表面处理和改性技术

表面处理与改性技术及其在制造行业中的应用李从富汪致远杨荟琦0前言表面工程是改善机械零件、电子电器元件等基质材料表面性能的一门科学和技术。对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性及抗疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速高温高压重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持久地运行。表面工程是现代制造业的重要组成部分，是维修与再制造的基本手段。表面工程技术可分为三类，即表面改性、表面处理和表面涂覆。表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能。它包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属等）、表面涂层（低压等离子喷涂、低压电弧喷涂）、激光重熔复合等薄膜镀层（物理气相沉积、化学气相沉积等）和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性，使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。表面处理技术不改变材料表面组织，包括各种表面淬火（感应加热、激光加热、电子束加热）、表面形变强化（如喷丸、滚压）等。1表面改性技术堆焊技术堆焊是用焊接方法在机械零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。它不是为了连接零件，其目的在于使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属层，或是为了恢复或增加零件的尺寸。堆焊除可显著提高工件的使用寿命，节省制造及维修费用外，还可减少修理和更换零件的时间，减少停机、停产的损失，从而提高生产率，降低生产成奉。由于应用堆焊能更合理地利用材料，从而可获得优异的综合性能，对改进产品设计也有重大意义。故堆焊技术已在各行各业的机械制造与维修中得到广泛的应用。堆焊主要用于两个方面：（1）制造新产品堆焊工艺可使零件表面改质改性，以获得所需要的特殊性能，即所谓表面强化。由于零件基材和表面堆焊层采用不同性能的材料，分别满足了二者不同的技术要求，充分发挥了材料的潜力，从而大大减少了贵重金属的消耗。（2）修复旧零件汽车、拖拉机、工程机械、轧辊、轴类、工模具等易损零件，均大量采用堆焊工艺修复。修复旧件的费用较低，而使用寿命往往比新件还高，如堆焊旧轧辊的费用是新轧辊的30％——50％，而轧制金属量可比新轧辊提高3——5倍。因此，广泛采用堆焊工艺修复旧件，对节约钢材，节省资金，弥补配件短缺，提高经济效益等作用显著。

常用的堆焊方法及工艺氧乙炔焰堆焊氧乙炔焰堆焊的特点：设备简单，且可与气焊气割设备通用，价格低，移动方便，适合现场堆焊。几乎所有形状的堆焊材料都能使用。稀释率低，熔化层深度可控制在0.1mm以下，较易保证堆焊层质量。能见度大，可在很小的面积上进行堆焊(如汽车排气阀)。能得到薄而光滑的堆焊层。用碳化钨基堆焊时，还能控制碳化钨颗粒的分布。由于碳化焰的渗碳作用，虽然会降低堆焊层的韧性，但可提高碳化物为主要抗磨相堆焊层的耐磨性。由于是手工操作，劳动强度大，熔敷速度低，对焊工的技术要求高。所以，氧乙炔焰堆焊主要用于表面要求光洁、质量较高零件的堆焊，以及小批量或单件的中、小型工件与进行小面积的堆焊，在内燃机阀门、油井钻头、犁铧等农用机械中得到广泛应用。凸轮轴堆焊修复，排气阀堆焊修复手工电弧堆焊手工电弧堆焊的特点：设备简单、便宜、轻便，通用性强，适合现场堆焊。通用的直流发电机、直流弧焊整流器、交流弧焊变压器、逆变电源焊机均可使用。焊接过程是在焊工的直接观察和操纵下进行的，灵活性大，在任何位置都能焊，即可达性较好。特别是对形状不规则的零件及可达性差的部位的堆焊尤为合适，所以得到广泛采用。电弧温度高，热量集中，故生产率较高，工件变形小。但熔深大些，稀释率高，堆焊层硬度和耐磨性下降。所以为保证涂层性能，通常要堆焊2—3层。手工电弧堆焊主要用于小批量生产或修复已磨损的零件。1 2 34S 67B卜掉剂忆焊丝金电弧1 2 34S 67B卜掉剂忆焊丝金电弧$4-诸池金属右熔渣金烬生产效率高。这是因为焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，焊丝熔敷率大大提高，加上能机械化、自动化生产，因此其生产率比手工电弧焊高10倍左右。堆焊层质量好。因为熔渣隔绝空气的保护效果好。电弧区主要成分是co2,焊缝金属中含氮量、含氧量大大降低，由于熔渣的保温作用，使熔池存在时间较长，液态金属与熔渣、气体的冶金反应比较充分；加上焊接参数可以通过自动调节保持稳定，致使堆焊层的化学成分和性能比较均匀，堆焊层表面平整，机械性能较好。由于焊剂中合金元素的过渡作用，可以根据堆焊零件的工况要求选用不同的焊丝和焊剂，以获得合乎要求的堆焊金属层。劳动条件好。除了减轻手工焊操作的劳动强度外，没有弧光辐射对焊工的伤害，减少金属的飞溅，有害气体也少，从而改善了劳动条件。传入工件的热量比其它电弧堆焊方法来得多，因而稀释率较高，常须堆焊2—3层，才能保证所需要的性能。由于依靠颗粒焊剂堆积形成保护条件，只适用于水平位置堆焊。对圆柱形和大平面工件的堆焊最适用。不适合堆焊小零件。埋弧自动堆焊主要用于大、中型零件表面的强化和修复，如轧辊、车轮轮缘、曲轴、化工容器和核反应堆容器衬里等。其中钢铁工业中轧辊表面堆焊应用最多。CO2气体保护自动堆焊CO2气体保护自动堆焊是50年代发展起来的一种新的焊接方法，发展迅速，应用广泛，很多地方已取代手工电弧焊，该技术在堆焊中也得到了很好的推广应用。堆焊过程巾，气瓶中送出的CO2气体以一定的压力和流量，从焊枪的喷嘴中喷出，形成一股保护气流，使熔池和电弧区与空气隔离，防止空气中的氧和氮等有害气体侵入，以获得性能良好的堆焊层。CO2气体保护堆焊有以下特点：生产率高。由于焊接电流密度大，电弧热量利用率高，所以熔敷速度快，焊后不需清渣，因此提高了生产率。成本低。二氧化碳气体来源广，价格低，电能消耗少，故成本可降低。堆焊层质量好。由于CO2气体的氧化作用，抑制了氢的有害作用。堆焊层含氢量低，抗裂性能好，焊层内也不容易产生气孔，抗锈能力较强，焊前对焊件和焊丝的表面清理要求较低。焊接变形和内应力小。由于电流密度大，加热集中，焊件受热面积小，同时CO2气流有较强的冷却作用，所以焊后变形和内应力均较小。操作简便适应性强。明弧堆焊便于观察，有利于实现机械化、自动化堆焊。各种基材及铸铁件均可堆焊及焊补。自动堆焊采用短路过渡可进行全位置焊。但CO2气体自动堆焊也存在不足之处：合金元素易烧损、飞溅大、表面成形较差。因CO2是氧化性气体，合金元素烧损严重，必须采用Mn。Si合金钢丝宋脱氧。不便调整堆焊层成分。CO2气体保护自动堆焊，由焊丝成分决定堆焊金属成分，故受焊丝材料成分的限制，不便于灵活调整堆焊层的化学成分。稀释率高。由于CO2气体保护自动焊电流密度大，熔深大，故稀释率高，较难控制堆焊层的合金成分。CO2气体自动堆焊可以用在由球墨铸铁制造的发动机曲轴，袖颈磨损后的堆焊修复。由于铸铁的可焊性差，堆焊时容易出现白口、气孔和裂纹。山西省农机研究所采用CO2气体保护堆焊恢复尺寸，配以相应的热处理工艺，在修复发动机曲轴尤其是修复球墨铸铁曲轴方面取得了成功的经验。等离子弧堆焊

等离子弧堆焊是以联合型等离子弧或转移型等离子弧为热源，以焊丝或合金粉末作填充金属的一种堆焊工艺。它的突出优点是：等离子弧温度很高，能顺利地堆焊难熔材料和提高堆焊速度，熔深可调节，稀释率最低可达5％左右。所以它是一种低稀释率和高熔敷率的堆焊方法，还可采用多种渗合金方式进行堆焊。其缺点是：设备成本高，要求防护措施高，只有批量生产部门较为适合采用此工艺方法。振动电弧堆焊振动电弧堆焊是将工件夹持在专用机床上，以一定的速度旋转，堆焊机头沿工件轴向移动，焊丝一方面自动送进，同时以一定的频率和振幅振动，再向堆焊区加入冷却液，完成堆焊作业。1.2.7电渣堆焊电渣堆焊的熔敷率最高。板极电渣堆焊的熔敷率可达150kg/h,而且一次可以堆焊很大的厚度，因而稀释率并不高。由十接头严重过热，所以堆焊后需进行热处理。另外，堆焊层不能太薄(一般应大于14一16mm)，否则不能建立稳定的电渣过程。因此，电渣堆焊主要用于需要较厚的堆焊层零件，堆焊表面形状比较简单的大中型零件。电渣堆焊可采用实芯焊丝、管状焊丝、板极等材料进行堆焊。1.3热喷涂技术热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热到熔融状态，通过高速气流使其雾化，喷射到基材表面上，形成各种性能要求的覆盖层的一种表面加工技术。根据是否将覆盖层重新熔化，可分为两种工艺，分别称之为“喷涂”和“喷焊”。热喷涂技术在材料的表面防护和强化方面有以下特点：涂层材料范围异常广泛，几乎包括所有固体材料，如金属及其合金、塑料、陶瓷、金属陶瓷及其复合材料等。选择合适的工艺，几乎可在任何固体材料上喷涂。既可以是金属，也可以是非金属。涂层厚度可在较大范围内变化。被喷工件的温度可以控制。除火焰喷焊和等离子喷焊外，喷涂过程中工件的温度可小于200C°,工件不会发生变形和组织变化。热喷涂工艺灵活，适应性强，不受工件尺寸的限制，既可以喷涂像铁塔、钢桥之类的大型结构件,也可以喷涂很小的精密零件；既可在喷涂工件间进行,又可在野外现场施工。且生产效率较高,一般可达每小时几公斤,有的方法甚至达到几十公斤。它不仅能对材料表面进行防护和强化,还可对废旧件进行修复,且时间短,效果好,能比新件具有更高的性能和使用寿命。热喷涂技术,依照所采用的热源和喷涂材料的种类,大致可分为：等离子喷涂和喷焊、火焰粉末喷涂和喷焊、火焰丝材喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、脉冲放电丝材喷涂(也称线爆喷涂)。氧乙炔焰喷涂氧乙炔焰喷涂是利用燃气(乙炔)与助燃气(氧气)燃烧产生的热量加热粉末态喷涂材料，使其达到熔融或软化状态，借助焰流动能或喷射加速气体，将粉末喷射到经预处理的基体表面，形成涂层的工艺方法。主要应用于机械零件磨损区的预防性保护和修复。在各种热喷涂方法中，由于氧乙炔焰喷涂与喷焊具有操作简便、施工灵活、易于掌握、投资少见效快的特点，所以被广泛地应用。氧乙炔焰喷涂根据喷涂材料的形状可分为丝材喷涂、粉末喷涂和棒材喷涂(目前较少采用)。其中还有将粉末喷涂层熔化而衍生出来的喷焊工艺。电弧喷涂技术电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端部产生的电弧作热源来熔化金属丝材，用压缩空气进行雾化的热喷涂方法。喷嘴端部成一定角度的连续送进的两根金属丝，分别接直流电源的正负极。在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度，使两根金属丝间产生电弧，将两根丝材的端部同时熔化，由电弧发生点的背后喷射出的压缩空气，使熔化的金属脱离并雾化成微粒。在高速气流的作用下，喷射到制备好的基材表面上而形成喷涂层。电弧喷涂和丝材火焰喷涂相比有以下特点：热效率高。火焰喷涂时，燃烧火焰产生的热量大部分散失到大气和冷却系统中去了，热能的利用率只有5％一15％。而电弧喷涂是用电直接转化为热来熔化金属的，热能利用率高达60％一70％。涂层结合强度高。在不需要提高工件表面温度和不用贵重金属打底的情况下，能获得结合强度高于火焰丝材喷涂的涂层。生产效率高。电弧喷涂寸是两根丝同时给进，所以喷涂效率高。喷涂成本低。火焰喷涂所消耗的燃气的价格比耗电价格高得多。电弧喷涂的施工成本比火焰喷涂要降低30%以上。可以利用两根不同类型的金属丝制备出“假合金”涂层，以获得特殊的性能，如铜一钢“假合金”涂层具有良好的耐磨、减磨和导热性能。等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂与其它喷涂方法(氧乙炔焰喷涂、电弧喷涂)相比，它可以熔化一切难熔金属和非金属粉末，使工件表面获得耐磨、耐腐蚀、耐高温等不同的特性。由于它的喷涂效率高，涂层致密，与基材的结合强度高，对工件的热输入量极小等优点，在现代工业和尖端科学技术中被广泛采用。等离子喷涂是利用等离子焰流作为热源，将喷涂材料通过等离子焰流加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子焰流，以高速喷射并沉积在经过粗化的洁净基材表面上，经淬冷凝固后，在基材表面形成喷涂层。等离子喷涂具有以下特点：可喷材料极为广泛由于等离子喷涂时的焰流温度很高，热量集中，它能熔化一切高熔点和高硬度的材料。这是其它喷涂方法所不能实现的。涂层致密，结合强度高因为等离子喷涂能使粉末获得较大的动能，且粉末温度又高，所以，喷涂获得的涂层致密度高，一般在90％一98％之间。结合强度可达65—70MPa。对工件的热影响小等离子喷涂时，对工件的热输入量小，喷涂后基材金相组织不发生变化，工件几乎不产生变形。效率高等离子喷涂时，生产效率高。采用高能等离子喷涂设备时，粉末的沉积速率可达8吨/ho对人体危害较大由于高温、高速的等离子焰流产生剧烈的噪声和很强的光辐射及有害气体、金属蒸气和粉尘，对人体有极大的危害，所以，要采取相应的措施，加强劳动保护，充分注意操作人员的保健。1.3.4爆炸喷涂爆炸喷涂是将一定比例的乙炔气和氧气的混合气以及喷涂粉末同时送入爆炸喷枪，用火花塞点火，使可燃混合气爆炸，利用产生的热能和冲击波使粉末加热并加速，使高温高速的粉末喷射到事先处理好的基材表面上形成涂层。当混合气送入水冷式喷枪的燃烧室寸，与同时引入的喷涂粉末混合，通过火花塞点火瞬间引爆，枪管内的温度突然上升到3300C。以上，气体燃烧的速度超过音速的十倍，使粉末以500—800m/s的高速喷射到工件表面。喷涂频率可达4—8次/s,一次喷涂范围半径约为25mm,厚度约为0.0061mm。根据涂层要求的厚度可以反复进行。对于经常处于海洋性气候的港口机械和常处于海水腐蚀的船体、甲板、发射天线等的表面喷涂铝、锌或其合金作为阳极保护涂层，可作为长效防腐涂层应用，比涂刷油漆的使用寿命可提高数倍，一般二三十年不需要维护，具有广泛的应用前景。对高速公路护栏、城市立交桥桥体及照明高杆以及钢结构大桥等喷涂铝或锌涂层进行长效防腐，也在一些沿海城市及主要交通枢纽中应用，预计将会有更好的前景。汽车发动机曲轴轴颈部位，有时会因缺少润滑油或轴瓦与轴的间隙不当或因润滑油中混入杂质而出现磨损过量和拉伤。如果主轴轴颈与主轴瓦之间润滑不良，轴颈与瓦出现“抱死”现象，也会使缸体上主轴瓦座孔损坏。采用氧乙炔火焰粉末喷涂方法修复，不仅能防止工件变形，而且修复后工件的性能安全能满足工况的使用要求。应用实例有：曲轴的修复用镍包铝或铝包镍粘结底层材料打底，用Ni320粉末作工作层材料，严格按工序进行操作。修复后，由于涂层的多孔性，润滑油会吸附在涂层内，使润滑性能得到改善。经装车运行2万km后检测，喷涂过的轴颈磨损量只是其它未喷涂轴颈的1/3—1/2。为了防止出现涂层过热和应力过大，喷涂时要严格控制工艺参数，工件小或涂层厚时，应间歇喷涂，以保证涂层的质量可靠耐用。缸体主轴承座孔的修复缸体主轴承座孔修复，可用镍包铝打底，然后喷涂Ni180或Cu150工作层粉末。喷涂前注意对不需喷涂部位进行遮蔽。由于缸体是铸铁件，需多次除油，才能将渗入基材中的油除尽。由于喷涂部位是内孔表面，且分为两个半圆，在喷涂前处理时要对边缘进行特殊处理，防止涂层从边缘处翘起或剥落。涂层的镗削加工直接影响到涂层的光洁度和轴承孔的尺寸精度。应选用较小的切削量，刀具的几何角度应使涂层受的切削力和切削热量尽可能低。经过修复的缸体完全能满足工况的使用要求。可以说此种工艺是解决缸体主轴承孔磨损的最佳尺寸。除上述两种零件外，还可对连杆瓦孔座、凸轮轴、半轴、转向节、各种轴承孔等多种零件进行修复。经在国产、进口各种型号汽车上应用效果很好。1.4电刷镀电刷镀是应用电化学沉积的原理，在能导电的工件表面的选定部位，快速沉积金属镀层的新技术。主要用于修复工件的尺寸和几何精度，强化工件表面提高使用寿命，改善工件表面的理化性能完成相关的工艺过程。电刷镀设备包括专用电源、专用镀液、镀具、各种辅具和辅助材料。电刷镀时，直流电源的负极通过电缆线与工作连接，正极通过电缆线与镀具(导电柄和阳极的组合体)连接。镀具

前端的阳极包裹棉套，与工件表面轻轻接触，镀液不断地添加到阳极和工件表面之间，在电场作用下，镀液中的金属离子定向迁移到工件表面，在工件表面上获得电子，还原成金属原子。还原的金属原子在工件表面上形成镀层。电刷镀是电镀技术的一种特殊形式。电刷镀时被镀工件不需要进入镀槽，包裹棉套的阳极必须与工件表面接触以便形成局部“槽”。阳极的面积通常都小刁：被镀表面，为此阳极和工件表面必须相对运动才能在被选定的整个表面上沉积镀层。为了提高生产率，必须使用很大的电流密度。概而言之，阳极(通过包套)与工件表面接触、阳极和选定的局部表面相对运动、使用很大的(一敞力槽镀的5—10倍)电流密度是电刷镀技术的三个基本特点。电刷镀技术的应用，概括讲有三个方面：对新制工件的表面进行强化处理，使表面具有指定的技术性能；对使用后产生磨损和腐蚀的或加工失误的工件进行修复，恢复尺寸和几何精度，同时使工件表面具有指定的技术性能；改善工件表面的理化性能，满足特殊要求，如改善钎焊性、导电性、导磁性、光学性能、耐蚀性、耐氧化性能等等。电刷镀技术已广泛应用在各种机床和设备，铁路机车车辆，汽车及运输设备，发电机、电动机和电力设备，船舶和军舰，矿山、煤矿、冶金，石油、勘探设备，纺织、印染、造纸和印刷设备，模具和量具，电子和电器工业，飞机和航天工业，坦克、农机和工程机械，文物、装饰和防腐等领域。1.5激光熔覆2—STS蹬旧』一诟型方向6~xft2—STS蹬旧』一诟型方向6~xft丁一粉未输世ft熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能也更为优异熔覆层稀释率低。由于激光作用时间短，基体的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低(一般仅为5%〜8%)。因此可在熔覆层较薄的情况下，获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材料。激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。激光熔覆过程易实现自动化生产，镀层质量稳定。如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其它工艺中是难以实现的。能进行非接触式的局部处理，易于实现不规则的零件加工离子注入离子注入，是将某种元素的原子在真空中进行电离，并在高电压作用下将离子加速注入到固体材料的表面，以改变这种材料的物理、化学及力学性能的一种离子强化新技术。其主要特点是：利用高能离子流将异类原子直接注入到工件的表层中进行合金化；注入的原子种类不受任何常规合金化、热力学条件的限制，从而获得超常的固溶强化、沉淀强化的效果。离子注入的特点：某些金属材料经

离子注入表面改性后，可在不改变基本性能的情况下使其耐磨、耐蚀和抗氧化提高1000倍；可获得其他方法不能得到的新合金相且与基体结合牢固，无明显界面和脱落现象，从而解决了许多涂层技术中存在的粘附问题和热膨胀系数不匹配问题；其处理温度一般在室温附近且在真空中进行，不氧化不变形，因而可作为零件精加工后的最终热处理工艺，这是许多表面改性技术无法比拟的；可控性和重复性好，通过可控扫描机构，不仅可实现较大的面积上的均匀强化，还可以实现很小范围内的局部改性且其他部分不变。1.7气相沉积技术气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程在工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层，是一种使工件性能优化的新工艺。不同的服役条件的工件表面可分别沉积Si、Ni、Ta或TiC、TiN等覆盖层，获得良好的耐热、耐腐蚀、耐磨等方面的性能。根据成膜的机理不同，可分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。近年来，随着气相沉积技术的发展，又将等离子技术引入化学气相沉积，出现了等离子体化学气相沉积(PCVD)。化学气相沉积(CVD)化学气相沉积是利用气态物质在固态工件表面进行化学反应，生成固态沉积物，从而强化表面的一种工艺过程。有以下三个要点：所有涂层的反应均是吸热反应，即必须通过外热源获取能量，反应才能得以进行。涂层的形成同样遵循核生成和核长大的规律。涂层的界面反应是通过气相的化学反应完成的。经数小时处理后，表面可形成一定厚度的沉积层。反应中生成的沉积物(固体)便沉积在工件表面，根据费克定律，沉积物可以向内部扩散，零件中的金属原子也可向外扩散，在界面上反应，进行冶金结合。工业生产上，已用化学气相沉积的方法，将硬质合金刀具、高碳高铬冷作钢、空冷硬化钢、油淬工具钢、热作钢及合金钢等材料制造的工件的性能大大优化。等离子体化学气相沉积(PCVD)由于化学气相沉积的反应温度较高，因此在处理中会给工件带来一系列的疵病，从而应用范围受到限制。因此国内外的专家学者致力于降低沉积温度的研究。其一着眼于选择反应的气体，如用金属羰基化合物Ni(CO)4和W(CO)6可在600°C以下沉积金属和金属的碳化物。其二选用新的能源，如用光和激光进行化学激发，用等离子体激发化学气相沉积中反应物的分子，当激活能超过相应的热激活能时，在低温下就能发生非平衡成膜反应，从而形成了等离子体化学气相沉积(PCVD)。物理气相沉积(CVD)物理气相沉积是通过蒸发、电离或溅射等过程产生金属粒子，这些金属粒子在工件表面形成金属涂层或与反应气反应形成化合物涂层，从而强化工件表面的工艺。物理气相沉积主要是通过三种途径实现反应物与金属界面的界面反应的，

即金属蒸发产生金属粒子，通过等离子体使金属离解产生金属粒子，通过溅射产生金属粒子。所生成的金属粒子在电场的作用下轰击工件表面，并沉积在工件的表面，通过扩散与基体形成冶金结合的界面。物理气相沉积有以下的特点。涂覆材料选择的自由度大，金属、合金、金属间化合物、陶瓷等均可。基体材料的温度从高到低可自由选择，涂层的组织结构可以控制。可以得到高纯度的涂层。能够得到密合性好的涂层。可以得到与加工后的表面同等精密度的表面，成膜后不必对表面再进行加工。无公害。1.8表面热处理1.8.1表面渗碳渗碳热处理是机械制造业的重要加工工艺，随着机械装备制造业的迅猛发展，对渗碳渗氮热处理的机械零件大型化需求，使得对大型机械零件渗碳渗氮的硬化层深度要求越来越深，内在质量的要求也越来越高。表面渗碳是现今提高机械零件使用寿命的主要热处理工艺手段之一,在制造业中广泛应用。十几年来,传统的渗碳工艺得到了不断的改进与完善,工艺方法及控制理念上又有了新的突破。从而使渗碳的经济性、精确性、一致性及工艺的可靠性等方面都上了一个新台阶。超级渗碳桩电红外仪系饶加热系统图I渗碳设备完整的精密控制系统「供叩热电偶热电禺打审机彳记录仪超级渗碳工艺是将原料气和空气直接通入炉内,在炉内裂解生成渗碳气氛。其原料气通入量是固定的,通过调节空气的加入量来调节炉内的碳势,也就是说当炉内的碳势高于设定值时,将增加空气的加入量反之当炉内的碳势低于设定值时将减少空气的加入量。与氮一甲醇、滴注式等其他直生式气氛相比,可以说超级渗碳是一种特殊的直生式气氛。目前桩电红外仪系饶加热系统图I渗碳设备完整的精密控制系统「供叩热电偶热电禺打审机彳记录仪图1超级潑碳(Supercarb)原理图与其他工艺相比，超级渗碳具有以下主要优点：无需气氛发生器，制氮机等配套设备，投资少，减少因配套设备故障而造成的停炉，气氛调节快，渗碳速度快，气氛在炉内生成，活性好，气氛活性好,渗碳能力强,快速的高活性碳转移促进了整个炉料的渗层均匀，性节约原料气可达，内氧化倾向小。超级渗碳工艺开始在多用炉上得到了广泛的应用,目前己拓展到转底沪、网带炉及推盘炉上。这几种炉型在国内均有应用实例,都获得了令人满意的效果。值得注意的是,超级渗碳气氛要求炉子具有较好的气氛循环系统,以便于原料气充分的裂解。乙炔低压渗碳技术由于可控气氛渗碳的热辐射影响以及废气的排放,致使该工艺过程无法与机械加工过程结合到一起。这与当今的集成制造技术理念相差甚远。几十年来,人们一直在寻求一种替代常规气体渗碳的工艺方法。上个世纪六十年代后期,真空渗碳技术得以开发,并在七十、八十年代于某些领域得到推广应用。在这一时期,低压渗碳所采用的渗碳介质一般为丙烷、乙烯等。但由于以下技术问题没有得到解决，使得低压渗碳工艺未能得到广泛的适用。可以说在多年的时间里,低压渗碳一直处于研发和试生产阶段,没有形成工业化生产。其主要问题是：炭黑问题，这是该工艺的致命缺点。因为沉积工件表面的炭黑会造成零件表面的渗层不均匀，如渗碳后油淬，又会导致淬火油的污染及冷却的不均匀性，炭黑沉积到加热体电极表面，会造成短路，损坏电极，炭黑沉积到炉室内造成炉膛的污染。渗层均匀性问题,为了减少炭黑的形成,势必要降低压力或减少气体的通入量,这样又带来了渗层均匀性差的问题。这对小零件密集装料时尤为突出。工艺程序的制定、过程的控制及重复性的问题。但是由于低压渗碳较常规气体渗碳有诸多优点，如渗层均匀性好、渗速快、可实现复杂几何形状零件甚至盲孔的渗碳、可实现高温渗碳、无内氧化等。因此几十年来热处理界的专家们一直在不懈地努力，以寻求解决这些问题方案。直到上个世纪九十年代中期,易普森公司开发出用乙炔进行低压渗碳的工艺,使低压渗碳技术发生了革命性的变化。以上问题得到了彻底的解决。

(3)高温气体渗碳对深层渗碳2-5毫米，一般都是采用井式渗碳炉。因其渗碳周期长,耗费人力

及能源,人们一直寻求解决办法。众所周知,提高温度是提高渗碳速度的最有效办

法。但由于设备的限制。一般渗碳温度都在980°C以内。下图表示的是渗碳速度:EEEtest:EEEtest:NHj'NDiffusionI， (NH3)(JVHj)NHj—►NHj'NDiffusionI， (NH3)(JVHj)NHj—►(NH<fNH气相剩余 H；图I樓氮过程示意图裂解产物的交互层氮化物温度(°C)图7渗碳速度与温度的关系超级渗碳工艺经过20几年的应用与完善,现己在多种炉型上得到应用。因其气源简单、经济、渗碳效果好、投资少,所以是一种值得广泛推广的工艺。乙炔低压渗碳解决了困扰低压渗碳广泛应用多年的炭黑问题,使低压渗碳技术上了一个新台阶,渴望低压渗碳工艺能够得到更广泛的应用。高温渗碳工艺大大缩短了工艺时间,效益显著。对深层渗碳(如工业齿轮等)是值得考虑的一项工艺。1.8.1表面渗氮渗氮是一个热化学扩散过程;是根据NH3和材料表面的反应过程来进行的,关于反应的实际过程和由此产生的物质传输可通过动力学来说明。NH3通入炉内加热后得到NH3、N2+H2、NH,其中未裂解的NH3和裂解的产物N2+H2与铁不发生氮化反应,一部份NH3所形成的氨根NH与铁反应被吸收在铁表面形成a-Fe层,随着形成浓度梯度,氮向内部扩散,当超过a-Fe的溶解度后,氮继续聚集在材料表面,由生成的Y-和e-相形成氮化合物层(俗称白层)继续增厚,氮进一步向内部扩散形成扩散层。通过这个过程可以增加金属表面氮原子或者氮和碳原子的浓度,可以提高工件表面硬度的;渗层组成为扩散层和白亮层；一定厚度的渗层。1.8.2渗金属金属表面保护防腐蚀技术在防腐蚀领域起着十分重要的作用。随着科学技术和工业的发展,对金属材料表面性能的要求越来越高,原来渗人单一元素所得的渗层已不能完全满足要求,因而国内外陆续发展了二种或多种元素的共渗层。多元元素共渗不但能充分发挥单一元素的各自优点,弥补其缺点,而且还可以赋予金属材料表面以新的更好的性能。碳钢表面共渗金属的特点和方法渗金属就是采用加热扩散的方法,使一种或多种金属渗人工件表面,形成表面合金层,所形成的表面合金层通常称为渗层或扩散渗层。渗金属和电镀，喷镀，化学镀等一样,都是在金属材料表面制备金属层的方法，渗层与基材之间结合为冶金结合,因此渗金属比电镀，化学镀等方法所形成的镀层更牢固,不易脱落,是其它镀覆方法难以媲美的。渗金属的方法按热处理时所用渗人元素介质的物理状态可分为:固体渗，液体渗和气体渗三种。根据所渗元素,渗金属法又可分为单元渗和多元共渗渗入一种元素的称为单元渗;同时或顺序渗入两种或两种以上的元素的扩散过程,达到所要求的表面合金层,称为二元或多元共渗。目前,应用较多的单元渗有:渗铝，渗铬，渗钛，渗硅，渗硼等;二元共渗有:铝铬共渗，铝钛共渗，铝硅共渗，硼铝共渗，铬硼共渗等，多元共渗的研究方法大多数采用的是固体粉末包渗法川。根据渗入金属的不同,可以在同一种材料的表面获得不同的组织和性能,使材料表面具有优良的耐高温氧化，耐磨损，耐腐蚀等性能。在共渗技术中即使采用性能优异的贵重稀有元素,也不会显著提高成本,具有较高的技术经济价值。共渗钢的应用范围：材料在使用环境中的腐蚀将关系到设备和装置的可靠性以及使用寿命。石油化工设备用材的选择,首先要保证设备在预定的使用期内的安全性,即材料不仅要适应设计和操作条件,还要能抵抗运行或非运行情况下所可能发生的一切破坏。因此必须根据不同的腐蚀环境来考虑共渗钢的选用问题。铝钼渗钢的耐蚀性能要优于渗铝钢,它在炼油厂高温环烷酸介质，高温硫化物介质的腐蚀环境或高温氧化渗碳的场合均可使用，可用于常减压装置，催化裂化装置，污水汽提装置，加氢脱硫装置，延迟焦化装置等的塔内各种填料，支撑梁，塔板，换热器，炉管，吹灰管管线，叶轮，热电偶保护管，紧固件等。铝钼渗钢在低温部位的应用必需经过试验,由试验结果确定是否采用渗铝钢。铝钛共渗钢主要适用于炼油厂的湿硫化氢腐蚀部位,但若介质中氯离子质量浓度过高,会遭到腐蚀。在其它腐蚀环境中的腐蚀性能,还有待进一步的研究和探讨。2表面处理技术表面淬火的方法主要有以下几种：感应加热表面淬火；火焰加热表面淬火；其他表面淬火方法。2.1感应加热表面淬火利用感应电流对工件产生的热效应，使工件表面局部加热，继而快速冷却，以获得马氏体组织的工艺。可分为高频淬火、中频淬火、和微感应淬火三类。感应加热表面淬火工艺：根据零件尺寸及硬化层深度的要求，合理选择设备。a设备频率的选择;b比功率的选择。淬火加热温度和方式的选择。冷却方式的选择。(4)回火工艺。2.2火焰加热表面淬火用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热，使其奥氏体化并淬火的工艺。火焰淬火必须供给表面的能量大于自表面传给心部及散失的能量，以便达到所谓“蓄热效应”才有可能实现表面淬火。火焰加热表面淬火的优点是：(1)设备简单、使用方便、成本低。(2)不受工件体积大小的限制，可灵活移动使用。淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形小。缺点是：(1)表面容易过热。(2)较难得到小于2mm的淬硬层深度，只适用于火焰喷射方便的表层上。所采用的混合气体有爆炸危险。2.3其他表面淬火方法。2.3.1电解液加热表面淬火将工件放入盛有5-15%碳酸钠水