表面工程技術的物理、化學基礎

第二章表面工程技術的物理、化學基礎

2.1固體的表面與界面

固體：能承受應力的剛體材料，在室溫下其原子在相對的固定位置上

振動。從物質結構形態(tài)上看，可分為晶體和非晶體兩類

表面與界面的區(qū)別

界面：以兩個均勻相為分界的面，它隨相的種類不同而有相當不同的

特征。S/S,S/G,S/L

表面：固體表面的物理化學性能常與其內部的不同，這是因為在熱力

學平衡條件下，表面的化學組分、原子排列、原子振動狀態(tài)等等都與

體內不同。S/G,S/L

理想表面：在理論上，近似地假設除了固-氣界面的幾何限制外，而

系統(tǒng)不發(fā)生任何變化的表面稱為理想表面。

理想表面是一種理論的結構完整的二維點陣平面。這里忽略了晶體內

部周期性勢場在晶體表面中斷的影響，也忽略表面上原子的熱運動以

及出現的缺陷和擴散現象，又忽略表面外界環(huán)境的作用等，因而把晶

體的解理面認為是理想表面。

單種原子組成的某物質，其理想表面的形成過程可想象按兩步進行

首先，將固體切開，分割面垂直于固體表面，于是新表面暴露出來，

但是新表面上的原子仍留在原來晶體結點的位置上。

第二步，新表面上的原子將排列到各自的受力平衡位置上去。

潔凈表面：不存在任何污染的化學純表面

是經過如離子轟擊、高溫脫附、超高真空條件下的解理、蒸發(fā)薄膜、

化學反應、場致蒸發(fā)、分子束外延等特殊處理后，保持在10-6~10

-9Pa超真空下外來污染少到不能用一般表面分析方法探測的表面。

潔凈表面：晶體表面的成分和結構不同于晶體內部，一般大約要經過

4-6個原子層之后才與體內基本相似，所以晶體表面實際上只有幾

個原子層范圍。

在原子潔凈的表面上，可發(fā)生多種與基體內不同的結構和成分變化，

諸如弛豫、重構、臺階化、偏析、吸附等等。

oooo00??????

oooooo??????OO

OOOOOOooooooOOOOOOoOOO

______OOOOOO

000000OOOOOOOOOO

OOOOOOooooooooooooOOOOOO

弛豫：表面最外層原子與第二層原子之間的距離不同于體內原子間距

（縮小或增大，也可以是有些原子間距增大，有些減?。?/p>

重構：在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內顯著不同，

原子位置作了較大幅度的調整

偏析：表面原子是從體內分凝出來的外來原子

臺階：表面不是原子級的平坦，表面原子可以形成臺階結構

化學吸附：外來原子（超高真空條件下主要是氣體）吸附于表面并

以化學鍵合

化合物：外來原子進入表面，并與表面原子鍵合形成化合物

晶鼻鼻OOCW（?o

OOOOOO?????

ooooooOOOOOO

ooooooOOOOOO

實際表面：暴露于未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或經一定加工

處理（諸如清洗、拋光、研磨、切割等等）保持在常溫常壓或低真空

或高溫下的表面。

表面吸附、氧化和沾污

吸附:固體表面吸引氣體與之結合，以降低固體表面能的作用

化學反應:固體與氣體的分子或離子間以化學鍵相互作用，形成新的

物質，整個固體的能量發(fā)生顯著的變化。

在工業(yè)環(huán)境中被污染的實際金屬材表面示意

機械加工過的表面

表面粗糙度：不平整性包括波紋度和粗糙度——加工方法和材料本

性，粗糙度的表示方法：Ra,i=Ai/A1。粗糙度：影響膜層與基

體材料的結合力，是表征表面狀態(tài)的重要指標之一

典型固體界面：基于固體晶粒尺寸和微觀結構差異形成的界面BILBY

層+塑變層

基于固相組織或結晶結構差異形成的界面

例：鋼表面淬火。表面顯微結構是馬氏體結構為主，心部仍是原來的

退火狀態(tài)，中間是馬氏體+鐵素體+珠光體過渡區(qū)。

基于固相宏觀成分差異形成的界面

貝爾比層：固體材料經切削加工后，在幾日m或者十幾u□的表層中

可能發(fā)生組織結構的劇烈變化。這種晶格畸變是隨深度變化的，而在

最外的，約5nm~lOnni厚度可能會形成一種非晶態(tài)層，稱為貝爾比層

貝爾比層特點：益處：具有較高的耐磨性和耐蝕性，在機械制造時

可以利用。害處：對制作電子器件不利，如在硅片上進行外延、氧化

和擴散之前要用腐蝕法除掉貝爾比層，因為它會感生出位錯、層錯等

缺陷而嚴重影響器件的性能。

表面晶體結構：二維的布拉菲晶格（點陣）加上結點來描述，二維

無限點陣。

TLK模型（丁04@?0-16（180-口111＜）：各種缺陷的平臺，還是臺階和扭

折都會對表面的一些性能產生顯著的影響

圖2-3單晶表面的TLK模型

臺階

表面擴散：擴散：物質中原子（分子）的遷移現象稱為擴散。FICK1,2

定律。Q表〈Q界〈Q位〈Q體，Q:擴散激活能D

表＞D界〉D位＞D體，D:擴散系數

表面能：材料表面的內能；產生lcni2新表面需要消耗的等溫可逆功。

表面張力

固體表面的吸附：分類：物理吸附：范德華力?；瘜W吸附：化學鍵

力

*固

對氣吸附：常見氣體對大多數金屬而言，吸附強度有順序：

o2>C2H2>

固體對液體的吸附固體對固體的吸附萊

C2H4CO>H2>co2>N2

賓杰爾效應固體表面的潤濕

*潤

濕現象和機理

*mt，長力"慢觸m"的大條

當e<90°時，為潤濕。e越小，潤濕性越大，液體在表面的展開能

力越強。

當a=o°時，為完全潤濕。液體在表面完全鋪展開來

當e>90°時，為不潤濕。e越大，潤濕性越小，液體越不易鋪展開，

易收縮為球狀。

當6=180°時，完全不潤濕，為球狀。

固體表面的潤濕

*應

用：增大潤濕性：表面重熔、合金化、涂裝技術，提高與基體的結合

力

減小潤濕性：“不粘鍋”，在鍋底表面涂覆上憎水性材料，如

PTFE

2.2材料磨損原理及耐磨性

*摩

擦：遵循摩擦三定律1、干摩擦無潤滑摩擦，磨損最大應用：制動

器，傳送帶2、邊界潤滑摩擦：很薄油層〈O.lum摩擦降低2~10

倍3、流體潤滑摩擦：F取決于潤滑油粘度4、滾動摩擦：很小

一種摩擦包含幾種磨損機理

*磨

損：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨

損、高溫磨損

粘著磨損：占磨損失效的15%焊合剪切及犁削理論

單位面積載荷大一一塑性變形一一冷焊一一變形斷裂（塑性斷裂）

*典

型情況：硬-軟：抗剪切強度I,實際面積T,摩擦力T。硬-硬：

實際面積I,抗剪切強度t,摩擦力t

*影

響因素：a.材料的硬度。硬度t,耐磨性t（一般來講）b.晶體結構

合晶體互溶性?？诿芘帕紺口fcc<Hbcc,互溶性I,口1c.溫度。T

T,硬度1,互溶性t,磨損T（一般來講）d.環(huán)境。

磨粒磨損：占磨損失效的50%

*磨

粒磨損過程：硬質磨粒---絕對剛體

塑性材料接觸：顯微切削、顯微犁溝。脆性材料接觸：斷裂破壞，

顯微疲勞、顯微裂紋

例：a.模具鋼中，高輅鋼和高速鋼耐磨性好，如果在鋼中存在嚴重

的碳化物偏析或大顆粒的碳化物情況下，沖壓模易因沖擊磨損出現表

面剝落，成為磨粒，加速磨損。b.熱作模：型腔表面由于高溫軟化一

一耐磨性1,氧化皮起到磨粒作用。c.塑料模具：硬質塑料成型過程

中，硬質填料充當磨粒。

磨粒磨損影響因素：①磨粒特性

a.硬度的影響：H./Hm<1W速率低-軟磨粒W㈠H,/H?>1.2W

速率高-硬磨粒㈡1<HJHm<1.2隨磨粒硬度增加，W速率增加

很快，呈線性㈢對非均質材料，規(guī)律相似，但W速率不同

磨粒硬底

_5

u磨粒尺寸卅m

②磨粒磨損㈠形狀與粒度對W速率的影響不大㈡W率：尖銳型》多角

形）圓形。當磨粒在某一尺寸一下時，材料的體積W率隨尺寸的增大

而增大。當尺寸超過這一臨界尺寸時，增加幅度降低。

③材料力性、組織

硬度耐磨性（一般具有伴隨關系）。耐磨性：奧氏體、貝氏體）珠光

體、馬氏體

④環(huán)境影響

提高零件耐磨性的途徑：工程結構的合理設計。零件磨損機理預測、

分析和耐磨材料的選擇。材料表面耐磨與減摩處理

拉深模

粘著磨損：圓角處T脫落的材料碎屑，磨粒磨損一表面粗糙度T粘

著磨損T

改善方法：㈠選材：粘附易發(fā)生在性質相近的材料之間，根據被拉

深材料選擇模具材料。

如：被拉深材料：有色金屬黑色金屬

模具材料：鑄鐵、鋼材、硬質合金；有色金屬、硬質合金、

親和力小鋼材

㈡合理設計模具：⑴凸、凹模間隙設計合理

間隙小，摩擦阻力大，磨損t。間隙過大，制件起皺，磨損to不均，

產生不均勻內應力，壽命1⑵改善方法：表面處理一一提高耐磨性

⑶硬度提高：淬火、離子注入、熱擴滲……。粗糙度I:⑷拋光（超

聲波拋光、電解拋光）。潤滑：減摩作用，潤滑油脂、固體潤滑……

⑸固體潤滑機理：利用材料自身轉化膜的低剪切特性而具有良好的抗

摩、減摩作用。高溫穩(wěn)定性高，不易粘結。⑹固體潤滑覆膜：FeS,

FeCl……（表2-3）。自潤滑復合材料：金屬基、塑料基、碳基

例：金屬基向前式自潤滑軸承，由金屬底材與嵌入底材的孔或槽中的

固體潤滑劑構成，被稱為在摩擦行業(yè)中帶動模具革命的技術。

2.3金屬腐蝕原理與防護技術

什么是腐蝕？金屬材料和周圍環(huán)境發(fā)生相互作用而破壞。

定義：材料和周圍環(huán)境發(fā)生化學或電化學的作用而破壞。

三個基本要素：腐蝕的對象腐蝕的后果腐蝕的性質

腐蝕的分類

按環(huán)境分類：大氣腐蝕土壤腐蝕海水腐蝕微生物腐蝕

化工介質腐蝕

按形態(tài)分類：全面腐蝕局部腐蝕

按機理分類：化學腐蝕電化學腐蝕物理腐蝕

腐蝕電池的工作過程

Zn+2HC1=ZnC12+H2T

定義：只能導致金屬材料破壞而不能對外界作功的

常見幾種現象

①極化

*極

化現象：電流接通后，電池電動勢降低的現象叫電池的極化現象。

陽極極化：電位偏離初始電位正移。陰極極化：電位偏離初始電

位負移。

*腐蝕電池的極化包括陽極的陽極極化和陰極的陰極極化，不過兩者

的極化程度和方向不相同。

*極

化值

極化程度的大小用極化值表示，記為^E。

△E=E-EoAEa=EaEo0Ec=EcEo

0

②鈍化

表面狀態(tài)改變一一V腐蝕I,通常認為表面形成了氧化膜。

金屬+氧化性酸---氧化物，限制反應進一步進行。

WHN03<30%,V腐蝕T30%<WHN03V40%V腐蝕最大WHNO3>40%,

V腐蝕1活化：簡單而言，活化即消除表面鈍化，獲得清潔或潔

凈表面。加速腐蝕。

防護方法：正確選材與合理設計電化學保護涂鍍層保護緩蝕劑保

護合理設計，正確選材

例（1）避免殘留液和沉積物造成腐蝕

陰極保護法

犧牲陽極保護法：外加比保護金屬電位更低的金屬，如：鋼鐵表

面熱噴涂Zn層。

外加陰極電流法：使被保護金屬電位降低到保護電位以下。

陽極保護法：外加陽極電流使保護金屬電位升至鈍化電位。

表面處理

③陽極性金屬覆層

熱噴（熱擴滲、電鍍）鋅、鋁+有機物（涂料）封閉。在大型鋼結

構、船舶中廣泛應用

④陰極性金屬及非金屬涂層：復合鍍：Cu-Ni-Cr;陶瓷-陶瓷

多元復合涂層

第四章表面淬火

1.表面淬火技術的原理

將鋼表面快速加熱到AC3（亞共析鋼）或A;（過共析鋼）以上，然

后使之迅速冷卻并轉變?yōu)轳R氏體。將鋼整體加熱到Ac3（亞共析鋼）

或Ac】（過共析鋼）以上，然后使其表面迅速冷卻并轉變?yōu)轳R氏體。

2.表面淬火技術的加熱方式

⑴感應加熱：中頻感應加熱、高頻感應加熱⑵火焰加熱⑶激光加熱⑷

離子束加熱⑸電子束加熱

3.表面淬火對材料的要求

凡是能進行整體淬火強化的材料都可以進行表面淬火。

低碳鋼或低合金鋼需進行表面滲碳或合金化（齒輪滲碳）。

表面硬度要求越高，要求鋼碳含量和合金含量越高；表面硬化層越深,

要求鋼淬透性越好。

4.與常規(guī)淬火技術的區(qū)別

在一定加熱速度范圍內，V加熱T,T臨界T

V加熱T,奧氏體成分的不均勻性T

a.C成分不均勻，從相圖上看與F,K相鄰的濃度相差很大,C來不及

擴散b.合金元素不均勻

預先熱處理（調質、正火、球化退火）一一表面淬火V加熱T,

奧氏體晶粒細化顯著

a.過熱度大，相變趨動力增大,晶粒形成位置增多，A在F和K相界上

形成，A在F亞晶界上形成。b.加熱時間短,如果加熱速度107度

/S,形成時間10-5S,在如此短時間內奧氏體晶粒來不及長大。V冷卻

T,表面硬度高

5.表面淬火層組織

全馬氏體區(qū)（全淬硬層）⑵馬氏體+鐵素體區(qū)（過渡層）⑶硬化層深

度由硬度法和金相法評定（半馬氏體區(qū)硬度：國家標準）

6.表面淬火技術的特點

I生產效率高，能耗小。n加熱快，冷卻快：組織細，硬度高；組織

均勻性差（滲碳體來不及溶解和擴散）。川表面組織細，硬度高，中

部硬度低，韌性好。

感應加熱淬火原理

將工件緊靠在有足夠功率輸出的感應圈附近,感應圈通電，在高頻（中

頻）交流磁場的作用下（如果工件與線圈的間隙非常?。┯捎诩w效

應，在工件表面產生很大的渦流，大小與線圈電流相等，方向相反。

渦流產生熱量，將工件表面加熱迅速加熱到淬火溫度，并用冷卻介質

快速冷卻，達到對工件表面淬火的目的。

感應加熱原理

-321/2

對于圓柱型工件,表面吸收的功率P為：P=1.25x10RoI（pgf）

式中：R,）為工件半徑（mm）,I為感應器通入電流（A）,p為工件

材料電阻（Q.m）,口為導磁率（H/m）,f為電流頻率（Hz）。功率P

的大小決定了加熱速度。

加熱到奧氏體時，N迅速下降，即吸收功率P迅速下降表面

不容易過熱。

中頻淬火：電流導入深度：6=5.03x104（p/Mf）1/2（mm）

式中：p為工件材料電阻（Q.m）,R為導磁率（H/m）,f為電流頻

率（Hz）.

電流導入深度與電流頻率成反比，也就是淬火深度與電流頻率成反

比。

工藝流程：預先調質處理一確定加熱溫度與加熱方式一選擇比功率

一設計感應加熱器一確定冷卻方式一一制定回火參數

加熱方式：同時加熱、連續(xù)加熱

分類：①高頻200—300KHz,淬火深度0.5-2mm②中頻250（F8000HZ,

淬火深度25mm

③工頻50Hz,淬火深度④雙頻加熱，提高淬火深度

（3050mm）o

感應加熱淬火技術特點：①效率高②變形?、凵疃瓤煽丌苄枰谱魈?/p>

定的線圈⑤電源功率大⑥“尖角”效應

感應加熱淬火技術應用

高頻淬火：軸類零件，磨損量小，但精度要求高的零件

中頻淬火：齒輪、活塞環(huán)槽，有明顯磨損量，精度要求較高的零件

工頻或雙頻：軋輻，磨損量大

表面淬火在粗加工或半精加工后進行，最后只留磨量。

火焰淬火(flamequenching)原理：

用火焰快速將工件表面加熱到淬火溫度，并快速冷卻，使工件表面得

到淬火組織。

控制參數：火焰大小、火焰與工件的相對距離和相對移動速度

淬火深度：鋼淬透性、加熱深度和冷卻條件等

4.3火焰加熱表面淬火技術

①設備簡單②操作靈活③操作簡單④適用于各種形狀的小批量零件

或大型零件的局部淬火

缺點：①生產效率低②難以控制，需要豐富的經驗。③淬火層的均勻

性差④變形大

4.3火焰加熱表面淬火技術

適用于各種形狀的小批量零件或大型零件的局部淬火導槽、模

具、凸輪軸(凸臺)

4.4激光加熱淬火技術

激光加熱原理：用激光束加熱材料表面，使之迅速生高到相變溫度

以上。

激光加熱的特點：能量密度高。加熱速度快溫度高，且容易控制。激

光加熱可有多種用途：

(1)激光淬火：加熱材料表面到相變點以上溫度，自行快速冷卻轉

變?yōu)轳R氏體。

(2)激光重熔：加熱材料表面使之熔化，表層快速冷卻，形成白口

組織或高硬度相。

(3)激光非晶態(tài)處理：用激光束熔化材料表面，然后快速冷卻，形

成非晶態(tài)組織。

(4)激光合金化：用鍍敷或噴涂技術，將需要的合金元素涂敷在金

屬表面，用激光照射，使表層熔化，合金元素和基體混合，形

成所需要的成分和組織。

(5)激光熔覆：用鍍敷或噴涂技術，將陶瓷涂敷在金屬表面，用激

光照射，使陶瓷和金屬基體表層熔化，并形成冶金結合。

激光加熱還有大量其他用途：激光切割、激光刻字、激光打孔等

激光淬火(LaserQuenching)原理：用激光束加熱材料表面，使之

迅速生到相變點溫度以上但不熔化，當激光束移開后表層自行快速冷

卻，異轉變?yōu)轳R氏體。

4.4激光加熱淬火技術

特點：能量密度高，加熱速度快、溫度高，不需要淬火冷卻介質。

控制參數：（1）淬火層深度：激光功率、光斑直徑和掃描速度決定。

淬火層深度一般在0.ri.Omni（2）能量密度（J/c/）：決定加熱溫度

和深度。

優(yōu)點：①工件變形小②能量集中，熱影響區(qū)?、奂訜嵘疃群蛙壽E容易

控制④適用于表面重熔，甚至可以熔化陶瓷。為了不使材料熔化，激

-2

光淬火時能量密度一般為10006000J/cmo

缺點：存在回火軟化帶，對要求大面積均勻硬化層的工件不利

Crl2MoV鋼激光淬火組織和硬度分布

26kW

0.4"Q6OB'1012

至表面距離E

應用（1）高精度零件處理

汽車大梁，汽車油泵，空壓機、發(fā)動機的汽缸，汽車凹輪軸，熱

鍛模大型內齒圈

質量優(yōu)勢技術特點適用材料實際應用

淬火零件不變形熱循環(huán)過程快中碳鋼大型軸類

激光淬火不開裂精確定量的數控淬火冷作模具鋼模具、刃具

對局部溝、槽淬定位準確中碳合金鋼減震器（內槽）

火

清潔、高效不需要冷卻介質鑄鐵材料發(fā)動機汽缸

硬度高淬火層組織細密、強高碳合金鋼大型軋輻

韌性好

(2)管材內表面改性

例：管內機器人+激光表面改性技術，對細長管材內表面硬化處理,

提高耐磨性，延長壽命，減少管材的使用量。

外徑60nini,壁厚8mm,長2300mm的細長空心軸，淬火后振

擺變形小于0.2mm

4.5變形強化

變形強化機理：

塑性變形一位錯運動T位錯增殖T位錯交結T強度提高

塑性變形一馬氏體相變一強度提高

最常用來表示金屬材料變形強化的公式是Hollomon公式：S=Ken

式中：S為真應力；e為真應變；n為變形強化指數；K材料硬化

系數。

4.5變形強化

(1)噴丸或拋丸強化:鋼丸高速撞擊工件表面，使表層材料產生大量

的塑性變形。

(2)滾壓強化：用鋼球、輻輪或輻軸滾壓工件表面，使工件表面產

生大量的位錯。

①產生大量的位錯，如有奧氏體相，促使馬氏體相變，提高材料的表

面強度。②較大的殘余壓應力。③提高材料的強度，特別是疲勞強度

的方法。

4.5.1噴丸強化

噴丸強化：壓縮空氣帶動鋼丸高速撞擊工件。

噴丸強化：撞擊點集中，易于控制。用于飛機葉輪，齒輪。

拋丸強化：葉輪高速旋轉，鋼丸在離心力的作用下，沿葉片切線方

向以45m/s-75m/s速度飛出，高速撞擊工件，使工件表面產生塑

性變形和內應力，達到強化的目的。

拋丸強化撞擊面大，生產效率高。用于彈簧鋼板、圓彈簧、大型工

件、車輪以及大批量生產的零件等。

噴（拋）丸強化后表層殘余應力分布

疲勞破壞時，表面產生拉應力，表面殘余壓應力可以抵消部分拉應力，

降低應力峰值，從而提高疲勞強度。

合適的工藝參數下，在0.2~0.4mm表層，產生數百兆帕的壓應力。

lCrl8Ni9Ti.20鋼、45鋼、40Cr、60Si2Mn噴（拋）丸強化后疲勞

-

強度可提高1447%O;鋁合金的臨界腐蝕應力提高1倍；汽車滲碳齒

輪疲勞壽命提高4倍；彈簧鋼板疲勞壽命可延長5倍。

控制要點：（1）鋼丸直徑：取決于工件表面質量要求（2）鋼丸硬度:

取決于工件材料（3）鋼丸材料：不易破碎。不能有尖角、碎丸：降

低疲勞強度。不銹鋼工件不能用普通鋼丸：生銹（4）噴（拋）丸強

度：用試片檢測。（5）表面覆蓋率（％）

4.5.2滾壓強化

在一定的壓力作用下，用鋼球、輻輪或輻軸滾壓工件表面，使工件表

面產生大量的位錯和較大的殘余壓應力，從而提高材料的表面強度，

特別是疲勞強度的方法。

表面滾壓的強化原理與噴丸和拋丸相同。

滾壓強化適用于軸類零件和溝槽類零件，不能用于復雜零件。滾壓改

性層深度可達5mm以上，球墨鑄鐵曲軸滾壓疲勞強度可提高20~33%

滾壓強化使零件產生變形，必須進行矯正處理。

第五章熱擴滲

定義：將工件放在特殊的介質（氣體、液體或固體）中，使介質中的

某一種或幾種元素滲入工件表面，形成一定厚度的擴散層（或摻雜

層），從而改變材料成分、組織和性能的方法。

滲層形成的條件：①滲劑產生活性原子和基體金屬原子具有較好的相

溶性，能形成固溶體或金屬化合物。②必須保持直接的緊密接觸③活

性原子在基體金屬內有一定的擴散速度。

④必須滿足熱力學條件（化學反應）

☆在熱力學條件滿足的前提下，擴散速度取決于動力學條件，即溫度。

熱擴滲技術機理：

滲劑產生活性原子，并不斷提供給基體金屬表面。

活性原子吸附在基體金屬表面，并被基體金屬吸收，形成固溶體或金

屬間化合物。

活性原子不斷向基體金屬內部擴散，滲層厚度不斷增加。

熱擴滲層的組織：

形成單相固溶體，如滲碳層中的a-Fe。

形成化合物，如滲氮層中的&相（Fe’rN）,滲硼層中的Fe?B等。

形成固溶體和化合物的混合組織，并形成梯度分布。

40CrNiMo鋼

（a）滲碳：層深0.5mm左右，表面碳勢0.9%。表層為高碳馬氏體+顆

粒狀碳化物+殘留奧氏體;心部為中碳馬氏體。（b）滲氮：表層碳氮

化合物+含氮馬氏體+殘留奧氏體，心部是回火索氏體。

滲氮厚度與時間、溫度的關系（95%此+5%%）

熱擴滲工藝分類

按滲劑狀態(tài)分：氣體法、液體法、固體法和等離子法。

按滲入元素分：滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、浸鋁、浸鋅、碳氮共滲、

氮碳共滲等。

按工作溫度分：高溫（＞910℃）、中溫和低溫熱（＜720℃）熱擴

滲。

滲碳：在增碳活性氣氛中，將工件加熱到高溫，低碳鋼或低合金鋼

一般加熱900—950℃,使碳原子滲入工件表面，形成高碳層。

滲碳氣氛的形成方式：①滴注式氣體滲碳：向爐內滴入含碳有機液體,

如煤油。（設備簡單，要求經驗）②吸入式氣體滲碳：吸入富碳氣氛

進行滲碳。（專用設備，大批量生產）③氮基氣氛滲碳：以純氮為載

體，加入碳氫化合物，一并注入爐內形成富碳氣氛進行滲碳。（專

用設備）④氣氛檢測儀器（C02、CH4、CO分析儀）

滲碳

控制要點影響因素

滲碳層碳濃度（0.8-1.1%）碳勢

滲碳層厚度（淺層<0.7mm,常規(guī)溫度、時間

0.7-1.5mm,深層>1.5mm）

工件變形夾具、裝料形式

表層內氧化爐內氣氛、裝爐溫度、冷

卻狀態(tài)

滲碳層質量控制：①滲碳層碳濃度：設計爐內碳勢，測定隨爐試樣成

分，調節(jié)碳勢，嚴格控制溫度。②滲碳層深度：控制溫度、時間，測

定隨爐試樣成分，調節(jié)時間。③工件變形：夾具剛性高，裝爐平穩(wěn)④

內氧化：爐內氣氛，高溫裝爐，低溫開爐和出爐。

20Cr2Ni4A齒輪滲碳

優(yōu)點：提高硬度和耐磨性的同時，心部能保持相當高的韌性，可承受

沖擊載荷，疲勞強度較高缺點：處理溫度高，工件畸變大

應用：滲碳工藝廣泛應用于飛機、汽車、機床等設備的重要零件中，

如齒輪、軸和凸輪軸等。滲碳是應用最廣、發(fā)展得最全面的化學熱處

理工藝。例：冷擠壓成型塑料模

（1）要求：冷擠壓成型一一在退火態(tài)具有高的塑性和低變形抗力一

一提高耐磨性——滲碳+淬回火處理，表面硬度達58~62HRC

(2)材料：工業(yè)純鐵、20Cr、12CrNi3A、0Cr4NiMoV(LJ)LJ含碳

量低，塑性優(yōu)良，變形抗力低，Cr、Ni、Mo、V提高淬透性，

滲碳能力提高；代替10鋼，20鋼。

(3)工藝性能：固體滲碳工藝：加熱930cx(6-8h)+M(850-

870℃)+低溫回火(200?220℃x2h)表面硬度：58-60HRC;心部：

21-29HRC;變形小，滲硬層深

滲碳溫度高，變形大，滲碳速度慢等缺點一一稀土共滲技術

汽車齒輪

稀土元素作用：(1)催滲(2)微合金化：成為第二相沉淀析出的核

心，超細化馬氏體，接觸疲勞、彎曲疲勞強度高

向密封的滲氮爐內通入氨氣，氨氣發(fā)生下列反應：

-

2NH3=3H2+2[N]480570℃[N]+Fe=Fe-N

生成的活性[N]原子滲入鋼鐵表面，形成一定厚度的滲氮層。

名稱結構含氮(wt%)特性

a相含氮鐵素體體心590℃:0.1有鐵磁性

室溫：0.004

Y相含氮奧氏體面心<2.86590C共析轉變，

慢冷：丫-a+丫'

YJ相Fe4N基面心5.30-5.70鐵磁相，硬度較高,

固溶體脆性小

￡相Fe2-3N基4.55-11.0鐵磁相，650℃發(fā)生

固溶體共析：￡Y+

Y

己相化學當量為斜方11.07一具有高脆性

Fe2N化合物11.18

滲氮層相及特性

滲氮優(yōu)點：

氮化層硬度高達950-1200Hv,耐磨性、疲勞強度、紅硬性、抗咬合

性能和減摩性能優(yōu)于滲碳層。㈡低溫滲氮：500—600℃滲氮，工件變

形小。

缺點：㈠時間長，數十到上百小時。㈡滲層?。?00um）,脆性高

滲氮的應用

滲氮可以用于結構鋼、高銘鋼、工具鋼和鑄鐵。②產品有銷、軸、缸

套、活塞、齒輪和模具等等。③滲氮層很薄，一般為0.l-o.15mm,

滲氮處理后最好不加工或少量精加工。

碳氮共滲④在520—580℃,以滲氮為主，稱氮碳共滲，滲層硬度比滲

氮層略低，俗稱軟氮化。

⑤氮碳共滲比滲氤時間大大縮短；滲層中不含E相，硬度略低，韌

性好，裂紋敏感性小。

⑥氮碳共滲是一種表面硬度高，摩擦磨損性能和疲勞性能好，尺寸

變形小的熱擴滲工藝。

碳氮共滲⑦在780—930C,以滲碳為主，稱碳氮共滲。⑧碳氮共滲比

滲碳溫度低，零件變形小，晶粒細，可以直接進行淬火，零件變形開

裂傾向小。⑨氮不僅擴大了Y相區(qū)，而且提高奧氏體穩(wěn)定性，提高了

滲層的淬透性和淬硬性。⑩滲層存在較大的殘余壓應力。11.更高的

疲勞強度、耐磨性、耐蝕性和回火穩(wěn)定性。

滲氮和氮碳共滲應用

滲氮層很薄，一般為0.1—0.15mm,滲氮處理后最好不加工或少量精

加工。

不僅要求疲勞強度、耐磨性、耐蝕性和回火穩(wěn)定性高，而且要求精度

高的產品，如銷、軸、缸套、活塞、活塞銷、模具等等。

5.2液

體熱擴滲：將工件放入熔融液體中，使表面層滲入一種或幾種元

素的方法稱為液體熱擴滲。

鹽浴法：（1）鹽浴為滲劑，鹽浴產生的活性原子滲到工件表層。（2）

滲劑浮于鹽浴表面，鹽浴作為載體傳輸活性原子。

熱浸法：熔融金屬液，熱浸鋅、熱浸鋁等

熔燒法：滲劑制成漿料涂敷在工件表面，在真空或保護氣氛下加熱至

滲劑熔點以上，滲劑元素擴散到基體金屬表面。

Melenite工藝（鹽浴氮碳共滲），1974年德國Degguss公司發(fā)明，鹽

浴溫度550~600℃,鹽浴中含有34—38%的CNO”離子。Melenite工藝

原材料不含氟鹽或氨酸鹽，但反應產物中含低氯。零件清洗水可以直

接排放，但廢鹽處理是問題。

Sursulf工藝（鹽浴硫氮碳共滲）由法國HEF公司開發(fā)的一種表面處

理工藝，在565±5℃工作溫度下，由硫催化下的無公害鹽浴氮化。

卓越的滲氮能力使舍舍夫(SUSULF)技術有效地解決鋼和鑄鐵的磨損

摩擦、疲勞、咬合及腐蝕的各種問題。Sursulf工藝原材料不含氨

鹽或氨酸鹽，反應產物中含有少量的氨酸根CN:質量分數40.8%。

零件清洗水在添加去氨劑中和后，可以直接排放,但廢鹽處理是問題。

同Melenite工藝相比，Sursulf工藝處理零件的摩擦系數更低，抗

咬合性能更好。

熱浸金屬

將工件浸入熔融的金屬液中，使工件表面形成金屬防護層的方法。

⑩熱浸金屬的三個過程：

(1)基體金屬表面被溶解，形成合金層。

(2)合金層內的滲入原子向內擴散，形成固溶體或化合物。

(3)合金層外面包覆一層純金屬。

熱浸鋅和熱浸鋁

?熱浸鋁和熱浸鋅是公認的經濟實用的鋼鐵材料表面防護方法。

?熱浸鋅在大氣、海洋環(huán)境下使用的鋼結構件已大量使用，如水管、

高速公路護欄、鐵搭、橋梁上大量使用。

?熱浸鋁還在汽車零部件上使用。滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐

蝕最有效的方法。

熱浸產品鋼管換熱器

熱浸鋁：鋁液與鐵接觸，在界面上形成Fe/Al合金層，并形成FeAL

化合物。

?鋁原子向內部擴散，不斷形成FeAL化合物，FeAL相厚度增加。

?隨著鋁原子繼續(xù)向內擴散，還形成Fe2Als相。

?取出工件時，表面形成一層純鋁。

?用常規(guī)方法對工件表面脫脂除銹

?用質量濃度為4%的LZrFe溶劑在50-80℃清洗工件：

(1)進一步清除工件表面鐵銹(2)活化工件表面，提高浸入能力和

鍍層的結合力。

?工件干燥后，浸入鋁液。

熱浸鋁液成分和浸漬工藝

浸漬工藝

鋁液成分溫度時間備注

/℃/min

100%Al760-10-30粘鋁偏多

780

88~92%A1+680-15-60鐵鍋和工件的溶解少

12-8%Fe800

94-98%Al+720一20-30鋁液流動性好

6-2%Si780

熱浸鋁工藝影響因素

?鋁液成分、溫度、時間

21基體成分：

☆鋼中C、Si含量增加，浸鋁層厚度下降

☆鋼中的Cr、Mn元素，浸鋁層厚度下降

☆Si提高鋁液流動性，降低合金層的厚度和硬度

滲鋁

滲鋁的方法很多：

22液態(tài)滲鋁：工件浸入鋁液

23固體粉末滲鋁：88%AlFe粉+10%石英粉+2%NHKL膏劑，涂在工件表

面3一50101厚，在專用密封爐內加熱，使鋁滲入工件。

24表面噴涂鋁，再擴散退火滲鋁：電弧噴涂0.7-1.2加鋁層，在

920—950℃進行4—6小時擴散退火滲鋁。

5.3固體熱擴滲

25把工件埋入固體滲劑或用固體滲劑包裹工件，并加熱達到一定溫

度，保持一定時間，使工件表面滲入一種或多種元素的方法。

26固體滲劑包含：供滲劑（+還原劑）+催滲劑（或催化劑）+填充劑。

例：滲硼

27供硼劑：含硼量高的物質，B￡、硼鐵、硼砂，硼量越高，硼的活

性越大。

28還原劑：用硼砂的還原劑為SiC。

29催滲劑：歐美用碳化物（環(huán)保），國內用氟化物和氯化物（活化能

力強）

30填充劑:SiC或ALOs。

常用固體滲硼劑及滲硼工藝

滲劑成分工藝參數滲層厚滲層組織

/mass%溫度/℃時間/h度/mm

95%B4c+2.5%A12O3+2.5%N95050.06FeB+Fe2B

H4C1

80%B4C900-30.09-FeB+Fe2B

+20%Na2C0311000.32

5%B4c+5%KBF4700-30.02-FeB+Fe2B

+90%SiC9000.1

30%硼鐵+10%KBF4800-40.09-Fe2B

+60%SiC9500.1

13%硼砂+13%催滲劑+10%85040.1Fe2B

還原劑+54%SiC+10石墨

例：滲硼

31硼在y-Fe或a-Fe中的溶解度低于0.002%,易與Fe形成Fe?B,

如滲硼劑活性高，滲層中硼量增加，當B量超過8.83%時，會出現

FeB。

32FeB的硬度比Fe?B高，脆性性也大，所以一般希望得到Fe?B相，

但大多數情況是得到Fe2B相和FeB相混合組織。

-

33Fe2B的硬度為1200~1800Hv,FeB的硬度為18002200Hvo滲硼能

顯著提高鋼的耐磨，特別是磨粒磨損性能。

34鋼件滲硼后抗拉強度和韌性下降，但抗壓強度提高。

35滲硼工件的抗粘著磨損性能比滲碳淬火和離子滲氮更高。

36在硫酸、鹽酸、磷酸等水溶液中的耐腐蝕性能明顯提高，但不耐

海水和硝酸的腐蝕。

鋼化學成分對滲硼影響：

37B的滲入，使鋼中C內遷，以形成Fe/B化合物。含C量越高，滲

硼層越薄。

38W、Ti、Mo是阻止硼化物形成元素，能急劇降低滲硼層厚度。

39Cr、ARSi影響較小；Mn、Co,Ni幾乎沒有影響。

最適合于中碳鋼及中碳合金鋼

5.4等離子體熱擴滲

40等離子體熱擴滲是利用低真空中氣體輝光放電產生的離子轟擊工

件表面，在工件表面產生熱擴滲的工藝。

等離子體熱擴滲特點

離子轟擊工件表面，使表面活性提高，容易吸收被滲離子和活性原

子。

離子轟擊能去除工件表面的氧化膜或鈍化膜，使易氧化的金屬（如

不銹鋼）也能進行熱擴滲。

調節(jié)電參數、滲劑氣體成分和壓力來控制熱擴滲層組織性能。

氣體放電：當電壓達到一定大小時，陰陽極間的氣體會發(fā)生電離，等

離子體是一種電離度超過0.1%的氣體。

輝光放電特性：陰極附近的電位降落最激烈，此區(qū)域的輝光強度最強，

稱為陰極輝光區(qū)，即所謂的輝光厚度。

改變兩極距離，輝光厚度無明顯變化。當距離小于輝光厚度時，輝光

將熄滅。這一原理用于工件局部保護。

例：離子滲氮

41將工件放入離子滲氮爐，抽真空至1.33Pa.

42通入少量含氮氣體,如氨,使爐壓升到規(guī)定值.

43陰極(工件)和陽極加直流高壓，使爐內氣體放電.氮離子和氫離子

在高壓電場作用下沖擊陰極，產生大量熱量加熱工件，同時氮離子

和氫離子被工件吸附，滲入工件，形成滲層.

44保持一定時間，滲層達到要求厚度后停電、停氣，降溫到200C后

出爐。

離子滲氮工藝

輝光電壓：保溫階段為50(f700V。電流密度：0.5—15niA/cm2。電流密度大，升溫快

-

爐內真空度：266533Pao爐內壓力太低，加熱太慢；爐內壓力太高，

易出現打弧。滲氮氣氛：液氮或氮氫混合氣。液氮使用簡單，但滲層

脆性大；體積比為1:3的氮氫混合氣可改善滲層性能。調整氮氫混合

氣的氮勢，可控制滲層相組成。滲氮溫度：450—650℃。不含鋁的鋼

一般采用500—550℃的一段滲氮工藝，含鋁鋼采用520―530℃和

560―580℃的二段滲氮工藝；不銹鋼采用600—650℃的滲氮溫度。滲

氮時間T:6為0.2~0.6mm時，T為6-3011。一般鋼種8h左右，

不銹鋼要長得多。滲層深度計算公式：6=k(DT)1/2計算。6為

滲層深度，k為常數，D為擴散系數，T為滲氮時間。

離子滲氮特點

45效率高：滲氮速度與普通氣體滲氮的3~5倍。

(1)N離子轟擊，使部分金屬原子活化，使C、N、0等部分非金屬

元素還原出來。

(2)表面清洗作用

(3)高的N濃度：轟擊出來的N,Fe原子形成FeN,吸附在工件表

面，提高了表面濃度。

(4)陰極濺射，部分原子脫離表面，位錯密度增加，增加了N原子

向內的擴散系數。

離子滲氮特點

46硬度：離子滲氮層硬度與氣體滲氮層相當。

47厚度：離子滲氮層厚度可達0.3—0.5m%比氣體滲氮層厚得多。

48熱效率高，節(jié)能；環(huán)保。

熱擴滲的發(fā)展趨勢

49應用越來越廣：耐磨、耐蝕、提高表面強度。

50低溫工藝代替高溫工藝，減少變形。

51提高滲層性能，單元素擴滲變?yōu)殡p元素或多元素擴滲。

52環(huán)保：液體碳氮共滲改為離子碳氮共滲。

53催滲劑研究

54控制系統(tǒng)或元器件的研發(fā)。

第六章熱噴涂噴焊與堆焊技術

1.熱噴涂技術：采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧、激光等作

熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物以及它們的復合材

料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，并噴射到經過

預處理的工件表面，形成附著牢固的表面層的加工方法。

泵浦靜止環(huán)高壓

WC-Ni用于耐磨損和腐蝕鋼閘門電弧噴涂Al-Zn防腐涂層

德國HUNGER公司等離子噴涂的啟閉機油缸活塞桿啟閉機柱塞桿：耐

磨損和耐腐蝕陶瓷涂層

球閥

WC-Co-Cr用于耐磨損和腐蝕輸送滑輪WC-Co用于耐磨損和

防滑

涂層形成機理

材料熔化一加速-撞擊基體-冷卻凝固一形成涂層

初始AMWIiK

I長源

溶化廠、

液滴o

I單層撞擊

單個U------

薄層

I多層摘擊

圖1熱噴涂工藝過程

，余層結構

55層狀結構.方向性.孔隙或空洞.伴有氧化物和夾雜

涂層質量指標

56涂層材料性能

57涂層結合強度

58涂層空隙率

59涂層內應力

涂層質量影響因素

60結合強度：材料性質、熔化狀態(tài)(熱源溫度、粒子飛行距離)、粒

子飛行速度、基體表面粗糙度、涂層厚度等

61空隙率：材料性質、熔化狀態(tài)、粒子飛行速度

62內應力：材料性質、涂層厚度、工件冷卻條件、噴槍運動速度。

涂層結合機理

涂層的結合包括涂層與基體表面的結合和涂層內部的結合。

63結合力：涂層與基體表面的結合強度。

64內聚力：涂層內部的結合強度。

涂層結合機理

(1)機械結合

65碰撞成扁平狀，與凹凸不平的表面互相嵌合，形成機械釘扎而結

合。

66涂層與基體的結合以機械結合為主。

67機械結合為主的結合決定了熱噴涂的結合強度較低。

（2）冶金---化學結合

68噴涂熱量、撞擊能量和放熱反應，使表面局部產生高溫，使涂層

和基體表面局部出現擴散和焊合，形成冶金結合。

69結合面上的金屬間化合物或固溶體為冶金結合的產物。

70重熔或噴焊時，噴焊層與基體的結合主要是冶金結合。

（3）物理結合

71顆粒對基體表面的緊密結合，形成范德華力或次價鍵形成的結合。

涂層殘余應力

*熔

融顆粒/凝固收縮涂層外層為拉應力，基體和涂層的內層為壓應

力。

*涂

層越厚，內應力越大，直至剝離。熱噴涂層厚度一般40.5mm。

*殘

余應力影響因素：

*涂

層材料與基體材料物理性質的差異（如膨脹系數）。

*工

藝措施（如工件預熱、噴涂過程中對工件冷卻等）。

*涂

層結構（如梯度涂層）。

*涂

層的致密性等。

WearResistanceCoatingonLightMetals

2.主要熱噴涂方法和特性

72按熱源分

I熱呷涂I

I氣體燃燒火焰噴-需1I電弧磁~深I?等離字噴涂「噴涂II電熱熱源噴涂I

_!_l|

線

_L冷

_1線_

_1初_

_1爆-

_L微

_L大

_L低

_L水

-L三

,L常

lls高

材I

速

噴

炸

末

材

壓

等

規(guī)

陰

氣

穩(wěn)

速

電

！

噴

火

電

等

離

電

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&等

等

火

弧

材

涂

焰

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離

焰

噴

火

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噴

子

噴

噴

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子

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漆

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漆

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涂1

流

一

一__

一_

2.主要熱噴涂方法和特性

73不同的方法，適用于不同的材料；不同的材料，選擇不同的方法。

主要取決于材料的熔點和氧化特性。

74電噴涂：適用于金屬材料或金屬基復合材料。

75氣噴涂：可以噴金屬也可以噴陶瓷。火焰噴涂噴金屬，HVOF噴金

屬陶瓷，等離子噴涂噴氧化物陶瓷。

熱噴涂的特點之一

(1)適用范圍廣

涂層可以是金屬、非金屬以及復合材料。工件也可以是金屬和非金屬。

熱噴涂的特點之二

(2)工藝靈活

施工對象小到10mm內孔，大到鐵塔、橋梁等大型結構。既可在整體

表面，也可在指定區(qū)域內涂敷。既可在真空或控制氣氛中噴涂活性材

料，也可在野外現場作業(yè)。

熱噴涂的特點之三

(3)工件受熱少

例如氧一乙煥焰噴涂、等離子噴涂或爆炸噴涂，工件受熱程度均不超

過250C,工件不會發(fā)生畸變，不改變工件的金相組織。

熱噴涂的特點之四

(4)生產效率高

大多數工藝方法的生產率可達到每小時噴涂數千克噴涂材料，有些工

藝方法可高達50kg/h以上。

熱噴涂的特點之五

(5)缺點

熱效率等，能耗高。材料利用率低，浪費大。涂層結合強度低。

3.表面預處理

76為了提高涂層與基體的結合強度，在噴涂前，對基體表面進行脫

脂、清洗和粗糙化等預處理。表面預處理是噴涂工藝中的一個重

要工序。

基體表面脫脂、清洗方法

*堿

洗法：將工件放到氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性溶液中，待基體表面的油

脂溶解后，再用水沖洗干凈。

*溶

液洗滌法：采用揮發(fā)性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和過氯乙烷乙

烯等，它們的主要作用是把基體表面的礦物油溶解掉，再加以清除。

基體表面脫脂、清洗方法

*

氣清洗法：采用三氯乙烯蒸氣清洗，這種方法的清洗效果很好，但對

人體有一定的危害。

77對疏松表面(如鑄鐵件)的清洗：先脫脂、清洗后，將工件表面

加熱到250℃左右，盡量將油脂滲透到表面，然后再加以清洗。

基體表面氧化膜的處理

78機械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除銹法。

79直接噴砂去除氧化膜。

80也可以采用硫酸或鹽酸進行酸洗。

表面粗化處理

81提高結合強度的一個重要措施。

82噴涂前4h?8h內必須對工件表面進行粗糙化處理。常用的方法有：

(1)噴砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬鐵砂、氧化鋁砂、

碳化硅砂等多種，根據工件表面的硬度選擇。

(2)機械加工法

83對軸、套類零件表面粗化，可采用挑扣、開槽、滾花等簡便切削

加工方法，限制涂層的收縮應力，增加涂層與基的接觸面。

84對強度要求不高的工件，在噴涂區(qū)域內車螺紋和滾壓，形成粗糙

表面，一般每厘米10條紋左右。

(3)化學腐蝕法

基體表面進行化學腐蝕，由于晶粒上各個晶面的腐蝕速度不同，可形

成粗糙的表面。

（4）電弧法（又稱電火花拉毛法）

將細鑲（或鋁）絲作為電極，在電弧作用下，電極與基體表面局部熔

合，產生粗糙的表面。這種方法適用于硬度比較高的基體表面，但不

適用于比較薄的零件。

基體表面預熱

涂層與基體表面的溫度差使涂層產生拉應力，從而引起涂層開裂和剝

落。

基體