專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)-等離子表面硬化處理教材

專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)

二、等離子束表面處理技術(shù)等離子束表面處理技術(shù)簡(jiǎn)介磨損為滿足表面耐磨性能和耐腐蝕性能機(jī)械零部件失效

腐蝕表面改性處理斷裂等離子束表面處理技術(shù)簡(jiǎn)介噴涂層激光束、電子束、離子束等為代表的高能束表面改性新技術(shù)，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景

傳統(tǒng)表面改性技術(shù)

滲層鍍層等離子束表面處理技術(shù)簡(jiǎn)介在熱噴涂、堆焊、激光熔覆等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

熱噴涂：技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但涂層與基體的結(jié)合力差，不能承受沖擊載荷；

堆焊：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，但電弧不穩(wěn)定，組織成分極不均勻，易出現(xiàn)夾雜、過(guò)燒、燒不透、稀釋率高等缺陷，生產(chǎn)效率低，合金元素浪費(fèi)大等；

激光熔覆：涂層與基體呈冶金結(jié)合，涂層外觀好、硬度高、耐磨性好、抗沖擊等，但生產(chǎn)效率低，能量利用率低，設(shè)備投資大、維護(hù)費(fèi)用高、使用成本高。等離子束表面處理技術(shù)簡(jiǎn)介1等離子束表面處理的優(yōu)點(diǎn)2等離子束表面強(qiáng)化原理3等離子束表面強(qiáng)化方式4等離子束表面強(qiáng)化機(jī)理5舉例

等離子弧壓縮電?。号c一般的電弧相比溫度高、能量集中。等離子發(fā)生器工作時(shí)，在陰極和陽(yáng)極之間加一高頻高壓電，使其間的氣體介質(zhì)Ar氣電離形成電弧，此電弧柱在經(jīng)過(guò)細(xì)孔道的噴嘴時(shí)被強(qiáng)迫縮小，這種作用稱為“機(jī)械壓縮”。同時(shí)通過(guò)的高壓氣體介質(zhì)均勻地包圍在電弧周圍，使弧柱受到強(qiáng)烈的冷卻，迫使帶電粒子流向弧柱中心集中，弧柱被進(jìn)一步壓縮，這種作用稱為“熱壓縮”。此外帶電粒子在弧柱中的運(yùn)動(dòng)可看成是在一束平行的“導(dǎo)線”內(nèi)移動(dòng)，其自身的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁力，使這些“導(dǎo)線”互相吸引靠近，弧柱又進(jìn)一步被壓縮,這種壓縮作用稱為“磁壓縮”。在上述三種壓縮作用下，弧柱被縮小到很細(xì)的范圍內(nèi)，并且由柔性變?yōu)閯傂?，能量密度高度集中，心部溫度可達(dá)104℃，稱為等離子束。

等離子弧焊1等離子表面處理的優(yōu)點(diǎn)

等離子束能量密度高、溫度高、加熱速度快、時(shí)間短,處理工件變形小或無(wú)變形,工作效率高等離子束表面改性技術(shù)，一次性投資只有激光的1/3-/1/2，運(yùn)行成本只有激光處理的1/3，且硬化效果與激光相當(dāng)，是非常有前途的表面工程技術(shù)。2等離子表面強(qiáng)化原理

等離子表面強(qiáng)化的基本原理是利用用氬氣或氮?dú)獾葰怏w放電形成壓縮電弧的高密度能量束（等離子束），其能量密度達(dá)數(shù)百kW/cm2，弧柱中心溫度可達(dá)10000℃，加熱速度非?？?。當(dāng)利用等離子束掃描材料表面時(shí)，其表面溫度在瞬間可迅速升至相變溫度以上或至熔點(diǎn)，由于加熱時(shí)間短，加熱層很淺，靠工件自身以很大冷卻速度快速冷卻，形成細(xì)密的白口組織、隱晶馬氏體、高硬度化合物等高硬度組織，從而實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化之目的。3等離子表面強(qiáng)化方式（1）固態(tài)相變硬化

等離子束流快速掃描工件工件被加熱到固態(tài)相變溫度以上依靠工件自身快速冷卻發(fā)生淬火淬硬層組織細(xì)小，硬度比常規(guī)淬火工藝高出20%以上，耐磨性可提高2～3倍，工件幾乎無(wú)變形，處理后的材料表面形貌無(wú)改變，可直接使用。3等離子表面強(qiáng)化方式（2）表面熔凝硬化

等離子束流快速掃描工件表面形成熔池依靠工件自身冷卻和向空氣散熱快速凝固硬化效果顯著，但發(fā)生了液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生鑄造缺陷的可能性增加。此外，熔凝硬化層因凝固反應(yīng)而突起，一般需經(jīng)過(guò)磨削后方可使用，增加了制造工序和成本。（適于鑄鐵和高合金鋼）

3等離子表面強(qiáng)化方式（3）等離子束熔覆強(qiáng)化表面預(yù)涂敷合金粉末或同步送粉等離子束流快速掃描工件，合金元素熔入等離子束掃描形成的微熔池中，反應(yīng)形成新相依靠工件自身快冷和向空氣散熱快速凝固

3等離子表面強(qiáng)化方式（3）等離子束熔覆強(qiáng)化等離子熔覆示意圖3等離子表面強(qiáng)化方式（3）等離子束熔覆強(qiáng)化基體材料：碳鋼：Q235、20、45、16Mn合金鋼：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L、1Cr18Ni9Ti、

2Cr13

；鑄鐵：HT200、QT600、合金鑄鐵；有色金屬合金：Al合金、Ti合金3等離子表面強(qiáng)化方式（3）等離子束熔覆強(qiáng)化熔覆材料：鐵基合金粉末、鎳基合金粉末、鈷基合金粉末需要時(shí)加入：WC、TiC、SiC、Al2O3等陶瓷相提高硬度

3等離子表面強(qiáng)化方式（3）等離子束熔覆強(qiáng)化熔覆材料：鐵基合金粉末：熔覆層具有優(yōu)良的耐磨性，但脆性較大鐵鉻硅硼合金粉末：50HRC以上，適用于鐵路鋼軌的修補(bǔ),以及石油鉆探、農(nóng)機(jī)部件、建筑和礦山機(jī)械等抗磨損零件的強(qiáng)化和修復(fù)。3等離子表面強(qiáng)化方式（3）等離子束熔覆強(qiáng)化熔覆材料：鎳基合金粉末：熔覆層耐磨、耐蝕、抗氧化鎳鉻硼硅合金粉末：25~65HRC，綜合性能優(yōu)良，用途廣泛，可用于強(qiáng)化和修復(fù)承受金屬摩擦磨損的工件，各種低應(yīng)力磨料磨損的零件，耐蝕件和工作溫度不超過(guò)700℃的零件，以及鑄鐵、鋼件缺陷的修補(bǔ)。

3等離子表面強(qiáng)化方式（3）等離子束熔覆強(qiáng)化熔覆材料：鈷基合金粉末：熔覆層具有優(yōu)良的高溫性能，較好的熱強(qiáng)性、熱蝕性、韌性以及冷熱疲勞性能。

一般用于較重要的耐高溫磨蝕零件的強(qiáng)化和修復(fù)。如高溫高壓閥門板和閥座，各種發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥密封面以及用于熱腐蝕條件下的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。4等離子束表面強(qiáng)化機(jī)理等離子束表面處理過(guò)程屬于非平衡快速凝固過(guò)程。（1）相變硬化（2）細(xì)晶強(qiáng)化（3）彌散強(qiáng)化（4）固溶強(qiáng)化

等離子束掃描速度對(duì)硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響

材控01級(jí)李征等離子束掃描速度對(duì)硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響等離子束掃描速度對(duì)硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響1—熔化層，2—固態(tài)相變層，3—基體

圖2硬化層全貌35×硼鑄鐵經(jīng)等離子表面微熔處理后，其耐磨性大約提高了2倍。等離子束掃描速度對(duì)硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響圖3熔化區(qū)組織萊氏體＋少量未溶石墨400×

等離子束掃描速度對(duì)硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響圖5熔化區(qū)上部SEM照片3000×圖6熔化區(qū)中部SEM照片3000×圖7熔化區(qū)底部SEM照片3000×等離子束掃描速度對(duì)硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響

針狀馬氏體＋珠光體＋殘余奧氏體＋片狀石墨＋含硼碳化物和硬化層的顯微硬度分布曲線硬化層的耐磨性是基體的3倍等離子束表面熔覆Fe-Cr-Si-B涂層的組織和性能

材科02級(jí)魯煜鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-B涂層的組織和性能a)→b)→c)→d)→e)→f)表示從表層到結(jié)合界面的組織熔覆層的組織，（Cr,Fe）7C3

三維形貌鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-B涂層的組織和性能圖4熔覆層界面組織鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-B涂層的組織和性能熔覆道宏觀形貌316L不銹鋼等離子熔覆Ni基合金涂層的組織與耐蝕性能熔覆層低倍形貌316L不銹鋼等離子熔覆Ni基合金涂層的組織與耐蝕性能熔覆層的硬度分布曲線316L不銹鋼等離子熔覆Ni基合金涂層的組織與耐蝕性能噴焊層的低倍組織45鋼等離子噴焊鈷基合金涂層組織與性能研究