材料强度学_表面强化技术

1、College of material science and engineering材 料 强 度 学 表面强化技术按表层强化技术的物理化学过程进行分类，按表层强化技术的物理化学过程进行分类，大致可分为五大类：大致可分为五大类：表面变形强化、表面变形强化、表面热处理强化、表面热处理强化、化学热处理强化、化学热处理强化、表面冶金强化、表面冶金强化、1.1. 表面薄膜强化。表面薄膜强化。表面强化技术的分类表面强化技术的分类1.1.表面变形强化表面变形强化通过机械的方法使金属表面层发生塑性变形，从而形成高硬度和高强度的通过机械的方法使金属表面层发生塑性变形，从而形成高硬度和高强度的硬化层，这种表面

2、强化方法称为表面变形强化，也称为加工硬化。硬化层，这种表面强化方法称为表面变形强化，也称为加工硬化。包括包括l喷丸、喷砂，喷丸、喷砂，l冷挤冷挤 压、滚压、冷碾，压、滚压、冷碾，l冲击、爆炸冲击强化等。冲击、爆炸冲击强化等。这些方法的这些方法的特点特点是：是：强化层位错密度增高，亚晶结构细化，从而使其硬度和强度提高，强化层位错密度增高，亚晶结构细化，从而使其硬度和强度提高，表面粗糙度值减小，能显著提高零表面粗糙度值减小，能显著提高零 件的表面疲劳强度和降低疲劳缺口件的表面疲劳强度和降低疲劳缺口的敏感性。的敏感性。这种强化方法工艺简单、效果显著，硬化层和基体之间不存在明显这种强化方法工艺简单、效

3、果显著，硬化层和基体之间不存在明显的界限，结构连贯，不易在使用中脱落。的界限，结构连贯，不易在使用中脱落。AAn-B(a) dptAAn-A(b) auto nanocristallisation de surfaceAn-XAn-AC(c) nanocristallisation de surface hybride表面纳米化的三种方法表面纳米化的三种方法K. Lu, J. Lu/ Maerials Science and Engineering A (2003)2.2.表面热处理强化表面热处理强化利用固态相变，通过快速加热的方法对零件的表面层进行淬火处理利用固态相变，通过快速加热的方法对零

4、件的表面层进行淬火处理称为表面热处理，俗称表面淬火。称为表面热处理，俗称表面淬火。包括包括l火焰加热淬火、火焰加热淬火、l高高( (中中) )频感应加热淬火、频感应加热淬火、l激光加热或电子束加热淬火等。激光加热或电子束加热淬火等。这些方法的特点是：这些方法的特点是：表面局部加热淬火，工件变形小；表面局部加热淬火，工件变形小；加热速度快，生产效率高；加热速度快，生产效率高；加热时间短，表面氧化脱碳很轻微。加热时间短，表面氧化脱碳很轻微。该方法特别是对提高承受一定冲击载荷的大型和特大型轴承零件的该方法特别是对提高承受一定冲击载荷的大型和特大型轴承零件的耐磨性和疲劳强度效果显著。耐磨性和疲劳强度效

5、果显著。3.3.化学热处理强化化学热处理强化利用某种元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学成分，以利用某种元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学成分，以实现表面强化的方法称为化学热处理强化，也称之为扩散热处理。实现表面强化的方法称为化学热处理强化，也称之为扩散热处理。包括包括l渗硼、渗金属、渗硼、渗金属、l渗碳及碳氮共渗、渗氮及氮碳共渗、渗碳及碳氮共渗、渗氮及氮碳共渗、l渗硫及硫氮碳共渗、渗硫及硫氮碳共渗、l渗铬、渗铝及铬铝硅共渗等等。渗铬、渗铝及铬铝硅共渗等等。这些方法的这些方法的特点特点是：是：渗入元素或溶入基体金属形成渗入元素或溶入基体金属形成固溶体固溶体，或与其他金属元素结合形

6、成，或与其他金属元素结合形成化合物化合物。总之渗入元素即能改变表面层的化学成分，又可以得到不。总之渗入元素即能改变表面层的化学成分，又可以得到不同的相结构。同的相结构。渗碳轴承钢零件的处理工艺和滚针轴承套的表面渗氮强化处理均属渗碳轴承钢零件的处理工艺和滚针轴承套的表面渗氮强化处理均属这一类强化方法。这一类强化方法。3.13.1 渗碳渗碳 3.1.1 3.1.1 基础知识背景基础知识背景 从从19301930年以来，应用最广泛的表面强化年以来，应用最广泛的表面强化技术；技术； 应用在滚珠、齿轮、转头等应用在滚珠、齿轮、转头等 温度温度900930C (austenite)900930C (aus

7、tenite) 加热时间加热时间 1120 hours 1120 hoursa)a) 渗碳层厚度渗碳层厚度 0.22.0 mm 0.22.0 mm 3.13.1.2 .2 气体渗碳工艺气体渗碳工艺 分解：渗碳介质在基体表面分解产生活性碳原子分解：渗碳介质在基体表面分解产生活性碳原子CO+HCO+H2 2 C+HC+H2 2O OCHCH4 4 C+ 2H C+ 2H2 22CO 2CO C+COC+CO2 2 扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差表表面的碳遂向内部扩散面的碳遂向内部扩散J=-D(dC/dx)=k(Cp-Cs) g/cmJ=-D

8、(dC/dx)=k(Cp-Cs) g/cm2 2sec Fick-1 lawsec Fick-1 law dC/dt = D(d dC/dt = D(d2 2C/dxC/dx2 2 ) Fick-2 law ) Fick-2 law 反应反应: : 形成碳化物形成碳化物 FeFe3 3C, (Fe.Me)C, (Fe.Me)3 3C, MeC, Mex xC Cy y 气体渗碳设备气体渗碳设备固体渗碳设备固体渗碳设备3.1.3渗碳工艺的关键因素：温度、时间、成分；扩散距离：x = k (Dt)1/2 , D=D0 exp(-Q/RT)碳势取决于渗碳介质的化学反应过程：例如：CO+HCO+H2

9、2 C+HC+H2 2O,O,平衡常数K=acPH2O/PCOPH2thenCp=ac=PCOPH2/PH2O3.1.4表面表征DistancefromcarburizedsurfacemmHardness(HRC)CarboncontentC%C%HRCSurfacecarboncontent:1.01.2%(Carbides+highcarbonmartensite+residualaustenite)3.2渗氮3.2.1 3.2.1 基础知识背景基础知识背景渗氮层厚度为渗氮层厚度为0.050.5 mm0.050.5 mm应用于要求一定耐磨、耐蚀性的轻载荷器件：如某些应用于要求一定耐磨、耐

10、蚀性的轻载荷器件：如某些工具、齿轮等工具、齿轮等主要是生产氮化物合金主要是生产氮化物合金加工温度加工温度 450580C (Ferrite) 450580C (Ferrite)a)a) 加热时间加热时间 2120 h2120 h3.23.2.2 .2 气体渗氮工艺气体渗氮工艺通常情况，渗氮工艺与渗碳工艺类似通常情况，渗氮工艺与渗碳工艺类似: : 2NH2NH3 3 2N+ 3H 2N+ 3H2 2氮势氮势: : Np= PNp= PNH3NH3 /P /PH H2 23/23/2渗氮介质渗氮介质: :NHNH3 3 , NH , NH3 3+N+N2 2, NH, NH3 3+N+N2 2+C

11、O+CO2 2 等等. . 和离子渗氮和离子渗氮 3.23.2.3 .3 表面特征表面特征从表面到心部从表面到心部: : - - 氮化物氮化物 (Fe (Fe3 3N FeN Fe4 4N) N) 130 microns 130 microns 具有良好的耐蚀性具有良好的耐蚀性( (亮白层亮白层) )- - 相相 (Fe (Fe2 2NFeNFe3 3N)N) 高强度高强度扩散层扩散层 氮的固溶强化氮的固溶强化3.3碳氮共渗高温碳氮共渗高温碳氮共渗 ( (氰化氰化):): 共渗层厚度为共渗层厚度为0.51.2 mm, 0.51.2 mm, 渗碳多于渗氮渗碳多于渗氮 T=750800C , t

12、= 26 hours T=750800C , t = 26 hours低温碳氮共渗低温碳氮共渗 ( (软氮化软氮化):):共渗层厚度为共渗层厚度为0.050.6 mm,0.050.6 mm,渗氮多于渗碳渗氮多于渗碳 T=500650C , t = 26 hours T=500650C , t = 26 hours4.4.表面冶金强化表面冶金强化利用工件表面层金属的重新融化和凝固，以得到预期的成分或组织的利用工件表面层金属的重新融化和凝固，以得到预期的成分或组织的表面强化处理技术称为表面冶金强化。表面强化处理技术称为表面冶金强化。包括包括l表面自溶性合金或复合粉末涂层、表面自溶性合金或复合粉末涂

13、层、l表面融化结晶或非晶态处理、表面融化结晶或非晶态处理、l表面合金化等方法。表面合金化等方法。这些方法的这些方法的特点特点是：是：采用高能量密度的快速加热，将金属表面层或涂覆于金属表面的合金采用高能量密度的快速加热，将金属表面层或涂覆于金属表面的合金化材料熔化，随后靠自己冷却进行凝固以得到特殊结构或化材料熔化，随后靠自己冷却进行凝固以得到特殊结构或 特定性能的特定性能的强化层。这种特殊的结构或许是细化的晶体组织，也或许是过饱和相、强化层。这种特殊的结构或许是细化的晶体组织，也或许是过饱和相、亚稳相、甚至是非晶体组织，这取决于表面冶金的工艺参数和方法。亚稳相、甚至是非晶体组织，这取决于表面冶金

14、的工艺参数和方法。滚动轴承行业滚动轴承行业 在微型轴承工作表面做过激光加热强化研究，效果良好。在微型轴承工作表面做过激光加热强化研究，效果良好。5.5.表面薄膜强化表面薄膜强化应用物理的或化学的方法，在金属表面涂覆于基体材料性能不同的强应用物理的或化学的方法，在金属表面涂覆于基体材料性能不同的强化膜层，称为表面薄膜强化。化膜层，称为表面薄膜强化。包括包括电镀、化学镀电镀、化学镀( (镀铬、镀镍、镀铜、镀银等镀铬、镀镍、镀铜、镀银等) )以及复合镀、以及复合镀、 刷镀或转刷镀或转化处理等，化处理等，CVDCVD、PVDPVD、P-CVDP-CVD等气相沉积薄膜强化方法等气相沉积薄膜强化方法离子注

15、入表面强化技术离子注入表面强化技术( (也称原子冶金技术也称原子冶金技术) )等等。等等。它们共同的特点：它们共同的特点：能在工作表面形成特定性能的薄膜，以强化表面的耐磨性、耐疲劳、能在工作表面形成特定性能的薄膜，以强化表面的耐磨性、耐疲劳、耐腐蚀和自润滑等性能。耐腐蚀和自润滑等性能。例如离子注入技术强化轴承工作表面，能使轴例如离子注入技术强化轴承工作表面，能使轴 承工作表面的耐磨性、承工作表面的耐磨性、耐蚀性、和抗接触疲劳性能都得到显著提高，从而使轴承的使用寿命耐蚀性、和抗接触疲劳性能都得到显著提高，从而使轴承的使用寿命得到成倍的增长。得到成倍的增长。 电镀电镀化学镀化学镀 将含有覆层材料元

16、素的反应介质置于较低温度下汽将含有覆层材料元素的反应介质置于较低温度下汽化，然后送入高温反应室与工件表面接触，产生高温化化，然后送入高温反应室与工件表面接触，产生高温化学反应，析出合金或金属及其化合物，沉积于工件表面学反应，析出合金或金属及其化合物，沉积于工件表面形成覆层。形成覆层。 覆层材料可以是氧化物、碳化物、氮化物、硼化物。覆层材料可以是氧化物、碳化物、氮化物、硼化物。获得需要的获得需要的CVD覆层，反应必须具备如下条件：覆层，反应必须具备如下条件： 能够形成所需的沉积层，反应物应是气态。能够形成所需的沉积层，反应物应是气态。 反应物质在室温下或不太高的温度下应是气态，且易获得反应物质在

17、室温下或不太高的温度下应是气态，且易获得 高纯度。高纯度。 沉积设备简单，操作方便，成本适宜。沉积设备简单，操作方便，成本适宜。化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD）物理气相沉积属于真空沉积技术，包括真空蒸发镀膜、溅物理气相沉积属于真空沉积技术，包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。优点是：处理温度低，工件变形小，射镀膜和离子镀膜。优点是：处理温度低，工件变形小，处理后工件表面硬度高，外观色泽美观。处理后工件表面硬度高，外观色泽美观。 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜在真空容器中，将蒸镀在真空容器中，将蒸镀材料材料(金属或非金属金属或非金属)加加热，当到达适当温度后，热，当到达适当温度后，便有大量的原子或分子便有大量的原子或分子离开其表面进入气相。离开其表面进入气相。因为气压足够低，这些因为气压足够低，这些原子或分子几乎不经碰原子或分子几乎不经碰撞地在空间内径直飞散，撞地在空间内径直飞散，当到达表面温度相对较当到达表面温度相对较低的被镀工件表面，便低的被镀工件表面，便凝结而形成覆膜。凝结而形成覆膜。 溅射镀膜溅射镀膜在气体压力为在气体压力为13.3 2.66Pa的的气体辉光放电气体辉光放电炉中，正离子炉中，正离子(通常用氩离子通常用氩离子)轰击阴极轰击阴