第十章 表面改性技术.doc

第十章 表面改性技术l 表面改性:采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。l 常用的表面改性技术主要有：n 表面形变强化（按压、内挤压和喷丸等）n 表面热处理、表面化学热处理n 等离子体扩散处理n 三束(激光、电子和离子束)表面改性技术n 离子注入技术第一节 金属表面形变强化表面形变强化：是通过机械手段在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，从而使材料强化。n 机械手段：l 按压l 内挤压l 喷丸l 滚压第一节金属表面形变强化第一节金属表面形变强化一、表面形变强化原理 在形变硬化层中产生两种变化： 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 形成了高的宏观残余压应力结果：反抗外力的能力增强，表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度提高。第一节金属表面形变强化二、喷丸形变强化的工艺方法、设备及应用 在常用的金属表面形变强化方法滚压、内挤压和喷丸中,尤以喷丸强化应用最为广泛，其强化效果显著，成本低廉。1喷丸材料喷丸时采用的介质，一般泛称为弹丸。常用的弹丸可分为7种，如： 铸铁弹丸、铸钢弹丸、玻璃弹丸、陶瓷弹丸2喷丸强化用的设备机械离心式喷丸机：也称为叶轮式喷丸机或抛丸机。第一节 金属表面形变强化(2)气动式喷丸机 气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞击工件的受喷表面。 第一节 金属表面形变强化三、喷丸强化的应用实例 在质量分数为3的NaCl水溶液中工作的45钢，经喷丸处理后，其疲劳强度-1从100MPa提高到202MPa； 耐蚀镍基合金鼓风机叶轮在150热氮气中运行，六个月后发生应力腐蚀破坏。经喷丸强化并用玻璃珠去污，运行了四年都未发生进一步破坏。 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。n 三束(激光、电子和离子束)表面改性技术。n 激光表面处理是高能密度表面处理技术中的一种主要手段。n 激光表面处理的目的是利用在加热和冷却时速率可达106108s的优点，改变表面层的成分和显微结构，从而提高表面性能，以适应基体材料的需要。应用举例：（1）激光表面强化：激光表面淬火的应用实例见表6-29。举例：激光表面处理 应用举例：n 纺纱机钢令跑道表面硬度低，易生锈，造成钢令使用寿命低，纺纱断头率高。用激光非晶化处理后，钢令跑道表面的硬度提高至1000HV以上，耐磨性提高1.3倍，纺纱断头率下降75，经济效益显著。n 汽车凸轮轴和柴油机铸钢套外壁经激光表面非晶态处理后，强度和耐腐蚀性均明显提高。激光表面非晶态处理对消除奥氏体不锈钢焊缝的晶界腐蚀也有明显效果，还可用来改善变形镍基合金的疲劳性能等。第三节 离子注入表面改性一、离子注入的原理入射离子经过与电子、原子若干次碰撞后，自身的能量几乎耗尽而停止运动，在材料中的一定深度处停留下来，成为材料中的一种杂质原子留在固体中（图右侧注入处）。结果：离子进入固体后对固体表面性能发生的上述作用在改性中都有重要意义。离子注入除了在表面层中增加注入元素含量外，还在注入层中增加了许多空位、间隙原子、位错、位错团、空位团、间隙原子团等缺陷。它们对注入层的性能有很大影响。二、离子注入的特征n 离子注入法不同于任何热扩散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和扩散系数的影响。因此，用这种方法可能获得不同于平衡结构的特殊物质的方法；是开发新型材料的非常独特的方法；n 离子注入温度和注人后的温度可以任意控制，且在真空中进行，工件不氧化，不变形，不发生退火软化，表面租糙度一般无变化，可作为最终处理工艺； n 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，不仅可实现在较大面积上的均匀化，而且可以在很小范围内进行局部改性。n 可获得两层或两层以上性能不同的复合材料。复合层不易脱落。注入层薄，工件尺寸基本不变。 但从目前的技术水平看，还存在一些缺点，如注入层薄(1nm)；离子只能直线行进，不能绕行，对于复杂的和有内孔的零件不能进行离子注入，设备造价高，所以应用还不广泛。三、 离子注入在表面改性中的应用举例n 应用对象主要是金属固体，如钢、硬质合金、钛合金、铬和铝等材料。应用最广泛的金属材料是钢铁材料和钛合金。但是，用离子注入方法强化面心立方晶格材料是困难的。n 注入的离子:Ni、Ti、Cr、Ta、Cd、B、N、He等的离子。 经离子注入后可大大改善基体的耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性和抗氧化性。举例: 用作人工关节的钛合金Ti-6Al4V耐磨性差，用离子注入N+后，耐磨性提高1000倍，生物性能也得到改善。 我国生产的各类冲模和压制模一般寿命为20005000次，而英、美、日本的同类产品寿命达5000次以上。国外生产的电冰箱、洗衣机等的活塞门，材料基本与我国的相同，甚至是普通低碳钢。由于采用了所谓“专利性”处理工艺，使用寿命是我国同类产品的几倍到几十倍。有的钢铁材料经离子注入后耐磨