表面改性技術(shù)

表面改性技術(shù)第1頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四表面改性技術(shù)的作用：可以掩蓋基體材料表面的缺陷；延長材料和構(gòu)件的使用壽命；節(jié)約稀、貴材料；節(jié)約能源，改善環(huán)境；對各種高新技術(shù)的發(fā)展具有重要作用。第2頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四一、表面形變強(qiáng)化原理表面形變強(qiáng)化是提高金屬材料疲勞強(qiáng)度的重要工藝措施之一?；驹?通過機(jī)械手段(滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等)在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達(dá)0.5mm—1.5mm。7.1金屬表面形變強(qiáng)化第3頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四在此形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化：1.在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變度增大；2.形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。第4頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四表面壓應(yīng)力防止裂紋在受壓的表層萌生和擴(kuò)展。在大多數(shù)材料中這兩種機(jī)制并存。在軟質(zhì)材料情況下第一種機(jī)制占優(yōu)勢；在硬質(zhì)材料的情況下第二種機(jī)制起主導(dǎo)作用。第5頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四經(jīng)噴丸和滾壓后，金屬表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的大小，不但與強(qiáng)化方法、工藝參數(shù)有關(guān)，還與材料的晶體類型、強(qiáng)度水平以及材料在單調(diào)拉伸時(shí)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(qiáng)合金，表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力高，可達(dá)材料自身屈服點(diǎn)的2-4倍。材料的硬化率越高，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力越大。第6頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

此外，一些表面形變強(qiáng)化手段還可能使表面粗糙度略有增加，但卻使切削加工的尖銳刀痕圓滑，因此可減輕由切削加工留下的尖銳刀痕的不利影響。這種表面形貌和表層組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變化，有效地提高了金屬表面強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度。第7頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四二、表面形變強(qiáng)化的主要方法及應(yīng)用(一)表面形變強(qiáng)化的主要方法表面形變強(qiáng)化是近年來國內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用的工藝之一。強(qiáng)化效果顯著，成本低廉。常用的金屬表面形變強(qiáng)化方法主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等工藝,尤以噴丸強(qiáng)化應(yīng)用最為廣泛。第8頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四1．滾壓目前，滾壓強(qiáng)化用的滾輪、滾壓力大小等尚無標(biāo)準(zhǔn)對于圓角、溝槽等可通過滾壓獲得表層形變強(qiáng)化，并能在表面產(chǎn)生約5mm深的殘余壓應(yīng)力。表面滾壓強(qiáng)化示意圖第9頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四2．內(nèi)擠壓內(nèi)孔擠壓是使孔的內(nèi)表面獲得形變強(qiáng)化的工藝措施，效果明顯。

3．噴丸噴丸是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種再結(jié)晶溫度以下的表面強(qiáng)化方法，即利用高速彈丸強(qiáng)烈沖擊零部件表面，使之產(chǎn)生形變硬化層并引進(jìn)殘余壓應(yīng)力。噴丸強(qiáng)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(diǎn)蝕(孔蝕)能力。第10頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(二)噴丸表面形變強(qiáng)化工藝及應(yīng)用

1．噴丸材料(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)聚合塑料彈丸第11頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四應(yīng)當(dāng)指出，強(qiáng)化用的彈丸與清理、成型、校形用的彈丸不同，必須是圓球形，不能有棱角毛刺，否則會損傷零件表面。

一般來說，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則需采用不銹鋼九、玻璃丸和陶瓷丸。第12頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四2．噴丸強(qiáng)化用的設(shè)備噴丸采用的專用設(shè)備，按驅(qū)動彈丸的方式可分為機(jī)械離心式噴丸機(jī)和氣動式噴丸機(jī)兩大類。噴丸機(jī)又有干噴和濕噴之分。干噴式工作條件差，濕噴式是將彈丸混合在液態(tài)中成懸浮狀，然后噴丸，因此工作條件有所改善。第13頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(1)機(jī)械離心式噴丸機(jī)機(jī)械離心式噴丸機(jī)又稱葉輪式噴丸機(jī)或拋丸機(jī)。工作時(shí)，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)速和彈丸的重量。第14頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四3.表面形變強(qiáng)化的應(yīng)用噴丸強(qiáng)化的應(yīng)用實(shí)例(1)20CrMnTi圓輥滲碳淬火回火后進(jìn)行噴丸處理，殘余壓應(yīng)力為-880MPa，壽命從55萬次提高到150-180萬次。(2)液體火箭推進(jìn)劑容器的鈦制零部件未噴丸強(qiáng)化時(shí)，在40℃下使用14h就發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞；容器內(nèi)表面經(jīng)玻璃珠噴丸強(qiáng)化后，在同樣條件下試驗(yàn)30天還沒有產(chǎn)生破壞。

此外，噴丸和其他形變強(qiáng)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(jī)的鉻鎳鐵合金(Inconel718)渦輪盤等制造中獲得應(yīng)用。第15頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四表面熱處理是指僅對零部件表層加熱、冷卻，從而改變表層組織和性能而不改變成分的一種工藝，是最基本、應(yīng)用最廣泛的材料表面改性技術(shù)之一。當(dāng)工件表面層快速加熱時(shí)，工件截面上的溫度分布是不均勻的，工件表層溫度高且由表及里逐漸降低。如果表面的溫度超過相變點(diǎn)以上達(dá)到奧氏體狀態(tài)時(shí)，隨后的快冷可以獲得馬氏體組織，而心部仍保留原組織狀態(tài)，從而得到硬化的表面層，即通過表面層的相變達(dá)到強(qiáng)化工件表面的目的7.2表面熱處理第16頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四表面淬火在不改變鋼的化學(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(jìn)行淬火以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。第17頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四表面熱處理工藝包括：感應(yīng)加熱表面淬火火焰加熱表面淬火接觸電阻加熱表面淬火浴爐加熱表面淬火電解液加熱表面淬火高密度能量的表面淬火表面保護(hù)熱處理等火焰加熱感應(yīng)加熱第18頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限;②心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。即表硬里韌。適用于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦和沖擊的零件。軸的感應(yīng)加熱表面淬火第19頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四1.表面淬火用材料⑴0.4-0.5%C的中碳鋼。含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降。含碳量過高，心部韌性下降；⑵鑄鐵

提高其表面耐磨性。機(jī)床導(dǎo)軌表面淬火齒輪第20頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四2、預(yù)備熱處理⑴工藝：對于結(jié)構(gòu)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。⑵目的:①為表面淬火作組織準(zhǔn)備；②獲得最終心部組織?；鼗鹚魇象w索氏體第21頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四3、表面淬火后的回火采用低溫回火，溫度不高于200℃?；鼗鹉康臑榻档蛢?nèi)應(yīng)力，保留淬火高硬度、耐磨性。4、表面淬火+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)加熱表面淬火感應(yīng)淬火機(jī)床第22頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四5、表面淬火常用加熱方法⑴感應(yīng)加熱:利用交變電流在工件表面感應(yīng)巨大渦流，使工件表面迅速加熱的方法。第23頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

一、感應(yīng)加熱表面淬火(一)感應(yīng)加熱表面處理的基本原理生產(chǎn)中常用工藝是高頻和中頻感應(yīng)加熱淬火。近年來又發(fā)展了超音頻、雙頻感應(yīng)加熱淬火工藝。第24頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四1．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)而集中分布于工件表面，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。第25頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四2．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表面到電流值為表面的1/e(e＝2.718)處的距離，可用Δ表示。Δ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)第26頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四3．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)部傳熱能力較大所致。即頻率越高，渦流分布越陡，接近電流透入深度處的電流強(qiáng)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達(dá)到奧氏體化溫度，所以也不可能硬化。如果延長加熱時(shí)間，實(shí)際硬化層深度可以有所增加。實(shí)際上，感應(yīng)加熱表面淬火硬化層深度取決于加熱層深度、淬火加熱溫度、冷卻速度和材料本身淬透性等因素。第27頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四4．感應(yīng)加熱表面淬火后的組織和性能感應(yīng)加熱表面淬火獲得的表面組織呈細(xì)小隱晶馬氏體，碳化物呈彌散分布，表面硬度比普通淬火的高2HRC—3HRC，耐磨性也提高，這是因快速加熱時(shí)在細(xì)小的奧氏體內(nèi)有大量亞結(jié)構(gòu)殘留在馬氏體中所致。噴水冷卻時(shí)，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(qiáng)度。感應(yīng)加熱表面淬火工件表面氧化、脫碳小，變形小，質(zhì)量穩(wěn)定。感應(yīng)加熱表面淬火加熱速度快，熱效率高，生產(chǎn)率高，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。第28頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(二)中、高頻感應(yīng)加熱表面熱處理感應(yīng)加熱是一種用途極廣的熱處理加熱方法，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)熱處理。第29頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四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，則所選擇的功率密度值應(yīng)越大。高頻淬火常用于零件直徑較小、硬化層深度較淺的場合；中頻淬火常用在大直徑工件和硬化層深度較深的場合。第30頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四二、火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧一乙炔或其他可燃?xì)怏w對零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。與感應(yīng)加熱表面淬火等方法相比，具有設(shè)備簡單，操作靈活，適用鋼種廣泛，零件表面清潔、一般無氧化和脫碳、畸變小等優(yōu)點(diǎn)。常用于大尺寸和重量大的工件，尤其適用于批量少品種多的零件或局部區(qū)域的表面淬火，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，混合氣體不夠安全，不易獲得薄的表面淬火層。第31頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四三、接觸電阻加熱表面淬火接觸電阻加熱表面淬火是利用觸頭(銅滾輪或碳棒)和工件間的接觸電阻使工件表面加熱，并依靠自身熱傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)冷卻淬火。這種方法設(shè)備簡單，操作靈活，工件變形小，淬火后不需回火。接觸電阻加熱表面淬火能顯著提高工件的耐磨性和抗擦傷能力，但淬硬層較薄(0.15mm～0.30mm)，金相組織及硬度的均勻性都較差，目前多用于機(jī)床鑄鐵導(dǎo)軌的表面淬火，也用于汽缸套、曲軸、工模具等的淬火。

第32頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四四、高密度能量的表面淬火高密度能量包括激光、電子束、等離子體和電火花等。第33頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四一、概述(一)金屬表面化學(xué)熱處理過程金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。基本工藝過程是：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)通過分解(包括活性組分向工件表面擴(kuò)散以及界面反應(yīng)產(chǎn)物向介質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散)井釋放出欲滲入元素的活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金屬表層擴(kuò)散滲入形成一定厚度的擴(kuò)散層，從而改變表層的成分、組織和性能。7.3金屬表面化學(xué)熱處理第34頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(二)金屬表面化學(xué)熱處理的目的

(1)提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。滲氮可使金屬表面硬度達(dá)到950HV-1200HV；滲硼可使金屬表面硬度達(dá)到1400HV—2000HV等，因而工件表面具有極高的耐磨性。(2)提高材料疲勞強(qiáng)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)生很大的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。(3)使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數(shù)，如滲硫等。(4)提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。第35頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(三)化學(xué)熱處理滲層的基本組織類型(1)形成單相固溶體如滲碳層中的α鐵素體相等。(2)形成化合物如滲氮層中的ε相(Fe2-3N)，滲硼層中Fe2B等。(3)化學(xué)熱處理后，一般可同時(shí)存在固溶體、化合物的多相滲層。第36頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(四)化學(xué)熱處理后的性能化學(xué)熱處理后的金屬表層、過渡層與心部在成分、組織和性能上有很大差別。強(qiáng)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)系有關(guān)。如滲碳的表面層碳含量及其分布，滲碳層深度和組織等均可影響材料滲碳后的性能。第37頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(五)化學(xué)熱處理種類根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同，化學(xué)熱處理可分以下幾類：(1)固體法：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)擴(kuò)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。第38頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四二、滲碳、滲氮、碳氮共滲滲碳、滲氮、碳氮共滲等可提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，在工業(yè)中有十分廣泛的應(yīng)用。

(一)滲碳、碳氮共滲

1．結(jié)構(gòu)鋼的滲碳結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)滲碳后，能使零件工作表面獲得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕磨損性、接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，而心部具有一定強(qiáng)度、塑性、韌性的性能。第39頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四2．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)的滲碳越來越受到重視。工具鋼經(jīng)滲碳后，其表面具有高強(qiáng)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(700℃～880℃)，變形小、且由于氮的滲入提高了滲碳速度和耐磨性。第40頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四常用的滲碳方法有三種：(1)氣體滲碳?xì)怏w滲碳是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種滲碳方法，它是在含碳的氣體介質(zhì)中通過調(diào)節(jié)氣體滲碳?xì)夥諄韺?shí)現(xiàn)滲碳目的的。工業(yè)上一般有井式爐滴注式滲碳和貫通式氣體滲碳兩種。

(2)鹽浴滲碳液體滲碳是將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中，通過加熱使?jié)B碳劑分解出活性的碳原子來進(jìn)行滲碳。第41頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(3)固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，它使用固體滲碳劑。在固體滲碳中，膏劑滲碳具有工藝簡單方便的特點(diǎn)，主要用于單件生產(chǎn)、局部滲碳或返修使用。第42頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四氣體滲碳1、滲碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，同時(shí)保持心部良好的韌性。2、滲碳用鋼含0.1-0.25%C的低碳鋼。碳高則心部韌性降低。經(jīng)滲碳的機(jī)車從動齒輪第43頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四3、滲碳方法⑴氣體滲碳法將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳?xì)夥罩袧B碳。滲劑為氣體(煤氣、液化氣等)或有機(jī)液體(煤油、甲醇等)。優(yōu)點(diǎn):質(zhì)量好,效率高；缺點(diǎn):滲層成分與深度不易控制。氣體滲碳法示意圖第44頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四真空滲碳法:將工件放入真空滲碳爐中，抽真空后通入滲碳?xì)怏w加熱滲碳。優(yōu)點(diǎn):表面質(zhì)量好,滲碳速度快。真空滲碳爐第45頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四4、滲碳溫度：為900-950℃。滲碳層厚度（由表面到過度層一半處的厚度）：一般為0.5-2mm。滲碳層表面含碳量：以0.85-1.05為最好。5、滲碳后的熱處理淬火+低溫回火,回火溫度為160-180℃。第46頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四滲碳后的熱處理示意圖第47頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(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，鋼的表面被氮或氮、碳原子滲入的一種丁藝方法。滲氮工藝復(fù)雜，時(shí)間長，成本高，所以只用于耐磨、耐蝕和精度要求高的耐磨件，如發(fā)動機(jī)汽缸、排氣閥、閥門、精密絲桿等。

第48頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四鋼經(jīng)滲氮后獲得高的表面硬度，在加熱到500℃時(shí)，硬度變化不大，具有低的劃傷傾向和高的耐磨性，可獲得500MPa～1000MPa的殘余壓應(yīng)力，使零件具有高的疲勞極限和高耐蝕性，在自來水、潮濕空氣、氣體燃燒物、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。第49頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四1．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。滲氮層的結(jié)構(gòu)主要決定于Fe—N相圖。

目前廣泛應(yīng)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500℃～600℃，氮發(fā)生以下反應(yīng)：

2NH3＝2H2+2[N]

生成的活性氮原子[N]滲入鋼表面，形成一定深度的氮化層。第50頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四滲氮(氮化)是指向鋼的表面滲入氮原子的過程。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。井式氣體氮化爐第51頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四3、常用氮化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(shí)間短，氮化層脆性小。離子氮化爐第52頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)Fe-N相圖，氮溶入鐵素體和奧氏體中，與鐵形成γ’相(Fe4N)和ε相(F2-3N)，也溶解一些碳。所以滲氮后；工件最外層是白色ε相或γ’

相，次外層是暗色γ’+α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(600℃～1200℃)下進(jìn)行的滲氮。主要用于鐵素體鋼、奧氏體鋼、難熔金屬(Ti、Mo、Nb、V等)的滲氮。第53頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四2．各種材料滲氮(1)結(jié)構(gòu)鋼滲氮任何珠光體類、鐵素體類、奧氏體類以及碳化物類的結(jié)構(gòu)鋼都可以滲氮。

(2)高鉻鋼滲氮3、氮化的特點(diǎn)及應(yīng)用⑴氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。⑵疲勞強(qiáng)度高。由于表面存在壓應(yīng)力。第54頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度第55頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四⑶工件變形小。原因是氮化溫度低，氮化后不需進(jìn)行熱處理。⑷耐蝕性好。因?yàn)楸韺有纬傻牡锘瘜W(xué)穩(wěn)定性高。氮化的缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，成本高，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?？p紉機(jī)用氮化件經(jīng)氮化的機(jī)車曲軸第56頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四四、滲金屬滲金屬方法是使工件表面形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)合形成金屬碳化物的化合物層，如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等，次層為過渡層。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等碳化物形成元素。為了獲得碳化物層，基材的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須超過0.45％。第57頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四一、等離子體的物理概念等離子體是一種電離度超過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(dāng)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(yùn)動和擴(kuò)散，也有電場作用下的遷移。等離子體是一種物質(zhì)的能量較高的聚集狀態(tài)，被稱為物質(zhì)第四態(tài)。利用粒子熱運(yùn)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等離子體表面處理第58頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四離子轟擊陰極表面時(shí)將發(fā)生一系列物理、化學(xué)現(xiàn)象，包括：1.陰極濺射現(xiàn)象：中性原子或分子從陰極表面分離出來的(也可看作蒸發(fā)過程)現(xiàn)象；2.凝附現(xiàn)象：陰極濺射出來的粒子與靠近陰極表面等離子體中活性原子結(jié)合的產(chǎn)物吸附在陰極表面的現(xiàn)象；3.陰極二次電子的發(fā)射現(xiàn)象；局部區(qū)域原子擴(kuò)散和離子注入等現(xiàn)象。第59頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四二、離子滲氮輝光離子滲氮又稱離子滲氮，是一種在壓力低于105Pa的滲氮?dú)夥罩?，利用工?陰極)和陽極間稀薄含氮?dú)怏w產(chǎn)生輝光放電進(jìn)行滲氮的工藝。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(shí)間短，氮化層脆性小。這種技術(shù)用于結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼的滲氮，并由黑色金屬發(fā)展到有色金屬滲氮，特別在鈦合金滲氮中取得良好效果。第60頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(一)離子滲氮的主要特點(diǎn)(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0.3mm—0.5mm時(shí)，離子滲氮的時(shí)間僅為普通氣體滲氮的1／3-l／5。第61頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四提高表面氮濃度，加快氮向試樣內(nèi)部擴(kuò)散。陰極濺射產(chǎn)生表面脫碳，增加位錯(cuò)密度等，加速了氮向內(nèi)部擴(kuò)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5μm—30μm深的脆性較小的ε相單相層或≤8μm厚的韌性γ相單相層，也可獲得韌性更好的無化合物的滲氮層。第62頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(4)離子滲氮可使用氨氣，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(jìn)行，工件畸變小。(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。第63頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(二)離子滲氮的設(shè)備和工藝1．離子滲氮的設(shè)備第64頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四2．離子滲氮的工藝第65頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四近年來，金屬材料表面改性處理新技術(shù)得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出許多新的工藝方法，這里只介紹主要的幾種。

第66頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四三束表面改性技術(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(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，以獲得特殊表面性能的技術(shù)。激光束加工電子束加工等離子束加工第67頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

進(jìn)行快速加熱和快速冷卻，使表層的結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生大幅度改變（如形成微晶、納米晶、非晶、亞穩(wěn)成分固溶體和化合物等），從而獲得所需要的特殊性能。束流技術(shù)還具有能量利用率高、工件變形小、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。由于這些束流具有極高的能量密度，可對材料表面離子束濺射系統(tǒng)第68頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

激光表面處理是高能密度表面處理技術(shù)中的一種主要手段。在一定條件下它具有傳統(tǒng)表面處理技術(shù)或其他高能密度表面處理技術(shù)不能或不易達(dá)到的特點(diǎn)，這使得激光表面處理技術(shù)在表面處理的領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)了一定的地位。7－5激光表面處理第69頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四激光表面處理的目的：改變表面層的成分和顯微結(jié)構(gòu)，從而提高表面性能，以適應(yīng)基體材料的需要；激光表面處理工藝：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；第70頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四激光表面處理的許多效果是與快速加熱和隨后的急速冷卻分不開的：加熱和冷卻速率可達(dá)106℃／s～108℃／s；應(yīng)用：目前，激光表面處理技術(shù)已用于汽車、冶金、石油、機(jī)車，機(jī)床、軍工、輕工、農(nóng)機(jī)以及刀具、模具等領(lǐng)域，并正顯示出越來越廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。第71頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四一、激光的特點(diǎn)(1)高方向性：(2)高亮度性：激光器發(fā)射出來的光束非常強(qiáng)，通過聚焦集中到一個(gè)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(dá)1014W／cm2，焦斑中心溫度可達(dá)幾千度到幾萬度，只有電子束的功率密度才能和激光相比擬。(3)高單色性：

第72頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

二、激光表面處理設(shè)備激光表面處理設(shè)備包括激光器、功率計(jì)、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、工作臺、數(shù)控系統(tǒng)和軟件編程系統(tǒng)。第73頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四CO2氣體激光器目前工業(yè)上用來進(jìn)行表面處理的激光器，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(dá)33％。比較實(shí)用的多為2.5kW～5kW左右。第74頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四1.CO2氣體激光器的特點(diǎn):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10.6μm。一般是連續(xù)波(簡稱CW)，但也可以脈沖式地工作。其特點(diǎn)是：

①電一光轉(zhuǎn)換功率高，理論值可達(dá)40％，一般為10％-20％。其他類型的激光器如纖寶石的僅為2％。

②單位輸出功率的投資低。

③能在工業(yè)環(huán)境下，長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作。

④易于控制，有利于自動化。第75頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四2.激光表面處理技術(shù)

(1)激光束加熱金屬的過程激光束向金屬表面層的熱傳遞，是通過“逆韌致輻射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。由于光子能穿過金屬的能力極低(僅為10-4mm的數(shù)量級)，故僅能使其極表面的一薄層溫度升高。由于導(dǎo)帶電子的平均自由時(shí)間只有10-3s左右，因此這種熱交換和熱平衡的建立是非常迅速的。從理論上分析，在激光加熱過程中，金屬表面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)就能達(dá)到相變或熔化溫度。這樣形成熱層的時(shí)間遠(yuǎn)小于激光實(shí)際輻照的時(shí)間，其厚度明顯遠(yuǎn)低于硬化層的深度。第76頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(2)激光處理前表面的預(yù)處理材料的反射系數(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)金屬表面對波長10.6μm的CO2激光的反射高達(dá)90％以上，嚴(yán)重影響激光處理的效率。金屬表面狀態(tài)對反射率極為敏感，如粗糙度、涂層、雜質(zhì)等都會極大改變金屬表面對激光的反射率，而反射率變化1％，吸收能量密度將會變化10％。因此在激光處理前，必須對工件表面進(jìn)行涂層或其他預(yù)處理。第77頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四常用的預(yù)處理方法:磷化、黑化和涂覆紅外能量吸收材料(如膠體石墨、含炭黑和硅酸鈉或硅酸鉀的涂料等)。磷化處理后對CO2激光吸收率約為88％，但預(yù)處理工序煩瑣，不易清除。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表面，激光吸收率高達(dá)90％以上。第78頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(3)激光處理工藝及應(yīng)用①激光表面強(qiáng)化第79頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四齒輪激光表面強(qiáng)化第80頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四②激光表面熔敷a.激光涂敷陶瓷層火焰噴涂、等離子噴涂和爆燃槍噴涂等熱噴涂的方法廣泛用來進(jìn)行陶瓷涂敷。但所有這些方法都不能令人滿意。因?yàn)樗鼈儷@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(qiáng)度低，易脫落。這會導(dǎo)致高溫時(shí)由于內(nèi)部硫化、剝落、機(jī)械應(yīng)變降低、坑蝕、滲鹽和滲氧而使涂層早期變質(zhì)和破壞。使用激光進(jìn)行陶瓷涂敷，即可避免產(chǎn)生上述缺陷，提高涂層質(zhì)量，延長使用壽命。第81頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四激光熔覆系統(tǒng)第82頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四激光熔覆系統(tǒng)第83頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四曲軸激光熔覆第84頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四漿葉激光熔覆強(qiáng)化第85頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四c.激光表面非晶態(tài)處理

激光加熱金屬表面至熔融狀態(tài)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)結(jié)構(gòu)，也稱為金屬玻璃。這種方法稱為激光表面非晶態(tài)處理，又稱激光上釉。非晶態(tài)處理可減少表層成分偏析，消除表層的缺陷和可能存在的裂紋。非晶態(tài)金屬具有高的力學(xué)性能，在保持良好韌性的情況下具有高的屈服點(diǎn)和非常好的耐蝕性、耐磨性以及特別優(yōu)異的磁性和電學(xué)性能，受到材料界的廣泛關(guān)注。第86頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四汽車凸輪軸和柴油機(jī)鑄鋼套外壁經(jīng)激光表面非晶態(tài)處理后，強(qiáng)度和耐腐蝕性均明顯提高，激光表面非晶態(tài)處理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。第87頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四d．激光表面合金化

激光表面合金化是一種既改變表層的物理狀態(tài)，又改變其化學(xué)成分的激光表面處理技術(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表面(預(yù)先或與激光照射同時(shí)進(jìn)行)，這樣，激光照射時(shí)使涂敷層合金元素和基體表面薄層熔化、混合，而形成物理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)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。第88頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四激光表面合金化第89頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四e．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(shù)可精確控制膜的形成，目前已用這種方法進(jìn)行了形成鎳、鋁、鉻等金屬膜的試驗(yàn)，所形成的膜非常潔凈。還可以在金屬表面用激光涂覆陶瓷以提高表面硬度，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(guān)注。在真空中采用連續(xù)CO2激光把陶瓷材料蒸發(fā)沉積到基材表面,可以在軟的基材表面獲得硬度達(dá)2000HV—4500HV的非晶BN薄層。第90頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四高速運(yùn)動的電子具有波的性質(zhì)。當(dāng)高速電子束照射到金屬表面時(shí)，電子能深入金屬表面一定深度，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，因此能量傳遞主要是通過電子束的電子與金屬表層電子碰撞而完成的。所傳遞的能量立即以熱能形式傳與金屬表層原子，從而使被處理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(shí)被處理金屬表面吸收光子能量，激光并未穿過金屬表面。目前電子束加速電壓達(dá)125kV，輸出功率達(dá)150kW，能量密度達(dá)103MW／m2，這是激光器無法比擬的。因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。7－6電子束表面處理第91頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四電子束表面處理系統(tǒng)第92頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

一、電子束表面處理主要特點(diǎn)

(1)加熱和冷卻速度快將金屬材料表面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(dá)106℃／s～108℃／s；

(2)與激光相比使用成本低電子束處理設(shè)備一次性投資比激光少(約為激光的1／3)，每瓦約8美元，而大功率激光器每瓦約30美元；電子束實(shí)際使用成本也只有激光處理的一半；第93頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(3)結(jié)構(gòu)簡單電子束靠磁偏轉(zhuǎn)動、掃描，而不需要工件轉(zhuǎn)動、移動和光傳輸機(jī)構(gòu)；(4)電子束與金屬表面偶合性好電子束所射表面的角度除3°～4°小角度外，電子束與表面的偶合不受反射的影響，能量利用率遠(yuǎn)高于激光。因此電子束處理工件前，工件表面不需加吸收涂層；(5)電子束是在真空中工作的，以保證在處理中工件表面不被氧化，但帶來許多不便。(6)電子束能量的控制比激光束方便，通過燈絲電流和加速電壓很容易實(shí)施準(zhǔn)確控制。第94頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四(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(shí)熔化層至少幾個(gè)微米厚，這會影響冷卻階段固一液相界而的推進(jìn)速度。電子束加熱時(shí)能量沉積范圍較寬，面且約有一半電子作用區(qū)幾乎同時(shí)熔化。電子束加熱的液相溫度低于激光，因而溫度梯度較小，激光加熱溫度梯度高且能保持較長時(shí)間。(8)電子束易激發(fā)X射線，使用過程中應(yīng)注意防護(hù)。第95頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

二、電子束表面處理工藝

1．電子束表面相變強(qiáng)化處理

2．電子束表面重熔處理

3．電子束表面合金化處理

4．電子束表面非晶化處理第96頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四經(jīng)電子束表面合金化處理后的零件第97頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四三、電子束表面處理設(shè)備

處理設(shè)備包括：高壓電源、電子槍、低真空工作室、傳動機(jī)構(gòu)、高真空系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)。第98頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

四、電子束表面處理的應(yīng)用

（1）汽車離合器凸輪電子束表面處理汽車離合器凸輪由SAE3060鋼(美國結(jié)構(gòu)鋼)制成，有8個(gè)溝槽需硬化。溝槽深度1．5mm，要求硬度為58HRC。采用42kW六工位電子束裝置處理，每次處理3個(gè)，一次循環(huán)時(shí)間為42s，每小時(shí)可處理255件。

(2)薄形三爪彈簧片電子束表面處理三爪彈簧片材料為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(shí)間為0.5s。第99頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四第100頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四

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表面使之注入工件表面—定深度的真空處理工藝，也屬于PVD范圍。離子注入已在表面非晶化、表面冶金，表面改性和離子與材料表面相互作用等方面取得了可喜的研究成果。特別是在工件表面合金化方面取得了突出的進(jìn)展。7－7離子注入表面改性第101頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四離子注入：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材料表面，使材料表面層的物理、化學(xué)和機(jī)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)備第102頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四離子注入：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材料表面，使材料表面層的物理、化學(xué)和機(jī)械性能發(fā)生變化的方法。第103頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四第104頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四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結(jié)構(gòu)形式，大大改善了工件的使用性能。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應(yīng)用，尤其是在工具和模具制造工業(yè)的應(yīng)用效果突出。全方位離子注入與沉積設(shè)備第105頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四一、離子注入的原理離子注入裝置包括離子發(fā)生器、分選裝置、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(jìn)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，通過掃描機(jī)構(gòu)掃描轟擊工件表面。離子進(jìn)入工件表面后，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(gè)獨(dú)立的過程：第106頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四離子進(jìn)入工件表面后，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(gè)獨(dú)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)果可能引起離子激發(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自身的能量，離子經(jīng)多次碰撞后能量耗盡而停止運(yùn)動，作為一種雜質(zhì)原子留在固體中。第107頁，共119頁，2023年，2月20日，星期四離子進(jìn)入固體后對固體表面性能發(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增加注入元素含量外，還在注入層中增加了許多空位、間隙原子、位錯(cuò)、位錯(cuò)團(tuán)、空位團(tuán)、間隙原子