表面改性技术

表面改性技术第1页，共119页，2023年，2月20日，星期四表面改性技术的作用：可以掩盖基体材料表面的缺陷；延长材料和构件的使用寿命；节约稀、贵材料；节约能源，改善环境；对各种高新技术的发展具有重要作用。第2页，共119页，2023年，2月20日，星期四一、表面形变强化原理表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。基本原理: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0.5mm—1.5mm。7.1金属表面形变强化第3页，共119页，2023年，2月20日，星期四在此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。第4页，共119页，2023年，2月20日，星期四表面压应力防止裂纹在受压的表层萌生和扩展。在大多数材料中这两种机制并存。在软质材料情况下第一种机制占优势；在硬质材料的情况下第二种机制起主导作用。第5页，共119页，2023年，2月20日，星期四经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的硬化率有关。具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点的2-4倍。材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。第6页，共119页，2023年，2月20日，星期四

此外，一些表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。第7页，共119页，2023年，2月20日，星期四二、表面形变强化的主要方法及应用(一)表面形变强化的主要方法表面形变强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。强化效果显著，成本低廉。常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺,尤以喷丸强化应用最为广泛。第8页，共119页，2023年，2月20日，星期四1．滚压目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约5mm深的残余压应力。表面滚压强化示意图第9页，共119页，2023年，2月20日，星期四2．内挤压内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。

3．喷丸喷丸是国内外广泛应用的一种再结晶温度以下的表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。喷丸强化已广泛用于弹簧、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(孔蚀)能力。第10页，共119页，2023年，2月20日，星期四(二)喷丸表面形变强化工艺及应用

1．喷丸材料(1)铸铁弹丸(2)铸钢弹丸(3)钢丝切割弹丸(4)玻璃弹丸(5)陶瓷弹丸(6)聚合塑料弹丸第11页，共119页，2023年，2月20日，星期四应当指出，强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角毛刺，否则会损伤零件表面。

一般来说，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。有色金属如铝合金、镁台金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢九、玻璃丸和陶瓷丸。第12页，共119页，2023年，2月20日，星期四2．喷丸强化用的设备喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分为机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善。第13页，共119页，2023年，2月20日，星期四(1)机械离心式喷丸机机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机。工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。弹丸的速度取决于叶轮转速和弹丸的重量。第14页，共119页，2023年，2月20日，星期四3.表面形变强化的应用喷丸强化的应用实例(1)20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余压应力为-880MPa，寿命从55万次提高到150-180万次。(2)液体火箭推进剂容器的钛制零部件未喷丸强化时，在40℃下使用14h就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃珠喷丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。

此外，喷丸和其他形变强化工艺在汽车工业中的变速箱齿轮、宇航飞行器的焊接齿轮、喷气发动机的铬镍铁合金(Inconel718)涡轮盘等制造中获得应用。第15页，共119页，2023年，2月20日，星期四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分的一种工艺，是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。当工件表面层快速加热时，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，随后的快冷可以获得马氏体组织，而心部仍保留原组织状态，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7.2表面热处理第16页，共119页，2023年，2月20日，星期四表面淬火在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。第17页，共119页，2023年，2月20日，星期四表面热处理工艺包括：感应加热表面淬火火焰加热表面淬火接触电阻加热表面淬火浴炉加热表面淬火电解液加热表面淬火高密度能量的表面淬火表面保护热处理等火焰加热感应加热第18页，共119页，2023年，2月20日，星期四表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。轴的感应加热表面淬火第19页，共119页，2023年，2月20日，星期四1.表面淬火用材料⑴0.4-0.5%C的中碳钢。含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；⑵铸铁

提高其表面耐磨性。机床导轨表面淬火齿轮第20页，共119页，2023年，2月20日，星期四2、预备热处理⑴工艺：对于结构钢为调质或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。⑵目的:①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织。回火索氏体索氏体第21页，共119页，2023年，2月20日，星期四3、表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200℃。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。4、表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。感应加热表面淬火感应淬火机床第22页，共119页，2023年，2月20日，星期四5、表面淬火常用加热方法⑴感应加热:利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。第23页，共119页，2023年，2月20日，星期四

一、感应加热表面淬火(一)感应加热表面处理的基本原理生产中常用工艺是高频和中频感应加热淬火。近年来又发展了超音频、双频感应加热淬火工艺。第24页，共119页，2023年，2月20日，星期四1．感应加热的物理过程将工件放在感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并由于集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度Ac3或Accm之上，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表层获得马氏体。第25页，共119页，2023年，2月20日，星期四2．感应电流透入深度感应电流透入深度，即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，可用Δ表示。Δ的值(单位为m)可根据下式求出：式中，f为电流频率的值(Hz)第26页，共119页，2023年，2月20日，星期四3．硬化层深度硬化层深度总小于感应电流透入深度。这是由于工件内部传热能力较大所致。即频率越高，涡流分布越陡，接近电流透入深度处的电流强度越小，发出的热量也就比较小，又以很快的速度将部分热量传入工件内部，因此在电流透入深度处不一定达到奥氏体化温度，所以也不可能硬化。如果延长加热时间，实际硬化层深度可以有所增加。实际上，感应加热表面淬火硬化层深度取决于加热层深度、淬火加热温度、冷却速度和材料本身淬透性等因素。第27页，共119页，2023年，2月20日，星期四4．感应加热表面淬火后的组织和性能感应加热表面淬火获得的表面组织呈细小隐晶马氏体，碳化物呈弥散分布，表面硬度比普通淬火的高2HRC—3HRC，耐磨性也提高，这是因快速加热时在细小的奥氏体内有大量亚结构残留在马氏体中所致。喷水冷却时，这种差别会更大。表层因相变体积膨胀而产生压应力，降低缺口敏感性，大大提高疲劳强度。感应加热表面淬火工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳定。感应加热表面淬火加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化和自动化。第28页，共119页，2023年，2月20日，星期四(二)中、高频感应加热表面热处理感应加热是一种用途极广的热处理加热方法，可用于退火、正火、淬火、各种温度范围的回火以及各种化学热处理。第29页，共119页，2023年，2月20日，星期四选择功率密度要根据零件尺寸及其淬火条件而定。电流频率越低、零件直径越小及所要求的硬化层深度越小，则所选择的功率密度值应越大。高频淬火常用于零件直径较小、硬化层深度较浅的场合；中频淬火常用在大直径工件和硬化层深度较深的场合。第30页，共119页，2023年，2月20日，星期四二、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是应用氧一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。与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、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、轧辊和导轨等。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。第31页，共119页，2023年，2月20日，星期四三、接触电阻加热表面淬火接触电阻加热表面淬火是利用触头(铜滚轮或碳棒)和工件间的接触电阻使工件表面加热，并依靠自身热传导来实现冷却淬火。这种方法设备简单，操作灵活，工件变形小，淬火后不需回火。接触电阻加热表面淬火能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄(0.15mm～0.30mm)，金相组织及硬度的均匀性都较差，目前多用于机床铸铁导轨的表面淬火，也用于汽缸套、曲轴、工模具等的淬火。

第32页，共119页，2023年，2月20日，星期四四、高密度能量的表面淬火高密度能量包括激光、电子束、等离子体和电火花等。第33页，共119页，2023年，2月20日，星期四一、概述(一)金属表面化学热处理过程金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。基本工艺过程是：首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解(包括活性组分向工件表面扩散以及界面反应产物向介质内部扩散)井释放出欲渗入元素的活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。7.3金属表面化学热处理第34页，共119页，2023年，2月20日，星期四(二)金属表面化学热处理的目的

(1)提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。渗氮可使金属表面硬度达到950HV-1200HV；渗硼可使金属表面硬度达到1400HV—2000HV等，因而工件表面具有极高的耐磨性。(2)提高材料疲劳强度如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变使体积发生变化，导致表层产生很大的残余压应力，从而提高疲劳强度。(3)使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。(4)提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗铝等。第35页，共119页，2023年，2月20日，星期四(三)化学热处理渗层的基本组织类型(1)形成单相固溶体如渗碳层中的α铁素体相等。(2)形成化合物如渗氮层中的ε相(Fe2-3N)，渗硼层中Fe2B等。(3)化学热处理后，一般可同时存在固溶体、化合物的多相渗层。第36页，共119页，2023年，2月20日，星期四(四)化学热处理后的性能化学热处理后的金属表层、过渡层与心部在成分、组织和性能上有很大差别。强化效果不仅与各层的性能有关，而且还与各层之间的相互联系有关。如渗碳的表面层碳含量及其分布，渗碳层深度和组织等均可影响材料渗碳后的性能。第37页，共119页，2023年，2月20日，星期四(五)化学热处理种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(电镀层、喷镀层等)扩散法等。(2)液体法：包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。(3)气体法：包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。(4)等离子法。第38页，共119页，2023年，2月20日，星期四二、渗碳、渗氮、碳氮共渗渗碳、渗氮、碳氮共渗等可提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度，在工业中有十分广泛的应用。

(一)渗碳、碳氮共渗

1．结构钢的渗碳结构钢经渗碳后，能使零件工作表面获得高的硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。第39页，共119页，2023年，2月20日，星期四2．高合金钢的渗碳目前高合金钢(主要是一些高铬钢、工具钢等)的渗碳越来越受到重视。工具钢经渗碳后，其表面具有高强度、高耐磨性和高热硬性。与传统的模具钢制造的下具相比，寿命可得到提高。

3．碳氮共渗液体碳氮共渗以往称氰化。碳氮共渗比渗碳温度低(700℃～880℃)，变形小、且由于氮的渗入提高了渗碳速度和耐磨性。第40页，共119页，2023年，2月20日，星期四常用的渗碳方法有三种：(1)气体渗碳气体渗碳是目前生产中应用最为广泛的一种渗碳方法，它是在含碳的气体介质中通过调节气体渗碳气氛来实现渗碳目的的。工业上一般有井式炉滴注式渗碳和贯通式气体渗碳两种。

(2)盐浴渗碳液体渗碳是将被处理的零件浸入盐浴渗碳剂中，通过加热使渗碳剂分解出活性的碳原子来进行渗碳。第41页，共119页，2023年，2月20日，星期四(3)固体渗碳固体渗碳是一种传统的渗碳方法，它使用固体渗碳剂。在固体渗碳中，膏剂渗碳具有工艺简单方便的特点，主要用于单件生产、局部渗碳或返修使用。第42页，共119页，2023年，2月20日，星期四气体渗碳1、渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。2、渗碳用钢含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。经渗碳的机车从动齿轮第43页，共119页，2023年，2月20日，星期四3、渗碳方法⑴气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点:质量好,效率高；缺点:渗层成分与深度不易控制。气体渗碳法示意图第44页，共119页，2023年，2月20日，星期四真空渗碳法:将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点:表面质量好,渗碳速度快。真空渗碳炉第45页，共119页，2023年，2月20日，星期四4、渗碳温度：为900-950℃。渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为0.5-2mm。渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。5、渗碳后的热处理淬火+低温回火,回火温度为160-180℃。第46页，共119页，2023年，2月20日，星期四渗碳后的热处理示意图第47页，共119页，2023年，2月20日，星期四(三)渗氮、氮碳共渗渗氮、氮碳共渗是在含有氮，或氮、碳原子的介质中，将工件加热到一定温度，钢的表面被氮或氮、碳原子渗入的一种丁艺方法。渗氮工艺复杂，时间长，成本高，所以只用于耐磨、耐蚀和精度要求高的耐磨件，如发动机汽缸、排气阀、阀门、精密丝杆等。

第48页，共119页，2023年，2月20日，星期四钢经渗氮后获得高的表面硬度，在加热到500℃时，硬度变化不大，具有低的划伤倾向和高的耐磨性，可获得500MPa～1000MPa的残余压应力，使零件具有高的疲劳极限和高耐蚀性，在自来水、潮湿空气、气体燃烧物、过热蒸汽、苯、不洁油、弱碱溶液、硫酸、醋酸、正磷酸等介质中均有一定的耐蚀性。第49页，共119页，2023年，2月20日，星期四1．渗氮的分类(1)低温渗氮低温渗氮是指渗氮温度低于600℃的各种渗氮方法。渗氮层的结构主要决定于Fe—N相图。

目前广泛应用的是气体渗氮法：把需渗氮的零件放入密封渗氮炉内，通入氨气，加热至500℃～600℃，氮发生以下反应：

2NH3＝2H2+2[N]

生成的活性氮原子[N]渗入钢表面，形成一定深度的氮化层。第50页，共119页，2023年，2月20日，星期四渗氮(氮化)是指向钢的表面渗入氮原子的过程。1、氮化用钢为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。2、氮化温度为500-570℃氮化层厚度<0.6-0.7mm。井式气体氮化炉第51页，共119页，2023年，2月20日，星期四3、常用氮化方法气体氮化法与离子氮化法。气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。离子氮化炉第52页，共119页，2023年，2月20日，星期四根据Fe-N相图，氮溶入铁素体和奥氏体中，与铁形成γ’相(Fe4N)和ε相(F2-3N)，也溶解一些碳。所以渗氮后；工件最外层是白色ε相或γ’

相，次外层是暗色γ’+α共析体层。

(2)高温渗氮高温渗氮是指渗氮温度高于共析转变温度(600℃～1200℃)下进行的渗氮。主要用于铁素体钢、奥氏体钢、难熔金属(Ti、Mo、Nb、V等)的渗氮。第53页，共119页，2023年，2月20日，星期四2．各种材料渗氮(1)结构钢渗氮任何珠光体类、铁素体类、奥氏体类以及碳化物类的结构钢都可以渗氮。

(2)高铬钢渗氮3、氮化的特点及应用⑴氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。⑵疲劳强度高。由于表面存在压应力。第54页，共119页，2023年，2月20日，星期四氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度第55页，共119页，2023年，2月20日，星期四⑶工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。⑷耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴第56页，共119页，2023年，2月20日，星期四四、渗金属渗金属方法是使工件表面形成一层金属碳化物的一种工艺方法，即渗入元素与工件表层中的碳结合形成金属碳化物的化合物层，如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等，次层为过渡层。此类工艺方法适用于高碳钢，渗入元素大多数为W、Mo、Ta、V、Nb、Cr等碳化物形成元素。为了获得碳化物层，基材的碳的质量分数必须超过0.45％。第57页，共119页，2023年，2月20日，星期四一、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。利用粒子热运动、电子碰撞、电磁波能量法以及高能粒子等方法可获得等离子体，但低温产生等离子体的主要方法是利用气体放电。7.4等离子体表面处理第58页，共119页，2023年，2月20日，星期四离子轰击阴极表面时将发生一系列物理、化学现象，包括：1.阴极溅射现象：中性原子或分子从阴极表面分离出来的(也可看作蒸发过程)现象；2.凝附现象：阴极溅射出来的粒子与靠近阴极表面等离子体中活性原子结合的产物吸附在阴极表面的现象；3.阴极二次电子的发射现象；局部区域原子扩散和离子注入等现象。第59页，共119页，2023年，2月20日，星期四二、离子渗氮辉光离子渗氮又称离子渗氮，是一种在压力低于105Pa的渗氮气氛中，利用工件(阴极)和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。即在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。这种技术用于结构钢、不锈钢、耐热钢的渗氮，并由黑色金属发展到有色金属渗氮，特别在钛合金渗氮中取得良好效果。第60页，共119页，2023年，2月20日，星期四(一)离子渗氮的主要特点(1)离子渗氮速度快尤其浅层渗氮更为突出。例如，渗氮层深度为0.3mm—0.5mm时，离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮的1／3-l／5。第61页，共119页，2023年，2月20日，星期四提高表面氮浓度，加快氮向试样内部扩散。阴极溅射产生表面脱碳，增加位错密度等，加速了氮向内部扩散的速度。(2)热效率高，节约能源、气源。(3)渗氮的氮、碳、氢等气氛可调整控制，可获得5μm—30μm深的脆性较小的ε相单相层或≤8μm厚的韧性γ相单相层，也可获得韧性更好的无化合物的渗氮层。第62页，共119页，2023年，2月20日，星期四(4)离子渗氮可使用氨气，压力很低，用量极少,所以污染低，劳动条件好。(5)离子渗氮温度可在低于400℃以下进行，工件畸变小。(6)可用于不锈钢、粉末冶金件、钛合金等有色金属的渗氮。(7)由于设备较复杂，投资大，调整维修较困难，对操作人员的技术要求较高。第63页，共119页，2023年，2月20日，星期四(二)离子渗氮的设备和工艺1．离子渗氮的设备第64页，共119页，2023年，2月20日，星期四2．离子渗氮的工艺第65页，共119页，2023年，2月20日，星期四近年来，金属材料表面改性处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。

第66页，共119页，2023年，2月20日，星期四三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。激光束加工电子束加工等离子束加工第67页，共119页，2023年，2月20日，星期四

进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面离子束溅射系统第68页，共119页，2023年，2月20日，星期四

激光表面处理是高能密度表面处理技术中的一种主要手段。在一定条件下它具有传统表面处理技术或其他高能密度表面处理技术不能或不易达到的特点，这使得激光表面处理技术在表面处理的领域内占据了一定的地位。7－5激光表面处理第69页，共119页，2023年，2月20日，星期四激光表面处理的目的：改变表面层的成分和显微结构，从而提高表面性能，以适应基体材料的需要；激光表面处理工艺：激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等；第70页，共119页，2023年，2月20日，星期四激光表面处理的许多效果是与快速加热和随后的急速冷却分不开的：加热和冷却速率可达106℃／s～108℃／s；应用：目前，激光表面处理技术已用于汽车、冶金、石油、机车，机床、军工、轻工、农机以及刀具、模具等领域，并正显示出越来越广泛的工业应用前景。第71页，共119页，2023年，2月20日，星期四一、激光的特点(1)高方向性：(2)高亮度性：激光器发射出来的光束非常强，通过聚焦集中到一个极小的范围之内，可以获得极高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可达1014W／cm2，焦斑中心温度可达几千度到几万度，只有电子束的功率密度才能和激光相比拟。(3)高单色性：

第72页，共119页，2023年，2月20日，星期四

二、激光表面处理设备激光表面处理设备包括激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统。第73页，共119页，2023年，2月20日，星期四CO2气体激光器目前工业上用来进行表面处理的激光器，大多为大功率C02激光器。C02激光器是目前可输出功率最大的激光器，效率高达33％。比较实用的多为2.5kW～5kW左右。第74页，共119页，2023年，2月20日，星期四1.CO2气体激光器的特点:C02气体激光器是以CO2气体为激活媒质，发射的是中红外波段激光，波长为10.6μm。一般是连续波(简称CW)，但也可以脉冲式地工作。其特点是：

①电一光转换功率高，理论值可达40％，一般为10％-20％。其他类型的激光器如纤宝石的仅为2％。

②单位输出功率的投资低。

③能在工业环境下，长时间连续稳定工作。

④易于控制，有利于自动化。第75页，共119页，2023年，2月20日，星期四2.激光表面处理技术

(1)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。由于光子能穿过金属的能力极低(仅为10-4mm的数量级)，故仅能使其极表面的一薄层温度升高。由于导带电子的平均自由时间只有10-3s左右，因此这种热交换和热平衡的建立是非常迅速的。从理论上分析，在激光加热过程中，金属表面极薄层的温度可在微秒(10-6s)级、甚至纳秒(10-9s)级或皮秒(10-12s)级内就能达到相变或熔化温度。这样形成热层的时间远小于激光实际辐照的时间，其厚度明显远低于硬化层的深度。第76页，共119页，2023年，2月20日，星期四(2)激光处理前表面的预处理材料的反射系数和所吸收的光能取决于激光辐射的波长。激光波长越短，金属的反射系数越小，所吸收的光能也就越多。由于大多数金属表面对波长10.6μm的CO2激光的反射高达90％以上，严重影响激光处理的效率。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。第77页，共119页，2023年，2月20日，星期四常用的预处理方法:磷化、黑化和涂覆红外能量吸收材料(如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料等)。磷化处理后对CO2激光吸收率约为88％，但预处理工序烦琐，不易清除。黑化方法简单，黑化溶液如胶体石墨和含炭黑的涂料可直接刷涂或喷涂到工件表面，激光吸收率高达90％以上。第78页，共119页，2023年，2月20日，星期四(3)激光处理工艺及应用①激光表面强化第79页，共119页，2023年，2月20日，星期四齿轮激光表面强化第80页，共119页，2023年，2月20日，星期四②激光表面熔敷a.激光涂敷陶瓷层火焰喷涂、等离子喷涂和爆燃枪喷涂等热喷涂的方法广泛用来进行陶瓷涂敷。但所有这些方法都不能令人满意。因为它们获得的涂层含有过多的气孔、熔渣夹杂和微观裂纹，而且涂层结合强度低，易脱落。这会导致高温时由于内部硫化、剥落、机械应变降低、坑蚀、渗盐和渗氧而使涂层早期变质和破坏。使用激光进行陶瓷涂敷，即可避免产生上述缺陷，提高涂层质量，延长使用寿命。第81页，共119页，2023年，2月20日，星期四激光熔覆系统第82页，共119页，2023年，2月20日，星期四激光熔覆系统第83页，共119页，2023年，2月20日，星期四曲轴激光熔覆第84页，共119页，2023年，2月20日，星期四浆叶激光熔覆强化第85页，共119页，2023年，2月20日，星期四c.激光表面非晶态处理

激光加热金属表面至熔融状态后，以大于一定临界冷却速度激冷至低于某一特征温度，防止晶体成核和生长，从而获得非晶态结构，也称为金属玻璃。这种方法称为激光表面非晶态处理，又称激光上釉。非晶态处理可减少表层成分偏析，消除表层的缺陷和可能存在的裂纹。非晶态金属具有高的力学性能，在保持良好韧性的情况下具有高的屈服点和非常好的耐蚀性、耐磨性以及特别优异的磁性和电学性能，受到材料界的广泛关注。第86页，共119页，2023年，2月20日，星期四汽车凸轮轴和柴油机铸钢套外壁经激光表面非晶态处理后，强度和耐腐蚀性均明显提高，激光表面非晶态处理对消除奥氏体不锈钢焊缝的晶界腐蚀也有明显效果，还可用来改善变形镍基合金的疲劳性能等。第87页，共119页，2023年，2月20日，星期四d．激光表面合金化

激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，又改变其化学成分的激光表面处理技术，方法是用镀膜或喷涂等技术把所需合金元素涂敷在金属表面(预先或与激光照射同时进行)，这样，激光照射时使涂敷层合金元素和基体表面薄层熔化、混合，而形成物理状态、组织结构和化学成分不同的新的表层。从而提高表层的耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。第88页，共119页，2023年，2月20日，星期四激光表面合金化第89页，共119页，2023年，2月20日，星期四e．激光气相沉积激光气相沉积是以激光束作为热源在金属表面形成金属膜，通过控制激光的工艺参数可精确控制膜的形成，目前已用这种方法进行了形成镍、铝、铬等金属膜的试验，所形成的膜非常洁净。还可以在金属表面用激光涂覆陶瓷以提高表面硬度，用激光气相沉积可以在低级材料上涂覆与基体完全不同的具有各种功能的金属或陶瓷，这种方法节省资源效果明显，受到人们的关注。在真空中采用连续CO2激光把陶瓷材料蒸发沉积到基材表面,可以在软的基材表面获得硬度达2000HV—4500HV的非晶BN薄层。第90页，共119页，2023年，2月20日，星期四高速运动的电子具有波的性质。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。电子与原子核的碰撞可看作为弹性碰撞，因此能量传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子碰撞而完成的。所传递的能量立即以热能形式传与金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。这与激光加热有所不同，激光加热时被处理金属表面吸收光子能量，激光并未穿过金属表面。目前电子束加速电压达125kV，输出功率达150kW，能量密度达103MW／m2，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。7－6电子束表面处理第91页，共119页，2023年，2月20日，星期四电子束表面处理系统第92页，共119页，2023年，2月20日，星期四

一、电子束表面处理主要特点

(1)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几分之一到千分之一秒，其冷却速度可达106℃／s～108℃／s；

(2)与激光相比使用成本低电子束处理设备一次性投资比激光少(约为激光的1／3)，每瓦约8美元，而大功率激光器每瓦约30美元；电子束实际使用成本也只有激光处理的一半；第93页，共119页，2023年，2月20日，星期四(3)结构简单电子束靠磁偏转动、扫描，而不需要工件转动、移动和光传输机构；(4)电子束与金属表面偶合性好电子束所射表面的角度除3°～4°小角度外，电子束与表面的偶合不受反射的影响，能量利用率远高于激光。因此电子束处理工件前，工件表面不需加吸收涂层；(5)电子束是在真空中工作的，以保证在处理中工件表面不被氧化，但带来许多不便。(6)电子束能量的控制比激光束方便，通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制。第94页，共119页，2023年，2月20日，星期四(7)电子束辐照与激光辐照的主要区别在于产生最高温度的位置和最小熔化层的厚度。电子束加热时熔化层至少几个微米厚，这会影响冷却阶段固一液相界而的推进速度。电子束加热时能量沉积范围较宽，面且约有一半电子作用区几乎同时熔化。电子束加热的液相温度低于激光，因而温度梯度较小，激光加热温度梯度高且能保持较长时间。(8)电子束易激发X射线，使用过程中应注意防护。第95页，共119页，2023年，2月20日，星期四

二、电子束表面处理工艺

1．电子束表面相变强化处理

2．电子束表面重熔处理

3．电子束表面合金化处理

4．电子束表面非晶化处理第96页，共119页，2023年，2月20日，星期四经电子束表面合金化处理后的零件第97页，共119页，2023年，2月20日，星期四三、电子束表面处理设备

处理设备包括：高压电源、电子枪、低真空工作室、传动机构、高真空系统和电子控制系统。第98页，共119页，2023年，2月20日，星期四

四、电子束表面处理的应用

（1）汽车离合器凸轮电子束表面处理汽车离合器凸轮由SAE3060钢(美国结构钢)制成，有8个沟槽需硬化。沟槽深度1．5mm，要求硬度为58HRC。采用42kW六工位电子束装置处理，每次处理3个，一次循环时间为42s，每小时可处理255件。

(2)薄形三爪弹簧片电子束表面处理三爪弹簧片材料为T7钢，要求硬度为800HV。用1.75kW电子束能量，扫描频率为50Hz，加热时间为0.5s。第99页，共119页，2023年，2月20日，星期四第100页，共119页，2023年，2月20日，星期四

离子注入是将所需物质的离子在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工件表面—定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。离子注入已在表面非晶化、表面冶金，表面改性和离子与材料表面相互作用等方面取得了可喜的研究成果。特别是在工件表面合金化方面取得了突出的进展。7－7离子注入表面改性第101页，共119页，2023年，2月20日，星期四离子注入：在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。离子注入航空液压泵配流盘离子注入设备第102页，共119页，2023年，2月20日，星期四离子注入：在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。第103页，共119页，2023年，2月20日，星期四第104页，共119页，2023年，2月20日，星期四用离子注入方法可获得高度过饱和固溶体、亚稳定相、非晶态和平衡合金等不同组织结构形式，大大改善了工件的使用性能。目前，离子注入在微电子技术、生物工程、宇航、医疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其是在工具和模具制造工业的应用效果突出。全方位离子注入与沉积设备第105页，共119页，2023年，2月20日，星期四一、离子注入的原理离子注入装置包括离子发生器、分选装置、加速系统、离子束扫描系统、试样室和排气系统。从离子发生器发出的离子由几万伏电压引出，进入分选部，将一定的质量／电荷比的离子选出。在几万至几十万伏电压的加速系统中加速获得高能量，通过扫描机构扫描轰击工件表面。离子进入工件表面后，与工件内原子和电子发生一系列碰撞。这—系列碰撞主要包括二个独立的过程：第106页，共119页，2023年，2月20日，星期四离子进入工件表面后，与工件内原子和电子发生一系列碰撞。这—系列碰撞主要包括二个独立的过程：(1)核碰撞：入射离子与工件原子核的弹性碰撞。碰撞结果使固体中产生离子大角度散射和晶体中产生辐射损伤等。(2)电子碰撞：入射离子与工件内电子的非弹性碰撞，其结果可能引起离子激发原子中的电子或使原子获得电子、电离或X射线发射等。(3)离子与工件内原子作电荷交换。无论那种碰撞都会损失离子自身的能量，离子经多次碰撞后能量耗尽而停止运动，作为一种杂质原子留在固体中。第107页，共119页，2023年，2月20日，星期四离子进入固体后对固体表面性能发生的作用除了离子挤入固体内的化学作用外，还有辐照损伤(离子轰击产生晶体缺陷)和离子溅射作用，它们在改性中都有重要意义。离子注入除了在表而层中增加注入元素含量外，还在注入层中增加了许多空位、间隙原子、位错、位错团、空位团、间隙原子