表面改性技术

关于表面改性技术第1页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三举例:钢热处理第2页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三第八章表面改性技术举例:钢表面热处理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(如耐磨，耐腐蚀，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等)。第3页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三第八章表面改性技术

常用的表面改性技术主要有：表面形变强化（按压、内挤压和喷丸等）表面热处理三束(激光、电子和离子束)表面改性技术离子注入表面改性等离子体扩散处理第4页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三第八章表面改性技术一、表面形变强化二、表面热处理三、表面化学热处理四、三束(激光、电子和离子束)表面改性技术五、离子注入表面改性第5页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三一、金属表面形变强化1、表面形变强化：是通过机械手段在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，从而使材料强化。机械手段：按压内挤压喷丸滚压第6页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三一、金属表面形变强化第7页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三2、表面形变强化原理在形变硬化层中产生两种变化：在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大形成了高的宏观残余压应力结果：反抗外力的能力增强，表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度提高。一、金属表面形变强化第8页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三一、金属表面形变强化3、喷丸强化的应用实例

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；

40CrNiMo钢调质后再经喷丸处理，残余压应力为880MPa，寿命从4.6×106次提高到1.04×107次以上；

铝合金LD2，经喷丸处理后，寿命从1.1×106次提高到1×108次以上；第9页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三一、金属表面形变强化在质量分数为3％的NaCl水溶液中工作的45钢，经喷丸处理后，其疲劳强度σ-1从100MPa提高到202MPa；

耐蚀镍基合金鼓风机叶轮在150℃热氮气中运行，六个月后发生应力腐蚀破坏。经喷丸强化并用玻璃珠去污，运行了四年都未发生进一步破坏。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。第10页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、表面热处理强化

表面热处理:

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。（包括表面化学热处理是一个专业——热处理）第11页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、表面热处理强化强化基本思想: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，随后的快冷可获得马氏体组织，而心部仍保留原组织状态。结果:

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。第12页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、表面热处理强化分类:

根据加热方式表面热处理工艺分包括：

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第13页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、表面热处理强化(一)感应加热表面淬火1、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。其交流电流频率范围见表6-9。第14页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、表面热处理强化感应加热的物理过程感应加热主要依据:热传导、电磁感应和集肤效应等基本原理。图感应加热表面淬火示意第15页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、表面热处理强化

电磁感应：线圈通电流

交变磁场工件内部产生闭合感应电流即涡流。

金属零件的电阻很小，所以涡电流很大，涡电流产生的热量：

Q=I2Rt

图感应加热表面淬火示意第16页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三集肤效应：零件表面的电流密度最大，电阻的热效应使工件表面被迅速加热。并且，频率f越大，被加热的表面厚度越小。二、表面热处理强化第17页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、表面热处理强化图感应加热表面淬火示意2、感应加热方式方式：同时加热和连续加热方式。同时加热方式淬火时，零件需要淬火的区域整个被感应器包围，通电加热到淬火温度后迅速冷却淬火。此法适用于大批量生产。连续加热方式淬火时，零件与感应器相对移动，使加热和冷却连续进行。适用于淬硬区较长，设备功率又达不到同时加热要求的情况。第18页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、表面热处理强化（二）火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是应用氧－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。

优点：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、形变小等优点。

缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，使用混合气体不够安全，不易获得薄的表面淬火层。

应用：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。第19页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三三、金属表面化学热处理金属表面化学热处理：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。(一)金属表面化学热处理过程其基本工艺过程是：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并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。

结果：改变表层的成分、组织和性能。第20页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三三、金属表面化学热处理

(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。如渗氮可使金属表面硬度达到950～1200Hv；渗硼可使金属表面硬度达到1400～2000Hv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21页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三三、金属表面化学热处理(三)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22页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三三、金属表面化学热处理根据渗入元素的不同，化学热处理可分以下几类：(1)渗碳、渗氮、碳氮共渗。可提高材料表面获得高的硬度、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。

(2)渗硼。提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。可用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色金属材料，如钽和镍基合金。这种方法成本较高。第23页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三三、金属表面化学热处理(3)渗金属。

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。(4)渗其他元素。如材料表面渗硅、渗硫等。渗硅的主要目的是提高工件的耐蚀性、稳定性、硬度和耐磨性。渗硫的目的是在钢铁零件表面生成FeS薄膜，以降低摩擦系数，提高抗咬合性能。(5)多元共渗。如硼和另一种或多种金属元素进行的多元渗硼、氧氮共渗等。第24页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三（四）渗碳以结构钢渗碳为例。方法：1、气体渗碳：在渗碳炉中通人含碳的气体介质，如甲醇、乙醇、丙酮、煤油、苯等来渗碳。2、固体渗碳：用固体渗碳剂，如木炭、焦炭等。3、盐浴（液体）渗碳：在熔融盐浴中进行渗碳。盐浴如：KCl、NaCl和Na2CO3组成的盐浴。三、金属表面化学热处理第25页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三四、三束表面改性处理

激光束、电子束和离子束—三束表面处理是高能密度表面处理技术中的一种主要手段。三束表面处理的目的是利用在加热和冷却时速率高，如激光可达106～108℃／s的优点，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。第26页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三（一）激光表面处理1、激光的特点1)高方向性。激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度。2)高平行性。光束基本上是互相平行的。3)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。4)高单色性。激光具有相同的位相和波长，所以激光的单色性好。激光的频率范围非常狭。四、三束表面改性处理第27页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三2、激光表面处理设备

激光表面处理设备包括激光器、导光聚焦系统、工作台、计算机控制系统等，如图所示。激光器控制计算机光束调制工作台X-Y扫描聚焦镜图6-10激光表面处理系统组成四、三束表面改性处理第28页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三(1)激光与材料的相互作用激光与材料的相互作用主要是通过电子激发实现的。只有一部分激光光子能量被材料所吸收而转化为热能，激光并未穿过金属表面;另一部分激光则从材料表面反射。不同材料对不同波长激光的反射率是不同的。一般情况下，电导率高的金属材料对激光的反射率高，表面粗糙度小反射率也高。工件激光器四、三束表面改性处理第29页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三(2)激光器

激光器的种类：现已有几百种激光器。主要有：固体激光器和气体激光器。

固体激光器：

晶体固体激光器：如红宝石激光器、钕-钇铝石榴石激光器

玻璃激光器：如钕离子玻璃激光器四、三束表面改性处理第30页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三气体激光器：中性原子气体激光器(如He-Ne激光器)、离子激光器(如Ar+激光器)、分子气体激光器(如CO2、Kr激光器)、准分子激光器(如Xe激光器)。液体激光器。无机液体激光器、染料激光器。

半导体激光器(砷化镓激光器)。

化学激光器。四、三束表面改性处理第31页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三3、激光表面处理前工件表面的预处理：

由于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，为了减少反射，提高处理效率，因此需进行。常用的预处理方法：磷化（吸收率88％）、黑化和涂覆红外能量吸收材料（如涂碳黑吸收率高达90％以上）四、三束表面改性处理第32页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三应用举例：激光表面强化：激光表面淬火的应用实例见表6-29。第33页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三举例：第34页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三有色金属激光涂履利用激光进行铝合金表面涂覆可以从根本上改善工件的表面的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能，很少受基体材料的限制。

如:西安交通大学等对ZL101铝合金发动机缸体内壁进行激光涂覆硅粉和MoS2，获得0．1～0．2mm的硬化层，其硬度可达基体的3．5倍。四、三束表面改性处理第35页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三金属表面非晶态处理纺纱机钢令跑道表面硬度低，易生锈，造成钢令使用寿命低，纺纱断头率高。用激光非晶化处理后，钢令跑道表面的硬度提高至1000HV以上，耐磨性提高1.3倍，纺纱断头率下降75％，经济效益显著。

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。在真空中采用连续气相沉积激光技术,在软的基材表面获得硬度达2000~4500HV的非晶BN薄层。四、三束表面改性处理第36页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三

离子注入：将所需的某种元素的原子电离成离子，在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工件表面一定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。（一）离子注入的原理1、入射离子工件材料与发生相互作用五、离子注入表面改性第37页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三入射离子经过与电子、原子若干次碰撞后，自身的能量几乎耗尽而停止运动，在材料中的一定深度处停留下来，成为材料中的一种杂质原子留在固体中（图右侧注入处）。五、离子注入表面改性第38页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三结果：离子进入固体后对固体表面性能发生的上述作用在改性中都有重要意义。离子注入除了在表面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、间隙原子团等缺陷。它们对注入层的性能有很大影响。五、离子注入表面改性第39页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三2、离子注入设备图6-17是离子注入装置简图。装置包括离子发生器、加速系统、分选装置、离子束扫描系统、试祥室和排气系统。从离子发生器发出的离子由几万伏电压引出，在几万至几十万伏电压的加速系统中加速获得高能量，进入分选部，将一定的质量／电荷比的离子选出。通过扫描机构扫描轰击工件表面，离子与工件材料发生一系列相互作用。五、离子注入表面改性第40页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三（二）离子注入的特点离子注入法不同于任何热扩散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和扩散系数的影响。因此，用这种方法可能获得不同于平衡结构的特殊物质的方法；是开发新型材料的非常独特的方法；

离子注入温度和注人后的温度可以任意控制，且在真空中进行，工件不氧化，不变形，不发生退火软化，表面租糙度一般无变化，可作为最终处理工艺；五、离子注入表面改性第41页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三可控性和重复性好。通过改变离子源和加速器能量，可以调整离子注入深度和分布；通过可控扫描机构，不仅可实现在较大面积上的均匀化，而且可以在很小范围内进行局部改性。

可获得两层或两层以上性能不同的复合材料。复合层不易脱落。注入层薄，工件尺寸基本不变。70年代初，人们利用离子注入进行金属表面合金强化的研究，使离子注入技术成为目前最活跃的研究方向之一。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。五、离子注入表面改性第42页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三目前，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。但从目前的技术水平看，还存在一些缺点，如注入层薄(〈1nm)；离子只能直线行进，不能绕行，对于复杂的和有内孔的零件不能进行离子注入，设备造价高，所以应用还不广泛。五、离子注入表面改性第43页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三（三）离子注入表面改性的应用１．离子注入金属表面合金化

离子注入金属表面会改善材料的耐磨性、耐蚀性、硬度、疲劳寿命和抗氧化性等。以下从微观角度分析离子注人改善性能的可能机制:辐照损伤强化。离子注入产生的辐照损伤增加了各种缺陷的密度，改变了正常的晶格原子的排列。同时，注入元素离子阻止位错滑移，从而使表面层强化并降低表面疲劳裂纹的形成可能性，但对疲劳裂纹的扩展影响不大。

固溶强化。离子注入可获得过饱和度很大的固溶体，固溶强化效果较强。而且注入离子对位错的钉扎作用也使材料得到强化。五、离子注入表面改性第44页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三

沉淀强化。注入元素可能与基体材料中的元素形成各种化合物，使表面离子注入层产生沉淀强化。如钛离子注入含有C的钢或合金中，有可能形成TiC微粒沉淀。

非晶态化。当离子注入的量达到一定值时，可使基体金属形成非晶态表面层。因