4第六章 表面改性和处理新技术

中国石油大学（华东）课程名称：《表面工程技术与缓蚀剂》专业班级：材料物理071-2班授课教师：韩治德授课时间：二零一零年十月1.电镀、化学镀的概念2.电镀液的组成和作用3.金属电沉积过程、分类4.电刷镀的工作原理和特点5.化学镀与电镀相比的特点6.化学转化镀、表面着色上节回顾•什么是高能束？高能束改性的共同特点？•五种激光束处理工艺的机理？•电子束表面处理概念？哪些特点？•离子注入的概念？改性机理？特点？•表面扩渗和表面淬火热处理概念、特点？•高密度太阳能表面热处理？表面形变强化？本章内容提要度量热能通过总热量和能量密度（兵法？）将具有高能量密度的能源，施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，获得特殊性能的方法——高能量密度表面改性技术高能量密度能源有哪些？它具有哪些共同的特点呢？（讨论）高能束概述高能束表面改性特点•能量集中在一定的范围和深度，可对工件表面进行选择性的表面处理，能量利用率高；•加热速度快，工件表面至内部温度梯度大，可以很快的速度自冷淬火；（自己给自己淬火）•工件变形小，生产率高等。1960年5月15日，在美国加利福尼亚州著名的休斯敦实验室，科学家梅曼激动地宣布：获得了波长为694.3nm的激光。同年7月7日，休斯公司在纽约举行了隆重的新闻发布会，正式宣布：世界第一台激光器诞生了！激光的诞生激光的用途★高能量密度改性的共性★没有化学污染，易于传输、切换和自动控制等优点★问题：反射率高的材料要进行防反射处理，增加表面的吸收能力；不适宜一次进行大面积处理；激光本身是转换效率低的能源；相关设备价格昂贵，与其他表面工程技术相比，技术尚不很成熟。激光表面改性的特点激光表面处理工艺激光束加热金属的过程——逆韧致辐射效应，晶格热振荡，微妙、纳秒至皮秒激光处理前表面的预处理——激光波长越短，金属的反射系数越小，所吸收的光能也就越多表面粗糙度、涂层、杂质等都会极大改变金属表面对激光的反射率，反射率变化1%，吸收能量密度将会变化10%方法：磷化、黑化（炭素法）和涂覆红外能量吸收材料按照能量由低到高包括——相变硬化、熔凝（微晶与非晶化）、合金化、熔覆、冲击硬化激光相变硬化激光照射——加热到相变点以上——不熔化——自淬火——形成硬化层两个温度——熔点温度和相变临界点温度目的——提高耐磨性、疲劳强度优点——简便易行，强化后零件表面光滑，变形小，硬度高，适合形状复杂、体积大、精加工后不易采用其他方法强化的零件熔化层——快速冷却、凝固——形成特殊微观组织特点——熔凝，超过固相线、不许预覆吸收层，获得非晶态组织、固溶度增大的固溶体、超细共晶组织和细树枝晶组织作用——提高材料表面的耐磨性、抗氧化性和抗腐蚀性能激光表面熔凝处理金属表面和外加合金元素一起熔化——迅速凝固——得到组织成分不同的合金层特点——既改变了材料表面的化学成分，又改变了表面的结构和物理状态工艺形式——有预置法、硬质粒子喷射法和气象合金化法作用——提高表层的耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性激光表面合金化激光加热——一薄层熔化——同时加入其他成分——熔化后凝固特点——施加合金很少受到稀释，基本保持其原有成分及性质不变——覆盖——面积较小的局部处理，磨损失效工件的修复作用——除金属外，还可以利用激光气相沉积在低级材料上涂覆与基体完全不同的具有各种功能的金属或陶瓷激光表面熔覆激光冲击硬化功率密度很高——极短的脉冲持续时间内——气化——形成冲击波或应力波——位错密度增加，产生强烈的塑性变形，形成亚结构目的——提高合金强度、硬度和疲劳极限，裂纹扩展抗力增强用途——改善钢及铝、钛、镍合金的显微组织和机械性能，可用于强化精加工后部件的曲面、齿轮、轴承，尤其适合铝合金电子束是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流，激光束则是由光学共振器产生可调幅的光量子流。电子束表面处理概念？产生原理物理过程大约75%的动能转化为热能，使表面温度升高，并且沿着垂直表面方法向基体热传导；大约25%的动能转化为电子背散射过程；然后就是剩余其他方式造成的很少量的动能消耗，包括热辐射、X射线、二次电子、热电子等，所占不到2%。利用电子束加热，通过改变材料表层的组织结构和（或）化学成分，达到提高其表面性能的表面改性技术称为电子束表面处理①共性——加热和冷却速度快，加工具有选择性，能量利用率高，变形小等；②设备功率稳定，输出功率大，最高功率可达150kW，激光设备仅为最大15kW，因此加热的深度和尺寸比激光大；③热转换效率高，电子束的热电转换效率可达90%，激光的光电转换效率仅为10%左右；④电子束的反射率低，吸收率高，因此加热不需黑化处理等，可对精加工后的表面直接进行表面淬火；⑤与激光相比使用成本低：设备一次性投资比激光少，约为激光的1/3，使用成本也只有激光处理的一半；⑥结构简单，控制方便：电子束靠磁偏转动、扫描，而不需要工件转动、移动和光传输机构；⑦电子束是在真空中工作，以此保证在处理中工件表面不被氧化，但带来许多不便；⑧电子束易激发X射线：X射线辐射对人体有损害，因此需引起重视。工艺特点工艺——主要包括电子束表面催化、电子束表面合金化、电子束表面熔凝处理和电子束表面熔覆概念——（P142）离子注入是将被注入元素的原子利用离子注入机电离成带正电荷的离子，经高压电场加速后高速轰击工件表面，使之注入工件表面一定深度的真空处理工艺离子的产生——（1）金属材料如CrCr—加热—Cr（固）—电离—（气）Cr+（等离子体）（2）气体材料如N2N2—电离—N+（等离子体）+N2+（等离子体）离子束表面处理过程——气体或化合物分子被电离成等离子体——离子束分离——离子加速——离子扫描——注入量的精确测量离子束表面处理离子注入到金属表面的过程——高速运动的离子跟基体表面层的原子核和电子发生碰撞，并与原子进行电荷交换，离子不断消耗能量，运动方向不断改变，当能量耗尽时就在基体内停了下来，或者停留在晶体结构的格点上，成为所谓的置换原子，或者停留在格点之间成为所谓的间隙原子离子束表面处理•①离子注入提高硬度的机理：由于注入的原子进入位错附近或固溶体产生固熔强化的缘故。当注入的是非金属元素时，常常与金属元素形成化合物，如氮化物、碳化物或硼化物的弥散相，产生弥散强化。离子轰击造成的表面压力也有冷作硬化作用，这些都使离子注入表面硬度显著提高。•②离子注入提高耐磨性的机理：其原因多方面。离子注入能引起表面层组分与结构的改变。大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线周围，形成柯式气团，起钉扎位错的作用，使表层强化，加上高硬度弥散析出物引起的强化，提高了表面硬度，从而提高耐磨性。另一种观点认为，耐磨性的提高是离子注入引起摩擦系数的降低起主要作用，还认为可能与磨损粒子的润滑作用有关。离子注入表面改性机理•③离子注入提高疲劳强度的机理：因为产生的高损伤缺陷阻止了位错移动及其间的凝聚，形成可塑性表面层，使表面强度大大提高。分析表明，一是形成大量细小弥散分布的第二相硬质点而产生强化，而且离子注入产生的表面压力可以压制表面裂缝的产生，从而延长了疲劳寿命。•④离子注入提高抗氧化性的机理：因为注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道，防止氧进一步向内扩散；形成致密的氧化膜阻挡层，使其他元素的扩散难以通过；改善氧化物的塑性，减少氧化产生的应力，防止氧化膜开裂；注入元素进入氧化膜后改变了膜的导电性，抑制阳离子向外扩散，从而降低氧化速率。•⑤离子注入提高耐腐蚀性的机理：离子注入不但形成致密的氧化膜，而且改变表面电化学性能，从而提高耐蚀性。离子注入表面改性机理•①离子注入法不同于任何热扩散方法，注入元素的种类、能量和剂量均可选择，理论上可将任何元素注入到任何基体材料中去；是一个非平衡过程，不受扩散系数、固溶度和平衡相图的限制，可得到其他方法无法得到的新合金相和不同于平衡结构的特殊物质；•②注入层与基体之间没有界面，系冶金结合，改性层和基体之间结合强度高，附着性好，不存在剥落问题；•③高能离子的强行射入工件表面，导致大量间隙原子、空位和位错产生，且在表面产生压应力，故使表面强化，疲劳寿命提高；•④离子注入一般在常温或低温下进行，但离子注入温度和注入后的温度可以任意控制，且在真空中进行，不氧化，不变形，不发生退火软化，尺寸和表面粗糙度一般无变化，可作为最终工艺；离子注入表面改性特点•⑤可控性和重复性好。通过改变离子源和加速器能量，可以调整离子注入深度和分布；通过可控扫描机构，可以控制面积大小；•上面说的是其优点，总得看来，让我们觉得离子注入恰似给工件的“皮肤”渗入了“维生素”，正是它们，使工件“延年益寿”，真像一首诗描绘的一样：“好雨知时节，当春乃发生。随风潜入夜，润物细无声。”想想感觉是不是这样呢？•但离子注入跟其他技术一样，也有其局限性，有哪些缺点呢？•⑥离子注入层的厚度有限，一般不大于1μm；离子注入为一视线过程，就是说离子只能直线行进，它不会拐弯绕行，对于复杂的和有内孔德零件不能进行离子注入；需要真空工艺，工艺成本相对较高，工艺操作难度大，应用还不广泛。离子注入表面改性特点•主要的应用对象是金属固体，在半导体工业上的应用起步最早、最广泛。•离子注入是高精度零件加工的理想手段。离子注入深度和分布；通过可控扫描机构，可以控制面积大小；•离子注入在陶瓷、磁性材料和高分子聚合物等领域也得到了重要应用。•金属蒸汽真空弧源•等离子体浸没离子注入•轰击扩散镀层技术•不同能量的重叠注入法•展望离子注入表面改性的应用•概念——将工件置于一定的活性介质中加热到一定温度，使预定的非金属或金属元素向工件表层扩散渗入，形成一定厚度的扩散层，以改变表层的成分、组织和性能的热处理工艺。（书上134页）•也叫化学热处理，属于表面改性，成分结构都发生变化•基本过程——①分解——渗剂通过一定温度下的化学反应或蒸发作用，形成含有渗入元素的活性杂质，再通过活性原子在渗剂中的扩散运动而达到工件表面；②吸收——渗入元素的活性原子吸附于工件表面并发生相界面反应，即活性物质与金属表面发生吸附—解吸过程；③扩散——是吸附的活性原子从工件的表面向内部扩散，并与金属基体形成固溶体或化合物。表面扩渗•①渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很高，渗层不易脱落或剥落；•②通过选择和控制渗入的元素及渗层深度，使工件表面获得不同的性能，以满足各种工况条件，且可以改善工件表面的综合性能，大多在提高机械性能的同时，还能提高表面层的抗腐蚀、氧化、减摩、耐磨、耐热等性能；•③不受工件几何形状的局限，工件变形小、精度高、尺寸稳定性好；•④处理后的工件实际上具有（表面—心部）复合材料的特点，可节约贵重金属，降低成本；•⑤缺点：多数表面扩渗工艺较复杂，处理周期长，对设备要求较高。表面扩渗特点•又叫表面热处理，是指对工件表层加热、冷却，而获得表面硬化层的一种最基本、应用最广泛的材料表面处理技术。•表面热处理的对象一般为金属，其中又以钢材应用最广。对钢件，当表层温度超过相变点而达到奥氏体状态后快冷，可获得马氏体组织，使表层相变强化，而芯部仍保留原组织状态。•经表面热处理的零件，不仅提高了表面层的硬度和耐磨性，而且与经过适当热处理的芯部组织配合，可以获得较高的疲劳强度和较好的韧性。表面淬火热处理•定义——高密度太阳能表面处理是利用聚焦的高密度太阳能对零件表面进行局部加热，使表面在短时间（0.5s至数秒）内升温到所需温度，然后冷却的处理方法。•太阳能表面处理设备：高温太阳炉由抛物面聚焦镜、镜座、机电跟踪系统、工作台、对光器、温度控制系统以及辐射测量仪等部件组成。•太阳炉加热的特点：加热范围小，具有方向性，能量密度高；加热温度高，升温速度快；加热区能量分布不均匀，温度呈高斯分布；能方便实现在控制气氛中加热和冷却；操作和观测安全；光辐射强度受天气条件的影响等高密度太阳能表面处理•定义——借助于改变材料的表面完整性来改变疲劳断裂和应力腐蚀断裂抗力以及高温抗氧化的能力的技术。•被改变的材料表面完整性包括：表面粗糙度，表层的组织结构于相结构，表层的残余应力状态以及表层的密度等。金属材料的疲劳、应力