材料表面工程技术 当机械零件受扭转、弯曲等交变载荷、冲击负荷作用时，其表层承受比心部更高的应力； 当受磨擦时，材料表面要磨损，因此，常常要求表面具有高强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，心部保持足够的塑性和韧性。 机械零件因接触高温金属熔体或其他熔体而被腐蚀，使零件因表面首先发生破坏或失效。 据统计，各种机电产品破坏中约70%是腐蚀和磨损造成 表面处理技术是决定产品质量的关键。材料表面工程技术已发展成为极其重要的一门独立学科。 6.1 表面淬火6.2 化学表面改性 6.3 三束表面改性6.4 热喷涂6.1 表面淬火 表面淬火是指利用快速加热使钢在短时内达到淬火温度, 不等热量传至中心即迅速冷却，仅使表层得到马氏体达到硬化的方法。表面淬火适用于钢的含碳量 0.4-0.5% 表面淬火按加热方式主要有： 1) 感应加热（高频、中频、工频）表面淬火2) 火焰加热表面淬火3) 激光、电子束、离子束加热表面淬火（三束）6.1.1 感应加热表面淬火 6.1.2 火焰加热淬火 611 感应加热表面淬火 1. 加热基本原理 交变电流交变磁场涡流（感应电流）生成热 感应电流的特性：集肤效应 原理演示2. 感应加热的频率选用 产生的感应电流深度（mm）与交变电流的频率关系为 因此，选用不同的频率可达到不同要求的淬硬深度通常，按照电流频率的不同，感应加热分为三类： 1) 高频加热, 100-500 KHz，一般常用200-300 KHz 2) 中频加热，500-10000 Hz，一般常用2500-8000 Hz3) 工频加热, 50 Hz 各加热频率的适用范围3.感应应加热热表面淬火的特点 （1） 1) 加热速度快，A转变温度高隐晶马氏体 不易氧化脱C，变形小 淬层易控制，易实现机械化和自动化球笼、轴类淬火设备 HKVP50D一体化双工位小型曲轴淬火机床 汽车转向器齿条专用淬火机床 HKVC350立式感应器扫描淬火机床 612 火焰加热淬火 F热源：乙炔-氧、煤气-氧 F工艺原理：图10-2 F适用材料：中C钢（35、45 ）、中碳合金钢（40Cr、 65Mn）、铸铁件。 F淬硬层厚度：一般2-6 mm F适用范围：单件、小批量 、大型零件和局部淬火要 求的工件。如大型轴，大 模数齿轮。 F缺点：质量不稳定工艺演示62 化学表面改性 前面提到的表面淬火仅改善了其表层结构而强化，但对要求更高的情况，需要化学改性。 化学表面改性是通过原子扩散、化学反应等方法使被处处理材料的表面成分、组织、形貌发生改变，从而使表面获得到不同于基体材料性能的工艺方法。 621 钢材化学表面改性 1. 一般原理 钢材化学表面改性：一定温度下的活性介质中保温介质中的元素渗入工件表面改变表层的化学成分和组织。 特点：表层既有组织的变化，也有成分的变化。 1. 一般原理 2. 钢的渗碳 3. 钢的氮化 4. 碳氮共渗 化学表面改性分类： 化学表面改性的基本过程： 1) 渗剂中的反应2) 渗剂中的扩散（向工件扩 散及反应产物从介面逸出 ）3) 相介面反应（吸附与解吸 反应）4) 金属工件中的扩散5) 金属中的反应2. 钢的渗碳 （1）渗C的目的 钢件在渗碳介质中加热保温后，活性碳原子渗入表面，增加表层的含碳量,并形成一定碳浓度梯度。如使低碳（Wc=0.15%0.30%）钢件表面获得高碳浓度（Wc约等于1.0%）。后续进行适当淬火回火处理，可得到高硬度、耐磨性及疲劳强度的表面及良好的塑韧性心部性能。 （2）渗C方法 气体渗C： 固体渗C法： 真空渗C与离子渗C渗剂 ： 渗C浓度：0.15-0.2%1% C 温度： 900-9501）气体渗C：2）固体渗C法： 温度： 900-950 渗剂：木碳+15-20% BaCO3或NaCO3 3）真空渗C与离子渗C 温度：920-1040 渗剂：渗C气特点：渗速快2-3倍，渗C均匀，适于深层渗C。 真空渗碳 离子渗碳基本原理与离子氮化相似。在真空条件下，以工件为阴极，施以直流电，产生辉光放电，碳离子轰击工件表面，将工件表面加热并被表面吸收，然后向内扩散。渗碳温度：900 需附加外加热源渗碳机理工作气：H2、Ar、CH4辉光放电的等离子体中包括：I.离子轰击清洗表面。等离子体中的H2+ 由 于阴极电位降被加速，冲击到工件表面， 使表面的氧化物或附着物飞溅，达到清洗 的效果。实际的渗碳工艺中，在渗碳之前 导入Ar和H2的混合气，用 H2+ 和Ar+轰击一 段时间之后再导入CH4进行渗碳。II.由于钢的触媒作用引起C的吸附。 与通常 的气体渗碳一样，热活化的C由于热能作 用而与钢的表面接触，通过钢的触媒作用 被吸附，然后向内部扩散。 III. 碳离子的吸附。C+由于阴极电位降被加速 冲到钢的表面后被吸附，然后向内部扩散 。 IV.碳离子的注入。 被加速的C+的一部分撞 入工件表面内部一定深度，造成晶格缺陷 。 V.氩离子的溅射效果。 Ar+冲击到钢的表 面上会使表面铁原子飞出，飞出的Fe与等 离子体中的C结合生成FeC，FeC由于钢的 触媒作用而被表面捕获，然后，碳原子向 内部扩散。 （3）渗C工艺 1) 渗C温度渗C时间：渗层厚度与温度T和渗C时间的关系 3）碳势 4）渗C用钢 1) 低C钢 0.15-0.2% C （要求不高的渗C件） 2) 合金渗C钢 常用钢种：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB、18Cr2Ni4WA、20CrMnVBA. 4）渗C用钢 （5）渗C后的热处理 渗C后，常用的热处理工艺有三种 1) 直接淬火 + 低温回火 见图10-7（P315） 2）一次淬火 + 低温回火 见图10-8 3）二次淬火 + 低温回火 见图10-9 第一次：对心部 Ac3 第二次：对表层 Ac1 （稍高些） （6）渗C热处理后的组织性能 表层：回火马氏体 + 少量残余奥氏体 + 一定数量粒 状碳化物。HRC 58-64 心部：低C马氏体。 HRC 30-50 特点：表层压应力 3. 钢的氮化 氮化的目的 优异性能：硬度 HV 1000-1200，耐磨、提高抗咬合性 提高疲劳强度、降低缺口敏感性 提高耐蚀性、变形很小。 一般在Ac1温度以下，使活性氮原子渗入工件表面，形成富氮硬化层的化学热处理工艺。可使钢的表面硬度达HV10001200。适于38CrMoAl及某些中碳钢调质钢。概念氮化工艺 （1）气体氮化 1）氮化基本原理 Fe-N相图：-Fe4N、-Fe2-3N、-Fe2N 氨气通入加热的密封容器， 氨气在450与铁接触分解 2NH33H2+2N, 产生活性氮 原子向钢件内扩散。 N向钢内扩散，由FeN相 图决定生成的相 氮化后 从表层心部 相 /相 相 心部 缓冷时 + + 心部 2）氮化用钢 38CrMoAl HV 1000； 调质钢。 3）氮化工艺 抗磨氮化 ： 抗蚀氮化：形成相层 0.01-0.06mm，20-30min 4）氮化组织 （2）离子氮化 1）原理 气体放电方式及其伏安特性曲线n 辉光放电的光区和有关特性曲线n 在低于常压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极间产生的辉光放电进行渗氮。工件阴极、真空罩阳极、辉光放电、电离N+、H+ 广泛用于机械零件、模具的表面处理，具良好的韧性耐磨性及较高疲劳强度。 在离子渗氮真空室中，少量的充入NH3或（N2+H2混合气），在辉光放电过程被电离成N+与H+，并被电场加速。一部份离子直接渗入工件内部，一部份轰击工件表面，使工件升温，并从阴极表面打击出电子和原子（阴极溅射）。溅射出的Fe原子和带电原子态氮结合形成FeN，被吸附在工件表面。FeN受离子轰击后变成低价Fe2-3N，而放出氮。其中一部份N原子将渗入工件，并向内扩散形成氮化层。2）离子氮化工艺 电流密度： 气参数： 组成、气压、流量 热参数： 温度、时间3）氮化层组织与性能 比气体氮化硬度更高。 4. 碳氮共渗 向钢工件表层同时渗入碳和氮的过程，多用气体碳氮共渗 。 概念工艺1) 中温气体、C、N共渗； 以渗C为主。820-860、煤油或渗C气 + 氨气 2）低温气体碳氮共渗； 以渗N为主，又称软氮化 在570温度下通入甲酰胺、三乙醇胺、尿素、醇类与氨 等渗剂分解生成的活性CN原子完成共渗，保温23h 。渗层硬度虽较低，但韧性好，不易脱落。 在820860度密封炉内通入煤油（渗碳气体）与氨或含氮有机液体，产 生活性原子和N原子完成同时渗C、渗N。但以渗C为主，渗速更快，硬度 更高，且可直接油淬，变形小。 63 三束表面改性 “三束”指激光束、离子束、电子束 。 三束改性的特点： （1）激光束：加热、冷却速度极快；温度梯度 106-8K/cm；冷却速度 106-10K/S（2）离子束： 异类原子直接注入材料表面进行表面合金化。引入的原子种类和数量不受常规热力学条件的限制。 （3）三束加热速度极快，基体材料几乎不受影响 。 6.3.1 激光束表面改性技术 6.3.2 离子束表面强化 6.3.3 电子束表面改性 631 激光束表面改性技术 1. 激光束产生原理 q 具亚稳态能级结构的物质受到外界能量激发时变成激活介质，激活介质受到激发产生光子辐射。q 当激活介质放在由一个全反射镜和部分反射镜构成的光学诣振腔中，激活介质受到激发产生光子辐射。在辐射过程中引起连锁性的受激辐射，使辐射加强。q 反射镜使光子在腔内不断传播、反射、形成光振荡，最后在部分反射镜端发出频率、相位、传播和振动方向相同的光子激光。 具亚稳态能级-激活介质-产生光子辐射-引起连锁性的受激辐射-光子在腔内不断传播、反射、形成光振荡-发出频率、相位、传播和振动方向相同的光子2. 激光的发展概况 Laser theorized in the 1950s Laser first demonstrated in 1960 Models established for optical applications by 1965 Introduced in metalworking environment in 1966 (drilling, spot weldingpulsed solid state laser) Commercial 1 kW CW laser made in 1970, then, 1 50 kW CW CO2 laser3 激光束的特点 高功率密度; 方向性好; 高单色性4 激光束表面处理的原理 1）激光系统装置示意图JHM-1GY-3000CO2水泵叶片激光焊接机 多功能激光热处理成套设备 Schematic diagrams of laser surface cladding2）激光与材料的相互作用3）激光与材料的相互作用与工艺分类Laser material processing Laser drilling, cutting and welding Laser surface treatment Heating - Annealing, Trans. Hardening Melting -Alloying, Glazing, Grain refining,Cladding, Laser melt / particle injection Shocking - Shocking hardening Laser rapid prototyping Produce 3D solid parts directly from CAD data on a layer - by layer basis Function