工程摩擦学8表面工程.ppt

1、2020/9/10,工程摩擦学基础Fundamental of Engineering Tribology,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.1表面工程简介,表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要的表面性能的系统工程。1995-Surface Engineering. 功能薄层厚度一般从几十微米到几毫米，仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一；但却使工件具有了比基体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。此外，表面工程的费用低廉，一般只占产

2、品价格的5-10却可以大幅度地提高产品的性能及附加值，从而获得更高的利润。采用表面工程措施的平均效益高达5-20倍以上。英国科技开发中心的调查报告表明：英国主要依靠表面工程而获得产值超过50-200亿英镑。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.1表面工程简介,表面工程中的各种表面技术分为两大类型：其一是表面改性，其二是表面涂层。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribolog

3、y,8.2 表 面 改 性,8.2.1表面淬火,主要用于各种齿轮、凸轮、曲轴胫、顶杆、阀门、套筒及轧辊等的表面改性. 表面淬火主要是通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现的，即利用快速加热使钢件表面很快地达到淬火的温度，而不待热量传至钢件中心，即迅速予以冷却，如此便可以只使表层被淬硬为马氏体，而中心仍为未淬火组织. 表面淬火用钢的含碳量以wc=0.40-0.50为宜。如果提高含碳量，则会增加淬硬层脆性，降低心部塑性和韧性，并增加淬火开裂倾向.,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribolo

4、gy,1) 感应加热表面淬火,(1)感应加热时，钢的加热速度极大. (2)隐晶马氏体,具有比普通淬火稍高 的硬度(高23HRC)和较低的脆性， 并具有较高的疲劳强度。 (3)不易氧化和脱碳，变形也小. (4)淬硬层深度易于控制.,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,1) 感应加热表面淬火,形状复杂的零件感应器不易制造,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,2)火焰加热表面淬火,火馅加热表面淬火的淬硬层深度一般为2-6mm，若要获得更深的淬硬层，往往会引起零件表面严重的过热，且易产生淬火裂纹。材料常用中碳钢如35、45

5、钢以及中碳合金结构钢如40Cr、65Mn等.,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,3)激光表面淬火,指碳钢或合金纲在室温下经激光辐照表层被迅速加热至奥氏体化温度以上，在激光停止辐照后，快速自冷淬火得到马氏体组织的一种工艺方法。 采用球墨铸铁制造的汽车曲轴，其圆弧处经表面淬火后，硬度可升高到5562HBC，耐磨性与疲劳强度也大为提高；采用钢或铸铁制造的凸轮、齿轮、活塞环、缸套、模具等，经激光表面淬火后，大大提高表面硬度与耐磨性。,(1)硬度升高,(2)改善疲劳性能,(3)提高耐磨性能,(4)表面残余压应力,2020/9/10,8. Surface Eng

6、in Tribology,4)电子束表面淬火,电子束表面淬火处理与激光表面淬火相似，只是能量的来源和功率密度不同。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.2.2 化学热处理,1) 概 述,化学热处理是利用固态扩散使其他元素渗入工作表面的一种热处理工艺，所以又称扩散热处理。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.2.2 化学热处理,1) 概 述,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.2.2 化学热处理,1) 概 述,2020/9/10,8. Surface Eng in

7、Tribology,8.2.2 化学热处理,2)化学热处理的基本过程,(1)渗剂中的反应 (2)渗剂中的扩散 (3)相界面反应 (4)金属工件中的扩散,(5)金属中的反应,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.2.2 化学热处理,3)金属扩渗,金属扩渗是金属化学热处理中常用的一种方法，其基本原理和其他化学热处理相似。渗硼、渗钒、渗钛、渗铌和渗铬等.,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.2.2 化学热处理,3)金属扩渗,目前，渗金属的化学热处理工艺，特别是多元共渗工艺，如碳、氮、硼三元共渗，巳在石油机械(如公锥

8、、母锥)、冷作模具(如拉丝模、冷冲模等)领域显示出较大的优越性。可以预见，渗金属方法将会有良好的发展和应用前景。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.2.2 化学热处理,3)非金属扩渗,非金属扩渗根据渗入元素的不同，可分为渗碳、渗氮(氮化)碳、氮共渗(氰化),渗硫等。目前生产中常用的化学热处理工艺是渗碳、氮化、氰化。 渗碳是为了增加钢表层含碳量和一定的浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺。主要用于汽车齿轮、活塞销、套筒等。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.1

9、化学和电化学方法,化学和电化学方法形成表面涂层的具体方法主要有电镀和化学镀两种。,1)电镀,用作耐磨减摩的镀层主要有硬铬、松孔镀、NiSiC、Ni石墨、NiPTFE复合镀层等. 由于铬是摩擦系数最小的金属之一,一般来讲镀铬耐磨性能较好, 硬铬镀层硬度通常在8501100HV，而900HV左右的铬镀层耐磨性最好。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.1化学和电化学方法,1)电镀,电刷镀是一项应用较广的表面强化和表面修复的电镀技术。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.1

10、化学和电化学方法,2)化学镀,含有镀层金属离子的溶液在还原剂的作用下，在有催化作用的工件表面上形成镀层的方法，称为化学镀。化学镀可用在金属和绝缘体工件上，镍、钴、钯、铂、铜、金和某些合金镀层都可用化学镀获得。 化学镀层一般具有良好的耐蚀性、耐磨性、铅焊性及其他特殊的电学或磁学等性能。不同成分的镀层，其性能变化很大，因此在电子、石油、化工、航空航天、汽车、机械等工业中获得了日益广泛的应用。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.2 冶金熔合法,1)堆 焊,堆焊是用焊接的方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程.,2020/9/10,8.

11、Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.2 冶金熔合法,1)堆 焊,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.2 冶金熔合法,2)热喷涂,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.2 冶金熔合法,2)热喷涂,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.3气相沉积(Vapor deposition),1)物理气相沉积(PVD),(1)真空蒸发镀膜,在真空室内进行加热，使固态原材料蒸发汽化或升华

12、并凝结淀积到一定温度的衬底的表面，形成薄膜这就是真空蒸发镀膜技术。,(2)溅射镀膜,溅射是指利用气体放电产生的正离子，在电场作用下加速成为高能离子，撞击固体表面，进行能量和动量交换后，固体表面的原子或分子在轰击下离开表面。,PVD工艺处理温度低，在600以下对刀具材料的抗弯强度没有影响；薄膜内部为压应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层工艺，对环境没有不利影响，符合目前绿色工业的发展方向。 目前PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的TiN发展到了TiC，TiCN，ZrN，CrN，MoS2，TiALN，TiAlCN，TiN-AlN，CNx等多种多元复合涂层，且

13、由于纳米级涂层的出现，使得PVD涂层刀具质量又有了新的突破，这种薄膜涂层不仅结合强度高、硬度接近CBN 、抗氧化性能好，并可有效地控制精密刀具刃口形状及精度，在进行高精度加工时，其加工精度毫不逊色于未涂层刀具。,1) PVD （Physical Vaporizing deposition）,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.3气相沉积(Vapor deposition),3)物理气相沉积(PVD),(3)离子镀,离子镀是将真空蒸发与溅射结合的技术，是“辉光放电中的蒸发法”即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，一部分物

14、质被离子化，一部分变为激发态的中性离子。,(4)分子束外延(MBE),分子束外延是在真空蒸发技术基础上改进而来的。在超高真空下，将各组成元素的分子束流，以一个个分子的形式喷射到衬底表面，在适当的衬底温度等条件下外延沉积。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.3气相沉积(Vapor deposition),(4)分子束外延(MBE),2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.3气相沉积(Vapor deposition),2)化学气相沉积(CVD) 化学气相沉积是指利用流经衬

15、底表面的气态物料的化学反应，生成固态物质，在衬底表面形成薄膜的方法。 设备、操作简单;适用于金属、非金属及合金等多种膜的制备；薄膜粘附性好；反应所需原材料易获得；可进行可控杂质掺杂；辐射损伤低，可获得平滑的沉积表面且易实现外延；可在常压和低真乡下进行。 温度相对较高,反应气体业挥发性气体常有毒,对衬底的掩模操作困难；沉积速率较低。,CVD技术自20世纪60年代出现以来，在硬质合金可转位刀具上得到了极为广泛的应用。在CVD工艺中，可实现TiC, TiN, TiCN, TiBN, TiB2, Al2O3等单层及多元多层复合涂层，该涂层与基体结合强度高，薄膜厚度可达7-9m, 相对而言，CVD涂层具

16、有更好的耐磨性。 CVD工艺的缺陷： 一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度的下降； 二是薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生； 三是CVD工艺所排放的废气、废液会造成工业污染，对环境影响较大，与目前所提倡的绿色工业相抵触。,2) CVD-Chemical Vaporizing Deposition,8. Surface Eng in Tribology,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.3气相沉积(Vapor deposition),2)化学气相沉积(CVD),是以含C/N的有机物乙腈(CH3CN)为主要反应气体

17、和TiCl4, H2,N2在700下产生分解、化学反应，生成TiCN的一种新方法，可获得致密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可达810m。 这种涂层结构具有极高的耐磨损性、抗热振性及韧性，并可通过HT-CVD（高温化学气相沉积）工艺技术在表层沉积上Al2O3,TiN等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。 CVD工艺（包括 MT-CVD）主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层，其涂层刀具适合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。因此，在干式切削加工中，CVD涂层技术仍占有极其重要的地位。,2)-1 MT-CVD（中温化学气相沉积）,8. Surface Eng in Tri

18、bology,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3表面涂层,8.3.4离子束注入 离子束注入是指把所需要元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速，进而轰击零部件表面，使离子注入一定深度的表层，从而改变材料表面层的物理化学和机械性能的真空处理工艺技术.,1)离子注入的基本过程,(1)注入离子与基体原子的原子核发生弹件碰撞、使基体产生离子大角度散射或受到辐射损伤，此过程称为核碰撞. (2)注入离子与基体内的电子发生非弹性碰撞，使原子失去或获得电子而发生电离或产生x射线，此过程称为电子碰撞。注入离子在上述多次碰撞过程后，耗尽白身能量而

19、停止运动保留在基体表层中。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3.4离子束注入,2)提高材料机械性能的基本原理,(1)损伤强化-在一系列的碰撞过程中，表面的原子排列受到强烈损伤，由长程有序变为短程有序，甚至使晶体转变为非晶。并且，离子注入所产生的大量空位集结在位错周围，对位错产生钉扎作用，从而表层得到进一步的强化。 (2)间隙固溶强化-一些非金属元素如N、C、B，它们的原于半径小于1A，接近于晶格的某些间隙(如面心立方的八面体间隙或体心立方的四面体间隙)的尺寸, 它们在金属的晶格中处于间隙位置，使晶格产生畸变，阻碍位错运动，提高表面层的强度和硬度。,2020/9/10,8. Surface Eng in Tribology,8.3.4离子束注入,2)提高材料机械性能的基本原理,(3)偏聚强化-原子往往偏聚在位错附近，降低位错能