表面改性技术

第七章表面改性技术1.表面改性技术的定义采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。2.表面改性处理的目的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。3.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。7.1金属表面形变强化7.2表面热处理7.3金属表面化学热处理7.4离子束表面扩渗处理7.5离子注入表面改性7.6其它表面改性技术

主要内容一、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金属表面形变强化在此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。7.1金属表面形变强化表面压应力可防止裂纹在受压的表层萌生和扩展。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，可达材料自身屈服强度的2-4倍。材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。7.1金属表面形变强化一些表面形变强化手段虽然可能使表面粗糙度略有增加，但却可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。7.1金属表面形变强化二、表面形变强化的主要方法及应用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表面技术之一。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。7.1金属表面形变强化1．滚压定义：用辊轮、滚球或者辊轴对被加工零件表面进行滚压或者挤压，使其发生塑性变形，形成强化层的工艺过程。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深的残余压应力层。表面滚压强化示意图7.1金属表面形变强化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。7.1金属表面形变强化喷丸表面形变强化工艺及应用

喷丸材料铸铁弹丸：直径0.2~1.5mm，硬度58~65HRC，冲击韧性差，易破碎，损耗较大，目前已很少使用。铸钢弹丸：品质与碳含量有很大关系，其碳质量分数一般为0.85%~1.20%。钢丝切割弹丸：直径0.4~1.2mm，硬度45~50HRC，使用寿命为铸铁弹丸的20倍。玻璃弹丸：新型喷丸材料，SiO2含量为67%以上。直径0.05~0.4mm，硬度46~50HRC，脆性较大。陶瓷弹丸：硬度很高，脆性较大，造成残余压应力较大。聚合塑料弹丸：主要原料为聚碳酸酯，硬度较低，常用于消除零件表面的毛刺。7.1金属表面形变强化应当指出，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、镁合金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。7.1金属表面形变强化喷丸表面形变强化工艺及应用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介质中形成悬浮状混合物，然后喷丸，因此工作条件有所改善。7.1金属表面形变强化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。功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本较高，适用于工件形状简单、批量大的零件。7.1金属表面形变强化气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞击工件表面。工作室内可安置多个喷嘴，方位调整方便。能最大限度适应零件几何形状。功耗大，生产效率低。适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂且尺寸较小的零部件。7.1金属表面形变强化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。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)涡轮盘等制件中获得应用。7.1金属表面形变强化一、概述定义：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。7.2表面热处理表面热处理原理表面热处理时，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表面热处理二、表面淬火在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将零件表层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法。7.2表面热处理7.2表面热处理回顾——钢的热处理工艺方法钢的淬火将钢件加热到Ac3或Ac1以上30-50℃，保温一定时间后，在油中或水中快速冷却的一种热处理工艺。淬火的目的是获得高硬度的马氏体组织。7.2表面热处理回顾——钢的热处理工艺方法钢的回火淬火钢一定要回火。回火是将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，经保温一定时间后冷却的一种热处理工艺。回火的作用：稳定马氏体组织，降低钢件的淬火应力和脆性；回火后的钢有适当的强度、硬度以及较高塑性、韧性相配合的综合力学性能。淬火+高温回火──调质处理，简称调质1、表面淬火目的使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；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7.2表面热处理2、适宜表面淬火的材料0.4-0.5%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；铸铁：提高其表面耐磨性。机床导轨表面淬火齿轮7.2表面热处理3、预备热处理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。目的为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织。回火索氏体索氏体7.2表面热处理4、表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200℃。目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。5、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7.2表面热处理6、表面淬火工艺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高密度能量的表面淬火浴炉加热表面淬火电解液加热表面淬火表面保护热处理等火焰加热感应加热7.2表面热处理感应加热表面淬火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。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。7.2表面热处理感应加热的基本原理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。7.2表面热处理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。7.2表面热处理感应加热的物理过程集肤效应：感应电流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。7.2表面热处理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工件表面到电流值为表面的1/e(e＝2.718)处的距离，用Δ表示。Δ的值(单位为mm)可根据下式求出：其中，f为电流频率；μ为材料磁导率；ρ为材料的电阻率，作为近似，工业上常用下式估算Δ与f的关系：7.2表面热处理硬化层深度硬化层深度总小于感应电流透入深度。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。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。7.2表面热处理感应加热表面淬火后的组织和性能工件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。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。加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化和自动化。7.2表面热处理电流频率及功率密度的选择选择电流频率和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、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。7.2表面热处理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。7.2表面热处理与感应加热表面淬火相比优点如下：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。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。缺点：加热温度和均匀度不易控制，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。7.2表面热处理接触电阻加热表面淬火利用触头(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的表面淬火技术。7.2表面热处理接触电阻加热表面淬火特点设备简单，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。7.2表面热处理一、概述定义：利用合金元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种表面技术。7.3金属表面化学热处理金属表面化学热处理基本工艺过程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)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；溶入表面的原子向内部扩散，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金属表面化学热处理的目的

提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。提高材料疲劳强度。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。提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗铝等。7.3金属表面化学热处理化学热处理渗层的基本组织类型形成单相固溶体：如渗碳层中的α铁素体相。形成化合物：如渗氮层中的ε相(Fe2-3N)，渗硼层中Fe2B等。化学热处理后，一般可同时存在固溶体、化合物的多相渗层。低碳钢渗碳后金相组织7.3金属表面化学热处理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。7.3金属表面化学热处理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：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。液体法：包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。气体法：包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。等离子法。7.3金属表面化学热处理二、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，如钛、钽和镍基合金。这种方法成本较高。渗硼零件渗硼层7.3金属表面化学热处理1、渗硼原理渗硼就是把工件置于含有硼原子的介质中加热到一定温度，保温一段时间后，在工件表面形成一层坚硬的渗硼层。在高温下，供硼剂硼砂与介质中SiC发生反应：7.3金属表面化学热处理2、渗硼层的组织硼原子在γ相或α相中的溶解度很小，当硼含量超过其溶解度时，就会产生硼的化合物Fe2B(ε)；当硼含量大于质量分数8.83％时，会产生FeB；当硼含量在6％—16％时，形成上述两种混合物。3、渗硼层的性能渗硼层的硬度很高，这是由于：Fe2B的硬度为1300HV—1800HV；FeB的硬度为1600HV—2200HV。由于FeB脆性大，一般希望得到单相的、厚度为0.07～0.15mm的Fe2B层。7.3金属表面化学热处理4、渗硼方法固体渗硼：将工件置于含硼的粉末或膏剂中；气体渗硼：供硼剂为易爆气体，未工业化应用；液体渗硼：即盐浴渗硼，应用广泛；电解渗硼：在盐浴的基础上进行，工件为阴极。5、钢铁材料的渗硼最适合的钢种：中碳钢及中碳合金钢；渗硼后应进行热处理：淬火+回火。7.3金属表面化学热处理三、渗碳、渗氮、碳氮共渗渗碳、渗氮、碳氮共渗等技术可提高材料的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，在工业中有十分广泛的应用。7.3金属表面化学热处理渗碳炉1、渗碳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。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工具相比，寿命可得到提高。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。7.3金属表面化学热处理常用的渗碳方法气体渗碳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。工业上一般有井式炉滴注式渗碳和贯通式气体渗碳、真空渗碳等。真空渗碳炉7.3金属表面化学热处理井式渗碳炉气体渗碳目的：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。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7.3金属表面化学热处理气体渗碳渗碳方法：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)或有机挥发性液体(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7.3金属表面化学热处理常用的渗碳方法液体渗碳也称盐浴渗碳，是指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。盐浴渗碳炉7.3金属表面化学热处理常用的渗碳方法固体渗碳固体渗碳是一种传统的渗碳方法，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。7.3金属表面化学热处理渗碳新工艺真空渗碳法：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7.3金属表面化学热处理渗碳的一般工艺参数渗碳温度：为900-950℃。渗碳层厚度(由表面到过渡层一半处的厚度)：一般为0.5-2mm。渗碳层表面含碳量：以0.85%-1.05%为最好。渗碳后的热处理：淬火+低温回火，回火温度一般为160-180℃。7.3金属表面化学热处理2、渗氮、碳氮共渗渗氮、碳氮共渗是在含有氮，或氮、碳原子的介质中，将工件加热到一定温度，使工件表面被氮或氮、碳原子渗入的一种工艺方法。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。7.3金属表面化学热处理机车曲轴渗氮工件的特性钢经渗氮后可获得高的表面硬度(HV1000-2000)，且加热到500℃时，渗氮层硬度也变化不大，故具有低的划伤倾向和高的耐磨性。可获得500～1000MPa的残余压应力，使零件具有较高的疲劳强度。因表层形成的氮化物化学稳定性高，因此具有高耐蚀性，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。因渗氮温度一般较低，且渗氮后不需进行热处理，故渗氮后工件变形小。7.3金属表面化学热处理常用渗氮工艺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，加热至一定温度，氨发生分解反应：2NH3＝3H2+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。7.3金属表面化学热处理常用渗氮工艺低温渗氮适于低温渗氮的材料：一般为含Cr、Mo、Al、Ti、V等合金元素的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。氮化温度为：500-570℃。氮化层厚度：一般＜0.6-0.7mm。井式气体氮化炉7.3金属表面化学热处理常用渗氮工艺低温渗氮除气体渗氮外，离子渗氮法也获得了广泛应用。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。与气体渗氮相比，离子渗氮的氮化时间短，氮化层脆性小。离子氮化炉7.3金属表面化学热处理常用渗氮工艺低温渗氮——组织根据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)，渗氮过程中也会溶解一些碳。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’+ε共析体层。高温渗氮高温渗氮是指在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。7.3金属表面化学热处理渗氮工艺的应用范例

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。渗氮后可获得高的耐磨性和疲劳强度。2、工具钢渗氮高速钢切削刃具短时渗氮可获得1340~1460HV的高硬度，700℃时仍可保持700HV的硬度，使用寿命提高0.5~1倍。3、有色金属及合金渗氮钛及其合金离子渗氮后硬度可达800~1200HV，钼及其合金离子渗氮后硬度可达300~800HV，铌及其合金渗氮后可获得硬度＞2000HV的渗氮层。7.3金属表面化学热处理氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度38CrMoAl氮化层组织及硬度分布7.3金属表面化学热处理一、概述定义：离子束表面扩渗是利用低真空中气体辉光放电产生的离子(等离子体)轰击工件表面，使表面成分、组织结构及性能发生改变的处理方法。发展历史1920年，德国科学家Franz和Skaupy利用惰性气体中的辉光放电加热金属工件。1930年，德国的Bernhard、Berghaus和美国的JohnJ.Egan等科学家同时取得了气体放电离子渗氮法的专利。二次世界大战后的50-60年代，离子轰击扩渗技术逐步在工业上获得应用。7.4离子束表面扩渗处理二、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。等离子体整体呈电中性，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离子束表面扩渗处理三、离子扩渗的基本原理以工件作为阴极，容器壁作为阳极，调节送气和抽气速率，维持133-1333Pa的压力，极间施以300V以上的直流电压，使产生辉光放电，形成等离子体。离子轰击阴极表面时将发生一系列物理、化学现象，包括：7.4离子束表面扩渗处理阴极溅射现象：中性原子或分子从阴极表面分离出来的现象(也可看作是蒸发过程)；凝附现象：阴极溅射出来的粒子与靠近阴极表面的等离子体中的活性原子结合的产物吸附在阴极表面的现象；此外，还存在阴极二次电子发射现象、局部区域原子扩散和离子注入等现象。三、离子扩渗处理的优点离子对表面的轰击可使表面高度活化，且易于被表面吸收，故扩渗速度非常快，较常规扩渗工艺，所需时间大幅降低。可方便地通过调整渗剂成分、有关电参数和气体参数，实现扩渗层组织的精确控制。由于离子的轰击作用，可以去除氧化膜和钝化膜，对于易氧化或易钝化金属工件，特别合适进行离子扩渗。辉光放电可均匀地覆盖于工件表面，便于形状复杂工件的扩渗处理，且变形很小。易于实现工艺过程的计算机控制，无公害污染，工人劳动条件好。7.4离子束表面扩渗处理四、离子渗氮辉光离子渗氮又称离子渗氮，或离子氮化，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。该技术已用于结构钢、不锈钢、耐热钢等材料的渗氮处理，并由黑色金属渗氮发展到有色金属渗氮，特别在钛合金渗氮中取得了良好效果。7.4离子束表面扩渗处理离子渗氮的主要特点速度快：尤其浅层渗氮更为突出。例如，渗氮层深度为0.3-0.5mm时，离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮的1/3-l/5。活化表面并提高氮浓度，加快氮向试样内部的扩散；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。热效率高，节约能源、气源。渗氮所需的氮、碳、氢等气氛可调整控制，可获得5-30μm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。7.4离子束表面扩渗处理离子渗氮的主要特点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。离子渗氮温度可在低于400℃以下进行，工件畸变小。可用于不锈钢、粉末冶金件、钛合金等有色金属的渗氮。由于设备较复杂，因此投资大，调整维修较困难，对操作人员的技术要求较高。7.4离子束表面扩渗处理离子渗氮的设备和工艺1．离子渗氮的设备7.4离子束表面扩渗处理离子渗氮的设备和工艺2．离子渗氮的工艺7.4离子束表面扩渗处理五、离子渗碳及离子碳氮共渗离子渗碳(也称等离子体渗碳)及离子碳氮共渗，均与离子渗氮相似，是在压力低于105Pa的渗碳或碳氮混合气氛中，利用工件(阴极)和阳极间产生辉光放电进行渗碳或同时渗碳氮的工艺。以渗碳气为丙烷(C3H8)为例，在等离子渗碳过程中发生反应如下：C3H8[C]

+

C2H6

+

H2

C2H6[C]

+

CH4

+

H2

CH4

[C]

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2H27.4离子束表面扩渗处理辉光放电(900~1000℃)辉光放电(900~1000℃)辉光放电(900~1000℃)一、概述定义：离子注入是将所需物质的离子在几万至几百万电子伏特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。7.5离子注入表面改性离子注入航空液压泵配流盘离子注入设备离子注入可使材料表面层的物理、化学和机械性能发生显著变化。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。全方位离子注入与沉积设备7.5离子注入表面改性二、离子注入的装置及原理离子注入装置离子注入装置包括：离子发生器、分选装置、加速系统、离子束扫描系统、样品室和排气系统。7.5离子注入表面改性二、离子注入的装置及原理离子注入原理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—系列碰撞主要包括三个独立的过程：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。7.5离子注入表面改性二、离子注入的装置及原理离子注入原理电子碰撞：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。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。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。7.5离子注入表面改性三、离子注入的特征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。离子注入温度和注入后温度可以任意控制，且在真空中进行，不氧化，不变形，不发生退火软化，表面粗糙度一般无变化，可作为最终工艺使用。可控性和重复性好。注入层元素分布均匀，并可获得两层或两层以上性能不同的复合材料层。复合层不易脱落。注入层薄，工件尺寸基本不变。7.5离子注入表面改性三、离子注入的特征离子注入在表面产生压应力，可提高工件的抗疲劳性能。注入层与基体结合牢固，无明显界面。但从目前的技术水平看，离子注入还存在一些缺点：注入层薄(＜1μm)；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，应用还不广泛。7.5离子注入表面改性四、离子注入表面改性的机理离子注入提高硬度、耐磨性和疲劳强度的机理硬度方面，研究表明，离子注入提高硬度是由于注入的原子进入位错附近或固溶体产生固溶强化的缘故。当注入的是非金属元素时，常常与金属元素形成化合物，如氮化物、碳化物或硼化物的弥散相，产生弥散强化。离子轰击造成的表面压应力也有冷作硬化作用，这些都使得离子注入表面硬度显著提高。7.5离子注入表面改性四、离子注入表面改性的机理离子注入提高硬度、耐磨性和疲劳强度的机理耐磨性方面，离子注入之所以能提高耐磨性，其原因是多方面的。离子注入能引起表面层组分与结构的改变。大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线周围，形成柯氏气团，起钉扎位错的作用，使表层强化，加上高硬度弥散析出物引起的强化，提高了表面硬度，从而提高耐磨性。也有观点认为，离子注入引起摩擦系数的降低是耐磨性提高的主要原因。7.5离子注入表面改性四、离子注入表面改性的机理离子注入提高硬度、耐磨性和疲劳强度的机理疲劳强度方面，离子注入改善疲劳性能是因为产生的高损伤缺陷阻止了位错移动及其间的凝聚，形成可塑性表面层，使表面强度大大提高。分析表明，离子注入后在近表面层可能形成大量细小弥散均匀分布的第二相硬质点而产生强化，而且离子注入产生的表面压应力可以压制表面裂缝的产生。从而延长了疲劳寿命。7.5离子注入表面改性离子注入提高抗氧化性的机理注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道