材料学硕士论文-电火花表面局域强化与合金化.pdf

学校代码: 10699 分类号：tg668 学号: 98604062 硕士学位论文硕士学位论文 （ 学 位 研 究 生 ） 电火花表面局域强化与合金化 作 者刘建超刘建超 指导教师乔生儒教授乔生儒教授 学科(专业) 材料学材料学 西北工业大学材料科学与工程系 2001 年 3 月 西北工业大学硕士学位论文 i 目 录 摘要. abstract 第一章 资料综述.1 1.1 高能束热源表面强化 .2 1.1.1 激光表面强化.2 1.1.2 电子束表面强化 .3 1.1.3 感应加热表面强化.4 1.2 超硬化合物表面涂覆强化.5 1.2.1 cvd 处理.5 1.2.2 pvd 处理6 1.1.3 td 处理（熔盐浸镀）.8 1.3 化学表面处理强化.8 1.3.1 渗碳强化处理.9 1.3.2 氮化处理.9 1.3.3 碳氮共渗10 1.3.4 硼化处理.10 1.4 离子注入表面强化处理.11 1.5 热喷涂与热喷焊12 1.6 电火花表面强化处理.13 1.6.1 电火花表面强化研究现状及发展趋势.13 1.6.2 电火花强化的特点15 1.7 研究内容及方法.15 第二章 电火花表面强化原理及强化设备17 2.1 电火花表面强化原理17 2.2 强化机的结构.21 2.2.1 脉冲电源21 2.2.2 振动器24 西北工业大学硕士学位论文 ii 2.3 电极材料的选择.26 第三章 强化层的形成规律及特性.27 3.1 影响电腐蚀的主要因素.27 3.2 强化层的形成规律29 3.3 强化表面的形貌.32 3.4 强化层的结构34 3.5 强化层中化学元素的分布.37 3.6 本章小结37 第四章 强化层厚度的影响因素.40 4.1 强化层厚度与电容量之间的关系.40 4.2 强化层厚度与电压之间的关系42 4.3 强化层厚度与放电能量的关系43 4.4 强化层厚度与强化时间的关系43 4.5 影响强化层厚度的因素43 4.6 本章小结.45 第五章 强化层的硬度与耐磨性.46 5. 1 强化层硬度的测量46 5. 2 强化层显微硬度的影响因素.47 5. 3 强化层的耐磨损性能50 5.4 本章小结53 第六章 结 论54 参考文献55 致 谢.57 西北工业大学硕士学位论文 iii 摘 要 本文利用了自行研制的电火花表面强化设备并选用不同的 电极材料，对 45#钢、cr12mov 等工件材料进行了表面强化处 理，较深入的研究了电火化表面强化层的形成规律、强化层的 结构、组成和特性，以及强化的机理。通过选择和控制强化工 艺参数（电容、电压、单个放电脉冲能量及比强化时间），研 究了强化层的厚度、表面硬度、耐磨性及其影响因素，并得出 提高强化层质量和强化效率的优化工艺。 x 射线衍射及线扫描分析表明，强化层组织中含有碳化物、 氮化物以及电极、工件元素，并且电极和工件元素沿强化层深 度方向按一定的梯度分布。电火花强化不是电极材料在基体上 简单的镀覆，强化层实际为电极材料、工件材料及空气中电离 的气体离子在高温、高压下发生相互融渗、物理化学冶金及合 金化的结果。 不同强化时间下强化层表面、断面形貌的金相分析可知， 要得到连续、均匀、致密和具有一定厚度的强化层，关键是选 择合适的强化时间。强化时间过短，则强化层过薄，强化效果 不明显；强化时间越长，则强化层越厚，但强化层易出现裂纹、 剥落和断缺，使强化层质量下降，并使强化效率降低。 强化工件的硬度和耐磨性能实验表明，强化层的硬度和耐磨 西北工业大学硕士学位论文 iv 性显著高于工件基体。强化层的硬度在白亮层最高，在强化层 与与基体的结合区硬度降低，并在过热影响区达到最低。选择 高硬、耐磨的电极材料，合适的电规准及比强化时间，可以获 得高硬度、高耐磨性能的强化层。 在电火花强化过程中，较为优异的强化工艺为：先采用较 大的电规准 强化以满足强化层应具有一定厚度的要求，同时 提高强化效率；然后采用小的电规准进行强化表面的整修，以 提高强化表面的光洁度和致密性。 关键词：电火花 表面强化 强化层 电规 准 耐磨性 abstractabstract in this investigation, by utilizing a self-made electrical discharge surface hardening equipment, some samples are surface hardened by several positive electrodes made of different materials such as wc and cr12mov. in addition, the forming mechanism and the characters of the surface-hardening layer are systemically researched as well as the layers construction and element distribution are studied. in order to improve the hardening productiveness and the layers quality, the layers hardness, wearing resistance and hardening depth are inspected under different technological parameters such as the electrical capacity, the voltage, the pulse energy and the hardening time, and an optimum technology is put forward. according to the analyses of the x-ray diffraction and line scan, the hardened 西北工业大学硕士学位论文 v layer is consisted of carbides, nitrides and the elements of positive electrodes and specimens. the electrical discharge hardening is not only a progress of the positive electrodes overlaying on the matrix materials, but also a complicate alloying and metallurgy progress of the elements coming from the positive electrodes and specimen, and the ions coming from the ionized air. the metallograph analysis of the layers surface and section appearance demonstrates that the hardening period is the key factor to forming a successive, well-distributed layer with a certain depth . if the hardening period is too short, the layer will be too thin and has less effect. on the other hand, if the hardening period is too long, the layer will break and come off, and the surface quality as well as the hardening productiveness will decreases. tests show that the hardness and wearing resistance of the hardened layer are much higher than that of the matrix materials. the hardness is very high in the white- bright area, then decreases in the combining area and lowers to the minimum in the over-heated area. if the specimen is hardened by a stiff and highly wearing resistant positive electrode for a appropriate hardening period, its surface hardness and wearing resistance will be greatly improved. the optimum technology of electrical discharge surface hardening is that: to meet the requirement of a certain layer depth and improve the hardening productiveness, a lager electrical parameter should be adopted first, and then a smaller electric parameter is selected to improve the layers smoothing and compactness . key words: electrical discharge surface hardening hardened layer electrical parameter wearing resistance 西北工业大学硕士学位论文 1 第一章 资料综述 现代的机械制造业都致力于提高零件的可靠性和使用寿命，以 改进产品的质量和增加经济效益。在机械制造业中，切削刀具和模具 是最为普遍采用的重要生产工具。随着科学技术的发展和生产技术的 进步，加工设备的运转速度、加工能量、生产效率和自动化水平日益 提高，产品的精度要求也越来越严格。为了延长产品的使用寿命，新 的高硬度、耐高温、高韧性等难加工材料不断涌现。因此，对切削刀 具和模具的耐用度也相应地提出更高的要求1,2。 众所周知，车刀、刨刀、铣刀等刀具在切削过程中刃口便会逐渐 被磨损，切削效率随之降低而使产品的精度受到影响。当刀具磨损到 一定程度之后，就要停机卸下刀具进行刃磨。如果刀具的耐磨性差， 停机的次数就多，还不仅影响到工件的质量，而且使生产效率降低。 在一些难加工材料的切削或深孔钻削加工中，还往往由于刀具的耐高 温性差而出现刃口退火、甚至于卷刃的现象，直接妨碍了加工的正常 进行。 模具在使用中同样也会被磨损。比如，冷冲模具在磨损之后刃口 变钝，模具配合间隙扩大导致冲件毛刺增加而必须卸模进行刃磨。一 付模具的刃磨次数是有限的，两次刃磨之间的冲件数量越多，说明模 具的使用寿命越长，所以要求模具具有高的耐磨性能。热锻模、压铸 模等模具则是工作在较高的温度下，而冷冲模具在工作中，局部也会 生产生高温，因此模具同样希望具有耐高温的性能。 除了刀具和模具之外，对于一些易磨损的机器零件也要求提高它 的耐磨性和使用寿命，因为一台机器往往因为某个或某几个零件磨损 而停止运转。所以，提高易磨损件的耐磨性是提高设备质量的重要方 面。比如，拖拉机快档拨叉的早期磨损就是影响拖拉机质量的关键之 一，提高拨叉的耐磨性，解决早期磨损的缺陷，就能使拖拉机正常运 行，大大减小制造厂的返修工作量。 为了提高零件的可靠性和使用寿命，改进产品的质量和增加经济 效益，零件必须经过特殊的强化处理。但是一些传统的老工艺常常达 不到预期的要求，这就促使人们去探索新的途径。应用表面强化技术 提高零件的可靠性和使用寿命就是其措施之一3。 表面强化技术的方法是多种多样的。高能束热源表面强化（激光、 电子束、高频电磁感应加热等）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共 渗等）、喷涂各种涂层材料、物理气相沉积（pvd） 、化学气相沉 积(cvd) 、喷丸强化等都是非常有效的表面强化手段，它们既可以提 高产品的硬度、耐磨性及高温红硬性等性能，显著的提高产品的使用 寿命，又能大大减少贵重材料的消耗，从而降低产品的成本4,5。 1.1 高能束热源表面强化技术 常用的高能束热源表面强化技术有激光表面强化、电子束表面强 西北工业大学硕士学位论文 2 化和电磁感应表面强化。 1.1.1 激光表面强化 激光表面强化是用一定扫描速度的激光束照射被处理的金属表 面，在很短的时间（10-110-3秒）内激光的能源被处理表面吸收而产 生高温，当激光束移开时被处理表面迅速冷却，从而达到表面强化的 目的。当激光与材料相互作用时，激光辐射波长越短，金属的反射系 数越小，所吸收的光能就越多。一般常用人工方法来降低金属表面的 反射率，如改变表面粗糙度、采用各种涂层等，以此来提高激光加工 效率。 材料被加热的温度由激光器辐射的功率密度决定的。低功率密度 （约 103104w/cm2）只能加热材料，不能使材料熔化和蒸发。功率密 度提高到约 105 w/cm2时材料开始熔化，提高到 106 w/cm2以上时材 料会产生蒸发。激光辐射在材料内引起的过程不仅与辐射的功率密度 有关，还与辐射的作用时间有关。调节这两个辐射参数，可得到不同 的能量条件因而可进行不同的激光操作。激光辐射作用区晶粒非常细 小，畸变增大，位错密度也增大。随着辐射功率密度的增加，平均位 错密度也增加，而且会形成网状结构或产生晶格位错组织。 激光表面强化具有加热、冷却速度快，可进行局部的选择性淬火、 工件氧化小、几乎无变形和可进行局部合金化处理等特点，能够很快 地赋予金属表面很高的硬度和耐磨性。因激光功率密度和作用时间不 同，可以对金属表面进行相变硬化、冲击硬化、金属表面合金化、表 面涂覆和表面非晶化等多种方法的处理4,5。激光表面强化方式有： 1）金属表面相变强化 具有高功率密度的激光束扫过金属表面 后，使金属表面产生很高的温度，使金属发生相变强化，激光照射材 料体内的热传导与时间的平方根成正比。表面温度与激光照射停留时 间的平方根成正比。因此，通过控制光束直径和扫描速度，可以调节 温度和加热的深度。 2）金属表面激光合金化 如果激光束功率足够强和材料能吸收 入射的射线，则材料表面可能产生局部熔化，所需的功率密度相当于 固体相变硬化的三倍。通过光束高速扫描，可得到大面积的局部熔化。 而在液态金属区掺加其它合金元素，可改变零件表面的成分、组织和 性能，使零件表面具有抗腐蚀和耐磨损性性。激光表面合金化是一种 局部表面处理的新方法，所需熔化区深度可以控制。先用电镀、气相 沉积、离子注入等方法把所要求的合金元素涂敷至金属表面，然后在 激光束照射下产生一层厚度为 10100m 的表面熔化层，由于凝固 时的冷却速度可达 105106/s，很快就能产生一层所希望的新合金 覆盖层。 3）激光上釉 又称激光上亮。其主要特点是：靠激光扫描而熔 化的薄层金属由基体材料迅速冷却，如冷却的速度足够快，就会激冷 成非常细密的显微组织，甚至成为非晶态组织。非晶态组织具有高度 的抗腐性和良好的耐磨性，并且具有良好的抗疲劳性能。进行这种处 西北工业大学硕士学位论文 3 理所需的功率密度约为 108w/cm2左右，在某些情况下，冷却速度可 达 108/s。 4）冲击淬火强化 用很高功率密度（10 6w/cm2）的激光，在很 短的时间内（千分之几秒或万分之几秒）使温度迅速上升到足以汽化 材料表面的程度。若表面如此突然地被汽化，金属基体就会受到高压 压力波的冲击，会引起位错增殖而使材料硬化。 激光表面强化的优点： 1可得优质的硬化层，且热处理变形小。 2能自冷，不需要介质，热源洁净，无环境污染。 3可实现表面薄层和局部淬火，不影响基材的机械性能。 4可硬化极小部位，如深孔壁及深沟底、侧面等部位。 激光表面强化也存在一些缺点而制约其广泛的应用：激光器受功 率限制，且价格较贵，只能取代部分热处理方式，应首先选择产生经 济效益较大的零部件予以应用。 1.1.2 电子束表面强化 电子束表面强化和激光表面强化除了热源的区别外，其它方面基 本上是一样的，凡可以进行激光热处理的零件，都可以采用电子束处 理。 电子束表面强化设备的主要部分是电子枪。当电子轰击金属表面 时，电子流和材料中的原子碰撞，并给原子以能量，电子流穿透材料 的深度取决于加速电压的高低和材料密度的大小，由于电子束停止轰 击时，热量快速向冷基体金属扩散，使表面自行加热。 电子束加热表面时，表面温度和透层深度除与电子束能量大小有 关外，还与轰击时间的长短有关。轰击时间太长，会使基体金属过热， 影响强化效果。通常电子束加热的速度很快，产生奥氏体化的时间仅 为零点几秒，甚至更短。因此晶粒很细，硬度比一般热处理所得结果 要高的多。 电子束表面强化处理的优点： 1适合于局部表面改性。 2零件处理时变形小。电子束的功率、作用时间等规范参数可以 精确控制。表面层的硬度、强化的深度、加热和冷却速度都可以严格 地控制。 3不需要特别的冷却装置即可获得足够的冷却速度。 4不论零件的形状多么复杂，凡是能观察到的区域都可进行电子 束表面强化。 5强化在真空之中进行，可获得纯净的表面层，几乎没有氧化。 电子束表面强化的缺点：强化在真空室中完成，不利于大型零件 和生产流水线上的处理, 灵活性较差。此外，设备、工序和成本也较 为昂贵4，5，6。 西北工业大学硕士学位论文 4 1.1.3 感应加热表面强化 感应加热表面强化的原理是：将被加热的(工件放入感应线圈中， 工件和感应线圈间应留有适当间隙，如 1.53mm)。当以一定频率的 交流电通入感应线圈时,在其周围会产生交变的磁场,于是在工件中产 生感应电流（称为“涡流”）。此电流主要集中在工件表面，频率越 高，电流集中的表面层愈薄。这种现象称为“集肤效应”。电流密度 与电流频率及离表面的距离等因素之间的关系可用下式表式： jx=j0exp l f c 2 （11） 式中 j0导体表面的电流密度（a/m2）； x至表面的距离（mm）； jx距表面 x 处的电流密度（a/m2）； c光速； 被加热材料的相对导磁率； f电流频率（hz）； 被加热材料的电阻率（.cm）。 从（11）式可以看出：电流频率越高，电流透入深度就愈小。 因此可根据零件所要求的层深度选择频率，从而选定设备。例如， 要求层深度为 50mm 左右时，应选用工频（50 hz）感应加热；若为 3.5 20mm 时，应选用中频（500800 hz）感应加热；若层较浅时，则 应选用高频（100500k hz）感应加热。 电阻率愈大，导磁率愈小，则电流透入深度愈大6，8。 感应加热强化的优点主要在于： 1加热速度快，热效率高。这是因为处在交变磁场中的零件主 要靠自身的热量来加热，其热损失少，热效率可达 60%以上，且加热 速度每秒可达几百度至几千度。 2热处理质量高。因为加热时间短零件氧化和脱碳少，由于零 件心部处于低温状态，所以外硬内韧，且变形小。 3硬层深度容易控制，质量稳定，目可采用价格较低的低淬透 性钢 生产率高，易于实现机械化，自动化。 其缺点是：设备较贵，不易处理形状复杂的零件，也不适宜于单 件生产。 1.2 超硬化合物表面涂覆强化处理 这是在工件表面涂覆一层或多层超硬化合物。涂覆物质有 tic, vc，nbc， (crfe)c, al2o3等，覆膜厚度随涂覆物质的种类、工件形 状等因素而变，一般在 315m 范围内。这种技术的最大特点是能 获得高硬度、高熔点的覆膜。如 tic 层的硬度可达 hv33004000， 熔点高达 3160，比其它硬质合金的硬度和熔点高得多 1，这是用其 他强化方法所不能达到的。所以超硬化合物表面涂覆处理是一种很有 西北工业大学硕士学位论文 5 前途的表面强化技术。 实施超硬化合物表面涂覆的主要方法有化学气相沉积（cvd）、 物理气相沉积（pvd）、熔盐浸镀（td）等几种1，4，6。 1.2.1 cvd 处理 cvd 法是将低温下气化的金属盐（通常为金属卤素化合物）与 加热到高温的基体接触，通过与碳氢化合物和氢进行反应，在基体表 面上沉积所要求的金属或金属间化合物。cvd 处理的沉积机理是复 杂的，但是其反应可以整理成如下的五种形式 。 固相扩散：ti（固）+2bcl3(气)+3h21300k tib2(固)+6hcl(气) 热 分 解：ch3sicl3(气)1700k sic(固)+3hcl(气) 氢 还 原：wf6(气)+3h2(气)1000k w(固)+6hf(气) 反 应 蒸 镀 ： 2tacl3( 气 )+n2( 气 )+5h2( 气 )1200k 2tan(固)+10hcl(气) 置换反应；4fe+2ticl3(气)+n2(气)1300k 2tin(固)+4fecl2(气) cvd 处理设备包括金属卤化物蒸发器、气体供给系统、气体混 合装置、真空抽气系统、反应炉和加热炉、温度控制装置、气体流量 控制装置和气体净化装置等几部分。 cvd 处理中，温度是最重要的工艺参数，它对沉积速度和深层 厚度分布有着重大的影响。因此，工业 cvd 设备多采用加热式炉子， 炉温分区控制以确保温度的均匀性。cvd 设备应能正确控制气体的 成分和流量，使气体消耗量最少。氯化物的浓度控制是至关重要的因 素。而高纯度气体消耗量的多少，对生产成本有很大的影响。 cvd 处理的优点： 1镀层的化学成分可以变化，从面获得梯度沉积物，或者得到混 合镀层。 2可以控制镀层的密度和纯度。 3可以在大气压或低于大气压下进行沉积。 4沉积层纯度高，沉积层与基体的结合力较强，沉积层硬度高， 并且耐磨性能好。 5可以沉积各种单晶，多晶或非晶态无机薄膜材料，操作方便， 工艺上重复性好，适于批量生产。 缺点：cvd 技术是热力学条件决定的热化学过程，一般反应温 度多在 1000以上，限制了 cvd 技术的应用范围。同时 cvd 需要 气密减压的反应容器，其排出物污染环境，有害健康。此外，大多数 cvd 处理的工具必须重新加热。 1.2.2 pvd 处理 pvd（物理气相沉积）处理是用物理方法把欲涂覆物质涂覆在工 西北工业大学硕士学位论文 6 件或试样表面上的处理技术。物理气相沉积是相对于化学气相沉积而 言的，并不意味着 pvd 处理中完全不能有化学反应，例如活性反应 蒸镀就引入了化学过程。pvd 处理有真空蒸镀、真空溅射和离子镀等 几大类。其中，真空蒸镀的效果较差。目前投入工业应用的主要是 后两种方法。 真空蒸镀是在高真空中把金属、合金或化合物蒸发，凝聚，堆积 在试样表面上的方法。蒸镀速度（镀膜成长速度）为 10-52.510- 2mm/min,与离子镀和真空溅射比较，镀膜的粘着性不好。 真空溅射是用高能离子冲击物质（靶子）表面、产生溅射现象， 从靶子溅射出来的离子堆积在试样（工件）上，形成覆膜。与真空蒸 镀相比较，真空溅射有如下优点： (1)膜与试样基体之间的粘着力强。 (2)容易形成高熔点物质的膜。 (3)可得到大面积均匀的膜。 （4）易于控制成分，设备能长时间工作，且工艺再现性好； （5）阶梯状工件表面涂覆的效果好； （6）几乎可获得一切物质的薄膜。 离子镀是将蒸发源蒸发出的粒子用某种方式离子化（还有虽未离 子化，但已处于激发状态的粒子），离子与其他中性粒子一起在工件 上沉积，形成覆膜。蒸发粒子离子化的方法有：将惰性气体（氩、氦） 导入真空室发生辉光放电，在等离子体中使蒸发粒子离子化；或者不 使用气体等离子，而用别的系统发出的电子与蒸发粒子碰撞使其离子 化。 以上是 pvd 的几种常用方法。随着 pvd 处理中使用的蒸发物质 和反应气体不同，可在工件表面形成各种不同的超硬化合物涂层，从 而具有令人满意的耐磨性、耐蚀性、耐热性及装饰性。pvd 可在切削 工具，金属模具、装饰品等领域得到广泛使用。 pvd 和 cvd 都是气相沉积，从这一点来讲两者无本质区别。但 两者在效果和使用范围方面有所差别： 1 pvd法对涂覆物质的选择性自由度高， 而cvd法中除mt-cvd 涂履 ticn 能适应几乎所有的金属材料和非金属材料基体外，其他涂 覆物质能与之相适应的基体材料是有限的。 2pvd 处理时工件温度相当低（如可低到 150），而一般的 cvd 处理要在 1000的温度进行，处理后还要进行回火以获得基体 所需要的性能。 3pvd 处理后工件的表面状态与完成精加工后的表面状态相同， 无须耽心变形问题，而 cvd 处理则须对此予以充分考虑。 4cvd 的绕镀性比 pvd 好。 5pvd 是无公害处理，而 cvd 排出的气体是有毒的，须作防 污染处理。 pvd 需要真空等离子系统以及蒸发源，设备价格较高；且在真空 之中进行处理，只适于小型工件或经济效益较大的工件的处理。 西北工业大学硕士学位论文 7 1.2.3 td 处理（熔盐浸镀法） td 处理（toyota diffusion coating process）是日本丰田中央研究 所开发的，用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行扩散表面硬化处理的 总称，实际应用最为广泛的是用熔盐浸镀法在工件表面涂覆 vc、 nbc、cr-c 等碳化物。其具体操作方法为：将放入耐热钢坩锅中的 硼砂（占 7090%）熔融后，欲涂覆哪种碳化物，即向硼砂浴中相应 地加入哪种能形成碳化物的物质，例如涂覆 vc 时加入 fev 的合金 粉末或 v2o5粉末，将含碳的钢件浸入保持在 8001200的盐中，保 持 110 小时（时间长短取决于处理温度和涂层厚度），便得了仅由 碳化物构成的表面涂覆层1，8。 目前对工具钢多用 vc 涂层。td 处理过程中钒、铌、铬等碳化 物形成元素与碳结合，在工件表面上形成了 vc、nbc、cr3c7等碳化 物。这里的碳并非由外部加入，而在处理温度下奥氏体或铁素体中的 固溶碳。表面形成碳化物后，出现内外碳浓度的梯度。随着涂覆过程 进行，碳不断向外扩散，并使涂层加厚。所以，熔盐浸镀法是一种利 用扩散过程的表面硬化处理方法，覆膜的形成机理与 pvd、cvd 不 同。 影响熔盐浸镀涂层厚度的主要因素是盐熔温度、处理时间和钢的 成分（特别是含碳量）。td 处理后涂层具有硬度高、耐磨性好、抗 热粘结性好以及抗氧化、耐蚀性好等优异的物理机械性能。并且还具 有以下设备及工艺方面的优点： 1设备结构简单，价格便宜。 2操作简便，工件可自由从炉中出入。 3工件的冷却方法可以任意选择。 4涂层的成分性能不受处理温度的影响。 5可作局部涂覆。同时也可以满足工件的整体涂覆。 td 处理主要存在以下的一些缺点限制了其应用范围：td 处理的 温度范围较高（大体与 cvd 相当），在与陶瓷等硬粒子冲撞，或在 由于非常大的压力而使基体发生塑性变形的情况下，往往在碳化层产 生裂纹或剥离；由 td 处理是利用基体材料中的碳，所以在薄的刃口 处难以形成厚的碳化物层，有时由于基体中的碳含量减少而使硬度降 低。 13 化学表面热处理强化 化学表面热处理是使工件表面层组织成分发生化学变化的一种强 化方法。在化学表面热处理过程中，工件被放在某种化学介质中加热 和保温，介质中的活性原子渗入工件表面而改变工件的化学成分和组 织，以获得所需的性能。 化学表面热处理的目的为达到“表硬里韧”的表面强化作用；提 高工件的疲劳强度，获得特殊的物理、化学性能，如耐蚀性、耐磨性 等。根据渗入工件表面的元素不同，化学表面热处理有渗碳、氮化、 碳氮共渗、渗硼和渗硫等。工业上常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗和 西北工业大学硕士学位论文 8 渗硼6，7，8。 1.3.1 渗碳 渗碳是将碳元素渗入低碳钢或低碳合金钢表面，使其含碳量提高 到 0.81.0%，再经低温回火，以获得表面的高硬度和耐磨性，而心部 仍保持较好的韧性。渗碳根据采用的渗碳剂不同，可分为气体渗碳、 固体渗碳和液体渗碳三种，生产中常用的是气体渗碳。 气体渗碳常将煤油作为主要渗碳剂滴入井式炉中进行化学分解， 产生甲烷（ch4），并析出活性碳原子c： ch4 2h2+c 活性碳原子c被钢件表面吸收，再向内部扩散，实现渗碳。由 于煤油滴入易在工件表面产生碳黑，故常用煤油+甲醇，甲醇+丙酮等 复合渗碳剂。渗碳层的深度与渗碳的温度、时间和渗碳剂有关，渗碳 温度一般为 900930。渗碳层的深度 d 与时间 t 有以下关系： d=kt 其中 k 为一常数 渗碳零件必须进行淬火及低温回火。渗碳可以提高工件的表面强 度、耐磨性和抗疲劳性能，并保持良好的韧性。 渗碳有以下一些优缺点及其应用范围：气体渗碳生产效率高，操 作方便，渗碳层质量容易控制，渗碳后可直接淬火。应用广泛，可用 于成批生产，但操作时间长；液体渗碳操作简单，加热速度快，渗碳 时间短，可以直接淬火，适用于批量生产，但多数渗碳剂有毒，工件 表面若沾有残盐，需要清洗；固体渗碳时间长，劳动条件差，渗层质 量不好控制，但对加热炉要求不高，适用于小批量生产。 1.3.2 氮化 氮化是将氮离子渗入钢件表面的过程。其目的是提高工件表面硬 度、耐磨性、疲劳强度及腐蚀抗力。还可提高抗回火软化能力，降低 缺口敏感性。氮化可分为气体氮化、离子氮化和软氮化。 气体氮化又称为强化氮化或硬氮化，气体氮化采用氨气（nh3） 作为氮化介质，氮化温度约为 500570。在此温度下，nh3分解析 出活性氮原子n： 2nh3 3h2+2n 活性氮原子n被钢表面吸收，并向内层扩散，形成硬度高、耐 磨和耐蚀的氮化层。气体氮化适用于要求表面硬度高、耐磨性好、热 处理变形小及精度高的零件，如镗床镗杆，精密机床主轴等。其缺点 是氮化温度低，氮化速度慢。例如要获得 0.20.5mm 的氮化层，一般 需要 2050h。 离子氮化是利用含氮的稀薄气体的辉光放电现象进行氮化，可大 大缩短氮化周期，仅为气体氮化的 1/21/4 周期7，具有氮化层脆性低 和变形小等优点。但离子氮化设备较复杂，尚有一些工艺问题需要进 西北工业大学硕士学位论文 9 一步解决。 软氮化采用含碳、氮的尿素（nh2）2co（白色晶状粉末）送入 炉内，在 570发生热分解而析出活性氮和碳。工件表面首先被碳所 饱和，形成细小的碳化物，并以此为媒介促进氮的渗入加速氮化过程， 一般经 2h6h 即可形成足够的氮化层，仅为气体氮化时间的 1/31/4。 气体软氮化的缺点是氮化层硬度一般为 hv500600，比气体氮化的硬 度（一般为 hv10001200）低得多6，7。 1.3.3 碳氮共渗 碳氮共渗是向钢件渗入碳和氮原子的化学热处理。因为 c、n 原 子组成根cn，所以碳氮共渗习惯上称为氰化。碳氮共渗层兼有渗碳 层和氮化层的特性。根据碳氮共渗温度不同，碳氮共渗可分为高温 （900950）、中温（700880）和低温（500600）三种。高 温碳氮共渗以渗碳为主，应用较少。中温碳氮共渗与渗碳接近，但较 渗碳加热温度低，生产周期短，工件变形小，而且渗层有较高的耐磨 性、疲劳强度和抗压强度，并兼有一定的抗蚀能力。故可常用以代渗 碳，适用于低碳钢及低碳合金钢。处理后要淬火及低温回火。低温碳 氮共渗以氮化为主，即的软氮化处理。 1.3.4 渗硼 工件表面渗入硼的化学热处理工艺称为渗硼。渗硼也是一种非常 重要的表面强化技术，它可以提供极高的表面硬度（hv15002000）、 耐磨性、红硬性（900950）以及在盐酸、硫酸及碱中的抗蚀性1，9。 渗硼温度为 9001050，之后需进行淬火处理。渗硼工艺适用 于钢、铸铁及硬质合金等材料，在冷、热模具上效果很好。渗硼层深 度一般为 0.10.3 mm，由 feb 组成，呈针状契入基体。钢中含碳越多， 层深越薄。常用的渗硼工艺有固体渗硼、气体渗硼、盐渗硼和盐溶解 渗硼。工业上常在渗硼后直接淬火。淬火时冷却过快会使渗层出现裂 纹。 1.4 离子注入表面强化处理 离子注入表面强化处理也是一种广泛使用的表面强化新技术，目 前离子注入工艺已应用于许多工业部门，尤其是在工具和模具制造工 业，效果更为突出。离子注入技术是在真空中将注入的原子电离成离 子，由引出系统引出离子束流，使带电离子在强电场下加速，直接注 入到置于靶中的固体材料表面，从而形成一定深度离子注入层，同时 改变表层的结构和成分，以获得新的性能的表面处理工艺。离子注入 技术的主要优点为9，10： 1离子注入可以向金属或合金材料表面注入任何所需要的元素， 被注入的元素不受合金系统平衡相图中固溶度的限制。 2离子注入的浓度可以很大，且与扩散系数无关。处理过程是 西北工业大学硕士学位论文 10 依赖于离子的高能运动而不是靠热能渗浸到工件表面内，不存在变形 问题。 3能改变材料的表面性质而不影响材料的内部结构和特性，既 可保持工件表面硬度、耐磨性好，又可保持基体韧性好。 4离子以很高的速率注入工件表面引起点阵损伤，形成密集的 位错网络，使表面获得强化，增加耐磨性和其它力学性能。在处理的 表面上产生压应力，提高了工件的疲劳寿命。 5注入层和基体不存在着明显的界面，不存在表层疏松剥落和 界面腐蚀问题。 6无废物处理，安全可靠。 离子注入工艺和其它表面处理工艺相比，同样存在着局限性4，11， 12： 1由于离子注入的直线性，对复杂的工件或工具进行处理时，需 转动或平移工件，有时即使转动或平移工件也难于解决问题。 2要求注入离子剂量大，至少要使离子在 1017离子/cm2以上，要 求专用的强流注入机，设备费用昂贵。 3由于工件表面注入层薄，对服役于重磨擦的工件受到了一定的 限制。 1.5 热喷涂和热喷焊 热喷涂也是材料表面强化处理的一种有效方法，它是利用专用设 备将某种固体材料加热熔化或软化并加速，喷射到基体表面上，从而 形成一种特制薄层，以提高基体表面性能的表面处理技术1，4，13。 热喷涂技术的热源类型有五种：气体燃烧火焰，气体放电的电弧， 电热热源，爆炸热源和激光束热源。采用这些热源加热熔化不同形态 的喷涂材料形成了不同的热喷涂方法。热喷涂技术作为材料表面防 护、强化及表面改性手段，具有以下优点： 1喷涂材料种类多，几乎所有的金属、合金、陶瓷都可以作为 喷涂材料， 可制成各种成分和性能的涂层。 2可用于各种基体的表面处理。 3可使基体保持较低温度，并可控制基体的热程度，从而保证 基体不变形。 涂层厚度可控制，从几微米到几十微米，根据要求选择。 热喷涂的不足之处主要有： 1涂层的结合强度较低，涂层的孔隙率较高。 2对于喷涂面积小的工件喷涂沉积效率低，成本较高。 3喷涂层的均匀性较差。 热喷焊是在喷涂过程的同时或喷涂形成之后，对金属基体和涂层 进行加热，使涂层在基体表面熔融，熔融的涂层和基体之间产生一定 的相互扩散过程而形成类似焊接连结的冶金过程。由于喷焊在喷涂过 程中使工件表面同时产生熔化层，与基体形成冶金结合，其结合力比 喷涂的结合力大得多，且涂层组织均匀，致密性好，故在表面耐磨处 西北工业大学硕士学位论文 11 理中得到较广泛的应用，还可用于受冲击、冲刷的工件。其缺点是工 件受热影响较大，易变形，不适于薄壁件及长杆件的处理。 上述高能束热源表面强化（激光、电子束、电磁感应加热等）处 理、物理气相沉积（pvd）、化学气相沉积(cvd)、化学表面热处理 （渗碳、渗氮、碳氮共渗等）、喷涂各种涂层材料等各种表面强化技 术均可显著提高产品的硬度、耐磨性及高温红硬性等性能，延长产品 的使用寿命。但是上述各种表面强化方法由于存在诸如设备工艺复 杂、强化周期长、工作环境要求特殊以及设备成本、工艺成本费用高 等多方面因素的限制，往往只能用于批量生产或用于经济效益较大的 零部件的生产。因而，它们的应用受到一定的限制。 本文将研究一种既能显著提高工件表面硬度和耐磨性，又具有简 便、经济和应用灵活等特点的新的表面强化工艺方法：电火花表面强 化。 1.6 电火花表面强化 电火花表面强化是一种新型的表面强化技术。它是利用电火花加 工原理使电极（正极）周期性地与被处理表面（负极）接触产生脉冲 放电，电极间隙中的空气或其它介质在电场作用下电离为活性离子而 形成火花通道，电子、离子间的碰撞放出大量的热，电极受到电子束 的高速轰击，工件表面受到正离子的撞击，在极短的时间内（10-410- 5 秒）产生很高的温度（约 500010000），使电极和工件的表面 瞬时被熔化，电离的氮离子和少量氧离子作用下，在工件表面微区内 产生高温高压下的物理化学冶金过程而使工件表面重新合金化，并伴 随着熔渗扩散过程，同时工件表层亦快速冷却而产生“自”硬化现象。 电火花表面强化的效果非常显著。据文献 5报导，采用 wc，tic 等 硬质合金材料强化高速钢或合金工具钢材料的工件，强化表面能形成 显微硬度 hm1100 以上的耐磨、耐蚀和具有红硬性的硬化层，使工件 的使用寿命显著的提高。另外，电火花强化技术还能用于磨损工件的 微量修补。在现代化的生产中，机械设备、零件维修的重要性越来越 突出。维修也是一种投资，它是与固定资产同样重要的投资。从这个 角度来说，维修也是生产力2。电火花表面强化与修复能够用于已磨 损的模具、量具和机器零件的微量修补，使得设备正常运行，有着显 著的经济价值。 电火花表面强化设备及工艺水平是影响其应用效果、应用范围的 决定因素。因此，进一步探讨和提高强化设备的制造水平、工艺水平， 对于扩大应用领域，提高工艺的稳定性、可靠性和生产效率，有着非 常深远的意义。 1.6.1 电火花表面强化研究现状及发展趋势 要研究电火花表面强化与修复，应该从电腐蚀现象开始。 早在 19 世纪初，电腐蚀放电现象就被人们所发现。例如在电插 西北工业大学硕士学位论文 12 头或电触开关的触点接触或断开时，电火花放电往往把接触表面烧 毛、腐蚀成粗糙不平的凹坑而逐渐损坏。长期以来电腐蚀一直被认 为是一种有害的现象，人们不断的研究电腐蚀的原因并设法减轻和避 免电腐蚀16，17。 研究结果表明，电火花腐蚀的原因是：电火花放电时,放电通道在 瞬时产生大量的热能达到很高的温度,足以使任何金属材料局部熔化、 气化而被蚀除掉，形成放电凹坑，人们在研究抗腐蚀办法的同时，开 始研究利用电腐蚀现象对金属材料进行加工和利用。 20 世纪 40 年代，前苏联利用工具和工件之间的火花放电，把金 属蚀除下来，称为电蚀加工。日本、英、美等国家随之进行大量的研 究， 称为电火花加工 （electrical discharge machining 简称 edm） 。 20 世纪 50 年代，前苏联利用电极和工件之间的放电进行工件的表面 强化和修复，称之为电火花强化（electrical discharge hardening 简称 edh）18，19。 我国应用电火花强化工艺始于 20 世纪 50 年代末，由于当时在基 础理论和应用技术等方面缺乏，强化设备本身也存在着很多缺点，因 此未能得到推广。在七十年代末，这项被工艺因在刀具、模具上运用 所取得明显效果而重新引起人们的重视。国内一些厂家也先后仿制或 自制了强化设备用于汽轮机叶片，冷冲模具和刀具的强化。 为了推广应用这项工艺，机械工业部苏州电加工机床研究所从 1977 年开始对强化工艺和设备进行系统的分析和研究，并且大量地应 用于已磨损的模具、量具和机器零件的强化和微量修补及在淬火工件 上打孔、去除折段的工具，取得较良好的经济效益。 20 世纪 8090 年代，浙江大学、山东工业大学、天津机床研究 所等研究部门和高等院校，在强化机理研究和推广应用等方面做了大 量工作，进一步促进强化工艺的推广。 现今，电火花表面强化工艺已经在机械制造、电机、电器、轻工、 化工、纺织、农业机械、交通和钢铁工业等许多部门得到了应用，使 用的对象有刀具、模具、拔叉、夹具、齿轮、导向块和机床导轨等机 器零件，并用于修复模具、量具、电机主轴、曲轴等工件，在现代生 产建设中有着广阔的应用前景。 近年来电火花强化设备和工艺水平有了很大的提高，大量的应用 事例也充分地证明了它的