材料工程基础：5-2 材料的表面改性

1、6 材料表面工程技术 当机械零件受扭转、弯曲等交变载荷、冲击负荷作用时，其表层承受比心部更高的应力； 当受磨擦时，材料表面要磨损，因此，常常要求表面具有高强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，心部保持足够的塑性和韧性。机械零件因接触高温金属熔体或其他熔体而被腐蚀，使零件因表面首先发生破坏或失效。据统计，各种机电产品破坏中约70%是腐蚀和磨损造成 表面处理技术是决定产品质量的关键。材料表面工程技术已发展成为极其重要的一门独立学科。 6.1 表面淬火6.2 化学表面改性 6.3 三束表面改性6.4 热喷涂6.1 表面淬火 表面淬火 是指利用快速加热使钢在短时内达到淬火温度, 不等热量传至中心即迅速冷却，仅

2、使表层得到马氏体达到硬化的方法。表面淬火适用于钢的含碳量 0.4-0.5% 表面淬火按加热方式主要有： 感应加热（高频、中频、工频）表面淬火火焰加热表面淬火激光、电子束、离子束加热表面淬火（三束）6.1.1 感应加热表面淬火 6.1.2 火焰加热淬火 611 感应加热表面淬火 1. 加热基本原理 交变电流交变磁场涡流（感应电流）生成热 感应电流的特性：集肤效应 原理演示2. 感应加热的频率选用 产生的感应电流深度（mm）与交变电流的频率关系为 因此，选用不同的频率可达到不同要求的淬硬深度通常，按照电流频率的不同，感应加热分为三类： 高频加热, 100-500 KHz，一般常用200-300 K

3、Hz 中频加热，500-10000 Hz，一般常用2500-8000 Hz工频加热, 50 Hz 各加热频率的适用范围3.感应加热表面淬火的特点 （1） 加热速度快，A转变温度高隐晶马氏体不易氧化脱C，变形小淬层易控制，易实现机械化和自动化球笼、轴类淬火设备 HKVP50D一体化双工位小型曲轴淬火机床 汽车转向器齿条专用淬火机床 HKVC350立式感应器扫描淬火机床 612 火焰加热淬火 热源：乙炔-氧、煤气-氧工艺原理：图10-2适用材料：中C钢（35、45）、中碳合金钢（40Cr、65Mn）、铸铁件。淬硬层厚度：一般2-6 mm适用范围：单件、小批量、大型零件和局部淬火要求的工件。如大型轴

4、，大模数齿轮。缺点：质量不稳定工艺演示62 化学表面改性 前面提到的表面淬火仅改善了其表层结构而强化，但对要求更高的情况，需要化学改性。 化学表面改性是通过原子扩散、化学反应等方法使被处处理材料的表面成分、组织、形貌发生改变，从而使表面获得到不同于基体材料性能的工艺方法。 621 钢材化学表面改性 1. 一般原理 钢材化学表面改性：一定温度下的活性介质中保温介质中的元素渗入工件表面改变表层的化学成分和组织。 特点：表层既有组织的变化，也有成分的变化。 1. 一般原理 2. 钢的渗碳 3. 钢的氮化 4. 碳氮共渗 化学表面改性分类： 化学表面改性的基本过程： 渗剂中的反应渗剂中的扩散（向工件扩

5、散及反应产物从介面逸出）相介面反应（吸附与解吸反应）金属工件中的扩散金属中的反应2. 钢的渗碳 （1）渗C的目的 钢件在渗碳介质中加热保温后，活性碳原子渗入表面，增加表层的含碳量,并形成一定碳浓度梯度。如使低碳（Wc=0.15%0.30%）钢件表面获得高碳浓度（Wc约等于1.0%）。后续进行适当淬火回火处理，可得到高硬度、耐磨性及疲劳强度的表面及良好的塑韧性心部性能。 （2）渗C方法 气体渗C：固体渗C法：真空渗C与离子渗C渗剂： 渗C浓度：0.15-0.2%1% C 温度： 900-9501）气体渗C：2）固体渗C法： 温度： 900-950 渗剂：木碳+15-20% BaCO3或NaCO3

6、 3）真空渗C与离子渗C 温度：920-1040渗剂：渗C气特点：渗速快2-3倍，渗C均匀，适于深层渗C。 真空渗碳 离子渗碳基本原理 与离子氮化相似。在真空条件下，以工件为阴极，施以直流电，产生辉光放电，碳离子轰击工件表面，将工件表面加热并被表面吸收，然后向内扩散。渗碳温度：900 需附加外加热源渗碳机理工作气：H2、Ar、CH4辉光放电的等离子体中包括：离子轰击清洗表面。等离子体中的H2+ 由于阴极电位降被加速，冲击到工件表面，使表面的氧化物或附着物飞溅，达到清洗的效果。实际的渗碳工艺中，在渗碳之前导入Ar和H2的混合气，用 H2+ 和Ar+轰击一段时间之后再导入CH4进行渗碳。由于钢的触

7、媒作用引起C的吸附。 与通常的气体渗碳一样，热活化的C由于热能作用而与钢的表面接触，通过钢的触媒作用被吸附，然后向内部扩散。 碳离子的吸附。C+由于阴极电位降被加速冲到钢的表面后被吸附，然后向内部扩散。 碳离子的注入。 被加速的C+的一部分撞入工件表面内部一定深度，造成晶格缺陷。 氩离子的溅射效果。 Ar+冲击到钢的表面上会使表面铁原子飞出，飞出的Fe与等离子体中的C结合生成FeC，FeC由于钢的触媒作用而被表面捕获，然后，碳原子向内部扩散。 （3）渗C工艺 渗C温度渗C时间：渗层厚度与温度T和渗C时间的关系 3）碳势 4）渗C用钢 低C钢 0.15-0.2% C （要求不高的渗C件） 合金渗

8、C钢 常用钢种：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB、 18Cr2Ni4WA、20CrMnVBA. 4）渗C用钢 （5）渗C后的热处理 渗C后，常用的热处理工艺有三种 直接淬火 + 低温回火 见图10-7（P315） 2）一次淬火 + 低温回火 见图10-8 3）二次淬火 + 低温回火 见图10-9 第一次：对心部 Ac3 第二次：对表层 Ac1 （稍高些） （6）渗C热处理后的组织性能 表层：回火马氏体 + 少量残余奥氏体 + 一定数量粒状碳化物。HRC 58-64心部：低C马氏体。 HRC 30-50特点：表层压应力 3. 钢的氮化 氮化的目的 优异性能：硬度 HV 100

9、0-1200，耐磨、提高抗咬合性 提高疲劳强度、降低缺口敏感性 提高耐蚀性、变形很小。 一般在Ac1温度以下，使活性氮原子渗入工件表面，形成富氮硬化层的化学热处理工艺。可使钢的表面硬度达HV10001200。适于38CrMoAl及某些中碳钢调质钢。 概念氮化工艺 （1）气体氮化 1）氮化基本原理 Fe-N相图：-Fe4N、-Fe2-3N、-Fe2N氨气通入加热的密封容器，氨气在450与铁接触分解 2NH33H2+2N, 产生活性氮原子向钢件内扩散。N向钢内扩散，由FeN相图决定生成的相 氮化后 从表层心部 相 /相 相 心部 缓冷时 + + 心部 2）氮化用钢 38CrMoAl HV 1000

10、； 调质钢。 3）氮化工艺 抗磨氮化： 抗蚀氮化：形成相层 0.01-0.06mm，20-30min 4）氮化组织 （2）离子氮化 1）原理 气体放电方式及其伏安特性曲线辉光放电的光区和有关特性曲线在低于常压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极间产生的辉光放电进行渗氮。工件阴极、真空罩阳极、辉光放电、电离N+、H+ 广泛用于机械零件、模具的表面处理，具良好的韧性耐磨性及较高疲劳强度。 在离子渗氮真空室中，少量的充入NH3或（N2+H2混合气），在辉光放电过程被电离成N+与H+，并被电场加速。一部份离子直接渗入工件内部，一部份轰击工件表面，使工件升温，并从阴极表面打击出电子和原子（阴极溅射）。溅

11、射出的Fe原子和带电原子态氮结合形成FeN，被吸附在工件表面。FeN受离子轰击后变成低价Fe2-3N，而放出氮。其中一部份N原子将渗入工件，并向内扩散形成氮化层。2）离子氮化工艺 电流密度：气参数： 组成、气压、流量热参数： 温度、时间3）氮化层组织与性能 比气体氮化硬度更高。 4. 碳氮共渗 向钢工件表层同时渗入碳和氮的过程，多用气体碳氮共渗。 概念工艺中温气体、C、N共渗；以渗C为主。820-860、煤油或渗C气 + 氨气 2）低温气体碳氮共渗；以渗N为主，又称软氮化 在570温度下通入甲酰胺、三乙醇胺、尿素、醇类与氨等渗剂分解生成的活性CN原子完成共渗，保温23h。渗层硬度虽较低，但韧性

12、好，不易脱落。 在820860度密封炉内通入煤油（渗碳气体）与氨或含氮有机液体，产生活性原子和N原子完成同时渗C、渗N。但以渗C为主，渗速更快，硬度更高，且可直接油淬，变形小。 63 三束表面改性 “三束”指激光束、离子束、电子束。 三束改性的特点： （1）激光束： 加热、冷却速度极快；温度梯度 106-8K/cm；冷却速度 106-10K/S（2）离子束： 异类原子直接注入材料表面进行表面合金化。引入的原子种类和数量不受常规热力学条件的限制。 （3）三束加热速度极快，基体材料几乎不受影响。 6.3.1 激光束表面改性技术 6.3.2 离子束表面强化 6.3.3 电子束表面改性 631 激光束

13、表面改性技术 1. 激光束产生原理 具亚稳态能级结构的物质受到外界能量激发时变成激活介质，激活介质受到激发产生光子辐射。当激活介质放在由一个全反射镜和部分反射镜构成的光学诣振腔中，激活介质受到激发产生光子辐射。在辐射过程中引起连锁性的受激辐射，使辐射加强。反射镜使光子在腔内不断传播、反射、形成光振荡，最后在部分反射镜端发出频率、相位、传播和振动方向相同的光子激光。 具亚稳态能级-激活介质-产生光子辐射-引起连锁性的受激辐射-光子在腔内不断传播、反射、形成光振荡-发出频率、相位、传播和振动方向相同的光子2. 激光的发展概况Laser theorized in the 1950sLaser fir

14、st demonstrated in 1960Models established for optical applications by 1965Introduced in metalworking environment in 1966 (drilling, spot weldingpulsed solid state laser)Commercial 1 kW CW laser made in 1970, then, 1 50 kW CW CO2 laser3 激光束的特点 高功率密度; 方向性好; 高单色性4 激光束表面处理的原理 1）激光系统装置示意图JHM-1GY-3000CO2水

15、泵叶片激光焊接机 多功能激光热处理成套设备 Schematic diagrams of laser surface cladding2）激光与材料的相互作用3）激光与材料的相互作用与工艺分类Laser material processingLaser drilling, cutting and weldingLaser surface treatmentHeating - Annealing, Trans. HardeningMelting -Alloying, Glazing, Grain refining,Cladding, Laser melt / particle injectionS

16、hocking - Shocking hardeningLaser rapid prototyping Produce 3D solid parts directly from CAD data on a layer - by layer basisFunctionally graded materials (FGM) fabricatedFig.2 Schematic of laser surface cladding(a) With preplaced powders(b) with continuous feed of powdersLaser power PBeam spot diam

17、eter DTraverse velocity VFeed rate g (thickness of replaced powders d) Power density P/S Specific energy P/DV Dilution Overlapping ratio Process parameters:应用实例The sample parts in the photo to the left illustrate the different types of geometries which have been laser formed at AeroMet. Some specifi

18、c examples are described in greater detail below.This photo shows the laser formed Ti-6Al-4V machining preform which protects the final geometry of the aircraft fitting illustrated above.6.3.2 离子束表面强化 在真空中离子化气体或固体蒸汽源，由引出系统引出离子束，将其加速至数keV到数百keV，直接注入到靶室内的固体材料，形成一定深度的离子注入层，改变表层的结构和组分，达到改善力学性能和物理化学性能的目的

19、。（1）注入装置原理示意图正离子从离子源引出后具有一定的初速度；磁分析器：从引出的正离子中选出所需要注入的纯度极高的离子；加速管将选出的正离子加速到所需能量，以控制注入深度；聚集扫描系统将离子束聚焦扫描，有控制地注入工件。注入的剂量由与工件相连的电荷积分仪给出。（2）离子注入的主要物理参数能量：主要决定注入离子在基体中所能达到的深度剂量：主要决定注入层的浓度剂量率：单位时间内靶室中样品接受的注入剂量（3）离子注入过程 高速运动的离子射入靶材，与靶原子发生一系列的碰撞作用，包括：核碰撞：离子与靶原子的核发生弹性碰撞电子碰撞：离子与电子碰撞为非弹性碰撞，碰撞引起电离、二次电子发射、X射线发射或荧光

20、离子与固体原子之间进行电荷交换 上述三种作用，使注入离子的能量逐渐消耗，最后停留在靶的某个部位。射程，R： 一个离子从靶表面到其停留点的路程。投影射程，Rp ： 射程在入射方向的投影长度。离子停留在靶的某个部位的描述：设：单个离子入射能量为E0，在靶内 x 处的能量为 E，Sn(E)为核阻止本领；Se(E)为电子阻止本领；N 为单位体积内靶原子的平均数；则核阻止和电子阻止两者引起的单位距离上的能量损失对上式积分可得到射程 R （分别表示离子在靶内通过厚度为x时传递给靶内原子核和电子的能量）R ？ 对离子注入具有实际意义的是投影射程Rp，以及它的标准偏差Rp（表示入射离子的投影射程的分散特性）因

21、为碰撞过程是随机的，则各离子的射程R不同。R、Rp和Rp的意义示于下图（4）注入元素的浓度分布注入元素种类非金属： N、C、B耐蚀抗磨金属元素： Ti、Cr、Ni固体润滑元素： S、Mo、Sn、In耐高温元素： Y及稀土元素注入离子浓度随深度分布呈Gauss分布注入元素离子的轨迹与浓度分布（5）离子注入改性的一般机理损伤强化作用注入掺杂强化（沉淀强化）间隙固溶强化偏聚强化（与位错之作用）喷丸强化作用（残余压应力）增强氧化膜，提高润滑性（6）基底材料-注入离子种类-性能之间的组合关系（7）离子注入在磨损件中的应用（8）离子注入工艺技术的优缺点优 点由于离子能量很高，离子注入过程为非热力学平衡过程

22、，可将在热力学上与基体不互溶的元素注入基体中。可形成常规方法得不到的新合金相。注入层与基体材料无明显界面，力学性能连续过渡，保证注入层与基体得匹配。真空处理技术，工件无变形、无氧化，尺寸精度高，表面状态好。缺 点注入层薄。离子直线行进不能进行复杂形状的处理。处理尺寸受到限制。设备昂贵。6.3.3 电子束表面改性 1. 电子束的产生及与材料表层的相互作用电子由电子枪阴极发射后，在加速电压的作用下，速度高达光束的23。高速电子束经电磁透镜聚焦后辐照在待处理的工件表面，如图1024所示。 电子束的产生当高速电子束照射到金属表面时，电子能达到金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。电子与原子核的碰撞可看作为弹性碰撞。电子与金属表层电子碰撞非弹性碰撞，起主要传递能量的作用，所传递的能量立即以热能形式传给金属表层电子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高电子与表层金属的相互作用与能量交换过程 目前电子束加速电压达125kV，输出功率达150kW，能量密度达10MWm2，这是激光器无法比拟的。因此，电子束加热的深度和尺寸比激光大。 2电子束表面处理的主要特点 加热和冷却速度快。将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度仅需千分之几秒，其冷却速度可达成l06一108s。工件经电子束表面处理后的变形很小，几乎不影响表面，