表面熔融强化

1、第二章第二章 表面熔融强化表面熔融强化 通过加热将工件表面层或涂覆在工件表面上的合金化材料熔化，或将 熔化了的材料涂覆在工件表面上，随后冷却使其凝固成固态的强化层。 液相液相固相固相 相相 变变 结晶过程（晶粒度） 非晶态过程 涂覆性能更优异材料 有效手段： 控制冷 速；变 质处理 （孕育处 理） 非晶态相特点：没有晶界、位 错等晶体缺陷，具有高强度、 高耐蚀性、各向同性；往往具 有特殊的物理特性。 1 1、熔体的结晶过程、熔体的结晶过程 熔体的特点熔体的特点：无一定形状；能流动；扩散快；其结构（原子排列）是长程 无序、短程有序（特别是温度接近熔点时）；存在着结构起伏。 冰花冰花 结晶的动力结

2、晶的动力：是相变前后液相与固相的自由能差； 结晶的阻力结晶的阻力：液相与新生成固相界面引起的表面能和新相应变能增加。 结晶过程取决于动力和阻力两者随温度相对变化的结果。 形核率的高低决定晶粒的大小形核率的高低决定晶粒的大小 2 2、非非晶晶的形成的形成 非晶转变温度非晶转变温度T Tg g 涂层性能的影响因素：涂层性能的影响因素： l 晶粒大小晶粒大小：晶粒越细小，强度、硬度越高，塑性、韧性也愈好（控制晶粒的 大小非常重要：控制冷却速度的方法（过冷度）控制冷却速度的方法（过冷度）；孕育处理孕育处理（涂层合金中或熔 化的合金中加入变质剂，促进非自发晶核的形成，抑制晶体长大）。） l 固相成分的均

3、匀性固相成分的均匀性：冷却时按相图规定进行相变，冷速愈快，将造成固相中 成分愈不均匀，也会对涂层性能产生影响。 熔点熔点Tm 结构特点结构特点：保留温度接近熔点附近的短程有序、长程无序。即在长程无序的 固体中存在短程有序区，它的大小和位置是固定不变的，不存在结构起伏 （与熔体的不同之处）。 形成机制：形成机制：（熔体结晶的动力是自由能差，过冷度大自由能差增加，有利于 结晶），但过冷度大熔体黏度增加，原子移动困难，当其移动、转动熵值趋 近零时，则转变为非晶态。 堆焊堆焊 利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，靠自身重力在工件 表面堆覆成耐磨、耐蚀及耐热涂层的工艺方法。 堆焊的目的堆焊的目

4、的不是为了连接零件，而是为 了使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等获得具有耐磨、耐热、耐蚀等 特殊性能的熔敷金属特殊性能的熔敷金属，或是为了恢复或增加为了恢复或增加 零件的尺寸零件的尺寸。因此，堆焊有两方面的应用， 一方面可以恢复零件因磨损或加工过程中的 失误而造成的尺寸不足；另一方面可以对零 件表面进行改性，以获得所需要的特殊性能。 根据热源种类，堆焊分为电弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、根据热源种类，堆焊分为电弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、 氧氧- -乙炔焰堆焊乙炔焰堆焊 l 堆焊技术的特点堆焊技术的特点 1、必须尽量控制稀释率 堆焊金属的稀释率（以百分比计）等于熔化的母材量（B）除以堆

5、焊的金 属量（A）和熔化的母材金属量之和。即 堆焊金属的稀释率大小会直接地影响 到堆焊层的成分和性能，因此，它常常成 为关系到堆焊质量的关键。对于具体产品 堆焊时，必须考虑所采用堆焊方法的稀释 率，以便对堆焊材料和堆焊方法的合理搭 配作适当的选择，从而保证堆焊层的成分 和性能。 100% BA B % ）稀释率（ 堆焊金属稀释率的概念堆焊金属稀释率的概念 2合理地选择堆焊层的合金系统 堆焊层的合金系统是决定堆焊效果的主要因素，而堆焊层合金系统的确定必 须从堆焊零件的具体情况来确定。 堆焊合金的类型和特点堆焊合金的类型和特点 所有的堆焊合金可归纳为铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨堆焊材料等几种类型

6、。 铁基堆焊合金性能范围广，韧性与抗磨性配合好，能满足许多不同的要求，而且价格 较低，品种也最多，所以应用最广。铁基堆焊合金由于碳含量、合金元素含量 和冷却速度的不同，堆焊层的组织可以是马氏体、奥氏体、珠光体和莱氏体碳 化物等几种基本类型。镍基、钴基堆焊合金价格较高，由于高温性能好、耐腐 蚀，主要用于要求耐高温磨损、耐高温腐蚀等场合。铜基材料的耐蚀性好，有 时也用于堆焊材料。碳化钨堆焊合金的耐磨料磨损性能最好，虽然其价格较贵， 但在耐严重磨料磨损部位堆焊和工具堆焊中占重要地位。 堆焊合金的选择原则堆焊合金的选择原则 1、满足零件堆焊的使用条件 零件堆焊的使用条件（包括受力特点、工作介质、润滑状

7、况、运行状况等）是选择堆 焊材料的主要依据。 2、从经济角度选择堆焊合金 当有几种合金都能满足零件的使用要求时，应该综合比较它们的经济性，以选择既满足 使用要求，又有良好经济性的堆焊合金。 3、从堆焊合金的工艺性能来选择 在满足使用条件和经济指标的前提下，应尽量选用焊接性较好、堆焊工艺简单的堆焊材 料。焊接性较差的材料容易产生堆焊缺陷，通常对零件要求预热、缓冷。此时应力求选择 抗裂性能好的合金，以使工艺简化并提高堆焊质量。 l 技术原理技术原理 热喷涂技术就是这种表面防护和强化的技术之一, 是表面工程中一门重要的学科。 利用某种热源, 如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂

8、层 材料加热到熔融或半熔融状态, 然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以 一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面, 与基体材料结合而形成具有各种功能 的表面覆盖涂层的一种技术。 l 热喷涂技术分类（热源种类）热喷涂技术分类（热源种类） l 热喷涂特点热喷涂特点 1）工艺灵活，适用范围广。热喷涂施工对象可大可小，小的可到10mm内孔 (线爆喷涂)，大的可到桥梁、铁塔(火焰线材喷涂或电孤喷涂)，可在室内喷 涂，也可在野外现场作业；可整体喷涂，也可以局部喷涂。 2）基体及喷涂材料广泛。可通过喷涂不同材料，使工件表面获得所需的各种 物理化学性能。 3）工件应力变形小。基体可保持较低的温度，工

9、件产生的应力变形很小。 4）生产效率高。每小时喷涂材料重量从几千克到几十千克，沉积效率很高。 喷涂层是由无数变形粒子相互交错 呈波浪式堆叠在一起的层状组织结层状组织结 构构，涂层中颗粒与颗粒之间不可避 免地存在一些孔隙和空洞孔隙和空洞，并伴有 氧化物夹杂氧化物夹杂。 热喷涂时，涂层材料的粒子 被热源加热到熔融态或高塑 性状态，在外加气体或焰流 本身的推力下，雾化并高速 喷射向基体表面，涂层材料 的粒子与基体发生猛烈碰撞 而变形、展平沉积于基体表 面，同时急冷而快速凝固， 颗粒这样遂层沉积而堆积成 涂层 涂层的结合包括涂层与基体的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表面的粘 结力称为结合力，涂层内部

10、的粘结力称为内聚力。涂层中颗粒与基体之间的结合 以及颗粒之间的结合机理有以下几种方式: （1 1） 机械结合机械结合 碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以颗粒 的机械联锁而形成的结合（抛锚效应），一般来说，涂层与基体的结合以机械结 合为主。 （2 2） 冶金化学结合冶金化学结合 这是当涂层和基体表面产主冶金反应，如出现扩散和合金化时的一种结合类 型。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。 （3 3） 物理结合物理结合 即当高速的熔融粒子撞击到基体表面且紧贴的距离达到基体原子间晶格常数 范围时，就会产生范德华力，而由此引起的结合属于物理结合。一般在

11、基材表面 十分干净或进行活化后才有产生这种结合的可能性。 l . . 化学成分化学成分 氧化物、氮化物，以及在高温下会发生分解产生的分解物 . .孔隙度孔隙度 热喷涂涂层中不可避免地存在着孔隙，孔隙度的大小与颗粒的温度和速度以及 喷涂距离和喷涂角度等喷涂参数有关。 . .硬度硬度 由于热喷涂涂层在形成时的激冷和高速撞击，涂层晶粒细化以及晶格产生畸变 使涂层得到强化，因而热喷涂涂层的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也会 因喷涂方法的不同而有所差异。 . .结合强度结合强度 热喷涂涂层与基体的结合主要依靠与基体粗糙表面的机械咬合（抛描效应）。 基材表面的清洁程度、涂层材料的颗粒温度和颗粒撞击基

12、体的速度以及涂层中残余残余 应力的大小应力的大小均会影响涂层与基体的结合强度。 . .冷热疲劳性能冷热疲劳性能 涂层抗热震性能的好坏主要取决于涂层材料与基体材料的热膨胀系数差异的大 小和涂层与基体材料结合的强弱。 当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时受 到激冷而凝固，从而产生收缩应力。涂层的外层受拉 应力，基体有时也包括涂层的内层则产生压应力。涂 层中的这种残余应力是由热喷涂条件及喷涂材料与基 体材料的物理性质的差异所造成的。 设备简单、 工艺成熟、 操作灵活、 投资少、 见效快 可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂层 涂层孔隙度较 大, 与基体材 料的结合强度 也较低 喷枪主要由两部份组

13、成：喷枪主要由两部份组成：产生火焰的产生火焰的 氧、氧、乙乙炔供给装置和喷涂粉末供给系统。炔供给装置和喷涂粉末供给系统。 进行喷涂时，氧气和乙炔在喷嘴燃烧，进行喷涂时，氧气和乙炔在喷嘴燃烧， 同时粉末随氧气输送至喷嘴，粉末被喷嘴同时粉末随氧气输送至喷嘴，粉末被喷嘴 的高温火焰加热熔化或半熔化后喷射到工的高温火焰加热熔化或半熔化后喷射到工 件表面形成涂层。件表面形成涂层。 设备一次投资 少，使用方便、 效率高 喷涂材料必 须是导电的 金属及合金 丝 1、可以在冷工件表面喷涂，喷 涂过程中工件受热不大。 2、在特殊的情况下工件表面可 以不先进行喷砂处理，而直接喷 涂。 3、结合强度高，孔隙率低，涂

14、 层致密度好。 4、可以用多种粉末材料进行喷 涂，包括各种单一金属、合金、 单一氧化物或混合氧化物、硬质 合金、以碳化钨或碳化钛为基体 的金属陶瓷，以及各种复合材料 等等，因而可以根据实际需要选 择适当涂层材料，赋予工件表面 特定的性能。例如耐磨、耐热、 抗蚀、抗冲击载荷、导电、绝缘、 增摩、减摩等。 5、 爆炸喷涂过程是在常压空气 中完成的，工件周围不需要真空 或其它保护气体，因而适于对大 尺寸工件进行喷涂。 首先将一定比例的氧气和燃气送到腔体中的首先将一定比例的氧气和燃气送到腔体中的 燃烧室，然后从另一入口将氮气与喷涂材料粉末燃烧室，然后从另一入口将氮气与喷涂材料粉末 混合送入，火花塞点火

15、，使得氧气混合送入，火花塞点火，使得氧气燃气混合气燃气混合气 体产生爆炸，产生热及压力波，将粉末熔融，随体产生爆炸，产生热及压力波，将粉末熔融，随 爆燃气体一起射向被喷涂的工件表面爆燃气体一起射向被喷涂的工件表面 涂层孔隙度低（1%），与基体结合牢固，结 合强度100160MPa，最高可达250 MPa。 Laval管 获得超音速的方法：获得超音速的方法：1 1、LavalLaval管；管；2 2、爆震产生的、爆震产生的 波波 气体经过足够压缩、速 度可在管道某一截面达到声 速，则经过此截面后，将获 得超音速。这种将亚音速流 变为超音速流的管道称之为 laval管。 由流体力学知，对一维定常流

16、动，考虑可压 缩流体，则有： 常数 P K K 12 v2 常数Sv 常数 K P 由上面三个公式可求得： v dv M s ds 1 2 式中： S：管道截面积； ：气体密度； K：气体常数 P：气体压力； v：流体速度 马赫数 声 v v M 产生爆震波的产生爆震波的 方法是：以可燃气方法是：以可燃气 混合物通过足够长混合物通过足够长 的开口管道，则传的开口管道，则传 过约过约1010倍管径距离倍管径距离 之后，开始明显加之后，开始明显加 速，形成爆震波。速，形成爆震波。 或者，由爆炸产生或者，由爆炸产生 足够强的激波，通足够强的激波，通 过激波管中的可燃过激波管中的可燃 混合物，也可引发

17、混合物，也可引发 爆震波。爆震波。 由燃烧理论的Rankine-Hugoniot关系，可导出用于计 算Chapman-Jouguet波初始马赫数的公式： 2 1 2 1 2 1- 2 1-a 1 22 0 r ra r r M 式中：a：热释放参数 r：最终混合物的比热比 ；时，当10 0 Ma 0, 00 MMa时，当 故可知：对爆震波，初始马赫数总是大于1。 亦即：所有爆震波均以超音速传播。 超音速涂层性能： 超音速火焰由于受燃烧焰流温度的限制，与等离子热源相比，速度高而温 度低（约为 3000 ），对于 WC-CO 系硬质合金，可以有效地抑制 WC 在喷涂 过程中的分解，涂层不仅结合强度

18、高、致密，而且可以最大限度地保留粉末中 的硬质耐磨 WC 相，因此，涂层耐磨损性能优越，与爆炸喷涂层相当，大幅度涂层耐磨损性能优越，与爆炸喷涂层相当，大幅度 超过等离子喷涂层，也优于电镀硬铬层与喷焊层，超过等离子喷涂层，也优于电镀硬铬层与喷焊层，目前已获得了广泛的发展。 当某种气体如氮、氩、氢及氦等通过一压缩电弧 时产生电离而形成电中性的等离子体(是物质除气、 液、固态外的第四态)。等离子弧的能量集中温度很 高, 其焰流的温度在万度以上, 可以将所有固态工程 材料熔化 涂层的致密度及 与基体材料的结 合强度均比火焰 喷涂涂层和电弧 喷涂涂层的高,而 且也是制备陶瓷 涂层的最佳工艺 超高温特性，

19、便于进行高熔点材料的喷涂。喷射粒子的速度高，涂层致密， 粘结强度高。由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。 工件表面工件表面 预处理预处理 工件预热工件预热 喷喷 涂涂 涂层后处理涂层后处理 净化净化处理的目的是除去工件 表面的所有污垢,如氧化皮、油渍、 油漆及其他污物，关键是除去工 件表面和渗入其中的油脂。净化 处理的方法有：溶剂清洗法、蒸 汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法 等。 粗化粗化处理的目的是增加涂层与基 材间的接触面，增大涂层与基材的机 械咬合力，使净化处理过的表面更加 活化,以提高涂层与基材的结合强度。 同时基材表面粗化还改变涂层中的残 余应力分布，对提高涂层的结合强度

20、 也是有利的。粗化处理的方法有喷砂、 机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉 毛等。其中喷砂处理是最常用的粗化 处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、 碳化硅和冷硬铸铁等。 预热预热的目的是为了消除工件表 面的水分和湿气，提高喷涂粒 子与工件接触时的界面温度， 以提高涂层与基体的结合强度； 减少因基材与涂层材料的热膨 胀差异造成的应力而导致的涂 层开裂。预热温度取决于工件 的大小、形状和材质，以及基 材和涂层材料的热膨胀系数等 因素，一般情况下预热温度控 制在60120之间。 预处理好的工 件要在尽可能 短的时间内进 行喷涂 用于防腐蚀的涂层,为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀,必

21、须对涂层进行封孔处理；对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件,为了提高涂层的 结合强度,要对喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静 压等)，使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。 有尺寸精度要求的,要对涂层进行机械加工。 其它熔融强化技术其它熔融强化技术 热熔结：是在待强化的工件表面涂上一层涂层材料粉末，然后加热，在热熔结：是在待强化的工件表面涂上一层涂层材料粉末，然后加热，在 较短时间内使涂层材料融化并与基体发生扩散互熔，冷却后形成涂层。较短时间内使涂层材料融化并与基体发生扩散互熔，冷却后形成涂层。 真空熔结（真空熔烧）是热熔结的主要方式。真空熔

22、结（真空熔烧）是热熔结的主要方式。 热镀：是将被镀零件浸入熔融的低熔点金属中短时间加热，经液热镀：是将被镀零件浸入熔融的低熔点金属中短时间加热，经液- -固反固反 应后提出冷却，熔融金属在零件表面形成涂层的表面处理工艺。应后提出冷却，熔融金属在零件表面形成涂层的表面处理工艺。 u 电火花强化就是以直接放电的方电火花强化就是以直接放电的方 式向工件表面提供电能，并使它转化式向工件表面提供电能，并使它转化 为热能和其它形式的能量，达到改变为热能和其它形式的能量，达到改变 表层的元素成分和金相结构的目的，表层的元素成分和金相结构的目的， 从而使表面性能得到改善。从而使表面性能得到改善。 在液体介质小

23、间隙中进行单个脉冲放电时，材料电腐蚀过程大致可分为 介质击穿和通道形成、能量转换和传递、电蚀产物的抛出三个连续的阶段。 但实现电火花加工，必须连续多次进行脉冲放电，为使每次脉冲放电正常进 行，一般情况下，相邻两次脉冲放电之间还要有间隙介质消电离的过程。 电火花表面强化过程电火花表面强化过程 新合金强化层的特点：新合金强化层的特点： 硬度高：当硬质合金作电极材料时，强化层硬度可达HV11001400 （HRC70以上）； 耐磨性好：当用铬锰、钨铬钴合金、硬质合金做工具电极，强化45号 钢时，其耐磨性比原表面提高22.5倍； 耐蚀性强：用石墨做电极材料强化45号钢，用食盐水作腐蚀性试验时， 其耐蚀性提高