材料表面与界面(3-1)

1、材料的表面与界面材料的表面与界面Surfaces and Interfaces Surfaces and Interfaces in Materialsin Materials第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀 定义：用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属的表面，可得到一扩散合金层，定义：用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属的表面，可得到一扩散合金层， 同时表面上还会残留一层很薄的覆层同时表面上还会残留一层很薄的覆层热渗镀。热渗镀。特点：（特点：（1）靠热扩散形成表面强化层，结合力很强。

2、）靠热扩散形成表面强化层，结合力很强。 （2）热渗镀材料的选择范围很宽。）热渗镀材料的选择范围很宽。作用：渗入不同元素，可得到不同的表面组织和表面性能，作用：渗入不同元素，可得到不同的表面组织和表面性能， 包括耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐高温氧化性。包括耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐高温氧化性。分类：（分类：（1）粉末包渗法）粉末包渗法 （2）液渗法）液渗法 （3）气渗法：）气渗法： （4）离子轰击渗镀法：）离子轰击渗镀法： （5）复合渗）复合渗 3.1.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀方法的特点与分方法的特点与分类类 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗

3、渗镀镀 热渗镀方法的基本过程为：热渗镀方法的基本过程为：介质中发生化学反应，提供界面反应所需要的反应物。介质中发生化学反应，提供界面反应所需要的反应物。反应物扩散到金属表面反应物扩散到金属表面外扩散。外扩散。反应物粒子被金属表面吸附，发生界面反应。反应物粒子被金属表面吸附，发生界面反应。界面反应产生的活性原子被金属表面吸附并向内部扩散界面反应产生的活性原子被金属表面吸附并向内部扩散内扩散。内扩散。以上四步中：第和步速度较快，不会成为控制步骤，第和步哪一步能成为控制步以上四步中：第和步速度较快，不会成为控制步骤，第和步哪一步能成为控制步骤，可根据渗层深度（骤，可根据渗层深度（x）与时间（）与时间

4、（t）的关系来判定。）的关系来判定。如果如果x 与与t之间为抛物线关系，则扩散阻力较大，第步为控制步骤。如果之间为抛物线关系，则扩散阻力较大，第步为控制步骤。如果x 与与t关系为线关系为线性，则内扩散速度较快，第步为控制步骤。性，则内扩散速度较快，第步为控制步骤。 一般来说，过程初期金属表面渗剂浓度较低，界面反应（第步）为控制步骤，到一定一般来说，过程初期金属表面渗剂浓度较低，界面反应（第步）为控制步骤，到一定程度渗剂元素在金属表面浓度达一定值，内扩散成为控制步骤。程度渗剂元素在金属表面浓度达一定值，内扩散成为控制步骤。 3.1.2 金属表面热渗镀方法的原理金属表面热渗镀方法的原理 第第3章章

5、 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀 渗层是基体金属和溶入元素原子混合或化合组成的薄层合金，渗层的形成需要如下条件：渗层是基体金属和溶入元素原子混合或化合组成的薄层合金，渗层的形成需要如下条件：（1）渗入元素必须能与基体金属形成固溶体或金属间化合物。）渗入元素必须能与基体金属形成固溶体或金属间化合物。 影响固溶体或金属间化合物形成的重要因素有：影响固溶体或金属间化合物形成的重要因素有： 原子相对大小原子相对大小, 原子间的化学亲合力原子间的化学亲合力, 点阵类型。点阵类型。（2）渗入元素与基体之间必须保持紧密接触，或者说渗入元素可以在界面处被吸附。）渗入元素

6、与基体之间必须保持紧密接触，或者说渗入元素可以在界面处被吸附。（3）必须保持一定的温度，使原子获得足够的扩散动力。）必须保持一定的温度，使原子获得足够的扩散动力。（4）生成活性原子的化学反应必须满足一定的热力学条件，渗剂活性原子一般是依靠化）生成活性原子的化学反应必须满足一定的热力学条件，渗剂活性原子一般是依靠化 学反应来提供的。学反应来提供的。 以气固渗剂为例，假定采用金属氯化物为渗剂气体可有以下三种化学反应：以气固渗剂为例，假定采用金属氯化物为渗剂气体可有以下三种化学反应： 置换反应：置换反应：A MCl2(气气) ACl2M 还原反应：还原反应：MCl2(气气) H2 2HClM 分解反

7、应：分解反应：MCl2(气气) Cl2M3.1.3 金属表面热渗镀渗层形成条件金属表面热渗镀渗层形成条件 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀 （1）渗层的形成）渗层的形成 渗层形成的过程为：吸附渗层形成的过程为：吸附 界面反应界面反应 内扩散内扩散 渗层渗层 （2）渗层的组织特点）渗层的组织特点(a)有无限固溶体相图的渗层组织有无限固溶体相图的渗层组织渗层组织为单相二元固溶体组织，由表到里浓度逐渐变化。渗层组织为单相二元固溶体组织，由表到里浓度逐渐变化。(b)有限固溶体相图的渗层组织有限固溶体相图的渗层组织(c)有限固溶体有限固溶体并有中间化合物

8、形成的渗层组织并有中间化合物形成的渗层组织3.1.4 金属表面热渗镀渗层组织特点金属表面热渗镀渗层组织特点 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀 钢铁表面热浸镀锌的基本过程为：钢铁表面热浸镀锌的基本过程为：(a) 铁表面与液态锌润湿并发生相互溶解形成铁表面与液态锌润湿并发生相互溶解形成FeZn合金层，合金层，(b) 合金层中锌原子向铁基体中扩散形成铁锌固溶体和化合物，合金层中锌原子向铁基体中扩散形成铁锌固溶体和化合物，(c)合金表面包络一薄层锌。合金表面包络一薄层锌。 热镀锌层的组织特点热镀锌层的组织特点:钢铁表面热镀锌方法：钢铁表面热镀锌方法：预

9、处预处理（清理（清洁洁作用）作用） 溶溶剂处剂处理（去除工件表面理（去除工件表面铁盐铁盐、 、铁锈铁锈） ） 镀锌镀锌（注意控制温度和取出工件的速度）（注意控制温度和取出工件的速度）锌锌熔点：熔点：419.5。 。钢铁钢铁工件工件镀锌镀锌最佳温度：最佳温度：620。灰。灰铸铁铸铁工件最佳温度：工件最佳温度：540。 。 纯锌层的主要作用：提高塑性，保护内部不被腐蚀。纯锌层的主要作用：提高塑性，保护内部不被腐蚀。 钢铁表面热镀锌的性能特点：防腐钢铁表面热镀锌的性能特点：防腐钢铁表面热镀锌方法的应用：螺母、螺栓、弹簧、钢管、钢板、钢丝。钢铁表面热镀锌方法的应用：螺母、螺栓、弹簧、钢管、钢板、钢丝。

10、 3.1.5 金属表面热渗镀方法的实际应用金属表面热渗镀方法的实际应用 （1）热浸镀锌）热浸镀锌 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀 钢中含钢中含8%Al时，表面可形成致密氧化膜，提高抗氧化和抗腐蚀性能，但时，表面可形成致密氧化膜，提高抗氧化和抗腐蚀性能，但8%Al会使钢变得很会使钢变得很脆，渗铝可解决之。脆，渗铝可解决之。钢铁表面热渗镀铝方法：热浸铝、固体粉末渗铝、喷镀渗铝法、料浆渗铝法、气体渗铝法等。钢铁表面热渗镀铝方法：热浸铝、固体粉末渗铝、喷镀渗铝法、料浆渗铝法、气体渗铝法等。热浸铝：热浸铝：定义：把预处理过的工件浸入液铝中保温，一定时间

11、取出，工件表面将浸上一层铝。定义：把预处理过的工件浸入液铝中保温，一定时间取出，工件表面将浸上一层铝。过程：过程：Fe与液铝接触与液铝接触反应生成反应生成FeAl3扩散，扩散，FeAl3加厚加厚生成生成Fe2Al5组织特点：组织特点：钢铁表面热渗镀铝渗铝层性能：抗氧化提高，耐腐蚀性能提高。钢铁表面热渗镀铝渗铝层性能：抗氧化提高，耐腐蚀性能提高。钢铁表面热渗镀铝应用：耐热耐蚀部件。钢铁表面热渗镀铝应用：耐热耐蚀部件。3.1.5 金属表面热渗镀方法的实际应用金属表面热渗镀方法的实际应用 （2）热渗镀铝）热渗镀铝 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀 固

12、体渗铬：固体渗铬： 工件埋入工件埋入Cr粉，氧化铝粉及卤化物粉中加热保温，使工件表面产生活性粉，氧化铝粉及卤化物粉中加热保温，使工件表面产生活性Cr，渗入基体中。，渗入基体中。以以NH4Cl为例：为例：NH4ClNH3HCl, 2NH3N23H2, Cr2HClCrCl2H2CrCl2MMCl2Cr, H2CrCl22HClCr优优点点:工工艺简单艺简单。 。 缺点：加缺点：加热热温度高、保温温度高、保温时间长时间长、渗、渗层层薄、薄、铬铬耗大。耗大。气体渗铬：气体渗铬： 在密封电炉中通入渗铬气氛（卤化铬），在工件表面发生化学反应生成在密封电炉中通入渗铬气氛（卤化铬），在工件表面发生化学反应生

13、成Cr渗入工件表面。渗入工件表面。或在炉内放置或在炉内放置Cr或或CrFe粉，通入粉，通入Cl2和和H2。优点：无粉尘危害、渗速快、质量好。优点：无粉尘危害、渗速快、质量好。 缺点：氢气易爆炸、氯气有毒。缺点：氢气易爆炸、氯气有毒。渗铬层组织：渗铬层组织：表面为表面为Cr与与C的化合物，其次为的化合物，其次为Cr在在Fe中的固溶体，最大溶解度为中的固溶体，最大溶解度为12%。渗铬层性能：耐腐蚀、抗氧化、耐磨。渗铬层性能：耐腐蚀、抗氧化、耐磨。应用：代替不锈钢和耐热钢制造机械和工具。应用：代替不锈钢和耐热钢制造机械和工具。 3.1.6 渗金属渗金属 （1）渗铬）渗铬第第3章章 金属表面处理方法金

14、属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀 固体渗硼固体渗硼:（B，Fe-B，B4C）Al2O3NH4Cl形成活性硼元素，渗入工件表面，形成形成活性硼元素，渗入工件表面，形成Fe2B表面层。表面层。气体渗硼气体渗硼:气体为气体为BCl3H2反应为：反应为：2BCl32B3Cl2 2BCl33H22B6HCl BCl3FeFeCl3B液体渗硼液体渗硼: Na2B4O76B4C28B6CONa2O B4CMCl24BCl2MC渗硼层组织渗硼层组织: FeB层层很脆，很脆，Fe2B性能性能较较好，好，应应使其增厚。使其增厚。性能：优异的耐磨性，较好的耐蚀性（性能：优异的耐磨性，较好的耐蚀性

15、（10%H2NO4），一定的耐热性。），一定的耐热性。应用：主要用于耐磨件应用：主要用于耐磨件 3.1.6 渗金属渗金属 （2）渗硼）渗硼第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.1 金属表面金属表面热热渗渗镀镀 （3）渗钒：表面生成）渗钒：表面生成CV，使耐磨性能提高很多。，使耐磨性能提高很多。（4）渗钛：表面可以有）渗钛：表面可以有TiC、TiFe、TiFe2、Ti2Fe，提高耐氧化性。，提高耐氧化性。（5）渗钼：表面可由）渗钼：表面可由Fe3Mo2金属间化合物和金属间化合物和C-Mo化合物组成，提高耐磨性。化合物组成，提高耐磨性。（6）渗铍：可提高高温氧化、耐高温腐蚀性能等）渗铍

16、：可提高高温氧化、耐高温腐蚀性能等 3.1.6 渗金属渗金属 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.2 金属表面热喷涂金属表面热喷涂 （1）分类）分类 液态法：用坩埚熔化金属，再用高压气体把金属喷射出去。液态法：用坩埚熔化金属，再用高压气体把金属喷射出去。 燃气法：火焰线材喷涂法，火焰粉末喷涂法。燃气法：火焰线材喷涂法，火焰粉末喷涂法。 气体放电法：等离子喷涂法。气体放电法：等离子喷涂法。（2）技术特点）技术特点 1 取材广泛取材广泛 2 可用于各种基体可用于各种基体 3 基体保持较低温度基体保持较低温度 4 工效高，比电镀快工效高，比电镀快 5 工件大小不受限制，可进行局部喷涂，

17、工件或整体均可工件大小不受限制，可进行局部喷涂，工件或整体均可 6 涂层厚度易控制涂层厚度易控制 7 满足各种性能需要：耐磨、耐蚀、高温氧化、隔热、高温强度、密封、减磨（润滑）、满足各种性能需要：耐磨、耐蚀、高温氧化、隔热、高温强度、密封、减磨（润滑）、耐辐射、导电、绝缘等。耐辐射、导电、绝缘等。3.2.1 金属表面热喷涂方法的分类与特点金属表面热喷涂方法的分类与特点 利用专用设备将固体材料熔化并加速喷射到工件表面形成一种特制薄层，提高工件表面利用专用设备将固体材料熔化并加速喷射到工件表面形成一种特制薄层，提高工件表面性能。性能。 60年代以来得到迅速发展。金属表面热喷涂方法的发展与很多学科相

18、关：材料年代以来得到迅速发展。金属表面热喷涂方法的发展与很多学科相关：材料学、材料物理与化学、流体力学、传热学、等离子物理学。学、材料物理与化学、流体力学、传热学、等离子物理学。 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.2 金属表面热喷涂金属表面热喷涂 以粉末喷涂为例：以粉末喷涂为例：粒子流特点：加热粒子流特点：加热 加速加速 形成粒子流形成粒子流 撞击基体撞击基体 冷却凝固冷却凝固 形成涂层形成涂层 3.2.2 金属表面热喷涂方法的原理金属表面热喷涂方法的原理 温度，速度材料种类粒子大小能源种类喷枪构造送粉方式决定粒子状态粒子状态材料参数材料参数环境因素环境因素微粉的熔点（与粒度有

19、关）比体型材料的熔点低。由于粉末粒度不均，喷涂火焰不微粉的熔点（与粒度有关）比体型材料的熔点低。由于粉末粒度不均，喷涂火焰不均，所以粉末被加热的程度不同。均，所以粉末被加热的程度不同。 第第3章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.2 金属表面热喷涂金属表面热喷涂 熔化的液滴在高速气流中进一步变小、雾化。用熔化的液滴在高速气流中进一步变小、雾化。用Web准数（准数（We）表示被雾化的难易程度。）表示被雾化的难易程度。We=gd（Vc-Ve）/式中：式中：g：气体密度；：气体密度；d：液滴直径；：液滴直径；Vc：气体流速；：气体流速；Ve：液滴流速；：液滴流速；：液体表面能。：液体表面能。

20、通常，通常，We = 610。液体粘度增大，。液体粘度增大，We 提高，不易雾化。提高，不易雾化。相对速度（相对速度（Vc-Ve）是雾化的动力。使某液滴雾化所需最小相对速度与以下因素有关：）是雾化的动力。使某液滴雾化所需最小相对速度与以下因素有关：（a）We（与粒度有关）和（与粒度有关）和提高，（提高，（Vc-Ve）提高。）提高。（b）g和和d提高，（提高，（Vc-Ve）下降。）下降。 雾化粒子冷却到凝固需要的时间雾化粒子冷却到凝固需要的时间t1与下列因素有关：与下列因素有关：（a）d、粒子粒子、T粒子粒子 ( 成正比成正比)（b） 、Tm （成反比）（成反比）结晶需要时间结晶需要时间t2与下

21、列因素有关：与下列因素有关：（a）与结晶热成正比）与结晶热成正比（b）与粒子表面积成反比）与粒子表面积成反比t1+t2为为粒子从冷却到凝固的粒子从冷却到凝固的时间时间。 。t1+t2很短，很短，对对基体基体热热影响范影响范围围很小。一般很小。一般热热影响区不超影响区不超过过几十几十m小于临界尺寸（小于临界尺寸（dmin）的粒子会被吹到工件上的气体卷走，而无法到达工件表面。）的粒子会被吹到工件上的气体卷走，而无法到达工件表面。临界尺寸与距离（临界尺寸与距离（l）成正比，与粒子速度和密度成反比。）成正比，与粒子速度和密度成反比。 3.2.2 金属表面热喷涂方法的原理金属表面热喷涂方法的原理 第第3

22、章章 金属表面处理方法金属表面处理方法 3.2 金属表面热喷涂金属表面热喷涂 （1）涂层的形成）涂层的形成粒子与基体碰撞产生变形，粒子热量被冷基体带走，粒子在变形中凝固，形成盘状组织。粒子与基体碰撞产生变形，粒子热量被冷基体带走，粒子在变形中凝固，形成盘状组织。由于冲击，圆盘往往破碎，如软化基体（如预热）、破碎可减弱。由于冲击，圆盘往往破碎，如软化基体（如预热）、破碎可减弱。脉冲压力脉冲压力P与以下因素有关：质点速度、液体密度、质点刚性系数。与以下因素有关：质点速度、液体密度、质点刚性系数。 3.2.3 金属表面热喷涂涂层的形成与结合强度金属表面热喷涂涂层的形成与结合强度 （2）粒子与基体结合强度）粒子与基体结合强度机械结合：机械结合：与基体毛化程度有关与基体