表面强化技术

1、2014-6-3第第13讲讲 表面强化技术表面强化技术学学 生：万生：万 伟伟指导老师：赵指导老师：赵 晴晴2022-3-202022-3-20目目 录录1234567表面强化技术的定义及分类表面强化技术的定义及分类金属表面形变强化金属表面形变强化表面淬火表面淬火热扩渗技术热扩渗技术等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术激光表面强化技术激光表面强化技术电子束表面强化技术电子束表面强化技术891011电镀和化学镀电镀和化学镀气相沉积技术气相沉积技术热喷涂、堆焊和热喷焊热喷涂、堆焊和热喷焊离子注入和电火花表面强化离子注入和电火花表面强化2022-3-202022-3-20目目 录录1 表面强化技术的定义

2、及分类表面工程是一个既古老又新颖表面工程是一个既古老又新颖的学科，人们使用表面工程技的学科，人们使用表面工程技术已有悠久的历史。追溯到几术已有悠久的历史。追溯到几千年前，我国早在春秋战国时千年前，我国早在春秋战国时期就已经开始应用期就已经开始应用钢的淬火钢的淬火、铜器热镀锡铜器热镀锡、鎏金及油漆等古、鎏金及油漆等古老技术。但是，表面工程的迅老技术。但是，表面工程的迅速发展还是从速发展还是从1919世纪工业革命世纪工业革命开始，开始，2020世纪世纪8080年代成为世界年代成为世界上上1010大关键技术，进入大关键技术，进入2020世纪世纪9090年代发展势头出现工程研究年代发展势头出现工程研究

3、的热潮，几乎涉及了工业的各的热潮，几乎涉及了工业的各个领域，表面工程技术仍是将个领域，表面工程技术仍是将是主导是主导2121世纪的关键技术之一世纪的关键技术之一。1.1 表面强化技术概述表面强化技术概述2022-3-202022-3-20o 表面强化表面强化是经表面欲处理后，通过表面涂覆、表面改性是经表面欲处理后，通过表面涂覆、表面改性或表面复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的化或表面复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态等，以获得所需要学成分、组织结构、形态和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相表面性能的系统工程。它

4、是近代技术与经典表面工艺相结合而繁衍、发展起来的，有着坚实的科学基础，具有结合而繁衍、发展起来的，有着坚实的科学基础，具有明显的交叉、边缘学科的性质和极强的实用性。明显的交叉、边缘学科的性质和极强的实用性。1.2 表面强化技术定义表面强化技术定义 定义：定义：采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料的组织结构，性能不同的一种技术。的组织结构，性能不同的一种技术。 优点：优点：延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料，延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料，促进高新技术发展。促进高新技术发展。2022-3-202022-3-201 表面强化技术的定义及分类1

5、 表面强化技术的定义及分类金属表面形变强化金属表面形变强化表面淬火表面淬火热扩渗技术热扩渗技术等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术激光表面强化技术激光表面强化技术电镀和化学镀电镀和化学镀气相沉积技术气相沉积技术电子束表面强化技术电子束表面强化技术热喷涂和热喷焊热喷涂和热喷焊离子注入和电火花离子注入和电火花表面强化表面强化表面强化技术1.3 表面强化技术分类表面强化技术分类2022-3-202022-3-20原理：通过机械手段（滚压、喷丸等）在金属表面产生压缩原理：通过机械手段（滚压、喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层深度可达变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层深

6、度可达0.151.5mm。在此。在此形变硬化层中产生两种变化：形变硬化层中产生两种变化： （1）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度变大；格畸变度变大； （2）形成了高的宏观残余应力。形成了高的宏观残余应力。2 金属表面形变强化p 2.1 金属表面形变强化的机理及主要方法金属表面形变强化的机理及主要方法表面形变强化的主要方法表面形变强化的主要方法表面锤击表面锤击表面滚压表面滚压内挤压内挤压喷丸喷丸超声冲击超声冲击新兴起的，设备体积小，应用方便，效率高国内外广泛应用于弹簧、齿轮链条、轴、叶片、火车轮等用小锤（手工或机械）锤击金属

7、表面，使其内部加工硬化通过滚轮对金属零件表面进行滚压强化使孔的内表面形成形变强化的工艺措施，效果明显2022-3-202022-3-202 金属表面形变强化塑形形变层（a）弹丸撞击表面位错晶界亚晶界（b）喷弹丸后组织结构图2-1 喷丸表面的塑形变形图2-2 表面滚压示意图2022-3-202022-3-202 金属表面形变强化o 2.2 喷丸强化喷丸强化 o 2.2.1 喷丸强化的设备喷丸强化的设备 喷丸采用的设备按驱动弹丸的方式可分为机械离心喷丸喷丸采用的设备按驱动弹丸的方式可分为机械离心喷丸机和气动喷丸机两大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷机和气动喷丸机两大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。

8、干喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在也太重成悬浮状，然式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在也太重成悬浮状，然后喷出弹丸，因此工作条件有所改善。后喷出弹丸，因此工作条件有所改善。（1）机械式离心喷丸机）机械式离心喷丸机 弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。心力加速抛出。喷丸功率小，制造成本高喷丸功率小，制造成本高，主要用于喷丸强，主要用于喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的工件。度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的工件。（2）气动离心喷丸机）气动离心喷丸机 以压缩空气驱动弹丸达到高速后撞以压缩空气驱动弹丸达到高速后撞击工件的受喷表面。可通过控制

9、气压来控制喷丸强度，操作击工件的受喷表面。可通过控制气压来控制喷丸强度，操作灵活，一台机器可喷多个零件，适用于喷丸强度低、品种多灵活，一台机器可喷多个零件，适用于喷丸强度低、品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零部件，但、批量小、形状复杂、尺寸较小的零部件，但功耗大、生产功耗大、生产效率低效率低。2022-3-202022-3-202 金属表面形变强化机械离心式喷丸机机械离心式喷丸机61.叶轮叶轮 2.叶轮转向叶轮转向 3.接触叶片前的弹丸接触叶片前的弹丸4.弹丸输送管弹丸输送管 5.漏斗漏斗6.压缩空气压缩空气 7.喷射管喷射管8.90弯曲喷管弯曲喷管9.弹丸弹丸2022-3-202022-

10、3-202 金属表面形变强化气动式喷丸机气动式喷丸机1.零件零件 2.阀门阀门 3.空气过滤器空气过滤器4.管道管道 5.喷嘴喷嘴 6.导丸管导丸管 7.储丸箱储丸箱 8.排尘管排尘管 9.转换口转换口2022-3-202022-3-202 金属表面形变强化o 2.2.2 喷丸材料喷丸材料1钢丝线切割丸钢丝线切割丸丸丸的的分分类类铸钢丸铸钢丸2铸钢丸铸钢丸3玻璃弹丸玻璃弹丸4陶瓷弹丸陶瓷弹丸5液态喷丸介质液态喷丸介质6常用钢丝直径常用钢丝直径d=0.41.2mmd=0.41.2mm，硬度为，硬度为4550 4550 HRC HRC 为最佳，组织最好好回火为最佳，组织最好好回火MM或者或者B B

11、。弹丸尺寸为弹丸尺寸为0.21.5mm0.21.5mm，退火处理，硬度为，退火处理，硬度为3057 HRC3057 HRC，易碎，耗量大，但价格便宜，易碎，耗量大，但价格便宜铸钢丸的品质与含碳量有关，一般含碳量在铸钢丸的品质与含碳量有关，一般含碳量在0.85%1.2%0.85%1.2%，锰含量在，锰含量在0.65%1.2%0.65%1.2%含质量分数为含质量分数为60%60%的的SiOSiO2 2，硬度，硬度4650HRC4650HRC，脆性大，适用于零件硬度低于弹丸的硬度的场脆性大，适用于零件硬度低于弹丸的硬度的场合。合。弹丸硬度高，但脆性大，喷丸后可或得较高的弹丸硬度高，但脆性大，喷丸后可

12、或得较高的残余压应力。残余压应力。包括包括SiO2SiO2颗粒和颗粒和Al2O3Al2O3颗粒。喷丸时用水混合颗粒。喷丸时用水混合SiO2SiO2颗粒，利用压缩空气溅射，颗粒，利用压缩空气溅射，一般来说，黑色金属制件可用铸铁丸、钢铸丸、钢丝线切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢则采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。2022-3-202022-3-20o 2.3 表面强化在模具表面强化工艺中的影响表面强化在模具表面强化工艺中的影响 表面形变强化可以使模具表面产生冷作硬化，改善模具表面表面形变强化可以使模具表面产生冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除电火花加工产生的表面变

13、质层，提高模具的的粗糙度，有效去除电火花加工产生的表面变质层，提高模具的疲劳强度，抗冲击磨损性能，从而达到提高零件使用寿命的目的疲劳强度，抗冲击磨损性能，从而达到提高零件使用寿命的目的。喷丸强化后模具使用寿命的提高见表。喷丸强化后模具使用寿命的提高见表2-1。模具名称模具名称模具材料模具材料喷丸介质喷丸介质d/mm一次刃磨使用寿命一次刃磨使用寿命/万次万次喷丸前喷丸前喷完后喷完后电动机定、转电动机定、转子模子模Cr12铸钢丸铸钢丸0.51.23.211.49定子单模冲模定子单模冲模Cr12玻璃丸玻璃丸0.250.355270一字槽光冲模一字槽光冲模60Si2Mn玻璃丸玻璃丸0.250.350.

14、961.352.02.3活扳手热精压活扳手热精压模模3CrW8V铸钢丸铸钢丸0.50.1750.263玻璃丸玻璃丸0.250.350.3880.5172 金属表面形变强化表2-1 喷丸对模具寿命的影响2022-3-202022-3-203 表面淬火表面淬火o 3.1 表面淬火的原理及特点表面淬火的原理及特点机床导轨机床导轨表面淬火齿轮表面淬火齿轮2022-3-202022-3-20o 3.2 表面淬火的目的表面淬火的目的 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。3 表面淬火表面淬火20

15、22-3-202022-3-20o 3.3 表面淬火前预备热处理表面淬火前预备热处理 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。3 表面淬火表面淬火回火索氏体回火索氏体索氏体索氏体2022-3-202022-3-20o 3.3 表面淬火前后处理及组织表面淬火前后处理及组织表面淬火后的回火 采用低温回火，温度不高于200。 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。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)。感应加热表面感应加热表面淬火淬火3 表面淬火

16、表面淬火2022-3-202022-3-203 表面淬火表面淬火o 3.4 表面淬火常用的加热表面淬火常用的加热方法方法o 3.4.1 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 定义定义：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。感感应应加加热热表表面面淬淬火火示示意意图图2022-3-202022-3-20 分类：高频感应淬火、中分类：高频感应淬火、中频感应淬火、工频感应淬频感应淬火、工频感应淬火火 高频感应淬火高频感应淬火 频率为频率为250-300KHz，淬硬层深度，淬硬层深度0.5-2mm3 表面淬火表面淬火传动轴连续淬传动轴连续淬火感应器火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面

17、图感应加热表面淬火齿轮的截面图2022-3-202022-3-203 表面淬火表面淬火 中频感应淬火中频感应淬火 频率为频率为2500-8000Hz， 淬硬层深度淬硬层深度2-10mm。各种感应器各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴2022-3-202022-3-203 表面淬火表面淬火 工频感应淬火工频感应淬火 频率为频率为50Hz， 淬硬层深度淬硬层深度10-15mm。各种感应器各种感应器感应穿透加热感应穿透加热2022-3-202022-3-20p 3.4.2 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 定义定义：应用氧-乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进

18、行加热，随之淬火冷却的工艺。 特点：可使零件表面获得高的硬度和耐磨性，从而提高零件的使用寿命。成本低，但质量不容易控制。3 表面淬火表面淬火火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图齿轮火焰加热表面淬火齿轮火焰加热表面淬火2022-3-202022-3-203 表面淬火表面淬火p 3.4.3 激光表面淬火激光表面淬火 定义定义：利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。 特点：效率高，质量好。激光表面热处理激光表面热处理2022-3-202022-3-203 表面淬火表面淬火o 3.4.3 其他表面淬火方法其他表面淬火方法其他其他方法方法电解电解液淬液淬火火接触电阻接触电阻加热淬火加热淬

19、火浴炉加热浴炉加热表面淬火表面淬火u电解液淬火电解液淬火（电解淬火）是将工件淬火部位浸入电解液中，工件接阴极，电解槽接阳极，通电后由于阴极效应而讲工件表面加热，到温后断电。常用电解液为5%18%的Na2CO3水溶液。缺点缺点：工件棱角部分易出现过烧，工艺规范不易控制，形状复杂的工件加热不易均匀。优点优点：设备简单，淬火变形小，适用于形状简单小件的批量生产。u接触电阻加热淬火接触电阻加热淬火 是利用触头（铜滚轮或碳棒）和工件间的接触点出使工件表面加热，并依靠自身热传导来实现冷却淬火。缺点缺点：淬硬层较（0.150.3mm），金相组织及硬度的均匀性较差，多用于导轨表面的淬火。优点优点：设备简单，工

20、件变形小，淬火后不需要回火。u浴炉加热表面淬火浴炉加热表面淬火 将工件进入高温盐浴（或金属盐浴）中，短时加热，使工件表面层达到规定的淬火温度，然后极冷的方法。缺点缺点：淬硬层较层较深，表面硬度低。优点优点：不需要添加特殊设备，操作简单，适合单件小批量生产。注意：高合金钢由于导热性较差，注意：高合金钢由于导热性较差，加热前需提前预热。加热前需提前预热。2022-3-202022-3-204 热扩渗技术热扩渗技术o 4.1 热扩散定义及特点热扩散定义及特点定义：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成元素渗入工件表面，形成合

21、金层合金层( (或或掺杂层掺杂层) )的工艺。的工艺。( (化学化学热处理技术热处理技术) )所形成的合金层称为热扩渗层，简称渗层。突出特点：渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很高。通过渗入不同合金元素或者采用不同渗入工艺，可以使工件表面获得不同组织和性能的扩渗层，从而极大提高工件的耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能等。广泛应用于机械、化工、微电子和信息等行业。2022-3-202022-3-20最早起源于我国战国时代。 勾践剑：宝剑通长55.6厘米，剑身长47.2厘米，剑身宽4.6厘米，重857.4克。 1965年于湖北荆州出土 ，历经2500多年仍未生锈 ，且能吹发可断、一下划破20多张复

22、印纸。剑表面黑色部位是经硫化处理而形成的，主要作用是防锈。能进行热扩渗的材料包括：碳、氮、 硼、锌、铝、铬、钒、铌、钛、硅、 硫等和这些元素的多元共渗。2022-3-202022-3-204 热扩渗技术热扩渗技术o 4.2 热扩散技术的基本原理热扩散技术的基本原理o 4.2.1 热扩渗层形成的基本条件渗入元素的原子存在于扩渗层的形式： 与基体金属形成：固溶体或金属间化合物层，或固溶体+化合物的复合层。形成渗层基本条件：u 1. 1.渗入元素必须能够与基体金属形成渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体固溶体或或金属间化合物金属间化合物。2.2.欲渗元素与基材之间必须有欲渗元素与基材之间必须有直接接

23、触直接接触。3.3.被渗元素在基体金属中要有一定的被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度渗入速度。4.(4.(对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺) )该反应必须该反应必须满足热满足热力学条件力学条件。 ( (产生活性原子；反应平衡常数产生活性原子；反应平衡常数1%1%。) )2022-3-202022-3-204 热扩渗技术热扩渗技术o 4.2.2 热扩渗层形成的基本条件1. 产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。 活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法（常用方法）。2. 渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表

24、面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。 3. 渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程(简称扩散过程)。 扩散的机理：间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。2022-3-202022-3-204 热扩渗技术热扩渗技术o 4.3 热扩散技术工艺分类热扩散技术工艺分类按热扩渗温度：高温高温（高于（高于910）、）、中温中温、低温低温（低于（低于720）热扩渗）热扩渗。按渗入元素：非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属一非金属元素多元共渗、扩散退火(均匀化退火)。2022-3-202022-3-20盐浴法盐浴法熔烧法熔烧法熔盐电解

25、熔盐电解法法粉末包渗粉末包渗法法固固-固扩固扩渗法渗法流化床流化床法法真空扩散真空扩散法法间接气体间接气体扩散法扩散法直接气体直接气体扩散法扩散法离子扩散离子扩散法法固渗固渗气渗气渗热扩渗液渗液渗热浸渡渗热浸渡渗膏剂渗膏剂渗热喷涂渗热喷涂渗化学镀渗化学镀渗电镀渗电镀渗 复合扩渗复合扩渗真空镀渗真空镀渗 2022-3-202022-3-204 热扩渗技术热扩渗技术按渗剂在工作温度下 物质状态分：将大量固体颗粒悬浮于体之中，从而使颗粒具有流体的某些表观特征，这种流固接触状态称为固体流态化，即流化床。4 热扩渗技术热扩渗技术o 4.4 液渗液渗TD盐浴法渗钒盐浴法渗钒o 4.4.1 TD盐浴渗钒原理

26、及方盐浴渗钒原理及方法法设备：设备：坩埚盐浴炉坩埚盐浴炉原理：原理： TD TD处理的渗剂由处理的渗剂由基盐基盐、供供钒剂钒剂、还原剂还原剂和和活化剂活化剂组成，组成，其中，基盐是渗钒盐浴的重要其中，基盐是渗钒盐浴的重要组成部分，它是盐浴的加热载组成部分，它是盐浴的加热载体，也是供钒剂、还原剂和活体，也是供钒剂、还原剂和活化剂的熔体。化剂的熔体。 V2O5+AlAl+V(活性钒原子活性钒原子) V+CVC2022-3-202022-3-201炉盖 2增锅固定圈 3炉膛 4炉膛外壳 5增锅支架 6加热元件 7控温热电偶 8柑锅 9中心热电偶TD盐浴渗钒的目的：在工件表面形成一层致密的盐浴渗钒的目

27、的：在工件表面形成一层致密的VC覆层，覆层，以达到提高其以达到提高其耐磨性耐磨性和和抗氧化性抗氧化性。VC（VCx）形成原理如下：）形成原理如下：4 热扩渗技术热扩渗技术2022-3-202022-3-204 热扩渗技术热扩渗技术o 4.4.2 TD盐浴渗钒配方盐浴渗钒配方V2O5或者钒铁常用的有硼砂、BaCl2、NaCl此外必要时需加入活化剂NaF、BaF2常用Al粉、单质硅和B4C4 热扩渗技术热扩渗技术常见的几种渗钒盐浴配方：常见的几种渗钒盐浴配方：硼砂盐硼砂盐浴浴10钒铁+ lAl + 89硼砂10V2O5+ 5Al+85硼砂10V2O5+ 3B4C+87硼砂10V2O5+10Cr+1

28、0NaF+ 5B4C+65硼砂10V2O5+3B4C+15NaF+72硼砂混合盐混合盐浴浴中性盐中性盐浴浴44.4钒铁+ 22.2KCl + 22.2NaCl+11.2Al2O344钒铁+ 20KCl + 10Na2CO3+10Al2O310V2O5+6Al+9NaF+27NaCl+48BaCl210硼砂+ 80BaCl2 + 10钒铁10硼砂+ 70BaCl2+ 15钒铁+5CaF2V2O5+ AlV+Al2O3表中所示均为表中所示均为wt%o 4.4.3 TD盐浴渗钒案例（试样为盐浴渗钒案例（试样为Cr12MoV钢）钢）TD工艺工艺4 热扩渗技术热扩渗技术化学化学成分成分CSiMnSPCr

29、MoVwt%1.451.700.400.400.300.3011.0012.500.400.600.150.30Cr12MoV钢化学成分预热 500700 15minTD处理 8501050 4h油淬 200400 回火 1hTD工艺曲线工艺曲线4 热扩渗技术热扩渗技术TD盐浴渗钒盐浴渗钒EDS结果结果渗层 基体在9508hTD处理后EDS分析4 热扩渗技术热扩渗技术TD盐浴渗钒盐浴渗钒XRD分析结果分析结果203040506070809504h9508h95012h2/ VC -Fe Cr12MoV钢钢经950不同时间处理得到的表面覆层XRD图谱5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 5.1

30、 等离子体扩渗定义等离子体扩渗定义及特点及特点定义：等离子化学热处理技术又称等离子体扩渗技术（PDT）、粒子轰击扩渗技术。利用利用低真空中低真空中气体辉光放电气体辉光放电产生的产生的离子轰击离子轰击工件表面，使金属表工件表面，使金属表面成分、组织结构及性能发生面成分、组织结构及性能发生变化的工艺过程，从而起到表变化的工艺过程，从而起到表面强化的作用。面强化的作用。等离子体是一种电离气体（电离度超过10%的气体），它由粒子、电子和中性粒子（中性原子和中性分子）所组成的基体。5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 与普通气体热扩渗技术相比，离子热扩渗具有如下特点：与普通气体热扩渗技术相比，离子热扩

31、渗具有如下特点：(1) 离子轰击离子轰击溅射溅射去除了工件表面的氧（钝）化膜或杂质，提去除了工件表面的氧（钝）化膜或杂质，提高工件表面活性，使其易于吸附被渗元素，加快热扩渗速度；高工件表面活性，使其易于吸附被渗元素，加快热扩渗速度；(2) 等离子体激活了反应气体，降低了化学反应温度；等离子体激活了反应气体，降低了化学反应温度；(3) 可通过调节工艺参数控制热扩渗层的组织以及渗层的厚度可通过调节工艺参数控制热扩渗层的组织以及渗层的厚度，强化效果好；，强化效果好；(4) 对环境无污染，是一种环境友好的处理工艺。对环境无污染，是一种环境友好的处理工艺。5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 5.2

32、有关等离子体的一些基本概念有关等离子体的一些基本概念等离子体分等离子体分高温高温等离子体和等离子体和低温低温等离子体。等离子体。低温等离子体（也叫低温等离子体（也叫非平衡等离子体非平衡等离子体）：低温等离子体中的）：低温等离子体中的重粒子温度接近重粒子温度接近常温常温，而，而电子温度电子温度高达高达103104K。p 气体放电的过程气体放电的过程 使气体由绝缘体变成导体的现象称为使气体由绝缘体变成导体的现象称为气体放电气体放电。气体放电。气体放电的条件是：的条件是：o （1） 有一定的有一定的电场强度电场强度；o （2） 气体中存在气体中存在带电粒子带电粒子。 o 在电场中，带电粒子发生在电场

33、中，带电粒子发生定向运动定向运动。带电粒子与气体原。带电粒子与气体原子和带电粒子与电极之间发生一系列的物理和化学现象：子和带电粒子与电极之间发生一系列的物理和化学现象：5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 带电粒子碰撞引起气体激发和电离碰撞使原子中的电子从正常能级碰撞使原子中的电子从正常能级跃迁跃迁到较高能级，成为到较高能级，成为亚稳亚稳态态的的受激原子受激原子。受激电子返回基态时，将能量以光子的形式。受激电子返回基态时，将能量以光子的形式释放出来（释放出来（辉光辉光）。若带电粒子撞击的能量较大，可能会将）。若带电粒子撞击的能量较大，可能会将原子中的某个电子撞离原子（原子中的某个电子撞离原子

34、（电离电离）。）。激发电离5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术p 离子轰击加热阴极 离子轰击阴极时约有离子轰击阴极时约有75的的动能动能被转化为被转化为热能热能，可以将，可以将工件工件加热加热到离子热扩渗的处理温度。到离子热扩渗的处理温度。p 阴极溅射阴极溅射 高能粒子轰击阴极表面，使阴极材料的原子和电子（甚高能粒子轰击阴极表面，使阴极材料的原子和电子（甚至阴极金属材料的颗粒）逸出表面的现象称为至阴极金属材料的颗粒）逸出表面的现象称为阴极溅射阴极溅射。5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术p 辉光放电的光区 从阴极到阳极的光层按从阴极到阳极的光层按顺序分为：顺序分为： (1) 阿斯顿暗区阿斯顿暗

35、区：电子刚：电子刚离开阴极，速度还很小离开阴极，速度还很小，不能产生激发，因此，不能产生激发，因此没有发光现象。没有发光现象。 (2) 阴极辉光区阴极辉光区：电子被：电子被加速到足以产生激发，加速到足以产生激发，因而产生辉光。因而产生辉光。5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术(3) 阴极暗区阴极暗区：电子速度进一步增大，足以产生电离，而激：电子速度进一步增大，足以产生电离，而激发很少，因此不产生辉光。发很少，因此不产生辉光。(4) 负辉区负辉区：来自阴极位降区的电子因多次受非弹性碰撞被：来自阴极位降区的电子因多次受非弹性碰撞被减速，又产生激发碰撞和电子与离子间的复合，产生大量的减速，又产生激发

36、碰撞和电子与离子间的复合，产生大量的激发发光和复合发光，使负辉区的激发发光和复合发光，使负辉区的光最强光最强。(5) 法拉第暗区法拉第暗区：大部分电子在负辉区损失了能量，已无足：大部分电子在负辉区损失了能量，已无足够的能量进行激发和电离，因此光度很弱。够的能量进行激发和电离，因此光度很弱。o (6) 阳极光柱区阳极光柱区：这个区域的：这个区域的正负离子数相等正负离子数相等，在气体放电，在气体放电中起到传导电流的作用，电场强度比阴极区小几个数量级。中起到传导电流的作用，电场强度比阴极区小几个数量级。(7) 阳极暗区阳极暗区：与阳极辉光区共同组成阳极区。：与阳极辉光区共同组成阳极区。5 等离子体扩

37、渗技术等离子体扩渗技术(8) 阳极辉光区阳极辉光区：电子在阳极前被加速，产生激发和电离，：电子在阳极前被加速，产生激发和电离，形成阳极辉光。形成阳极辉光。p 辉光放电中的化学反应（等离子体化学）（等离子体化学）o 在辉光放电中，等离子体空间存在大量的具有一定能量的在辉光放电中，等离子体空间存在大量的具有一定能量的亚亚稳态粒子稳态粒子，这些，这些活性粒子活性粒子可以促使化学反应进行。等离子体可以促使化学反应进行。等离子体化学反应主要发生在化学反应主要发生在阴极位降区阴极位降区，反应机理可能有：，反应机理可能有：（1） 具有一定能量的自由电子直接作用于反应物质的中性具有一定能量的自由电子直接作用于

38、反应物质的中性原子或分子上，使其原子或分子上，使其激发激发成活性原子或离子，然后成活性原子或离子，然后化合化合成新成新的物质。如的物质。如H2+N2NH3；（2） 运动中的正离子运动中的正离子碰撞碰撞使中性原子或分子发生使中性原子或分子发生离解离解，促，促进其相互发生化学反应。进其相互发生化学反应。 5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 5.3 离子渗氮（离子渗氮（钢中渗氮钢中渗氮）o 5.3.1 离子渗氮机理离子渗氮机理（1） Klbel离子溅射渗氮模型离子溅射渗氮模型o 高能氮离子高能氮离子轰击轰击阴极使阴极使Fe溅溅射射出阴极表面，出阴极表面，Fe与与氮氮原子结合原子结合成成FeN，F

39、eN重新沉积在工件表面重新沉积在工件表面（背散射背散射），处于），处于亚稳态亚稳态的的FeN按按FeN Fe2-3N Fe4N顺序依次顺序依次分解，分解出的分解，分解出的活性活性N渗入钢内渗入钢内，同时钢表面从外到内形成由，同时钢表面从外到内形成由Fe2-3N（相相）和和Fe4N（相相）的）的渗氮层。渗氮层。5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术离子渗氮装置示意图离子渗氮装置示意图5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 5.3.2 离子渗氮设备离子渗氮设备（1）供电和操作的）供电和操作的电器系统电器系统（2）真空炉体真空炉体（3）气体动态平衡的）气体动态平衡的供气和抽气系统供气和抽气系统p a.

40、真空室真空室p 保温式结构保温式结构、水冷式结构水冷式结构、外加热式结构外加热式结构5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术p b.电气系统电气系统直流高压电源，直流高压电源，01000V连续可连续可调，有灭弧装置调，有灭弧装置。p c.真空系统真空系统由于是低真空，由于是低真空，可以采用可以采用旋片式旋片式机械真空泵机械真空泵。5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 5.3.3 离子渗氮工艺离子渗氮工艺（1）将清洗好的工件放入离子渗氮炉内，）将清洗好的工件放入离子渗氮炉内，抽真空抽真空至至1Pa左右左右；（2）通入少量含氮气体，接通直流高压电源，产生）通入少量含氮气体，接通直流高压电源，产生辉光

41、放电辉光放电；（3）溅射清洗）溅射清洗净化净化被处理工件表面；被处理工件表面；（4）调整气压和电压，将工件加热到所需要的处理温度（）调整气压和电压，将工件加热到所需要的处理温度（550），开始），开始渗氮渗氮；（5）保温保温一定时间，达到渗氮层要求的厚度；一定时间，达到渗氮层要求的厚度；（6）断电、工件在真空中）断电、工件在真空中冷冷至至200以下出炉。以下出炉。 离子渗氮后的工件表面呈离子渗氮后的工件表面呈银灰色银灰色。表面耐磨性以及硬度都有大。表面耐磨性以及硬度都有大幅度的提高，从而提高表面强化的效果。幅度的提高，从而提高表面强化的效果。5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 5.3.4

42、离子渗氮特点离子渗氮特点氮化速度快氮化速度快，比普通气体氮化快，比普通气体氮化快1/31/2,节约能源及气体节约能源及气体消耗；消耗；可可控制氮化层控制氮化层的组织而或得更多优越性能；的组织而或得更多优越性能；畸变小畸变小，离子渗氮的温度可以降低至，离子渗氮的温度可以降低至400甚至更低；甚至更低；可实现可实现无公害化无公害化处理，用处理，用N2+H2，分解氨气，即采用氨气，分解氨气，即采用氨气进行粒子渗氨，由于压力很低（进行粒子渗氨，由于压力很低（66.51330Pa），使用量少），使用量少，也不会产生大的公害；，也不会产生大的公害；对于不锈钢、耐热钢等直接离子氮化而不用事先进行任何对于不锈

43、钢、耐热钢等直接离子氮化而不用事先进行任何消除钝化处理。消除钝化处理。其缺点是其缺点是费用大费用大，检查维修比较复杂检查维修比较复杂，对操作人员技术要求对操作人员技术要求较高较高。5 等离子体扩渗技术等离子体扩渗技术o 5.3.5 离子渗氮应用离子渗氮应用挤塑机螺杆：挤塑机螺杆：38CrMoAl； 缸套：灰口铸铁；缸套：灰口铸铁； 曲轴：球墨铸铁；曲轴：球墨铸铁； 压铸模、热锻模：压铸模、热锻模：3Cr2W8V6 激光表面强化技术激光表面强化技术o 6.1 激光表面处理技术定义及产生激光表面处理技术定义及产生p 6.6.1 定义定义 激光表面处理技术激光表面处理技术，是在材料表面形成一定厚度的

44、处理，是在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能的表面强化技术。列性能的表面强化技术。p 6.6.1 产生产生 激光加工技术的研究始于激光加工技术的研究始于20 世纪世纪60 年代年代，但到但到20 世纪世纪70 年代初研制出大功率激光器之后年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技激光表面处理技术才获得实际的应用术才获得实际的应用，并在近十年内得到迅速的发展。并在近十年内得到迅速的发展。6 激光表面强化技术

45、激光表面强化技术o 6.2 激光表面处理技术的特点激光表面处理技术的特点（1）激光束处理后材料表面化学均匀性很高，晶粒细小，）激光束处理后材料表面化学均匀性很高，晶粒细小，因而表面硬度高，耐磨性好，在不损失韧性的情况下或得了因而表面硬度高，耐磨性好，在不损失韧性的情况下或得了高的表面性能。高的表面性能。（2）输入热量少，热变形小。）输入热量少，热变形小。（3）能量密度高，加工时间短。）能量密度高，加工时间短。（4）处理部位可以任意选择，如深孔、沟槽等特殊部位均）处理部位可以任意选择，如深孔、沟槽等特殊部位均可采用激光进行处理。可采用激光进行处理。（5）工艺过程无需真空，无化学污染。）工艺过程无

46、需真空，无化学污染。（6）激光处理过程中，表层发生马氏体转变而存在残余压）激光处理过程中，表层发生马氏体转变而存在残余压应力，提高了其疲劳强度。应力，提高了其疲劳强度。6 激光表面强化技术激光表面强化技术o 6.2 激光表面处理设备激光表面处理设备包括：包括：激光器激光器、功率计功率计、导光聚焦系统导光聚焦系统、工作台工作台、数控系统数控系统和和软件编程系统软件编程系统。p 6.2.1 激光的产生激光的产生电子可吸收或释放光子在能级电子可吸收或释放光子在能级间进行跃迁其跃迁的形式分为三间进行跃迁其跃迁的形式分为三种：种：a.a.自发吸收自发吸收；b.b.自发辐射自发辐射；c.c.受激辐射受激辐

47、射。6 激光表面强化技术激光表面强化技术激光产生的条件激光产生的条件（1）实现）实现“粒子数反转粒子数反转”的非平衡状态，使处于高的非平衡状态，使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，以造成能级的粒子数，以造成原原子受激辐射的概率大于原子受激辐射的概率大于原子受激吸收的概率子受激吸收的概率，实现，实现光放大；光放大；（2）要建立一个）要建立一个光学谐振光学谐振腔腔，以造成，以造成原子受激辐射原子受激辐射的概率大于原子自发吸收的概率大于原子自发吸收的概率的概率，使其产生激光震，使其产生激光震荡，并控制方向和频率，荡，并控制方向和频率，输出强烈的激光。输出强烈的激光。6

48、激光表面强化技术激光表面强化技术o 6.2.2 激光器激光器激激光光器器CO2气体激光器气体激光器YAG激光器激光器准分子激光器准分子激光器多用于多用于黑色金属大面积黑色金属大面积零件表面改性。零件表面改性。特点：电特点：电- -光转换功率高；单位输出功率光转换功率高；单位输出功率的投资低；能在工业环境下长时间连雪的投资低；能在工业环境下长时间连雪稳定工作。稳定工作。多用于多用于有色金属或者小面积有色金属或者小面积零件表面改零件表面改性。工作介质是钇铝石榴石（性。工作介质是钇铝石榴石（Y Y3 3AlAl5 5OO1212）中掺杂中掺杂1.5%1.5%的钕制成。激光是近红外不的钕制成。激光是近

49、红外不可见光，保密性好，可连续可脉冲。可见光，保密性好，可连续可脉冲。准分子激光器的单光子能量高达准分子激光器的单光子能量高达7.9eV7.9eV，可可深入材料内部进行加工深入材料内部进行加工。大多数材料。大多数材料对其吸收率特别高。对其吸收率特别高。6 激光表面强化技术激光表面强化技术o 6.3 激光表面强化技术原理优点激光表面强化技术原理优点激光是一种相位一致激光是一种相位一致，波长一定波长一定，方向性极强的电磁波方向性极强的电磁波，激激光束由一系列反射镜和透镜来控制光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的可以聚焦成直径很小的光光(直径只有直径只有0.1 mm)，从而可以获得从

50、而可以获得极高的功率密度极高的功率密度(104109 W/cm2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段分为几个阶段:吸收光束吸收光束、能量传递能量传递、金属组织的改变金属组织的改变和和激光激光作用的冷却作用的冷却等。等。原理图原理图6 激光表面强化技术激光表面强化技术p 激光表面强化是采用大功率密度的激光束，以非接触性激光表面强化是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。它在材料加工中的如下来实现其表面改性的工艺

51、方法。它在材料加工中的如下优点：优点：(1) 能量传递方便能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部，可以对被处理工件表面有选择的局部强化；强化；(2) 能量作用集中，能量作用集中，加工时间短，热影响区小加工时间短，热影响区小，激光处理，激光处理后，工件变形小；后，工件变形小；(3) 处理表面形状复杂的工件，而且处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化容易实现自动化生产生产线；线；(4) 改性效果比普通方法更显著，改性效果比普通方法更显著， 速度快，效率高速度快，效率高,成本低成本低；(5) 通常只能处理一些薄板金属，通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材不适宜处理较厚的板材；6

52、 激光表面强化技术激光表面强化技术o 6.4 激光表面强化技术分类激光表面强化技术分类激光表面强化技术激光表面强化技术激激光光表表面面相相变变硬硬化化激激光光表表面面熔熔覆覆与与合合金金化化激激光光表表面面非非晶晶化化与与凝凝熔熔激激光光冲冲击击硬硬化化6 激光表面强化技术激光表面强化技术o 6.5 激光熔覆激光熔覆p 6.5.1 发展及其定义发展及其定义激光熔覆的英文原名激光熔覆的英文原名laser cladding，又称，又称laser hardfacing，或称激光涂覆，从或称激光涂覆，从1984年开始统称为激光熔覆。年开始统称为激光熔覆。激光熔覆激光熔覆是用激光将按照需要配置的合金粉末

53、熔化，成为熔是用激光将按照需要配置的合金粉末熔化，成为熔覆层的主体合金，同时基体金属有一薄层熔化，与之构成冶覆层的主体合金，同时基体金属有一薄层熔化，与之构成冶金结合的一种表面处理技术。金结合的一种表面处理技术。p 6.5.2 激光熔覆的特点激光熔覆的特点(1) 冷却速度快冷却速度快(高达高达106 K/s)，组织具有快速凝固的典型特征，组织具有快速凝固的典型特征；(2) 热输入和畸变较小，涂层稀释率低热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于一般小于5%)，与基，与基体呈冶金结合；体呈冶金结合；6 激光表面强化技术激光表面强化技术(3) 粉末选择几乎没有任何限制粉末选择几乎没有任何限制，特别是

54、低熔点金属表面熔敷特别是低熔点金属表面熔敷高熔点合金；高熔点合金；(4) 能进行选区熔敷能进行选区熔敷，材料消耗少材料消耗少，具有卓越的性能价格比；具有卓越的性能价格比；(5) 光束瞄准可以使难以接近光束瞄准可以使难以接近 的区域熔敷；的区域熔敷；(6) 工艺过程易于实现自动化。工艺过程易于实现自动化。p 6.5.3 激光熔覆的原理激光熔覆的原理激光熔覆原理示意图如右图所激光熔覆原理示意图如右图所 示。示。6 激光表面强化技术激光表面强化技术p 6.5.4 合金粉末合金粉末激光熔覆一般采用激光熔覆一般采用0.0450.154mm的粉末，粉末使用前应烘的粉末，粉末使用前应烘干以免影响流动性和避免

55、气泡的产生。粉末的热膨胀系数、干以免影响流动性和避免气泡的产生。粉末的热膨胀系数、导热性能应尽量与工件材料相近，以减少熔覆层中的残余应导热性能应尽量与工件材料相近，以减少熔覆层中的残余应力。力。常用的合金粉末：常用的合金粉末：Ni基基、Co基基、Fe基基、WC合金粉合金粉、符合粉符合粉末末等。等。p 6.5.5 激光熔覆供给方式及其特点激光熔覆供给方式及其特点供给方式分两大类：供给方式分两大类： 第一类是第一类是预引入式预引入式，即熔覆材料在激光辐射作用之前就，即熔覆材料在激光辐射作用之前就已预引入到了基材表面上；已预引入到了基材表面上； 另一类是另一类是同步引入式同步引入式，这种供料方式是在

56、激光辐射作用在基，这种供料方式是在激光辐射作用在基材表面的同时，将熔覆材料引入激光作用区域。材表面的同时，将熔覆材料引入激光作用区域。6 激光表面强化技术激光表面强化技术供料方式供料方式特点特点预沉积式预沉积式电镀法电镀法（1）引入简单，但有大量氢存）引入简单，但有大量氢存在，易形成气泡；在，易形成气泡；（2）沉积厚度可控，但成本较）沉积厚度可控，但成本较高；高；（3）最经济方便，但导热性差）最经济方便，但导热性差，要求激光功率大。，要求激光功率大。喷涂喷涂（火焰式等离子体）（火焰式等离子体）机械或人工机械或人工同步沉积法同步沉积法（用送粉器将合金元素（用送粉器将合金元素送入熔池）送入熔池）可

57、降低熔覆层的不均匀性，并可降低熔覆层的不均匀性，并可减少激光功率的消耗，但需可减少激光功率的消耗，但需要控制好混合系数及粉末利用要控制好混合系数及粉末利用率。率。激光熔覆供给方式及其特点激光熔覆供给方式及其特点6 激光表面强化技术激光表面强化技术o 6.5.6 激光熔覆工艺参数激光熔覆工艺参数及特点及特点种类种类需控制的主要工艺参数需控制的主要工艺参数特点特点脉冲激光脉冲激光熔覆熔覆激光束的能量、脉冲亮度、频激光束的能量、脉冲亮度、频率、光斑的几何形状以及工件率、光斑的几何形状以及工件的移动速度的移动速度1.可以再相当大的范围可以再相当大的范围内调节合金元素在基内调节合金元素在基体中的饱和程度

58、；体中的饱和程度；2.生产效率低，表面易生产效率低，表面易出现鳞片状宏观组织出现鳞片状宏观组织。连续激光连续激光熔覆熔覆光束形状、扫描速度、功率密光束形状、扫描速度、功率密度、气体种类、气流流向、引度、气体种类、气流流向、引入材料的成分、精度、供给方入材料的成分、精度、供给方式、供给量以及稀释度式、供给量以及稀释度1.生产效率高；生产效率高；2.容易处理任何形状的容易处理任何形状的表面；表面；3.层深均匀一致。层深均匀一致。6 激光表面强化技术激光表面强化技术o 6.5.7 激光熔覆的应用激光熔覆的应用进入进入20 世纪世纪80 年代以来年代以来, 激光熔敷技术得到了迅速的发展激光熔敷技术得到

59、了迅速的发展, 目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论上的支持和实践的需要上的支持和实践的需要, 激光熔敷技术在工业化上迈出了巨激光熔敷技术在工业化上迈出了巨大的一步大的一步, 其应用领域非常宽其应用领域非常宽, 它可以用于机械制造与维修、它可以用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与汽车制造、纺织机械、航海与航天航天和石油化工等领域。在和石油化工等领域。在刀刀具具、模具模具、阀体阀体上熔敷陶瓷层已获得广泛的应用。上熔敷陶瓷层已获得广泛的应用。6 激光表面强化技术激光表面强化技术文本文本激光熔覆激光熔覆的应用的应用激光熔覆

60、激光熔覆的应用的应用7 电子束表面强化技术电子束表面强化技术o 7.1 有关电子束强化处理技术的简介有关电子束强化处理技术的简介定义：利用高能电子束轰击材料表面，使其温度升高并发生定义：利用高能电子束轰击材料表面，使其温度升高并发生成分、组织结构的变化，从而达到所需性能的工艺方法，称成分、组织结构的变化，从而达到所需性能的工艺方法，称为电子束表面处理。为电子束表面处理。电子束表面处理技术是以电子束表面处理技术是以电场中高速移动的电子电场中高速移动的电子作为载能体作为载能体，电子束的能量密度最高可达，电子束的能量密度最高可达109W/cm2。与激光处理相比具有的特点：与激光处理相比具有的特点：（