；第四層是隱針馬氏體和完整的鐵素體網。激光表面處理工藝當前10頁，總共199頁。高碳鋼也可分為兩層：外層是隱針馬氏體；內層是隱針馬氏體加未溶碳化物。

鑄鐵大致可分為三層：表層是熔化－凝固所得的樹枝狀結晶，此區(qū)隨掃描速度的增大而減小；第二層是隱針馬氏體加少量殘留的石墨及磷共晶組織；第三層是較低溫度下形成的馬氏體。激光表面處理工藝當前11頁，總共199頁。

美國正在研究用激光淬火處理飛機的重載齒輪，以取代滲碳淬火的化學熱處理工藝。----直升飛機輔助動力裝置的行星齒輪

----飛機主傳動裝置的傳動齒輪用激光硬化的飛機重載齒輪，不需要最后研磨，大大降低了生產成本，提高生產率。----采用激光硬化飛機發(fā)動機氣缸內壁，比氮化處理快14倍，且所得到的硬化層比經過10～20h氮化處理的硬化層還厚，質量優(yōu)良，幾乎無變形。激光表面處理工藝當前12頁，總共199頁。應用實例內燃機活塞環(huán)激光相變硬化

活塞環(huán)是內燃機易損基礎件之一。為提高活塞環(huán)耐磨性延長其使用壽命，對由42CrMo鋼制備的活塞環(huán)溝內側進行了激光相變硬化處理。

工藝：激光輸出功率1.65kw，掃描速度22mm/s，光斑直徑3mm。激光表面處理工藝當前13頁，總共199頁。應用實例

內燃機活塞環(huán)溝側面激光相變硬化

效果：激光硬化區(qū)主要是由細長板條馬氏體和其間不連續(xù)分布的奧氏體所組成；除位錯亞結構外，在局部區(qū)域還出現了平行排列的微細孿晶組織；硬化區(qū)最大硬度為713HV0.1；硬化層深為0.5mm；激光硬化表面光潔度基本保持不變，變形量滿足形位公差要求。激光表面處理工藝當前14頁，總共199頁。應用實例螺桿壓縮機轉子軸頸激光相變硬化

螺桿壓縮機轉子是制冷機的關鍵部件，現多采用球墨鑄鐵制備而成，其主要失效形式是軸頸發(fā)生嚴重磨損。為此，采用激光相變硬化技術對軸頸進行強化處理。激光表面處理工藝當前15頁，總共199頁。螺桿壓縮機轉子軸頸激光相變硬化

工藝：激光輸出功率1.1kw，掃描速度17mm/s，光斑直徑4mm。

效果：激光硬化區(qū)主要是由針狀馬氏體、奧氏體及團絮狀組織所組成；硬化區(qū)平均硬度達HRC60以上；硬化區(qū)層深為1mm；使用壽命提高3倍。激光表面處理工藝當前16頁，總共199頁。編號零件名稱材

料優(yōu)點或效果1錠桿GCr15硬化區(qū)深0.94mm，峰值硬度980HV0.1,相對耐磨性提高10倍2成形刀高速鋼刀具耐用度提高2.5～3.5倍，切削速度提高7～8倍3氣缸套鑄鐵比硼缸套壽命高25％，與活塞環(huán)配制壽命提高30％4精密儀器V型導軌45鋼較原來滲碳工藝減少工序，變形極小，成品率高激光表面處理工藝當前17頁，總共199頁。2.激光表面熔凝處理：利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續(xù)掃描，使之迅速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使熔池中的金屬液以極高的速度冷卻、凝固，從而使金屬表面產生特殊的微觀組織結構的一種表面改性技術。細化鑄造晶粒過飽和固溶體減少偏析非晶體改變表層結構激光表面處理工藝當前18頁，總共199頁。激光熔化淬火處理后的ZL101及的晶粒尺寸僅為原來的1/10，硬度可提高30%左右。AA390鋁合金，處理前合金組織中鑲有60μm大的Si顆粒，處理后硅的顆粒變?yōu)?～4μm。鑄造合金一般都存在著氧化物、硫化物等夾雜和疏松，用激光把表面重熔就可以把雜質、氣孔、化合物釋放出來，同時把表面層細化。激光表面處理工藝當前19頁，總共199頁。為了提高灰鑄鐵及球墨鑄鐵的耐磨性，采用激光加熱表面熔化－結晶處理使其表面白口化，可顯著提高耐磨性，這種處理方法在生產上使用較多。如采用二氧化碳激光器對鉻鉬合金鑄鐵活塞環(huán)進行熔化一結晶處理，可獲得由細小碳化物與隱晶馬氏體所組成的極細萊氏體。萊氏體的硬化層深度為0.10～0.20mm，硬度為1000～2000HV。激光表面處理工藝當前20頁，總共199頁。

通過快磨試驗、汽車臺架試驗與裝車考核試驗證明，活塞環(huán)的磨損量減少，使用壽命提高。采用激光加熱表面熔化--結晶處理灰鑄鐵，在白口區(qū)硬度達到1070～1210HV。美國阿爾科公司利用這種方法處理灰鑄鐵的凸輪軸等零件，表面形成萊氏體組織，硬度為52～54HRC。激光表面處理工藝當前21頁，總共199頁。

與表面淬火相比，顯著地提高了耐磨性和抗蝕性，縮短了熱處理時間，保證了產品質量。印刷郵票用的輥式打孔器，輥外徑為365mm，長645mm，壁厚9.7mm；輥筒材料為50鋼。輥面上需使用程控鉆床打出2.5萬個φ0.98mm的孔。過去因打孔器技術沒過關，以致不能滿足需要。我國現已采用激光處理的辦法使孔刃部達60HRC以上，攻克了這一難題。激光表面處理工藝當前22頁，總共199頁。非晶態(tài)金屬具有較高的強韌性及非常好的抗腐蝕性和抗磨損性能。激光掃描處理Fe－P－Si合金得到的非晶態(tài)硬化層的硬度是基體硬度的5～6倍。航空發(fā)動機渦輪盤表面形成一非晶態(tài)層，使其重量減少50%。激光表面處理工藝當前23頁，總共199頁。

激光非晶化就是用激光的手段在金屬表面上制得非晶層的技術，有有時稱之為激光上釉，是非晶態(tài)金屬獲得的一個重要手段。采用激光掃描處理Fe－P－Si合金得到的非晶態(tài)硬化層的硬度為1300～1500HV，是基體硬度的5～6倍。目前國內外對激光非晶態(tài)處理給予極大的關注，認為它是制作非晶態(tài)合金的一種很有前途的技術。

激光表面處理工藝當前24頁，總共199頁。激光非晶體的應用正在開發(fā)中。美國工藝研究中心采用此工藝在航空發(fā)動機渦輪盤表面形成一非晶態(tài)層，使其重量減少50%。該工藝已應用于生產F－15型戰(zhàn)斗機用的F100型發(fā)動機上。激光表面處理工藝當前25頁，總共199頁。3.激光表面合金化：利用激光束使合金涂層與基體金屬表面混合熔化，在很短的時間內，形成不同化學成分和結構的表面合金?？色@得理想合金或亞穩(wěn)態(tài)合金。區(qū)域合金化有效利用能量精確控制密度和深度不規(guī)則零件合金激光表面處理工藝激光合金化是表面改性處理的新方法，特別適用于工件的重要部位的處理，這樣既改善了工件的使用壽命，又可簡化工藝和節(jié)約昂貴的整體合金。激光表面合金化的基本目的也是為了提高表面的耐磨、耐蝕性等性能。當前26頁，總共199頁。（1）鐵基系在某些情況下，鋼中加入Cr，Ni，Mo等貴重元素不是為了提高整體強度，而是為了防止環(huán)境對表面的損傷，此時采用表面合金化可使成本大大降低。例如，用70%Cr－30%Ni的金屬粉末對一般碳鋼進行激光表面合金化，表面可獲得29%Cr-13%Ni的合金，該合金在1mol/LH2SO4中的極化曲線與18-8不銹鋼的極化曲線相似，有幾乎一樣的鈍化能力，即具有相同的耐蝕性。

激光表面處理工藝當前27頁，總共199頁。（2）有色金屬系在鋁合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究。例如以Si合金化可達到的硬度是200HV，以Cu合金化可達300HV，以Fe合金化可達300～500HV，

激光表面處理工藝當前28頁，總共199頁。（3）金屬硅化物激光表面合金化另外一個應用領域是制作硅上面的金屬觸點。1978年Poate等人用雙頻激光輻照，把Pt，Pd和Ni膜合金化到Si中，試樣表面被熔化并在橫向產生非常均勻的合金層，其平均成分可通過改變膜厚和激光功率在一定的范圍內變化。用連續(xù)波激光加熱固體有可能形成單相硅化物。

激光表面處理工藝當前29頁，總共199頁。4.激光表面熔覆：在金屬基體表面上預涂一層金屬、合金或陶瓷粉末，在進行激光重熔時，使添加層熔化并使基體表面層微熔，從而得到一外加的熔覆層。激光表面處理工藝當前30頁，總共199頁。

與表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔，這樣一來避免了熔化基體對添加層的稀釋，可獲得具有原來特性和功能的強化層。激光表面熔覆于1981年被成功地應用于大型噴氣客機渦輪葉片發(fā)動機的高壓透平葉片護罩后，引起了重視，目前已經成為國內外激光表面改性研究的熱點。激光表面處理工藝當前31頁，總共199頁。

1．激光包覆激光包覆工藝是繼激光淬火之后，第二個在工業(yè)中獲得應用的一種激光表面改性技術。激光包覆適用于易磨損、腐蝕和受沖擊的零件，無論是在包覆展質量還是在工藝性和經濟性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的堆焊和熱噴涂工藝，其工業(yè)應用前景廣闊。激光表面處理工藝當前32頁，總共199頁。

1．激光包覆激光包覆是選擇硬度高、耐磨、耐蝕和抗疲勞性能好的材料包覆工件表面，然后用大功率激光束掃描，將包覆材料熔化到基體表面，形成包覆層。激光包覆具有粘結牢靠，包覆層厚度容易控制，操作簡單和加工周期短等優(yōu)點。激光表面處理工藝當前33頁，總共199頁。

1．激光包覆英國已采用計算機控制的激光包覆工藝取代手工氬弧堆焊工藝，在發(fā)動機渦輪葉片上包覆鈷基合金，可得到無氣孔、無裂紋的高性能包覆層，工效提高11倍，成本降低80%，鈷基合金的消耗量減少50%。另外，在制造電接觸器時，用激光包覆工藝取代化學涂覆工藝，在銅基體上包覆銀層，可大大提高生產率和降低成本消耗。激光表面處理工藝當前34頁，總共199頁。

2．陶瓷層激光涂覆火焰噴涂和等離子噴涂等熱噴涂的方法廣泛用來進行陶瓷涂覆。但所有這些方法都不能令人滿意。因為它們獲得的涂層含有過多的氣孔、熔渣夾雜和微觀裂紋，而且涂層結合強度低，易脫落。這會導致高溫時由于內部硫化、剝落、機械應變降低、坑蝕、滲鹽和滲氧而使涂層早期變質和破壞。使用激光進行陶瓷涂覆，即可避免產生上述缺陷，提高涂層質量，延長使用壽命。

激光表面處理工藝當前35頁，總共199頁。應用實例：

寬帶激光熔覆Ni-WC復合涂層1、熔覆材料體系：基材為38CrMoAl，涂層材料為Ni60B+25vol.%WC復合熔覆粉末。

2、工藝：激光輸出功率為2.2kw，掃描速度為3mm/min，送粉率為9g/min，光斑尺寸為15mm×1.5mm。

激光表面處理工藝當前36頁，總共199頁。應用實例：

寬帶激光熔覆Ni-WC復合涂層1、熔覆材料體系：基材為38CrMoAl，涂層材料為Ni60B+25vol.%WC復合熔覆粉末。

2、工藝：激光輸出功率為2.2kw，掃描速度為3mm/min，送粉率為9g/min，光斑尺寸為15mm×1.5mm。

激光表面處理工藝當前37頁，總共199頁。應用實例：

寬帶激光熔覆Ni-WC復合涂層3、效果：復合涂層熔覆區(qū)主要是由g-Ni、WC、W2C、M23C6及M7C3所組成；涂層厚度為1mm；稀釋度為7%；涂層合金最高硬度為900HV0.1。

4、應用范圍：a)軸件修復；b)新產品，以提高使用壽命。激光表面處理工藝當前38頁，總共199頁。3．有色金屬激光涂履激光表面涂覆可以從根本上改善工件的表面性能，很少受基體材料的限制。這對于表面耐磨、耐蝕和抗疲勞性都很差的鋁合金來說尤為重要。但是，有色金屬特別是鋁合金表面實現激光涂覆比鋼鐵材料困難得多。鋁合金與涂覆材料的熔點相差很大，而且鋁合金表面存在高熔點、高表面張力、高致密度的Al2O3氧化膜，所以，涂層易脫落、開裂、產生氣孔或與鋁合金混合生成新合金，難以獲得合格的涂層。激光表面處理工藝當前39頁，總共199頁。3．有色金屬激光涂履研究表明，避免涂層開裂的簡單方法是工件預熱。一般鋁合金預熱溫度為300℃～500℃；鈦合金預熱溫度為400℃～700℃。國內對ZL101鋁合金發(fā)動機缸體內壁進行激光涂覆硅粉和MoS2，獲得0.1mm～0.2mm的硬化層，其硬度可達基體的3.5倍。鋁合金的激光熔覆已在國外獲得應用。

激光表面處理工藝當前40頁，總共199頁。5.激光表面沖擊硬化：以高功率密度的脈沖激光在極短的時間內照射金屬表面，使表面金屬劇烈氣化，產生了強的機械沖擊波和應力波，使材料表面硬化。激光表面處理工藝激光沖擊硬化是正在開發(fā)的一種材料表面改性技術，它不僅可以大大提高材料的強度和硬度，而且能有效提高鋼、鋁、鈦等合金的抗疲勞性能。當前41頁，總共199頁。

由于沖擊波持續(xù)的時間短，因而產生的變形很小，適于處理成品零件。如果用激光沖擊硬化處理齒輪和軸承等精加工的工作面，就可以阻止處理部位裂紋的擴展。因此，激光沖擊硬化對提高材料的安全性、可靠性和使用壽命具有重要意義。各種材料經過激光表面改性處理以后，可以得到硬度很高、晶粒和組織很細的強化層，它與基體的結合屬于緊密的冶金結合。雖然在大多數情況下不經回火而直接裝配使用，卻并不表現出脆性，具有優(yōu)良的性能。激光表面處理工藝當前42頁，總共199頁。用激光沖擊波對飛機結構中的緊固件進行處理，其緊固件的高頻疲勞壽命，處理后比處理前要延長100倍，這對提高飛機的性能起著決定性的作用。另外，用激光照射鋁合金表面，由于沖擊硬化，鋁合金構件的疲勞壽命和焊縫強度得到顯著改善。激光表面處理工藝當前43頁，總共199頁。

各種材料經過激光表面改性處理以后，可以得到硬度很高、晶粒和組織很細的強化層，它與基體的結合屬于緊密的冶金結合。雖然在大多數情況下不經回火而直接裝配使用，卻并不表現出脆性，具有優(yōu)良的性能。

激光表面改性對性能的影響當前44頁，總共199頁。一、力學性能1．硬度比感應熱處理的硬度略高T12鋼：1050HVT8鋼：980HV45鋼：780HV，W19Cr4V高速鋼：1000～1100HV。原因：馬氏體產生變形，馬氏體的細化、殘余奧氏體的數量減少和存在碳化物等因素有關。激光表面改性對性能的影響當前45頁，總共199頁。2．疲勞性能

對15MnVN，25CrMnSi等低含碳量的鋼進行激光相變強化，疲勞壽命有較大幅度的提高。3．耐磨性能

利用各種激光表面強化方法對鋼進行強化，提高耐磨性能的效果是很顯著的?；铱阼T鐵、球墨鑄鐵等材料，經過激光表面強化以后，提高耐磨性的效果也是顯著的。

激光表面改性對性能的影響當前46頁，總共199頁。二、殘余應力

對鋼進行激光表面強化以后，能夠造成表面殘余壓應力，到一定深度后，殘余應力的性質轉變?yōu)槔瓚?。例如，?2CrMo鋼用152W激光互搭掃描后，表面殘余壓應力可達19.6～68.6MPa，到0.1mm深度后轉變?yōu)闅堄嗬瓚Γ_到176.5～323.6MPa左右。表面殘余壓應力的存在，有利于提高鋼的疲勞強度，推遲鋼鐵零件在工作過程中裂紋的萌生和發(fā)展。

激光表面改性對性能的影響當前47頁，總共199頁。激光電鍍：激光可以提高金屬的沉積速度，同等面積可使金屬的電沉積速度提高三個數量級以上。溫度升高，攪拌作用！激光表面處理工藝當前48頁，總共199頁。激光氣相沉積

激光氣相沉積是以激光束作為熱源在金屬表面形成金屬膜，通過控制激光的工藝參數可精確控制膜的形成。目前已用這種方法進行了形成鎳、鋁、鉻等金屬膜的試驗，所形成的膜非常潔凈。用激光氣相沉積可以在低級材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，受到人們的關注。

激光表面處理工藝當前49頁，總共199頁。激光化學氣相沉積是將激光照射至TiCl4＋H2＋CO2，或TiCl4＋CH4的混合氣體中，由于激光的熱分解作用，在基體上沉積出TiO2或TiC膜層。激光化學氣相沉積法是半導體產業(yè)的一種新型激光技術，采取此法可進行空間選擇的光輻射，在照射區(qū)成膜，只需一道工序就可同時進行成膜和圖案的制作，使器件滿足用戶的要求，這是半導體工業(yè)的一次性革命開拓，利用此法可制作金屬、半導體、電介質等薄膜。

激光表面處理工藝當前50頁，總共199頁。

激光物理氣相沉積是利用激光照射并使陶瓷材料瞬間蒸發(fā)，然后沉積到基體材料表面上，以形成各種陶瓷層，例如，TiN、WC、SiN4、BN、SiAlON陶瓷層等。這種方法可以實現高性能和小型化的機械零件（如軸承、滑動零件）高精度和高壽命的要求，陶瓷層的耐磨性和自潤滑性能優(yōu)良。

激光表面處理工藝當前51頁，總共199頁。6.2電子束表面改性技術電子束表面改性技術與激光技術一樣，都是近年來迅速發(fā)展起來的表面處理新技術，它具有節(jié)約能源、防止環(huán)境污染、提高生產率和提高產品質量等優(yōu)點，已在各發(fā)達國家得到廣泛應用。

第六章表面改性新技術當前52頁，總共199頁。電子束技術概述電子束是一束集中的高速電子。它的速度取決于加速電壓的高低，可達到光速的2／3左右。具有高的功率和功率密度的電子束撞擊材料表面，可使能量沉積在材料的亞表層區(qū)域，并可形成亞穩(wěn)金屬合金?？稍趲追种幻肷踔燎Х种幻氚呀饘俨牧嫌墒覝丶訜嶂翃W氏體轉變溫度或熔化溫度。

第六章表面改性新技術當前53頁，總共199頁。電子束表面改性的特點（1）電子束淬火處理在真空中進行，減少了氧化、氮化的影響，可得到純凈、質量很好的表面處理層。（2）電子束加熱能量的轉換率為80%～90%，能量利用率非常高。并且可以局部淬火和表面合金化，避免了整體加熱，所以應用電子束可以大大節(jié)約能源，屬節(jié)能型表面改性法。第六章表面改性新技術當前54頁，總共199頁。電子束表面改性的特點（3）電子束淬火時靠金屬基體自行冷卻淬火介質，一般也不需要特別的冷卻裝置。（4）由于能量集中、熱作用點小，在加熱時形成的熱應力??；由于硬化層淺，組織應力也小，所以零件變形小。（5）在進行表面合金化時，能在極短的時間內達到一般滲金屬幾小時或幾十小時的滲層效果。第六章表面改性新技術當前55頁，總共199頁。電子束表面改性的特點（6）電子束加熱可以用于各種鋼種和鑄鐵的表面硬化以及表面合金化，也適用形狀復雜的零件的處理，所以用途較為廣泛。（7）電子束功率等參數可以控制，因此，表面改性的位置、深度等工藝和性能指標也能嚴格控制。

第六章表面改性新技術當前56頁，總共199頁。電子束表面改性方法一、電子束表面相變強化在加熱時，電子束以很高的速度轟擊金屬表面，電子與金屬材料中的原子相碰撞，給原子以能量，使金屬表面溫度迅速升高。由于電子束能量密度高，作用于金屬表面的能量集中，故而溫度梯度很大，當表面達到相變點以上溫度時，基體金屬仍保持冷態(tài)。實現金屬表面“自淬火”。第六章表面改性新技術當前57頁，總共199頁。電子束表面改性方法一、電子束表面相變強化獲得一種超細晶粒組織。這是電子束快速加熱的最大特點。淬硬層組織的致密性很好，有較高的耐腐蝕性能。第六章表面改性新技術當前58頁，總共199頁。二、電子束表面合金化將具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金屬表面上，然后用電子束加熱熔化，或在電子束作用的同時加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，使零件表面形成一層很薄的具有良好性能的合金表面層，從而使金屬表面能獲得很好的耐磨、耐腐蝕及耐熱的性能。第六章表面改性新技術當前59頁，總共199頁。二、電子束表面合金化用電子束快速加熱進行表面合金化處理，盡管時間很短，但仍完成了液體金屬的混合和合金元素的擴散并重新分布的過程，從而獲得了滿意的表面合金化結構與硬度。

第六章表面改性新技術當前60頁，總共199頁。三、電子束表面非晶化電子束表面非晶化處理與激光表面非晶化處理相似，只是所用的熱源不同而已。利用聚焦的電子束所特有的高功率密度以及作用時間短等特點，可在表面的下層受熱最小的情況下，使材料的表面熔化形成小液池，這樣便能獲得極快的冷卻速度。第六章表面改性新技術當前61頁，總共199頁。三、電子束表面非晶化如在表層熔化0.025mm深度時，可獲得106℃／S的冷卻速度。由于快速凝固細化顯微組織，可獲得致密性極好的非晶態(tài)層，這種非晶態(tài)組織具有很高抗腐蝕與抗疲勞的性能。

第六章表面改性新技術當前62頁，總共199頁。四、電子束表面重熔利用電子束轟擊工件表面使表面產生局部熔化并快速凝固，從而細化組織，達到硬度和韌性的最佳配合。對某些合金，電子束重熔可使各組成相間的化學元素重新分布，降低某些元素的顯微偏析程度，改善工件表面的性能。第六章表面改性新技術當前63頁，總共199頁。四、電子束表面重熔目前，電子束重熔主要用于工模具的表面處理上，以便在保持或改善工模具韌性的同時，提高工模具的表面強度、耐磨性和熱穩(wěn)定性。第六章表面改性新技術當前64頁，總共199頁。五、電子束表面熔覆利用電子束熔覆處理技術時，向熔化區(qū)添加合金元素，在材料表面產生一些覆蓋層，像一些薄的銀箔、金箔等薄片、金屬絲或者像電沉積層一樣，在熔化區(qū)可得到所希望的化學成分的覆蓋層。

第六章表面改性新技術當前65頁，總共199頁。6.2.3電子束表面改性技術的應用

從當前電子束表面熱改性技術的應用現狀來看，基本上仍是以鋼和鑄鐵的電子束淬火為主。例如在汽車用的轉缸式發(fā)動機中振動最厲害的頂部密封件的制造，就采用了電子束熔融處理技術。第六章表面改性新技術當前66頁，總共199頁。6.2.3電子束表面改性技術的應用該密封件是有貝氏體組織的鑄鐵材料，不僅要求具有一定的強度和韌性，還要使其側面和端面具有抗磨性，因為它工作時其密封面是在鍍硬鉻的次擺線面上滑動。把這個密封面用電子束熔化約3mm深，由于速冷，可得到比任何鑄件都細的滲碳體組織。第六章表面改性新技術當前67頁，總共199頁。6.2.3電子束表面改性技術的應用電子束表面淬火的工件主要有Ｖ型零件，如滑槽的凸緣，導軌的軌道底板，機床緊固裝置上的導向平面和臺板等；周邊要進行淬硬的旋轉對稱部件，例如套筒、轉動軸、心軸等；錐形外表面或內表面要淬硬的旋轉對稱部件，例如閥門、錐齒輪等；第六章表面改性新技術當前68頁，總共199頁。5.2.3電子束表面改性技術的應用幾何形狀和外觀規(guī)則或不規(guī)則的特殊零件，如凸輪盤、連接元件、正齒輪圈等；端面淬火的旋轉對稱件，如導向圈和推力環(huán)等；工具或其它零件，如沖壓沖頭、擠壓模塊、鍛造模塊、葉片、刀片等。第六章表面改性新技術當前69頁，總共199頁。第六章表面改性新技術當前70頁，總共199頁。材料表面熱擴滲處理是將工件放入一定的活性介質中，使金屬元素或非金屬元素擴散到工件表層中，改變表層化學成分，可得到一擴散合金層，有時表面上還會形成化合物層，從而獲得所需的組織和性能。該技術的突出特點是表面強化層的形成主要依靠加熱擴散的作用，滲層與金屬基體的結合是冶金結合，它們之間無明顯的分界面，它們的成分、組織和性能是逐漸變化的。第六章表面改性新技術當前71頁，總共199頁。按接觸介質劃分有固體法、液體法、氣體法和等離子法。按滲入元素的種類進行分類，滲碳、滲氮、如滲硼、氮碳共滲、硼鋁共滲等。

1．固體法

1）粉末法粉末法是固體法中最普通的方法，歷史最為悠久，至今世界各國仍以此法應用最多。第六章表面改性新技術當前72頁，總共199頁。這種方法的早期應用是把工件埋入裝有滲層金屬粉末的容器里進行加熱擴散，但由于燒結使得表面難以清理，后來便進行了改進，在粉末中加入了防粘結粉末（如Al2O3）和活化劑（助滲劑）?；罨瘎┮话銥辂u化物，如NH4Cl，NH4I等。粉末法的優(yōu)點是設備簡單，操作容易，適用于形狀復雜的工件的滲鍍；缺點是效率低，尺寸受限制，溫度高，時間長，基體金屬的強度有一定降低。第六章表面改性新技術當前73頁，總共199頁。2）流化床法這種方法與粉末法相似，不同之處是將工件放于帶有固體滲劑的流化床內，然后加熱，同時通入運載氣體（H2，Ar），使之與流體粒子反應產生欲滲金屬的活性原子滲入工件。優(yōu)點:傳熱性好，滲速快，滲層質量高,有利于機械化和自動化；缺點:流化床設備裝置成本極高，運轉費用大，因此這種方法尚未推廣使用。第六章表面改性新技術當前74頁，總共199頁。2．液體法目前世界上采用的較新的液體法熱擴滲技術是鹽浴法，其基本原理是在金屬鹽熔融液體中加入V、Nb、Cr、Ti、Ta等鐵合金粉末，然后把含有較高C，N的鋼件浸入（可預先進行滲碳、氮化或碳氮共滲），在800～1250℃溫度下，經過0.5～10h的時間后；可在表面上形成一極硬的金屬的碳氮化合物薄層，從而賦予工件表面高的耐磨性。第六章表面改性新技術當前75頁，總共199頁。3．氣體法氣滲首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產生顯著擴散的溫度，然后把含有滲入金屬鹵化物（MCl2）的氫氣通入，氣體和表面接觸時，工件表面的金屬和氫本身與MCl2發(fā)生反應。氣體滲的優(yōu)點是滲層厚度均勻，易控制，對異形件和小孔結構的滲鍍效果好，且無粉塵，勞動條件好。第六章表面改性新技術當前76頁，總共199頁。4．等離子法等離子法是利用物質的第四態(tài)—等離子體進行滲鍍。等離子體是利用低真空下氣體輝光放電獲得的，因為離子活性比原子高，加上電場的作用，因此滲速較高，質量較好。但是該法除離子氮化已經成熟，包括滲碳在內的離子滲金屬尚在開發(fā)之中。第六章表面改性新技術當前77頁，總共199頁。4.1滲硼技術滲硼是將工件置于含硼的介質中，經過加熱和保溫，使硼原子滲入其表面，形成硼化物的工藝過程。硼原子半徑為0.82?，與過渡元素原子半徑之比大都大于0.59，因而，硼與過渡族元素形成的化合物，具有遠比正常的間隙相要復雜得多的晶體結構，如FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2等，硬度極大，熱穩(wěn)定性好，幾乎比相應的碳化物、氮化物的硬度和熱穩(wěn)定性都要高。第六章表面改性新技術當前78頁，總共199頁。4.1滲硼技術鋼的滲硼層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性能均比滲碳層和氨化層高。此外，微量的硼還能增加鋼的淬透性。滲硼原理在滲硼過程中，含硼介質發(fā)生化學反應，生成流體含硼組元，流體含硼組元通過鄰接金屬表面的“邊界層”進行外擴散，擴散到金屬表面并被吸附，然后發(fā)生各種界面反應，生成活性硼原子、活性硼原子由金屬界面向縱深遷移，從而形成有一定深度的滲硼層。第六章表面改性新技術當前79頁，總共199頁。滲硼原理由圖Fe-B相圖可知，在α、γ相中溶解硼的能力極微，在1149℃時，γ相中具有最大溶硼量為0.02%，而溶碳量大于2%，氮的溶解度更大。隨著硼在鐵中滲入量的增加，硼與鐵依次形成穩(wěn)定的化合物Fe2B和FeB，這些鐵的硼化物，在高溫時也具有較高的穩(wěn)定性。硼在α－Fe中只能以置換固溶體的形式存在，而在γ－Fe中既可以置換固溶體的形式存在，又可以間隙固溶體的形式存在。第六章表面改性新技術當前80頁，總共199頁。滲硼原理因置換固溶體形式的擴散比間隙固溶體形式困難得多，因此，硼在γ－Fe中擴散速度遠大于硼在α－Fe中的擴散速度，因此，滲硼溫度大多選在鋼處于奧氏體狀態(tài)的溫度范圍內。4.1.2滲硼工藝方法滲硼的方法有固體法、液體法和氣體法。比較常用的是固體法和液體法。第六章表面改性新技術當前81頁，總共199頁。4.1.2滲硼工藝方法(1)固體滲硼

滲劑：供硼劑、活化劑、填充劑組成。

供硼劑：提供硼源，它在活化劑的催化作用下提供硼原子，硼鐵和碳化硼在目前是使用得較多的供硼劑。

活化劑：提高滲劑的活性，理想的活化劑不僅可降低滲劑成本，而且可提高滲速，增加滲層深度，改善滲層組織性能。第六章表面改性新技術當前82頁，總共199頁。4.1.2滲硼工藝方法(1)固體滲硼

填充劑：滲硼介質的分散劑和載體，一般由惰性物質組成。

三方面的作用：1）使復合滲劑均勻分布其中，以便工件和滲劑均勻接觸，使?jié)B劑保持適當的濃度，保證滲層的均勻性；2）產生或保持還原氣氛，以保持滲硼件表面的活性；3）防止?jié)B劑的燒結，提高滲劑的松散性。第六章表面改性新技術當前83頁，總共199頁。4.1.2滲硼工藝方法(1)固體滲硼固體法滲硼又分為粉末滲硼和膏劑滲硼。1)粉末滲硼粉末滲硼是將工件埋入含硼粉末中裝箱密封，并在箱式或井式電爐中加熱保溫。它具有設備簡單、清洗容易的優(yōu)點，適合批量處理。生產上常用的滲硼劑多由硼鐵、碳化硼、無水硼砂和適量的氧化鋁及鹵化物組成。處理溫度在900～1000℃，時間為1～5h。第六章表面改性新技術當前84頁，總共199頁。4.1.2滲硼工藝方法(1)固體滲硼1)粉末滲硼適當調整滲硼劑的成分可獲得耐磨而又不脫落的FeB相表面層。該法質量穩(wěn)定、操作簡便，已在生產中應用。2)膏劑滲硼在粉末滲硼劑的基礎上加入一定量的粘結劑，形成膏狀滲劑，然后涂在工件表面進行滲硼，膏劑滲硼尤其適合大件局部處理。第六章表面改性新技術當前85頁，總共199頁。4.1.2滲硼工藝方法(1)固體滲硼2)膏劑滲硼在膏劑法滲硼劑中，加入粘結劑的作用是使?jié)B劑能涂附于金屬表面。常用的粘結劑有甲基纖維素、水解硅酸乙酯、松香酒精、可溶性淀粉、水玻璃加漿糊等。粘結劑的選擇對滲硼后滲劑的脫落性有重要影響。該法滲層均勻致密，表面質量好。第六章表面改性新技術當前86頁，總共199頁。4.1.2滲硼工藝方法(2)液體滲硼液體滲硼包括電解鹽浴滲硼和非電解鹽浴滲硼。1）電解鹽浴滲硼是日本豐田汽車公司和美國通用電器公司以及前蘇聯的一些工廠在生產上已經采用的方法。電解時浸在熔融硼砂中的工件作陰極，容器或石墨棒為陽極進行電解滲硼。電解滲硼速度快、滲劑便宜。滲層深、易調節(jié)；但也有滲層欠均勻、坩堝壽命較短等缺點。第六章表面改性新技術當前87頁，總共199頁。4.1.2滲硼工藝方法(2)液體滲硼

2）非電解鹽浴滲硼是目前國內應用較多的一種方法，該法是在硼砂和硼酸的混合熔鹽中加入滲硼劑（如B4C）進行滲硼。4.1.3滲硼層的組織與性能滲硼后的滲層組織由表向里依次為FeB、Fe2B、過渡層、心部組織，即由化合物、過渡層和基體組織三部分組成。第六章表面改性新技術當前88頁，總共199頁。4.1.3滲硼層的組織與性能滲硼層具有如下性能：（1）高硬度和耐磨性。碳鋼滲硼后表面硬度可達1400～2000HV，具有極高的耐磨性。試驗表明，滲硼試樣的耐磨性能比其它任何處理（如滲碳、碳氮共滲等）的都高。此外，滲硼處理還有比較高的耐腐蝕磨損和泥漿磨損能力。第六章表面改性新技術當前89頁，總共199頁。4.1.3滲硼層的組織與性能（2）高的紅硬性。鋼鐵滲硼后形成的鐵硼化合物（FeB、Fe2B）是一種十分穩(wěn)定的金屬化合物，它具有良好的紅硬性，經滲硼處理的工件一般可在600℃下可靠地工作。（3）良好的耐腐蝕性和抗氧化性。滲硼層對鹽酸、硫酸、磷酸及堿具有良好的抗蝕性，在600℃下硼化物層抗氧化性良好。例如45鋼滲硼后在鹽酸、硫酸水溶液中的耐腐蝕性比滲硼前提高5～14倍。第六章表面改性新技術當前90頁，總共199頁。4.1.4滲硼的應用近年來，在滲硼領域里，人們在滲硼的基礎理論、工藝過程和工業(yè)應用等方面進行了大量的研究，取得了重要的進展，該工藝已逐漸成為廣泛應用的表面擴滲處理工藝。目前，滲硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蝕性方面，例如鉆井用的泥漿泵零件，滾壓模具、熱鍛模具及某些工夾具等。近年來，滲硼還逐漸擴大到硬質合金、有色金屬和難熔金屬，例如難熔屬的滲硼已經在宇航設備中獲得應用。第六章表面改性新技術當前91頁，總共199頁。4.1.4滲硼的應用滲硼還可用于印刷機凸輪、止推板、各種活塞、離合器軸、壓鑄機料筒與噴嘴、軋鋼機導輥、油封滑動軸、塊規(guī)、閘閥和各種拔絲模等。第六章表面改性新技術當前92頁，總共199頁。4.2滲金屬滲金屬工藝（DiffusionMetallizing）就是采用加熱的方法，使一種或多種金屬擴散滲入零件表面形成表面合金層的方法。這一表面層被稱為滲層或擴散滲層。滲金屬的特點是：滲層是靠加熱擴散形成的，所滲元素與基體金屬常發(fā)生反應而形成化合物相，使?jié)B層與基體結合牢固，其結合強度是電鍍、化學鍍等機械結合所難以達到的。滲層具有不同于基體金屬的成分和組織，因而可以使零件表面獲得特殊的性能，如抗高溫氧化、耐腐蝕、耐磨損等性能。第六章表面改性新技術當前93頁，總共199頁。4.2.1滲鉻滲鉻（Chromizing）的目的主要有兩個：一是為了提高鋼和耐熱合金的耐蝕性和抗氧化性，提高持久強度和疲勞強度；二是為了用普通鋼材代替昂貴的不銹鋼、耐熱鋼和高鉻合金鋼。（1）滲鉻的方法1）固體粉末滲鉻目前工業(yè)生產中應用較多的方法。第六章表面改性新技術當前94頁，總共199頁。(1)滲鉻的方法1)固體粉末滲鉻該法是將工件埋入滲鉻劑中，放在高溫的密封容器中保溫一定的時間進行滲鉻。滲劑一般由金屬鉻粉（或鉻鐵粉）、適量的Al2O3（或SiO2）和鹵化銨配成。滲鉻一般為950～1100℃，時間為4～10小時。固體粉末滲鉻工藝雖然簡單，但由于其加熱溫度高、保溫時間長、滲層薄、鉻耗量大，因此限制了此工藝的推廣應用，近年又發(fā)展了多種固體粉末滲鉻法。第六章表面改性新技術當前95頁，總共199頁。(1)滲鉻的方法1)固體粉末滲鉻（a）固體粉末通氫滲鉻法氫氣促進了化學還原反應的進行，使之產生更多的活性[Cr]，加快了滲速。例如低碳鋼在1000℃、保溫6h后，可滲55μm。（b）不含鹵化物的滲鉻法主要用于粉末冶金件滲鉻，可防止殘留鹵化物的腐蝕。第六章表面改性新技術當前96頁，總共199頁。(1)滲鉻的方法1)固體粉末滲鉻（c）快速滲鉻法利用高頻感應加熱或直接通電加熱，使零件迅速加熱到高溫，從而能在很短的時間內得到一定厚度的滲鉻層。這種方法大大縮短了工藝周期，并保持零件心部性能不變?？焖贊B鉻的方法很多，諸如在活性粉末滲鉻劑中的快速滲鉻，在真空中的快速滲鉻，用鉻的電鍍層快速滲鉻等。第六章表面改性新技術當前97頁，總共199頁。(1)滲鉻的方法1)固體粉末滲鉻（d）膏劑滲鉻法將滲鉻劑調成糊狀涂敷在零件上，通過感應加熱使[Cr]滲入工件表面。膏劑由滲鉻源、熔劑和粘結劑配成。滲鉻源是鉻粉或鉻鐵粉，溶劑是冰晶石，粘結劑可用水玻璃、干性油漆、清漆、硅酸鹽等。膏劑滲鉻可提高滲鋁劑的利用率，而且可大幅度加快滲鉻速度。第六章表面改性新技術當前98頁，總共199頁。(1)滲鉻的方法2)氣體滲鉻氣體滲鉻的反應機理與固體粉末法相似，在密封的電爐中進行。氣體滲鉻的介質多為鉻的氟化物、氯化物。滲鉻氣氛（鹵化鉻）可在爐外制取，也可在爐內放置鉻或鉻鐵粉末，通以Cl2和H2制取。鹵化鉻氣體在工件表面通過置換、還原、熱分解等反應，產生活性[Cr]原子而滲入工件表面。第六章表面改性新技術當前99頁，總共199頁。(1)滲鉻的方法2)氣體滲鉻如在密封的爐子中通入CrCl2、N2（或H2+N2）對42CrMo進行1000℃×4h氣體滲鉻，可獲得40μm的滲層。氣體滲鉻具有滲速快、勞動強度小、滲層質量高、表面光潔、無粉塵危害等優(yōu)點，但氫氣易爆炸、氯氣有毒，要注意防護。第六章表面改性新技術當前100頁，總共199頁。(1)滲鉻的方法3)液體滲鉻液體滲鉻是在含有活性鉻原子的鹽浴中進行的，具有設備簡單、加熱均勻、生產周期短、可直接淬火等特點。液體滲鉻主要有硼砂鹽浴滲鉻和氯化物鹽浴滲鉻兩類。鹽浴滲鉻（即TD法）是先將硼砂熔化（740℃），然后將烘干（120～150℃）的鉻粉或碳素鉻粉加人硼砂浴中，升溫到滲鉻溫度把（850～1050℃）時，再將工件放入滲鉻。第六章表面改性新技術當前101頁，總共199頁。(2)滲鉻層的性能及應用1）抗氧化性能滲鉻件具有良好的抗高溫氧化和抗高溫腐蝕性能。工件經滲鉻后可在800℃以上較長時間使用，在900℃仍有一定的抗氧化能力。滲鉻鋼的抗氧化性能較滲鋁鋼更優(yōu)。低碳鋼滲鉻，在700℃時其抗氧化能力可比不滲鉻鋼高1000倍。奧氏作耐熱鋼、鎳基和鈷基合金材料滲鉻后，抗高溫氧化性能可顯著提高。第六章表面改性新技術當前102頁，總共199頁。(2)滲鉻層的性能及應用2）耐腐蝕性能工件經滲鉻處理后具有良好的耐蝕性，在潮濕空氣、水、強堿液、過熱蒸汽和其他許多介質中都有良好的耐蝕性；能耐硫酸和硝酸的浸蝕；但耐鹽酸腐蝕性差。3）耐磨性能含0.25%C的碳鋼滲鉻后表面硬度為1300～1600HV；而1.0%～1.2%Ｃ的碳鋼滲鉻后表面硬度達1750～1800HV。碳化鉻層具有高硬度、低摩擦系數（與金屬對摩），因此耐磨性很高。例如，滲鉻高碳鋼的耐磨性比GCr15鋼還高幾倍，與滲硼層耐磨性相近。第六章表面改性新技術當前103頁，總共199頁。(2)滲鉻層的性能及應用4）力學性能滲鉻后普通碳鋼晶粒粗大，靜拉伸強度和韌性下降，為此需進行熱處理；滲鉻可顯著提高鋼在高溫下的持久強度。滲鉻可以代替不銹鋼和耐熱鋼用于制造機械和工具。如：儀表中的葉輪、浮子、彈簧管等零件；還可用于飛機、船艦、電站的燃氣輪機葉片等高溫部件。第六章表面改性新技術當前104頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(1)滲鋁的方法1）固體粉末滲鋁固體粉末滲鋁是將滲鋁工件埋在粉末狀的滲鋁劑中，然后加熱到900～1050℃進行保溫。優(yōu)點是設備簡單，操作方便，特別適合于機械的零部件；缺點是工件尺寸受到限制，效率不高。滲鋁劑一般由三部分組成：鋁粉或鋁鐵合金粉；氧化鋁粉起稀釋填充和防止金屬粉末粘結的作用；氯化銨作活化劑。第六章表面改性新技術當前105頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(1)滲鋁的方法1）固體粉末滲鋁固體粉末滲鋁的工件可以是鋼鐵件，也可以是鎳基和鈷基高溫合金，還可用于鈦合金、銅合金及鉬、鈮等難熔金屬。2）噴鍍滲鋁法把熱噴涂鋁后的工件800～1000℃下保溫5h，讓鋁進行擴散，稱為噴鍍滲鋁。該處理不僅改善了噴鋁層與基體表面的結合強度，還提高了噴鋁層的密度。第六章表面改性新技術當前106頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(1)滲鋁的方法3）料漿滲鋁法料漿滲鋁是由固體粉末滲鋁法發(fā)展而來的一種工藝方法。將滲鋁劑調糊狀，然后涂刷在工件表面上，在120℃時烘干，再加熱到1000℃左右進行擴散滲鋁。第六章表面改性新技術當前107頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(1)滲鋁的方法4）氣體滲鋁法氣體滲鋁是在密封的貫通式爐或井式爐中進行的。滲鋁氣氛為鋁的鹵化物，反應機理基本同體粉末法，氣氛可以從爐外通入，也可以在爐內制取。該法質量穩(wěn)定，效率較高。第六章表面改性新技術當前108頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(1)滲鋁的方法5）其它滲鋁方法電泳滲鋁法是先用電泳法將鋁粉均勻地沉積在工件表面上，再加熱擴散制成鍍層。電泳沉積鋁的溶液是由鋁粉（10m）、無水乙醇和三氯化鋁組成的，配比時按每升乙醇含鋁粉50g、三氯化鋁的5～8g配制。工件為陰極，鋁板為陽極。第六章表面改性新技術當前109頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(1)滲鋁的方法5）其它滲鋁方法快速電加熱滲鋁法將電流直接通過零件和滲鋁劑或用高頻感應將零件加熱，使表面形成滲鋁層。國外有三種快速滲鋁工藝：

1）高頻加熱熱噴涂鋁之后的工件；

2）在滲鋁氣氛中用高頻電流加熱工件；

3）在活性膏劑中用高頻感應加熱工件。第六章表面改性新技術當前110頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(1)滲鋁的方法5）其它滲鋁方法該滲鋁法可使?jié)B鋁周期從幾十小時縮短為幾分鐘甚至幾十秒鐘，且可改善滲鋁層質量，實現自動化生產，是近十幾年出現的一種滲鋁新工藝。第六章表面改性新技術當前111頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(2)滲鋁層的性能滲鋁層具有特殊的抗氧化性和耐腐蝕性。1）抗氧化性能一般來說，滲鋁后的鋼與原來未滲鋁的鋼相比，使用溫度可提高200℃。Q235鋼滲鋁后抗高溫氧化性能優(yōu)于0Cr17Mn13Mo2N不銹鋼，與未滲鋁的Q235鋼比較，抗高溫氧化能力提高100倍以上。試驗證明，滲鋁層要具有高的抗氧化能力，其含鋁量必須高于12%，最好是32%～33%。第六章表面改性新技術當前112頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(2)滲鋁層的性能2）耐腐蝕性滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕最有效的手段之一。在大氣條件下，滲鋁鋼比熱鍍鋅鋼具有更好的耐蝕性。滲鋁鋼的腐蝕量僅是熱鍍鋅鋼的1/10～1/5。把滲鋁鋼和熱鍍鋅鋼在不同的pH值溶液下的耐腐蝕性進行比較后知，在pH值2～9范圍內，前者的耐蝕性要好得多。第六章表面改性新技術當前113頁，總共199頁。滲鋁（Aluminizing，Calorizing）(3)滲鋁的應用滲鋁主要用于提高機件的耐熱耐腐蝕壽命，可用于爐內構件、煙道、汽車消音器、汽車進排氣零部件、高溫石油化工用換熱器、加熱管、熱風管、加熱爐排風扇、空氣預熱器和熱處理用設備，以及一切與H2S、SO2、CO2、H2CO3、HNO3、液N、水煤氣接觸的設備。第六章表面改性新技術當前114頁，總共199頁。4.3共滲共滲是指將工件置于含有至少兩種欲滲元素的滲劑中，經過一次加熱擴散過程，使多種元素同時滲入工件表層的擴散滲入工藝。硫氮共滲（Sulphnitriding）硫氮共滲的目的是為了兼顧滲硫、滲氮二者的優(yōu)點，其共滲層的組織、性能與滲氮后滲硫基本相同，但工藝簡單。滲層最外層的微孔組織可儲存潤滑油、降低摩擦系數，次層硬度較高，因而耐磨性尤其抗粘著、咬合性能顯著提高。第六章表面改性新技術當前115頁，總共199頁。4.3共滲硫氮共滲（Sulphnitriding）硫氮共滲的工藝方法有鹽浴法，氣體法、離子法等。經氣體硫氮共滲后的金相組織分為三層。最外層是FeS，第二層是以Fe2～3N為主的氮化物白亮層，第三層是氮的擴散層。硬度峰值可達1000HV，由表及里的硬度變化較平緩。第六章表面改性新技術當前116頁，總共199頁。4.3共滲硫氮共滲（Sulphnitriding）用高速鋼刀具進行了硫氮共滲處理與不處理的對比試驗發(fā)現，在不潤滑條件下前者使用壽命較后者提高2倍以上；在潤滑條件下，加工低硬度零件時可提高0.5～2倍，加工中硬度零件（310～400HB）時可提高1.5～6倍。第六章表面改性新技術當前117頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）硫氮碳共滲實質是滲硫與氮碳共滲的結合。與硫氮共滲相比，其優(yōu)點在于能使低碳鋼零件也得到較好的強化效果。(1)硫氮碳共滲方法硫氮碳共滲有粉末法、膏劑法、氣體法、液體法和離子法。第六章表面改性新技術當前118頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）(1)硫氮碳共滲方法1)粉末法粉末滲劑：由FeS、K4Fe(CN)6及石墨、木炭等組成。工藝：500～650℃×4～10h。優(yōu)點：簡單易行，成本低。缺點：質量不易控制，生產率低，勞動條件差，目前已應用不多。第六章表面改性新技術當前119頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）(1)硫氮碳共滲方法2)膏劑法膏劑配方：37%ZnSO4＋18.5%K2SO4＋18.5%Na2SO4＋2.25%KSCN＋3.75%Na2SO3＋20%的高嶺土和水。工藝：分兩次涂敷0.5～2mm，500～600℃×3～4h共滲。特點：簡單易行，成本低，但質量不易控制，目前僅用于特大零件或單件生產等特殊情況。第六章表面改性新技術當前120頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）(1)硫氮碳共滲方法3)鹽浴法鹽浴硫氮碳共滲是在鹽浴氮碳共滲的基礎上發(fā)展起來的，滲劑以鹽浴氮碳共滲滲劑為基礎，加入適量滲硫劑。鹽浴硫氮碳共滲的溫度一般是540～650℃，時間1～3h。第六章表面改性新技術當前121頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）(1)硫氮碳共滲方法4)氣體法氣體法硫氮碳共滲有兩種：一種是滴入滲劑的同時通入氨氣，如：三乙醇胺1Kg；乙醇1Kg，再溶入20g硫脲，另外再通入適量的氨氣。工藝一般是540～560℃×（1～3）h。另一種是以丙烷和空氣為載氣，通入5%NH3和0.02%～2%H2S。第六章表面改性新技術當前122頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）(1)硫氮碳共滲方法4)氣體法工藝一般是500～650℃×（1～4）h。必要時滴入碳當量小的煤油或苯，以提高碳勢。氣體法的優(yōu)點是，在質量穩(wěn)定性、技術經濟指標優(yōu)良的前提下，基本無公害。第六章表面改性新技術當前123頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）(1)硫氮碳共滲方法5)等離子法往真空室中通入NH3，并將CS2溶于酒精中再汽化后通入，便可進行離子硫氮碳共滲。工藝一般取500～650℃×（1～4）h。離子法的特點是經濟無公害。第六章表面改性新技術當前124頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）(2)硫氮碳共滲層的組織與性能硫氮碳共滲層中，最外層是5～20μm的FeS、FeS2層；次層為白亮層，由Fe2～3(N,C)、Fe4(N,C)等組成；白亮層下面是過渡層，其中有少量Fe4(N,C)。第六章表面改性新技術當前125頁，總共199頁。4.3共滲硫氮碳共滲（Sulphnitrocarburizing）(2)硫氮碳共滲層的組織與性能一層韌而硬度較低的硫化物層，使摩擦接觸表面具有良好的磨合性，同時該層的微孔中可儲存潤滑油，加之硫化物本身干摩擦系數較低，所以其減摩性、抗膠合性、接觸疲勞強度均優(yōu)于一般的氣體氮碳共滲；此外，由于硫的滲入，改變了Fe2～3(N,C)及Fe4(N,C)的分布狀態(tài)，減小了滲層脆性和剝落傾向；但硫氮碳共滲層的抗磨料磨損能力比氣體氮碳共滲要差一些。第六章表面改性新技術當前126頁，總共199頁。4.3共滲4.3.3含硼共滲滲硼層硬度高，耐磨性好，而且具有一定的耐熱性和對某些介質的抗蝕能力，但亦存在脆性高等缺點，為了降低滲硼層的脆性，為進一步提高滲硼層的耐磨性、耐熱性和耐蝕性，改善其脆性，產生了硼和其他元素共滲的各種工藝。第六章表面改性新技術當前127頁，總共199頁。4.3共滲4.3.3含硼共滲(1)硼鋁共滲粉末法硼鋁共滲在鋁鐵合金（50%Al）、硼砂和氯化銨等混合物中進行。如21%B4C＋4%Na2B4O7＋3%NH4Cl＋72%鋁鐵合金；49%Al2O3＋29.4%B2O3＋19.6%Al＋2%NaF，將滲劑和工件同時裝入容器，用水玻璃調耐火泥密封，干燥后裝入爐內。共滲溫度為800℃以上，1050℃以下，時間為4～6h。第六章表面改性新技術當前128頁，總共199頁。4.3共滲4.3.3含硼共滲(1)硼鋁共滲膏劑法硼鋁共滲劑由硼的化合物、鋁的化合物和粘結劑組成，如50%B4C＋50%Na3AlF6＋粘結劑。硼鋁共滲能明顯地提高疲勞強度，特別是腐蝕疲勞強度，同時明顯降低鋼在空氣介質和腐蝕介質中循環(huán)受載的應力敏感性。第六章表面改性新技術當前129頁，總共199頁。4.3共滲4.3.3含硼共滲(2)硼氮共滲硼原子半徑為0.82?，氮原子半徑為0.75?。對硼而言，氮在鋼中的溶解量大得多，由于氮原子滲入能力強，所形成的滲層和過渡層深，因此，硼氮共滲能降低硬度梯度，減小滲硼層的脆性。第六章表面改性新技術當前130頁，總共199頁。4.3共滲4.3.3含硼共滲(2)硼氮共滲膏劑法硼氮共滲由供硼劑、供氮劑、催滲劑、填充劑組成。將原料用粘結劑調成糊狀涂在潔凈的工件表面，涂層厚3～4mm，共滲溫度890℃。氮的滲入減少了滲層的脆性，提高了韌性。5CrMnMo鋼柴油機連桿模具共滲處理后，壽命提高2～3倍。第六章表面改性新技術當前131頁，總共199頁。4.3共滲4.3.3含硼共滲(3)硼釩共滲粉末硼釩共滲滲劑的典型成分有：5%B4C＋5%～8%V2O5＋2%～3%KBF4＋0.5%～1%NH4Cl，SiC為余量，在920～960℃保溫3～4h。硼釩共滲層組織致密，由Fe2B和VC組成，高硬度的VC呈彌散狀態(tài)分布在表層，共滲層具有較高的韌性和很高的耐磨性、抗咬合性、抗氧化性和耐蝕性。第六章表面改性新技術當前132頁，總共199頁。4.3共滲鉻鋁共滲鉻鋁共滲或鋁鉻共滲的目的在于提高鋼、鎳鉻合金、銅合金及鈦合金的熱強性。常用的鉻鋁共滲劑由鉻鐵粉（或鉻粉）、鋁鐵粉（或鋁粉）及活化劑組成。共滲溫度為900～1050℃，保溫時間5～15小時。

45鋼鉻鋁共滲后，其塑性及沖擊韌性降低；疲勞強度也有所降低，但在3%NaCl水溶液中的腐蝕疲勞強度則明顯提高。第六章表面改性新技術當前133頁，總共199頁。4.3共滲鉻鋁共滲用鉻鋁共滲在鐵絲上獲得鉻鋁覆層制成的電熱絲在850～950℃下工作，壽命達400～500小時，而滲鋁的鐵絲在800～850℃下工作，壽命僅為120～150小時。經共滲處理的鎳基合金Nimonic75在1025℃～1090℃保溫100小時后的氧化增重僅為未處理1/8～1/24。第六章表面改性新技術當前134頁，總共199頁。4.3共滲4.3.5鋁硅共滲鋁硅共滲的目的主要是提高鋼、鎳基熱強合金、難熔金屬及其合金以及銅等的耐熱性能和在硫氣氛中的抗高溫氧化能力。目前，在工業(yè)上使用較多的是料漿法鋁硅共滲，滲劑由鋁粉90%＋硅粉10%組成。將滲劑和粘結劑按一定配比調制成料漿，經噴射到工件后在氮氣保護下加熱。第六章表面改性新技術當前135頁，總共199頁。4.3共滲4.3.5鋁硅共滲與固體粉末法相比，由于薄層料漿導熱系數較大，采用高溫擴散（1000～1080℃）時，可在較短時間內（4～6小時）獲得厚0.025～0.68mm的共滲層。由于隨保溫時間的增加，料漿層中鋁、硅活性原子通常降低，所以料漿法所獲滲層脆性較低。國內曾用此法為飛機的某些耐熱部件滲鋁硅，使用壽命明顯提高。第六章表面改性新技術當前136頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理4.6.1TD處理工藝TD處理所用設備與普通外熱式鹽浴爐的結構基本相同，有直接加熱和間接加熱兩種形式。將70%～90%的硼砂放入耐熱鋼坩堝中熔融后，向坩堝中加入可形成欲鍍覆的碳化物的物質。例如欲涂NbC時，加入Fe-Nb的合金粉末或Nb2O5粉末，將含碳較高的鋼件浸入此鹽浴中，在800～1200℃保溫1～10h，便得到了碳化物鍍覆表面覆層。第六章表面改性新技術當前137頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理4.6.2碳化物層的組織結構

金相觀察和X射線衍射分析結果表明，涂層幾乎全由純碳化物組成，無過渡區(qū)出現，碳化物層的成分不受基體金屬的影響。不存在鐵、氧、磷、硫等成分。典型的NbC涂層組織細小、致密，無疏松、夾雜等缺陷，在顯微鏡下呈白色，基體金屬與碳化物層之間有清晰的界面。對NbC層內及層下進行的能譜分析結果表明，NbC層內不含碳以外的基體元素，而NbC層下沒有發(fā)生Nb原子向基體的擴散。第六章表面改性新技術當前138頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理4.6.3涂層的性能硬度

ＴＤ處理獲得碳化物層的硬度明顯高于淬火硬度、鍍鉻或氮化層的硬度，NbC的硬度約為約為2500HV，VC和TiC的硬度為2980～3800HV。VC、NbC即使在800℃其硬度也高于800HV，經高溫加熱再到室溫，其室溫硬度也不降低。第六章表面改性新技術當前139頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理耐磨性以20CrMnTi鋼（固體滲硼后直接淬火）為配對材料，在加磨料及不加磨料兩種情況下，用MM-200磨損試驗機研究了Cr12鋼淬火+低溫回火及TD處理的磨損量。結果表明，用TD處理涂覆NbC后，耐磨性提高3倍以上。第六章表面改性新技術當前140頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理抗氧化性及耐蝕性抗氧化性的好壞因所涂覆的碳化物種類而不同。VC、NbC在500℃的大氣中幾乎不氧化，但若在600℃保溫1h則有數微米厚的碳化物完全被氧化。另一方面，以Cr為主體的碳化物（Cr7C3、Cr23C6）涂層即使加熱到900℃也只稍許氧化，顯示出優(yōu)越的抗氧化性。第六章表面改性新技術當前141頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理4.6.4TD法的特點及應用用CVD、PVD、TD法都能得到同樣硬的碳化物薄層，但是，PVD需要真空室、等離子系統(tǒng)以及蒸發(fā)源。CVD需要氣密減壓的反應容器，其排出物污染環(huán)境、有害健康，大多數經CVD處理的工件必須做重新加熱淬火。而且PVD和CVD的設備價格高。

TD法與其它碳化物被覆法比較，除具有設備簡單、操作方便、生產能力高、成本低之外，還有以下優(yōu)點：第六章表面改性新技術當前142頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理4.6.4TD法的特點及應用（1）不論工件形狀如何，都能形成均勻的被覆層，在小孔深處也可以形成被覆層。也可以在工件局部被覆碳化物層。還可以形成其復合碳化物。（2）被覆后的表面粗糙度與處理前大致相同，如若母材表面加工光滑，處理后可以直接使用。（3）工件因長期工作而使碳化物層磨完時可以多次重新處理。第六章表面改性新技術當前143頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理4.6.4TD法的特點及應用（4）鹽浴的主要成分是在高溫下性能穩(wěn)定的硼砂，故幾乎不產生一般熱處理鹽浴出現的氣體。而且鹽浴使用壽命長。（5）所形成碳化物層的組成、性能幾乎不因基體鋼種、處理條件而發(fā)生變化，故其使用性能穩(wěn)定、基體材料選擇廣泛。第六章表面改性新技術當前144頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffusion）法擴散滲入處理4.6.4TD法的特點及應用目前，TD處理主要應用于模具工業(yè)之中。在板材沖壓，管、線材加工，冷、熱鍛造，橡膠、塑料、玻璃、粉末成型等加工方法中使用的各種模具都已廣泛應用了TD處理法。用TD法可使冷作模具壽命提高數倍到數十倍，一般來說，這樣大幅度地提高模具壽命是令人難以想象的。第六章表面改性新技術當前145頁，總共199頁。4.6TD（ToyotaDiffus