材料表面改性技术

1、1.4.4金属材料的表面改性技术 采用某种工艺手段使材料表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。 材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能。一、金属表面形变强化 原理：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0.5mm1.5mm。 形变硬化层中产生两种变化： （1）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。 （2）形成了高的宏观残余压应力。 作用：提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度（一）形变强化的主要方法2、喷丸 利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产

2、生形变硬化层并引进残余压应力。 广泛应用在弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀能力。1、滚压主要有滚压、内挤压和喷丸（二）喷丸表面形变强化工艺及应用2、喷丸强化用的设备按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。（1）机械离心式喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。（2）气动式喷丸机适用于喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。1、喷丸材料u 铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液体喷丸

3、介质u黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸u有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。u模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸3、喷丸表面质量及影响因素（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化 金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。 如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响表面粗糙度随弹丸粒度的增加而增加。（3）弹丸硬度对

4、喷丸表面形貌的影响（4）喷丸表层的残余应力 喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变形最重要。 工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切。材料强度高，表层最大残余应力大，但压应力层深度较浅。反之，强度低的材料表层残余应力较小，但压应力层深度较深。 在相同喷丸压力下，大直径弹丸产生的压应力较低，压应力层较深；小直径弹丸产生的表面压应力较高，压应力层较浅。二、表面热处理定义：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份的一种工艺，是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。原理：当工件表面层快速加

5、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，而心部扔保留原组织状态，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。感应加热表面淬火（一）感应加热基本原理 利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。当感应圈中通过一定频率交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。将工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称之为

6、涡流。此涡流能将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布由表面至心部呈指数规律衰减。因此涡流主要分布在工件表面，工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肤效应。感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或浸水冷却，实现表面淬火工艺。感应电流透入深度：从电流密度最大的表面到电流值为表面的1/e(e=2.718)处的距离。56.386f n 硬化层深度：硬化层深度总小于感应电流透入深度超过失磁点的的电流透入深度称为热态电流透入深度（ ），低于失磁点的电流透入深度称为冷态电流透入深度（ ）。对于钢热冷20

7、f冷500f热（二）感应加热表面淬火的分类1 高频感应加热表面淬火：电流频率801000kHz，表面硬化层深度0.52mm。主要用于中小模数齿轮和小轴的表面淬火2 中频感应加热表面淬火：电流频率25008000Hz，表面硬化层深度36mm。主要用于淬硬层要求较深的零件，如发动机曲轴、凸轮轴、大模数齿轮等。3 工频感应加热表面淬火：电流频率50Hz，表面硬化层深度1015mm。适用于大直径钢材的穿透加热及要求淬硬层深的大工件的表面淬火。工件表面淬火后应进行低温回火以降低残余应力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性。淬火前的原始组织应为调质态或正火态。（三）感应加热表面淬火的特点1、感应加热时，由于

8、电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间内达到Ac3以上很高的温度，而工件心部仍处于相变点之下。中碳钢高频淬火后，工件表面得到马氏体组织，往里是马氏体加铁素体加屈氏体组织，心部为铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织。2、升温速度快，保温时间极短。和一般淬火相比，淬火加热温度高，过热度大，奥氏体形核多，又不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高HRC23。3、工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表面产生很大的残余压应力，可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。4、工件的耐磨性比普通淬火高。这与奥氏体晶粒细化、表面硬度高以及表面压应力

9、状态等因素有关。5、由于加热速度快，无保温时间，工件一般不产生氧化和脱碳问题，又因工件内部未被加热，故工件淬火变形小。6、生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度易于控制，适于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛的应用。缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。（四）感应加热表面淬火的应用 通常采用中碳钢和中碳合金结构钢，用以制造机床、汽车及拖拉机齿轮、轴等。也可以采用碳素工具钢和低合金工具钢，用以制造量具、模具、锉刀等。火焰加热表面淬火定义： 利用氧乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，随后淬火冷却的工艺。特点：与感应加热表面淬火相比，具有设备简单，操作灵活，适用钢种广泛。一般无氧化和脱碳、

10、畸变小等优点。 常用于大尺寸和重量大的工件，尤其适用于批量少品种多的零件或局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、导轨等。 但加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，混合气体不够安全，不易获得薄的表面淬火层。常用材料：从机械制造的范围来分有45、55、40Cr、40CrV、42CrMo、42SiMn、50Mn、5CrMnMo等。另外近年来我国研制成功专用的火焰加热空冷淬硬冷作模具钢7CrSiMnMoV。 火焰表面淬火应用实例 火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装配工作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因为除刃口部位表面淬硬以外，其余部位并未淬硬，仍可进行钻孔等加工。这些优点对于

11、像汽车覆盖件一类的大型模具的制造是非常有利的，既节省了工时，又保证了模具的精度。 近年来， 7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制成功，使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主导地位。三、金属表面化学热处理定义：将金属工件放入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热使介质中的原子扩散渗入工件一定深度的表层，改变其化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺叫做化学热处理。特点：和表面淬火不同，化学热处理后的工件表面不仅有组织的变化，而且也有化学成分的变化。性能：化学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲劳强度；心部在具有塑性和韧性的同时，还可获得较高的强

12、度。化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在固溶体、化合物的多相深层形成扩渗层的3个基本条件：（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。要满足这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、晶体结构的差异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件（2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条件来实现（3）被渗元素在基体金属中需有一定的渗入速度，以满足实际应用的要求。化学热处理的一般过程 化学热处理的一般过程通常是由分解、吸附和扩散三个基本过程组成。n 具有高能状态的活性原子冲入铁晶格表面原子引力场范围之内，被铁表面晶格捕获并溶解的过程称为化学热处理的吸

13、附过程。 刚分解出的活性原子首先被钢件表面所吸附，而后是活性原子向固溶体中溶解。一般金属元素多以置换方式溶入；碳、氮 、硼等原子半径小的非金属元素以间隙原子溶入奥氏体中。n 分解是在一定温度下从渗剂中分解出含有被渗元素“活性原子”的过程。242222 2 COCOCCHHCCOHH OC例如：渗碳就是渗剂中的CO或CH4等分解出活性碳原子C的过程：扩散是钢件表面吸收并溶解被渗元素活性原子后，由于造成表面和心部的浓度差而发生被渗元素的原子由高浓度表面向内部定向迁移的现象。 扩散层的特点是渗入元素在表层的浓度最高，离开表面越远，浓度越低。 工件表面扩散层的厚度和浓度是由分解、吸附和扩散三个基本过程

14、的速度以及它们之间的相互关系决定的。若渗入元素扩散速度很慢，则形成的渗层表面浓度会很高，而渗层较薄。如果分解和吸附过程不强烈， 虽然可以得到一定厚度的渗层，但渗层浓度会降低，渗层厚度也不大。扩散是控制化学热处理过程的主要过程化学热处理的分类：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、覆盖层扩散法等（2）液体法：盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法（3）气体法：固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。（4）等离子法主要表面化学热处理工艺1、渗硼u 渗硼的主要目的u 渗硼层的组织和性能u 渗硼主要适用的钢种是什么，渗硼后应该进行那种热

15、处理工艺？u 试举一例说明渗硼工艺在模具表面热处理中的应用2、渗碳、碳氮共渗u 渗碳零件的基本性能特点u 常用的渗碳方法有哪些？3、渗氮、氮碳共渗u 渗氮工艺的优缺点四、等离子体表面处理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。离子渗氮n离子渗氮法是由德国人B. Berghaus于1932年发明的。n原理：在0.110Torr的含氮气氛中

16、，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作用等进行氮化处理。离子渗氮装置示意图n辉光放电：低气压下的气体放电。放电管中的残余正离子在极间电场的作用下被加速，得到足够的能量撞击阴极二产生二次电子，经簇射产生更多的带电粒子，使得气体导电.n放电管两极间的电压较高，一般都在10千伏以上n辉光放电的电流很小，温度不高。用途：离子氮化法与以往的靠分解氨气或使用氰化物来进行氮化的方法截然不同，作为一种全新的氮化方法，现已被广泛应用

17、与汽车、机械、精密仪器、挤压成型机、模具等许多领域，而且其应用范围仍在日益扩大。离子氮化法的优点：1、由于离子氮化法不是依靠化学反应作用，而是利用离子化了的含氮气体进行氮化处理，所以工作环境十分清洁而无须防止公害的特别设备。2、由于离子氮化法利用了离子化了的气体溅射作用，因而与以往的氮化处理相比可显著的缩短处理时间（离子氮化的时间仅为普通气体渗氮时间的1/31/5）。3、由于离子氮化法利用辉光放电直接进行加热，也无需特别的加热和保温设备，且可以获得均匀的温度分布，与间接加热方式相比加热效率可提高2倍以上，达到节能效果（能源消耗仅为气体渗氮的40%70%）。4、由于离子氮化实在真空中进行，因而可

18、获得无氧化的加工表面也不损害被处理工件的表面光洁度。而且由于是在低温下进行处理，被处理工件的变形量极小，处理后无需再进行加工，极适合于成品的处理。5、通过调节N、H、X等气体的比例，可自由地调节化合物层的组成，从而获得预期的机械性能。 6、离子氮化从380起即可进行氮化处理，此外，对钛等合金特殊材料也可在850的高温下进行特殊的离子氮化处理，因而适应范围十分广泛。7、由于离子氮化是在低气压下以离子注入的方式进行，因而耗气量极少（仅为气体渗氮的百分之几），可以大大降低处理成本。离子渗氮的缺点：1、离子渗氮设备相对比较复杂，一次性的设备投资通常比气体渗氮高。2、先进的工艺装备对劳动者的素质要求较高

19、。3、准确测定零件温度较困难。4、离子渗氮的温度场是不均匀的温度场，要使所装各工件（尤其是混装）温度均匀一致较困难，需积累一定的经验。离子渗氮的理论溅射理论是一种为许多人所接受（或默认）的经典理论，该理论于1965年由J. kolbel提出。该理论认为，渗氮层是通过阴极溅射形成。在真空炉体内，工件为阴极，炉体为阳极，加上直流高压后，稀薄气体电离，形成等离子体。N+、H+、NH3+等正离子在阴极位降区被加速，轰击工件（阴极）表面，其动能消耗于： 转化为热能加热工件。 打出电子，产生二次电子发射。 阴极溅射。高能正离子轰击阴极造成C、N、O、Fe等原子溅射，而Fe不断与阴极表面附近的活性氮原子化合

20、成高氮化合物FeN（Fe成为活性氮的载体），由于背散射又沉积到阴极表面，随后在离子轰击和热激活作用下，氮化铁分解（FeNFe2NFe3NFe4N）转变为低氮化合物，分解析出的氮原子一部分扩散进钢铁内，一部分返回等离子区。这一模型的主要试验根据是收集急冷的溅射沉积物，分析其中的氮含量约达19.7%，于是推断是理论含量20.05%的FeN。五、激光表面处理高能束：由高密度光子、电子、离子组成的激光束、电子束、离子束通过特定装置被聚焦到很小甚至非常细微的尺寸，所形成的具有极高能量密度的粒子束，简称高能束。高能束对材料表面进行改性主要包括两个方面：p 利用脉冲激光器来获得极高的加热和冷却速度，可制成微

21、晶、非晶以及其他一些奇特的亚稳态合金，从而赋予材料表面特殊的性能；p 利用离子注入技术，把异类原子直接引入材料表面层中进行表面合金化。激光的特点（1）高方向性（2）高亮度性（3）高单色性激光表面处理技术（一）激光束加热金属的过程 激光束向金属表面层的热传递，是通过“逆韧致辐射效应”实现的。金属表层和其所吸收的激光进行光热转换。当光子和金属的自由电子相碰撞，金属导带电子的能级提高，并将其吸收的能量转化为晶格的热振荡。由于光子能穿过金属的能力极低，故仅能使其极表面的一薄层温度升高。这种热交换和热平衡的建立是非常迅速的。韧致辐射：原指高速运动的电子骤然减速时发出的辐射,后来泛指带电粒子与原子或原子核

22、发生碰撞时突然减速发出的辐射 逆韧致辐射：电子在离子库仑场的帮助下吸收一个光子而从光场中获取能量 （二）激光处理前表面的预处理 大多数金属表面对CO2激光的反射高达90以上，严重影响激光处理的效率。而且金属表面状态对反射率极为敏感，如粗糙度、涂层、杂质等都会极大改变金属表面对激光的反射率，而反射率变化1，吸收能量密度将会变化10。因此，在激光处理前，必须对工件表面进行涂层或其他预处理。常用的预处理方法有磷化、黑化和涂覆红外能量吸收材料。（三）激光处理工艺及应用 根据激光与材料表面作用时的功率密度、作用时间及方式不同，激光表面改性处理可分为激光相变硬化、激光熔凝及激光表面合金化3类。1、激光表面

23、相变硬化定义：钢铁在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热至奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺方法，又称激光淬火。激光表面硬化简图目的：在工件表面有选择的局部产生硬化带以提高耐磨性，还可以通过在表面产生压力来提高疲劳强度。优点：工艺简单，强化后工件表面光滑，硬度高，变形小，基本上不用再加工即可用于装配。特别适合于形状复杂、体积大、精加工后不易采用其他方法强化的工件，如结构与形状复杂的模具成形零件的表面硬化处理。激光相变处理过程中，有两个特别重要的温度：（1）材料的熔点，表面的最高温度一定要低于材料的熔点。（2）材料的奥氏体转变临界温度。激光相变硬化的加热速度快，因

24、而奥氏体转变临界温度升高。一般认为奥氏体转变临界温度可取800。2、激光表面熔凝定义：利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极快的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构。是典型的快速加热和快速凝固过程通过控制冷却速度、温度梯度和凝固速率3个工艺参数，可以细化组织，减少偏析，形成高度过饱和共熔体等亚稳定相乃至非晶态结构，因而可提高表面的耐磨性、抗氧化性和抗腐蚀性能。激光表面熔凝简图3、激光表面合金化定义：用激光束将金属表面与外加合金元素一起熔化后，迅速凝固在金属表面获得合金层的技术。 既改变表面层的物理状

25、态，又改变其化学成分。工艺过程：用镀膜或喷涂等技术把所需合金元素涂敷在金属表面，再通过激光照射使涂敷层合金元素与基体表面层熔化、混合，形成物理状态、组织结构和化学成分不同的新表层。从而提高表层的耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。激光表面合金化简图特点：可使工件的局部区域合金化，能准确地控制功率密度和加热深度，从而减小工件变形；利用激光的渗聚焦能力，可在不规则的零件上得到均匀的合金层。六、电子束表面处理电子束属于一种高能量密度的能源当高速电子束照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。其能量的传递主要通过电子束的电子与金属表层电子碰撞完成的，同时又以热能的

26、形式传给金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。电子束的加热深度和尺寸比激光大电子束表面处理的工艺方法主要有电子束表面淬火、电子束表面合金化及电子束表面熔凝等。电子束表面淬火原理和常规热处理方法相同加热和冷却速度很高，奥氏体化时间很短，奥氏体晶粒来不及长大，因此淬火后可获得极细的表面层组织。适于碳钢、中碳低合金钢等材料的表面强化处理，在工、模具上应用都取得了很好的效果。特点：可以使工件得到理想的金相组织和硬度，显著提高材料的疲劳强度，工件变形小，表面质量好。还可增加残余应力，提高振动疲劳强度。电子束表面合金化定义：利用高能量密度束流与材料表面的相互作用，使之发生物理与化学变化，达到材

27、料表面强化的目的。特点：（1）可在材料表面进行各种合金元素的合金化，改善材料表面性能（2）可在零件需要强化的部位，有选择地进行局部处理。工艺过程：u 根据工件使用条件的要求，进行合金元素的成分设计并选择适当的合金粉末配方；u 然后，将具有特定性能的合金粉末涂敷在金属表面上。u 再利用电子束轰击加热熔化，或在电子束作用的同时加入所需的合金粉末并在工件表面上熔融，使其表面形成与原材料的成分和组织完全不同的新合金层。电子束表面熔凝定义：利用高能量密度电子束轰击金属表面，使其熔化；一旦停止电子束轰击，熔池便快速凝固，使材料表面形成精细的显微组织，从而提高材料表面的硬度和韧性。特点：大大减少原始组织的显

28、微偏析应用：多用于处理模具零件七、离子注入表面改性离子束改性处理定义：将从离子源中引出的所需物质的低能离子束在电场中加速成具有几万到几十万伏的高能粒子束后，高速轰击工件表面并使之注入工件表面一定深度，形成有特殊的力学性能表面改性层的真空处理工艺。原理：具有一定动能的离子射入工件表面后，与表面层内的原子核和电子发生随机碰撞。碰撞过程中，离子不断消耗其能量，离子的运动方向不断改变。经过一段曲折碰撞之后，离子的能量被耗尽，就在工件表面层内的某一部位停留下来，从而改变表面层的组织结构和性能。用这种方法可以获得高度饱和的固溶体、亚稳定相、非晶态和平衡合金等不同组织结构形式的表面层，从而有效地改善工件的使用性能。特点：（1）不同于任何