表面改性技术-7

第七章表面改性技术金属表面形变强化1表面热处理2电子束表面处理6离子注入表面改性7金属表面化学热处理3等离子体表面处理4激光表面处理5表面改性技术7.1概述表面改性技术：运用现代技术改变表面、亚表面的成分、结构和性能的处理技术。表面改性技术可以：掩盖基体材料表面的缺陷；延长材料和构件的使用寿命；节约稀、贵材料；节约能源；改善环境；对各种高新技术的发展具有重要作用。7.2.表面形变强化表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。基本原理是通过机械手段(滚压、内挤压和喷丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5m—1.5m。7.2.1表面形变强化原理在此形变硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成了高的宏观残余压应力。经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的硬化率有关。具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点的2～4倍。材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。7.2.2表面形变强化的主要方法及应用1.表面形变强化的主要方法常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，尤以喷丸强化应用最为广泛。（1）受控喷丸技术原理受控喷丸，又称喷丸强化技术：是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。（2）表面滚压技术用辊轮、滚球或者辊轴对被加工零件表面进行滚压或者挤压，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程。（2）表面滚压技术表面滚压的原理与喷丸相同，也是由于塑性变形产生加工硬化，并产生很大的残余应力。表面滚压可以使表面改性层的最大深度达5mm以上，因此能较大幅度地改善材料表面的疲劳寿命、抗应力腐蚀能力，特别适合晶体结构为面心立方的金属与合金的表面改性。该工艺的缺点是只能适合一些形状简单的平板类零件、轴类零件和沟槽类零件等，对于形状复杂的零件表面就无法应用。2.表面形变强化的应用喷丸强化的应用实例(1)20CMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余压应力为-880MPa，寿命从55万次提高到150-180万次。(2)液体火箭推进剂容器的钛制零部件未喷丸强化时，在40℃下使用14h就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃珠喷丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。此外，喷丸和其他形变强化工艺在汽车工业中的变速箱齿轮、宇航飞行器的焊接齿轮、喷气发动机的铬镍铁合金(Inconel718)涡轮盘等制造中获得应用。7.3表面热处理表面热处理是指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。7.3表面热处理当工件表面层快速加热时，工件截面上的温度分布是不均匀的，工件表层温度高且由表及里逐渐降低。如果表面的温度超过相变点以上达到奥氏体状态时，随后的快冷可获得马氏体组织，而心部仍保留原组织状态，从而得到硬化的表面层，即通过表面层的相变达到强化工件表面的目的。7.3表面热处理表面热处理工艺包括：感应加热表面淬火；火焰加热表面淬火；接触电阻加热表面淬火；浴炉加热表面淬火；电解液加热表面淬火；高密度能量的表面淬火；表面保护热处理。7.3.1感应加热表面淬火技术将工件放在感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并由于集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度Ac3或Accm之上，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表层获得马氏体。电流透入深度1.技术原理2.感应加热表面淬火后的组织和性能：①感应加热表面淬火获得的表面组织是细小隐晶马氏体，碳化物呈弥散分布。②表面硬度比普通淬火的高2HRC—3HRC，耐磨性提高。这是因快速加热时在细小的奥氏体内有大量亚结构残留在马氏体中所致。喷水冷却时，这种差别会更大。表层因相变体积膨胀而产生压应力，降低缺口敏感性，大大提高疲劳强度。感应加热表面淬火工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳定。感应加热表面淬火加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化和自动化。3.感应加热淬火工艺流程预先调质处理的主要目的:一方面是为感应加热淬火作好组织准备，同时也使工件在整个截面上具备良好的力学性能。7.4金属表面化学热处理1.金属表面化学热处理过程金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。其基本工艺过程是：首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解(包括活性组分向工件表面扩散以及界面反应产物向介质内部扩散)并释放出欲渗入元素的活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。7.4金属表面化学热处理2.金属表面化学热处理的目的(1)提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。如渗氮可使金属表面硬度达到950HV～1200HV；渗硼可使金属表面硬度达到14001HV～2000HV等，因而工件表面具有极高的耐磨性。(2)提高材料疲劳强度。(3)使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数。(4)提高金属表面的耐蚀性等。7.4金属表面化学热处理3.化学热处理渗层的基本组织类型(1)形成单相固溶体如渗碳层中的α铁素体相等。(2)形成化合物如渗氮层中的ε相(Fe2-3N)，渗硼层中Fe2B等。(3)化学热处理后，一般可同时存在固溶体、化合物的多相渗层。7.4金属表面化学热处理4.化学热处理后的性能化学热处理后的金属表层、过渡层与心部在成分、组织和性能上有很大差别。强化效果不仅与各层的性能有关，而且还与各层之间的相互联系有关,如渗碳的表面层碳含量及其分布，渗碳层深度和组织等均可影响材料渗碳后的性能。7.4金属表面化学热处理5.化学热处理种类根据渗入元素的介质所处状态不同，化学热处理可分以下几类：(1)固体法包括粉末填充法、膏剂涂覆法、电热旋流法、覆盖层(电镀层、喷镀层等)扩散法等。(2)液体法包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。(3)气体法包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。(4)等离子法。6.渗碳、碳氮共渗渗碳、渗氮、碳氮共渗等可提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度，在工业中有十分广泛的应用。(1)渗碳、碳氮共渗结构钢的渗碳结构钢经渗碳后，能使零件工作表面获得高的硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。气体渗碳。气体渗碳是目前生产中应用最为广泛的一种渗碳方法，它是在含碳的气体介质中通过调节气体渗碳气氛来实现渗碳目的的。工业上一般有井式炉滴注式渗碳和贯通式气体渗碳两种。碳氮共渗液体碳氮共渗以往称氰化。碳氮共渗比渗碳温度低(700℃—880℃)，变形小，且由于氮的渗入提高了渗碳速度和耐磨性。7.渗氮、氮碳共渗渗氮、氮碳共渗是在含有氮，或氮、碳原子的介质中，将工件加热到一定温度，钢的表面被氮或氮、碳原子渗入的一种工艺方法。渗氮工艺复杂，时间长，成本高，所以只用于耐磨、耐蚀和精度要求高的耐磨件，如发动机汽缸、排气阀、阀门、精密丝杆等。钢经渗氮后获得高的表面硬度，在加热到500℃时，硬度变化不大，具有低的划伤倾向和高的耐磨性，可获得500MPa—1000MPa的残余压应力，使零件具有高的疲劳极限和高耐蚀性。在自来水、潮湿空气、气体燃烧物、过热蒸汽、苯、不洁油、弱碱溶液、硫酸、醋酸、正磷酸等介质中均有一定的耐蚀性。低温渗氮：＜600℃，主要用于结构钢和铸铁。高温渗氮：600℃－1200℃，主要用于铁素体钢和奥氏体钢、难熔金属（Ti、Mo、Nb、)的渗氮。8.渗金属渗金属方法是使工件表面形成一层金属碳化物的一种工艺方法，即渗入元素与工件表层中的碳结合形成金属碳化物的化合物层，如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等，次层为过渡层。此类工艺方法适用于高碳钢，渗入元素大多数为W、Mo、Ta、V、Nb、Cr等碳化物形成元素。为了获得碳化物层，基材的碳的质量分数必须超过0.45％。(1)渗金属层的组织渗金属形成的化合物层一般很薄，约0.005mm—0.02mm。经过液体介质扩渗的渗层组织光滑而致密，呈白亮色。当工件的碳的质量分数为0.45％时，除碳化物层外还有一层极薄的贫碳层。当工件碳的质量分数大于1％时，只有碳化物层。(2)渗金属层的性能渗金属层的硬度极高；耐磨性很好，抗咬合和抗擦伤能力也很高，并且具有摩擦系数小等优点。7.5等离子体表面处理一、等离子体的物理概念等离子体是一种电离度超过0.1％的气体，是由离子、电子和中性粒子(原子和分子)所组成的集合体。等离子体整体呈中性，但含有相当数量的电子和离子，表现出相应的电磁学等性能，如等离子体中有带电粒子的热运动和扩散，也有电场作用下的迁移。等离子体是一种物质的能量较高的聚集状态，被称为物质第四态。利用粒子热运动、电子碰撞、电磁波能量法以及高能粒子等方法可获得等离子体，但低温产生等离子体的主要方法是利用气体放电。7.5等离子体表面处理离子轰击阴极表面时将发生一系列物理、化学现象：中性原子或分子从阴极表面分离出来的阴极溅射现象(也可看作蒸发过程)；阴极溅射出来的粒子与靠近阴极表面等离子体中活性原子结合的产物吸附在阴极表面的凝附现象；阴极二次电子的发射现象；局部区域原子扩散和离子注入等现象。7.5等离子体表面处理二、离子渗氮辉光离子渗氮又称离子渗氮，是一种在压力低于105的渗氮气氛中，利用工件(阴极)和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。用于结构钢、不锈钢、耐热钢的渗氮，并由黑色金属发展到有色金属渗氮，特别在钛合金渗氮中取得良好效果。离子渗氮节能、节材、高效。7.5等离子体表面处理离子氮化的应用范围极广:碳钢、合金结构钢、高速钢、铸铁、耐热钢及耐蚀钢、难熔金属及其合金都可以用离子氮化强化表面。例如，机床工业中用离子氮化大批量的齿轮、丝杆、离合器、顶针套、轴等。切削工具通过离子氨化，可提高寿命1.5～2倍，用于连杆、曲轴的热锻模，寿命提高刃140%～260%。7.5等离子体表面处理离子渗氮的主要特点：(1)离子渗氮速度快，尤其浅层渗氮更为突出。例如，渗氮层深度为0.3mm～0.5mm时，离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮的1/3—1/5;(2)热效率高，节约能源、气源;(3)渗氮的氮、碳、氢等气氛可调整控制;(4)离子渗氮可使用氨气，压力很低，用量极少,所以污染低，劳动条件好。(5)离子渗氮温度可在低于400℃以下进行，工件畸变小。(6)可用于不锈钢、粉末冶金件、钛合金等有色金属的渗氮。(7)由于设备较复杂，投资大，调整维修较困难，对操作人员的技术要求较高。离子氮化时辉光放电直接加热工件表面离子氮化工件装炉离子氮化工件装炉一次装炉23000个活塞环离子氮化工件装炉离子氮化工件装炉密集装炉方式离子氮化工件液压元件氮化后液压元件氮化前离子氮化工件不同形状零件混装各种工具混装离子氮化工件不同材料混装叠放式装载离子氮化工件无化合物层氮化离子氮化工件氮化钢的氮化离子氮化工件粉末冶金部件激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。激光照射到材料表面表层材料受热升温激光作用后冷却激光被吸收变为热能固态相变/熔化/蒸发7.6激光束表面处理加热速度快：105-108℃/S自冷速度高：＞104℃/S输入功率小，工件变形小可局部加热精确控制：线加工自动化但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积处理激光束表面处理的特点：激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。波长越短，吸收率越高粗糙度越高，越易吸收温度升高、吸收越多杂质影响吸收黑化处理：碳素/磷化/油漆激光非晶化：急冷激光电镀：阴极加热激光物理气相沉积激光化学气相沉积激光处理工艺及应用激光表面强化：急冷淬火激光