材料表面工程-第一讲

1、资料外表工程主讲教师：吕 祥 鸿西安石油大学资料科学与工程学院.2 一、绪论 二、外表热处置 三、外表形变强化技术目 录.定义-外表工程技术是指为满足特定工程需求，使资料或零件外表具有特殊的成分、构造和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。分类-1、外表热处置技术；2、外表形变强化技术；3、热扩渗；4、热喷涂；5、热喷焊和堆焊；6、电镀；7、化学镀；8、化学转化膜与着色技术；9、气相堆积技术；10、高能束外表处置。一、绪 论.1.外表工程学的定义及内涵 大家知道,一切的物体都不可防止与环境相接触,而与环境真正接触的是物体的外表。如各种机械设备和仪器仪表，它们在运用过程中会发生：腐蚀-由于遭到气

2、、水及某些化学介质的作用；磨损-因相互之间相对运动而产生；氧化-因温度过高而发生；浸蚀-因接触高温金属熔体或其它熔体而被浸蚀，等等。 一切这些都会首先使机件外表发生破坏或失效,进而引起整个机件的破坏或失效,因此,外表是防止设备失效的第一道防线。有资料统计,在各种机电产品的过早失效破坏中,约有70%是由腐蚀和磨损呵斥的。一、绪 论. 随着现代工业的迅猛开展,对机械工业产品提出了更高的要求。要求产品能在高参数(如高温,高压,高速)、高度自动化和恶劣的工况条件下长期稳定运转。这就必然对机件外表的耐磨、耐蚀等性能提出了更高的要求。为了满足这样的要求,在某些情况下我们可以选用贵金属或合金来制造整体设备及

3、零件。 有时虽然也可满足外表性能要求,但这往往会呵斥设备的本钱成倍或成百倍的添加,降低了产品的竞争力。 例：H2S油气田广泛采用镍基合金， 镍基合金是钢铁的几十倍甚至上百倍。 更何况在许多情况下也无法找到一种可以同时满足整体和外表要求的资料。 例：油气田用双相不锈钢冷拔成型满足耐蚀性满足不了强度要求，主要是由于温度升高，强度下降。 一、绪 论.而外表技术那么可以在不添加或不添加太多资料本钱的同时使产品外表遭到维护和强化,从而提高产品的运用寿命和可靠性,改善机械设备的性能、质量、加强产品的竞争才干,所以，研讨和开展机械产品的外表维护和外表强化技术，对于推进高技术和新技术的开展,对于节约资料,节约

4、能源等都具有重要意义。定义：外表工程技术是指为满足特定的工程需求，使资料或零件外表具有特殊的成分、构造和性能或功能的化学、物理方法与工艺。一、绪 论.外表工程技术的内涵应该包括如下几个方面：1外表改性技术；提高零部件外表的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性，或装饰零部件外表2外表加工技术；可以在资料外表加工或制造各种功能元器件的有关技术3外表合成资料技术；借助各种手段在资料外表合成新资料的技术4外表加工三维合成技术；将二维外表加工累积成三维零件的快速原型制造技术5上述几个要点的组合或综合。一、绪 论.2. 外表工程技术的特点与意义1它主要作用在基体外表，对远离外表的基材内部组织与性能影响不大；2采用

5、外表涂镀、外表合金化，使普通、廉价的资料外表具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动消费率，降低消费本钱；3外表工程技术可以兼有装饰和防护功能，在人们周围发明五彩缤纷的世界，推进产品的更新换代；一、绪 论.4以化学气相堆积技术chemical vapor deposition简称CVD) 、物理气相堆积技术physical vapor deposition简称PVD) 、掩膜、光刻技术为代表的外表薄膜堆积技术和外表微细加工技术是制造大规模集成电路、光导纤维和集成电路、太阳能薄膜电池等元器件的根本技术；5计算机技术与资料科学、精细机械和数控技术

6、相结合，使二维的外表处置技术开展成为三维零件制造技术，发明了全新的制造方法生长型制造法，不仅大幅度降低了零部件的制造本钱，亦使设计与消费速度成倍提高；一、绪 论.6外表工程技术已成为制备新资料的重要方法金属基复合资料(MMC) Metal Matrix Composite及陶瓷基复合资料(CMC)Ceramic Matrix Composite的制备，如可以在资料外表制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。图11 纤维涂层法制备钛基复合资料 纤维涂层涂层纤维堆垛热压或热等静压成形 纤维 碳芯或钨芯CVDPVD一、绪 论.图1-2 CVD、PVD法制备钛基复合资料一、绪 论.3. 外表工程技术的

7、分类资料外表工程是一门新兴学科，或者说是正在构成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。从不同的角度进展归纳，就会有不同的分类。如：按作用原理可分为： 原子堆积：堆积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形状在资料外表上构成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相堆积、化学气相堆积等。 颗粒堆积：堆积物以宏观尺度的颗粒形状在资料外表上构成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。 整体覆盖：它是将涂覆资料于同一时间施加于资料外表，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。 外表改性：用各种物理、化学等方法处置外表，使之组成、构造发生变化，从而改动性能，如外表

8、处置、化学热处置、电子束外表处置、离子注入等。 一、绪 论.按外表强化层资料可分为：金属资料层；陶瓷资料层；高分子资料层。按工艺特点可分为：电镀，化学镀，热渗镀，热喷涂，堆焊，化学转化膜，涂装，外表彩色，气相堆积，“三束改性，外表热处置，形变强化，衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺工程。按外表改质的目的或性质可分为：外表耐磨和减磨技术，外表耐蚀抗氧化技术，外表强化提高疲劳强度技术，外表装饰技术，功能外表技术，外表修复技术。一、绪 论. 实践上，外表技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分：1外表改性技术 外表改性技术主要赋予资料或零部件、元器件外表以特定的物理、化学性能的外表工

9、程技术。 外表组织转化技术； 外表涂镀技术； 外表合金化和掺杂技术。一、绪 论.2外表微细加工技术 外表微细加工技术主要指在资料外表不大于100m区域内进展各种外形或尺寸的精细、微细加工，使其成为具有各种功能的元器件或零部件的技术。3外表加工三维成型技术快速原型制造 外表加工三维成型技术主要指经过计算机控制，在资料外表不断实现特定外形的涂镀加工与堆积，构成三维零部件或元器件的快速原型制造技术。4外表合成新资料技术 外表合成新资料技术主要指采用特定的外表工程技术，在资料外表合成常规工艺方法无法获得的新资料，或者利用资料的外表加工过程获得全新资料的工艺。一、绪 论.16 一、绪论 二、外表热处置

10、三、外表形变强化技术目 录.1.外表淬火技术的原理与特点2.外表淬火层的组织与性能3.分类 二、外表热处置.在外表工程技术中，不需求外加其他资料，主要依托资料本身组织与构造转变来进展外表改性的工艺主要有两类：一类是外表淬火与退火技术，另一类就是外表形变强化技术。主要引见外表淬火技术的根本原理和特点。1、铁碳合金相图2、钢的普通热处置包括哪些工艺?正火、退火、淬火和回火，统称“四把火。3、什么是调质？调质处置后钢的组织和性能怎样？淬火后高温回火的复合热处置工艺称调质。调质后的组织为回火索氏体，具有综合力学性能。4、什么是钢的淬透性？钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的才干，是钢的固有属性。 二

11、、外表热处置.1 外表淬火技术的原理与特点原理采用特定热源将钢铁资料外表快速加热到Ac3对亚共析钢或者Ac1过共析钢之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，构成外表强化层的工艺过程，称为外表淬火技术。不仅仅是钢铁，凡是能经过整体淬火强化的金属资料，都可以进展外表淬火。原那么上，碳的质量分数在0.351.20的中、高碳钢及基体相当于碳钢的普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁均可以实现外表淬火，但中碳钢与球墨铸铁最适宜于外表淬火的资料。这是由于中碳调质钢经过预先热处置正火或调质，再进展外表淬火，即可以保证心部有较高的综合力学性能，又使外表具有较高的硬度50HRC和耐磨性。 二、外表热处置.为处

12、理工件不同厚度处外表硬化层不均匀，开发出低淬透性钢和限制淬透性钢。低淬透性钢是经过提高钢中碳的质量分数来提高钢的强度及耐磨性，同时严厉控制钢中合金元素的含量以降低钢材的淬透性，外表淬火后，其硬化层可控制在1.52.5mm范围内。限制淬透型钢那么是在低淬透性钢根底上适当提高了添加淬透性元素，并参与钛质量分数0.060.12，以妨碍奥氏体晶粒的长大。 二、外表热处置.特点外表淬火时加热与冷却速度很快, 使得与普通淬火技术有较大区别，主要表达在：在相变温度、组织和性能上存在差别:加热速度快：使得Ac3与Accm相变温度大幅度提高;使奥氏体晶粒显著细化。加热速度很高时，甚至产生无分散奥氏体相变。冷却速

13、度快：使得外表淬火硬度比普通淬火后要高。快速加热条件下渗碳体难以充分溶解，构成奥氏体成分也相当不均匀。不均匀的奥氏体实践上包含:未熔碳化物、高碳偏聚区(原珠光体区)和贫碳区(铁素体区)，在淬火过程中构成低碳马氏体区和高碳马氏体区，呵斥显微硬度不均匀。所以外表淬火处置常需求进展预先热处置，使碳化物或自在铁素体均匀、细小地分布。 二、外表热处置.2.外表淬火层的组织与性能1 外表淬火层的组织外表淬火后的金相组织与加热温度沿试样横截面分布有关.普通分为:淬硬区;过渡区;心部组织。145钢; 2T8钢;硬化区; 淬硬区; 过渡区; 心部外表淬火后组织与硬度的分布 二、外表热处置.2 外表淬硬层的性能正

14、常情况下，外表淬火层硬度普通比普通淬火工艺高25HRC,淬火后工件耐磨性也比普通淬火要好。这主要是由于外表淬火冷却速度比常规淬火快得多，奥氏体晶粒的细化 。此外，外表淬火还可在零件外表产生压应力，抑制裂纹的萌生和扩展过程，能大幅提高轴类零件疲劳强度，降低缺口敏感性。 二、外表热处置.3外表淬火分类根据外表淬火的热源不同，可分为:感应加热淬火火焰淬火激光淬火电子束淬火电阻加热外表淬火 二、外表热处置.感应加热淬火原理-集肤效应感应线圈通交流电，工件内产生感应电流，并在工件内自成回路，称为“涡流。涡流的分布是不均匀的，外表电流密度最大，心部电流密度几乎为零。由于钢本身具有电阻，集中于工件外表的涡流

15、，几秒种可使工件外表温度升至8001000，而心部温度仍接近室温，随即喷水(合金钢浸油)快速冷却后，到达外表淬火目的。 二、外表热处置.感应加热淬火加工工艺预先调质处置确定加热温度与加热方式选择比功率设计感应加热器确定冷却方式与冷却介质制定回火工艺参数 预先调质处置的目的是为感应加热淬火作好预备,同时也使工件在整个截面上具备良好的力学性能。 工件的加热温度对淬硬层性能影响很大。感应加热淬火时存在一最正确温度范围, 所得到的强度与硬度可比普通淬火高23HRC。 比功率(单位面积上供应的电功率) 高频淬火时，比功率对工件的淬火加热过程有重要的影响。当工件尺寸一定时，比功率越大，加热速度越快，工件外

16、表能到达的温度越高；比功率太低将导致加热缺乏，加热层深度增大，过渡区增大。比功率的大小要综合思索淬硬层深度和淬火区温度来确定。 二、外表热处置.加热方式同时加热:通电时工件需硬化的外表同时加热;延续加热:加热过程中感应器与工件的相对挪动使工件外表逐渐加热。同时加热 二、外表热处置.淬火介质 消费上普通为水，常采用放射冷却法，经过调理放射压力、温度与时间来控制冷速。淬火后进展回火 感应加热淬火后进展回火，回火温度普通较低，以使淬硬层坚持有一定的剩余应力。 二、外表热处置.外表感应加热淬火优缺陷 是迄今为止国内外运用最为普遍的外表淬火技术,但存在如下局限性： 与普通淬火相比，设备本钱较高； 感应加

17、热时，容易使零件尖角棱边处过热，即导致 “尖角效应； 对外形复杂零件而言，难以保证一切外表淬火后都能获得均匀的硬化层。 二、外表热处置.火焰加热外表淬火 原理-将高温火焰或熄灭着的炽热气体喷向工件外表，使其迅速加热到淬火温度，在一定淬火介质中冷却的外表淬火方法。 二、外表热处置.火焰加热外表淬火工艺外表淬火常用火焰 乙炔氧火焰(最高温度3200) 煤气氧火焰(最高温度2000)加热前热处置火焰加热前要对工件进展正火或调质处置。防止过烧和受热缺乏如何控制工件外表温度、加热速度和深度 经过控制熄灭火焰温度，停留时间，火焰与工件相对位置、间隔，以及二者相对运动速度来控制。 二、外表热处置.火焰加热外

18、表淬火特点 火焰加热速度较慢,温度梯度较平缓，过渡区较宽;消费效率低;淬硬层均匀性较差，质量较难控制;主要用于单件小批量消费。 二、外表热处置.激光淬火 原理-以高能量激光束扫描工件外表，使工件外表快速加热到钢的临界点以上，利用工件基体的热传导实现自冷淬火，实现外表相变硬化。激光加热速度极快(105106/s)，过热度大，来不及分散均匀化，奥氏体内碳及合金浓度不均匀性增大;随后的快冷(104/s)中不同微区内马氏体构成温度有很大差别，产生细小马氏体组织，同时剩余奥氏体量添加，碳来不及分散，使过冷奥氏体碳含量添加。工件表层获得极细小板条M和孪晶M混合组织，位错密度极高，表层硬度提高显著，即使低碳

19、钢也能提高硬度。 二、外表热处置.激光淬火工艺 激光加热外表淬火无需冷却介质，为自冷淬火;激光加热外表淬火最正确的原始组织是调质组织 ;外表需预先做“黑化处置(如磷化、氧化、喷刷涂料、镀膜等)，以提高对激光束的吸收率，如磷化氧化喷刷涂料镀膜等;淬硬层深度由激光功率，光斑直径，扫描速度共同决议。 二、外表热处置.激光淬火特点硬化层深度为0.11mm，且硬度一致。即使外表磨去,新接触面硬度值并未下降，不会发生淬火层磨损后，磨损加剧的景象,耐磨性提高了50%，工件运用寿命提高几倍十几倍 ;淬火后零件变形极小，外表质量很高,特别适用于拐角、沟槽、盲孔底部及深孔内壁的热处置 ;设备投资大，消费本钱较高。

20、 二、外表热处置.激光外表熔凝技术 原理-激光束加热熔化基材外表, 激光束移开后熔化层快速冷却凝固液相淬火法。熔凝层组织为铸态组织:沿深度方向为熔凝层、相变硬化层、热影响区、基材。激光熔凝处置后横截面组织表示图 二、外表热处置.激光外表熔凝运用激光熔凝特别适于灰口铸铁和球墨铸铁外表强化,由于熔凝时石墨与铁基体混合，构成高含碳白口铸铁，显微硬度可达10001100HV。激光熔凝可以得到非晶层，大大提高外表耐磨性、耐蚀性。如激光快速熔凝Ni-P合金。激光熔凝Ni基高温合金单晶体，可以得到细小等轴晶，改善外表的抗高温蠕变性能。 二、外表热处置.优点-可对无法经过相变硬化进展外表强化的资料进展处置。如

21、铝合金。激光冲击淬火技术 原理-采用高功率密度激光束(107W/cm2以上)在极短时间内(1ms)加热基材外表，使外表部分猛烈蒸发，产生高达105大气压压力，导致塑性变形，构成高密度位错、孪晶。缺陷-所需能量密度过高，加工本钱太高，运用领域遭到限制。 二、外表热处置.电子束淬火原理与激光淬火非常类似，也不需求淬火介质，工件对电子束的吸收率普通比激光束的吸收率要大得多，淬硬层深度也高于激光淬火。电子束淬火原理-采用高能密度电子束对资料外表进展相变硬化。电子束淬火必需在真空环境下进展，大大限制了其运用范围。如今已逐渐被激光淬火取代，很少运用。 阴极控制栅极加速阳极聚焦系统电子束斑点工件任务台电子束

22、加工表示图 二、外表热处置.电阻加热外表淬火 原理-在工件中通以低压大电流，利用工件外表或紧靠工件外表的周围介质中构成高电阻而产生的热效应将工件外表快速加热到相变温度之上并淬火的工艺方法。根据焦耳楞次定律(Q=I2Rt)，利用钢丝本身的电阻效应，经过可控硅整流将交流电变为直流电。可挪动小车上的铅槽接正极，轧机本身接负极，正负极之间的钢丝在低电压大电流的作用下被加热到轧制温度，经过轧机轧制得到所需的产品。 二、外表热处置. 分类： 电接触加热法，靠金属导体相互接触时构成的高接触电阻来加热； 电解液加热外表淬火。 特点：电阻加热外表淬火技术的共同特点是工艺简单，设备费用低，工件变形小。缺陷是淬硬层

23、薄，对外形复杂、尺寸很大的工件不宜采用。 二、外表热处置.42 一、绪论 二、外表热处置 三、外表形变强化技术目 录.1.外表形变强化概述 2.喷丸强化工艺 3.滚压强化工艺 三、外表形变强化技术.1 外表形变强化概述定义-经过机械手段(滚压、内挤压和喷丸等)在金属外表产生紧缩变形，使外表构成形变硬化层(此形变硬化层的深度可达0.51.5mm)，从而使外表层硬度、强度提高。分类-主要有喷(抛)丸、 滚压工艺。 三、外表形变强化技术.2.喷丸强化工艺原理-将高速弹丸流放射到工件外表,使工件表层发生塑性变形,从而构成一定厚度强化层。喷丸一方面使工件外表外形变化，同时产生大量孪晶和位错，使资料外表发

24、生加工硬化。工件外表强化层内存在剩余压应力，当工件接受载荷时可以抵消一部分拉应力，从而降低工件外表缺口敏感性，提高疲劳强度。 三、外表形变强化技术.特点- 操作简单；耗能少；效率高； 顺应面广。分类-机械喷丸； 激光喷丸；高压水射流喷丸； 微粒冲击 ； 超声/高能喷丸 三、外表形变强化技术.1机械喷丸 分类-弹丸驱动方式分为叶轮式和紧缩空气式两大类 。弹丸选择-运用的弹丸有铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸 。弹丸选择:综合思索工件工艺要求，变形深度，剩余应力值，外表粗糙度。特点-机械喷丸运用广泛，但也存在局限:(a)受零件凹槽部位限制产生喷丸死角；(b)受外表粗糙度的限制；

25、(c)受环境污染的限制。 三、外表形变强化技术.2激光喷丸 原理-短脉冲强激光作用于金属外表，吸收激光能量汽化构成等离子体而急剧爆炸，产生冲击波引起应力，当应力超越屈服强度时，金属外表发生塑变，并使表层下弹性变形难以恢复， 产生剩余压应力。 三、外表形变强化技术.特点-(a)光斑大小可调，可对狭小空间喷丸; (b)激光脉冲参数和作用区域可准确控制，剩余压应力 大小、层深度准确可控; (c)构成的剩余应力、层深度比机械喷丸更大; (d)零件外表构成的冲击坑浅;(e)适用范围广(碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、镍基高温合金)。 三、外表形变强化技术.3高压水射流喷丸 原理-将高压水射流放射到零件外表，使零件表层产生塑变(冷作硬化层)，产生理想的组织构造和剩余应力分布，提高疲劳强度。也可在水射流中参与磨料 (砂粒或玻璃弹丸)， 磨料颗粒与水射流共同作用在资料外表，产生剩余压应力层。 三、外表