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南京理工大学硕士学位论文金属材料热一 声处理表面强化技术研究 ab s t r 8 c t t 七 e n n o aco u st l c p r oces s 吨 t echni q u e isa ki ndofnews u rf 汤 沈h aj 刁 即i n g technol o gy c o m p ar 曰too th e r th ec h 苗 q u e s ， itiss i m p l e int ec hnl c s ， itscostisal sol 尹 胡d easy to 比 目 泳. b utits b ar d e 川 ng m ech 别 吐 sm isstiun o t u n d e r s 协记. t 五 份 e fo 代 ， ith asl m po恻 词能s bothinth eoryand app l i c at l oil t 七 e n 刀 。 ac o u 蛇 i c p r o cess in g was c 出 云 edo u t fo r cold ro ” edl n d us triaip u 爬iro从w6 m 0 5 c r4 v z s t ee l ， 4 0 c r s t eel and hi ghc hr o n l 切 叮 c as t etc and m any means w e r e a d o p t edtoi n v e s l i gate th e e 月 免 c t ofth e n n 。 砌 u s ti c p r o ce ss i ng on th e 以 9 耐劝t i onand p r o pert i e s ofm at e ri ai s in而s a rt l c le . t 七 e re s u l t s h o 糊 记比 a t coldron ed in d ustrialp 切 rei ron p ro 忧s s e d by小 e n n o a c o u 旧 tici m pel l eddi sl ocation刃 n o v e m e n t u n d erth e a c t l on of n o 川 in e ar aco u s t i cw a v eandp r o m o t e dt h ep ro c e s sof 代 c o very a n d re c ry stal l i zati o nc e n t r a l 一 c a r b o n4 0 cr stee l p ro c e s se db yt h e rmo aco ust i ca n e r q u e n c h i n g 助dt e mperin gc o u l di n c re as e th e i r s u r fa c e h a r d n e s s andw h o 1 ep l a st i c . and the d eptho f s t r e n gthe n ed coat i n gwas即 t o3nun . b ut a n e rte n s i l es amp l ewasp r 0 ces s e db y th e rmo 旷 o usti c ， i tsstre n g t h h adn o o b v i ous c h ang e s ， a n d eve n p e rc e n ta g e e l o n g 歇 i o n and i m p act to u g hne s sin creas ed. 4 0 c rs t e e l a ft e r t e m p e r i n gat5 5 0，c wasp ro c e s 望 db y th e rmo a c o u s t l c ， w h l chc o ul d p r o m ote th e 如瞬 t r a nsfon 力 。 t i on ofm a rt e n iti c tot e m per e d sorb i te ， 功 e 阴w h 1 1 e t h e r e w a s thina n ddi s per s i n gc ar b 1 de se p aj 旧 t ed o ut . w 6 m o s c r4 v z s teel a n e r ti 甘 e e te m pen 刀 g at5 5 o was p r o cess edbyt hermoarel l st ic . a n e r 出 at ， the d e p t h 。 f itss t r e n g th e ned coat i ngwas upto2 nun ， the s ur fa c e m i croh ar d n e ssmcreasedfrom8 0 0 h vtol l 0 0 h vo r s o ， the 而p act to u g hne s s o f u n n 0 t c hed spe c i 1 n e n s i ncre as edfi o ml 7 . 5 j/ c 时to33l j z c m z ， an d th ere螂 v 卿thin and di s persi ngc arbi dep articl ess ep a r at e d out i nth es u ri 加 笼 l aye r . t h e rmo 即o u st i cp r o c e s s i ng c o ul do bvi o u s l yi n c r e 嫂 the wear re s i s 加 叮 ce p e d b rmac eo fm ateri al s . w6 mo 5 c r4 v 2st eela ft e rt hr ee te m p e n n gwas p r o ee ss edbythermo acoustica ft ert h a t ， itsw e arre si s ta n cep e ri b n n ac e atbot h ro o ma n d hi ght e m p e r a tt ir e ( 5 0 0 oc) i ncre ased . the a p p l i c atio n p e ri 为 rm即 e o f ai guil l e m akedbyhi gh s peed s te e l o b v i o usl yi m p r o vedanditss 。 ， i ce l i few a s 3 .st 而e s workpi e cewhi t h o u t 止 e m l o a co此 石 c p ro ce ss in g . a n e r hi ghc hr o m i um c 翻 扎 was p r o c essedby比 e n 刀 o a c 。 此 t i c ， at ro o mt e m p e r a t u r eby the con t a c t fa ce ofg c r 1 5 ， its wearr at ed e c r e a s e dby 40% . t 七 e app l i c a t i on p e ri 沁 n 刀 a c eo f gui d in ge qulp m ent m ake db yh i gh c hr o m i um cast obvi ous l y i m p rove dandits serv i ee li fewaso v e r1 .sti meswor k p i ece 州比 。 ut th e r m o a cou s t l c p mc e s s l n g k e y w o r d s :t h e r m o a c o u s ti c w6 mo 5 cr4vz ; p roc e s s l n g ; di s l o c a t i o n ; i n d u s t r i a l m e c h a n i c s p u r e l ion ;4 0 c r ; p e r for m a c e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 衷 群害 吵 明 刀 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 粼幕 忿 陋产夕 月 ， 担 南京理工大学硕士学位论文 金属材料热一 声处理表面强化技术研究 第一章绪 论 儿 1引言 随着工业现代化工业的快速发展，对各种机械设备零件的表面性能要求越来越 高。 一些在特殊条件下工作的零部件， 往往因其表面局部磨损而使整个零件报废。 因 此如何提高和改善零件的表面质量和性能， 以延长工件的使用寿命是一个十分重要的 问 题11，刀 。 世界各国 对金 属材料表面 和 近表 面区 组 织的改性处理技术进 行了 深入的 研 究， 通过机械、物理、 化学等方法来改变材料表面的形貌、 化学成分、 相组成、 微观 结构、 缺陷 状态或应力状态， 即采用各类表面改性技术， 使材料表面具有较本体更高 的强度， 和更加优良 的耐蚀、 耐磨、 耐高温和抗疲劳等性能， 从而充分发挥金属材料 的 潜力， 提高其表面耐磨性， 达到延长使用寿命、 拓宽其应用领域的目 的13， 4 1 。 金属表面改性技术在冶金、 机械、电子、 建筑、 轻工、 仪表等各个工业部门乃至 农业和人们日 常生活中都有着广泛的用途， 其种类繁多， 除常用的喷丸强化、 表面热 处理等传统技术外， 激光、 电子和离子等高能束表面处理技术也取得了 快速的发展151 ， 大量的研究成果己经在工业生产中得到广泛的应用。 进入21 世纪后，随着人们环保意识的不断提高，对环境无污染的“ 绿色” 表面强 化技术 越来 越受到人 们的 青睐. 近年来， 俄国 文献10. 刀 报道了 一种新的 表面 强化技术， 鉴于这种技术的文献报道较少， 其作用机制还未见相关报道， 而且该项技术尚未有规 范的称谓，为此，我们暂且称其为热 声处理技术，与传统的表面改性技术相比，它 高效、 低耗、无污染，并且工艺上易于实现，具有较好的应用前景。 l z表面改 性技术概述 磨损、 腐蚀和断裂是机械零部件、 工程构件的三大主要破坏形式， 它们所引起的 经济损失十分巨大。 其中由于磨损、 腐蚀导致的机件失效而造成经济损失的， 占 有相 当大的比重。 在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告指出:由于摩擦磨 损引起的损失，使美国经济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项损失中的材料部 分约为2 0 0 亿美元:在1 9 8 3 年前 联邦德国的一次调查中指出:由于摩擦磨损造成的 损失估计为387 亿马克; 而在英国，由于摩擦磨损造成的经济损失每年至少为5 1 5 00 万英镑以上， 相当于当时1 9 65年国民生产总值的1 . 1 %。 许多国家政府对腐蚀造成的 损失也进行了调查分析， 美国b a tt e l le实验室和国家标准局 9 78年共同进行调查表明: 1 975 年美国由 于腐蚀造成的经济损失 达8 20亿美元，占国民生产总值的4 .9 %，19 95 年4 月b 瀚 lle和s s i n a发表报告指出:现在美国每年因为腐蚀损失3000亿美元; 1 983年我国 也曾 对腐蚀作过调查，当时的结论为我国因腐蚀造成的经济损失至少在 400亿元人民币以上。据不完全统计，世界能源的 】 /3一 1 /2 由于摩擦磨损而消耗掉， 南京理工大学硕士学位论文金属材料热一 声处理表面强化技术研究 机械零件80% 的失效的原因是摩擦磨损， 而每年出于腐蚀造成的直接损失大约占 整个 国民生产总值的1 % 礴 % 。 表面形变强化 表面相变强 喷丸强化一在金属表面、亚表面层形成压应力区 辊压强化一在金属表面、亚表面层形成压应力区 孔挤压强化一在金属表面、亚表面层形成压应力区 感应加热表面淬火 一在金 属表面、亚表面形成新的 相变区 激光表面淬火一在金属表面、亚表面形成新的相变区 电子束表面淬火一在金属表面、 流态床表面硬化一在金属表面、 离子注入表面强化 非金属离于注入一硼、 金属离子注入一铬、银 复合离子注入一钦+ 碳、 氮、 亚表面形成新的相变区 亚表面形成新的相变区 磷 、铅、锡 铬+ 碳、铬十 钥、铬十 磷 表面强化技术、 表面扩散渗入强化 一离子束混合 一钦+ 氮、钥+ 酷、钦+ 把 非金属元素表面扩散 一渗碳、氮、 翻、硅、 碳氮共渗 金属元素表面扩散一渗锌、 锡、被、铝、 铬、 钨、铝 、 复合元素表面扩散一渗铝铭、 铝硅、铝钦，铜锢、 铝铬硅化学氧化一在铝、镁、 钢、铜表面上形成氧化膜 沌 化一在钢、铜、 锌、锡、铝、 镁、 钦上形成钝化膜 化学转化 表面涂镀强化 磷化一在钢铁上形成磷化膜 草酸盐处理一在钢铁上形成草酸盐膜 、钢件的 发蓝 一在钢件的 表面 形成黑色的 氧化膜 物理气相沉淀一用物理方法把预涂的物质涂畏在工件表面 化学气相沉淀一用化学反应的方法在工件表面沉积所要求 的金属和金属间化合物 硬质阳极氧化一在铝表面形成高 耐磨的 硬氧化膜 热喷涂一用高速气流将熔态的材料喷射到工件表面 图1 表 面 强 化 技 术 13 南京理工人学硕 : 学位论文金属材料热一 声处理表面张化技术研究 众所周知， 磨损和腐蚀均发生于机件表面的材料流失过程， 而且其他形式的机件 失效也多是从表面开始。 尽管磨损与腐蚀是不可避免的， 但是若采取有力措施， 还是 可以 提高机件的耐磨性、 耐蚀性的。 金属表面工程技术主要是利用各种表面涂层即表 面改性技术赋予基体材料本身所不具备的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、 高耐磨性、 减摩性、 抗高温氧化性、 抗辐射性等， 而基体本身所具有的特性不会受到 很大影响。 另外， 采用现代表面工程技术， 不但可以大幅度的提高工件的质量和性能， 成倍的延长使用寿命， 而且技术上成熟， 工艺上简便， 经济上可行，获得了事半功倍 的效果。因此， 近二十年来表面工程技术发展迅速，不断完善， 逐步形成一门独立的 学科。 金属材料表面改性技术，也就是运用现代技术，改变材料表面、亚表面的成分、 结构和性能的处理技术， 主要包括表面形变强化， 表面相变强化、 离子注入表面强化、 表面扩散渗入强化以及化学转化等，如图1 . 1 所示。 表面改性技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能， 这就大幅度的拓宽了 材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。例如: 1 . 可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过 原机件的质量; 2 . 可以 把两种或两种以上的材料复合，各取其长，解决单一材料解决不了的问 题; 3 . 延长在苛刻条件下服役机件的寿命: 4大幅提高现有机件的寿命， 修复磨损、腐蚀的零件; 5 ， 赋予材料特殊的物理、化学性能， 有助于某些尖端技术开发。 1 3常用的表面强化方法 i j . 1喷丸强化 喷丸强化是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法， 将大量高速运动 的弹丸 ( 铸铁丸、 钢丸、 玻璃丸、 硬质合金丸等) 喷射到工件表面上， 犹如无数的小锤 反复锤击金属表面， 使零件表层和次表层金属发生一定的塑件变形、 从而在塑性变形 层中产生金属特有的冷作硬化， 还产生一层残余压应力。 使材料的抗腐蚀和抗疲劳断 裂的能力大幅提高，零件的可靠性、耐久性得到提高或改善，还可以实现表面清理、 光洁度加工、成形、校正和机械强化等多种功能。该方法具有实施方便、效果显著、 适应面广、消耗低等多种优势，在飞机、坦克、 汽车和各种机械设备的齿轮、轴承、 焊接件、 弹簧、 涡轮盘、 叶片及模具、 切削工具等的表面清理和提高使用寿命与防腐 能 力 方 面 发 挥了 重要 的 作 用 18 。 近年来在喷丸强化领域出现的 微粒冲击、 微粒镶嵌镀膜技术以及中科院金属研究 3 南京理工大学硕士学位论文 金属材料热一 声处理表面强化技术研究 所卢 柯、 刘刚等人开发的超声喷丸( 高频) 和 高能 喷丸 ( 低频) 新技术19， 10 ， 在降低 摩擦系 数、 提高 材料耐磨能力、 延长 使用寿命、 简化氮化过程等方面表现出 优异的 特 性。 然而喷丸参数与工件性能的提高之间未建立量化联系， 缺乏喷丸过程的定量化分 析以及与此相关的参数优化， 喷丸参数的选择只能依靠性能试验或经验， 造成的结果 是大量消耗人力、 物力， 浪费时间， 并且不一定具有最佳的效果， 极大地制约了喷丸 技术的发展。 1 3 .2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 (l 0-1一 10 闷 秒 ) 内 激光的 能 量 被处 理 表 面 吸 收 而 产生 高 温， 当 激 光 束 移 开 后， 被 处 理 表 面迅速冷却，从而达到表面强化的目的。 激光表面强化具有工件氧化小、 几乎无变形和加热、 冷却速度快等特点， 可以进 行局部的选择性淬火和局部合金化处理， 能够很快的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、 表面涂覆等多 种方 法的 处理 1 川 。激光表面强化方式有: ( 1)激光表面相 变强化 激光相变强化是被处理材料在固态下经受激光辐照， 其表面被迅速加热到奥氏体 化温度以上， 并在激光停止辐射后快速自 淬火得到马氏体组织的一种工艺方法， 所以 又称激光淬火。 激光辐照材料内部的热传导与时间的平方根成正比， 金属表面温度与 激光辐照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 ) 激光熔凝 激光熔凝又称激光上釉， 是利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描， 使 之形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的散热作用使熔池中的金属能够以 1 护 一 1 护 跳 的 速度冷却、 凝固， 使金属表面产生特殊的微观组织的一种表面强化方法。 激光熔凝比激光相变强化要求更高的功率密度， 激光熔凝所需的功率密度相当于激光 固体相变强化的三倍。 激光熔凝可以硬化激光淬火不能硬化的合金。 激光熔凝的工艺 条件一般为:能量密度10 一 3 0 00m w /m2 ， 作用时间0. 01一 1 5 ， 惰性气体保护用于防止 表面氧化。 (3 ) 激光合金化 激光合金化是用激光将基体表面熔化， 同时加入合金元素， 在以 基体为溶剂、 合 金元素为 溶质的基础上构成所需合金层的一种技术。 在激光合金化过程中， 合金元素 快速向 熔池扩散， 在短时间内可以 获得所希望的合金化深度。 借助这种方法可以在样 品表面产生预定化学组分、 化学性质和微观结构的合金， 微观结构的 精细程度将取决 4 南京理1大学硕士学位论文 金属材料热 声处理表面强化技术研究 于凝固的速度。 合金化的一种方法是在工件表面涂覆适当的粉末混合物， 其中涂覆地 方法有两种: 一是喷涂悬浮在醇中的粉末混合物以形成松散堆积的涂层; 另一种是涂 覆悬浮在有机粘结剂中的料浆. 合金化的另一种方法是选择合适的保护气体进行气相 反应。 (4)激光熔覆 激光熔覆是用激光将按需要配制的合金粉末熔化， 成为熔覆层的主体合金， 同时 基体金属有一薄层熔化， 与之构成冶金结合的表面处理技术。 它与激光合金化不同的 是基体对表层合金的稀释度为最小， 熔覆层具有与基体完全不同的微观结构特征， 激 光能够把高熔点合金熔化在低熔点的工件上. 激 光 表 面 强 化的 特点 112 气 1 ， 处理部位可以 任意选择.如深孔壁及深沟底、侧面等特殊部位均可以使用激 光进行表面强化处理: 2可以处理形状复杂的工件表面， 并能够准确的控制处理区域的深度以及形状; 3 ， 可以 得到优质的强化层，输入热量少且热处理变形小; 4 ， 能量密度高，表面强化时间短; 5 . 能够自 冷，不需要介质， 热源洁净，无环境污染: 6可以实现表面薄膜和局部淬火，只加工必要部分，不影响基体的 机械性能: 7 ， 使用激光表面强化处理后，只需少量的表面加工。 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， 导致其 强化面积小，而且相邻两个强化带之间存在回火软化现象，再者就是设备价格较贵， 只能取代部分热处理方式，应选择产生经济效益较大的零部件予以应用. l 3. 3离子注入表面强化 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， 直接注入到置于靶室的固体材料表面， 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。 注入深 度约为。 ， 1 一 1 阿， 注入 离子的 浓度 可以 达到每平方厘米10 一 16-10 7 个离子，而且没有 表 面 层 产 生 11 3 ， 其 优 点 主 要 有 【 14-1 6 : 离子注入可以向金属或合金材料注入任何所需元素， 被注入的元素不受合金系统 平衡相图中固溶度的限制。使得一些在液态都难以互溶的元素，形成固溶体，如w十 注入 c u可以得到 1 %的固溶体，得到一般方法难以获得的新相。离子注入可以获得 过饱和固溶体、化合物和非晶态合金。通过离子注入能形成化合物，如ti和c离子 分别注入钢，可以在钢表面形成tic 。 通过检测注入电 参数， 自 由支配注入离子的能量和剂量， 能够精确的 控制注入元 素的数量和深度。 5 南京理工大学硕士学位论文金属材料热一 声处理表面强化技术研究 离子注入的浓度可以很大，与扩散系数无关。处理过程是依赖于离子的高能量， 而不是靠热能渗浸到工件表面内，不存在变形问题。 离子以高速注入工件表面， 引起点阵损伤， 形成密集的位错网络， 使表面获得强 化，增加耐磨性和力学性能，而且在表面上产生压应力。 离子注入技术也存在一定局限性。 如离子注入的直线性难于处理复杂件， 特别是 对于小截面的深孔无法处理， 注入层较薄， 离子注入设备价格昂贵， 维护技术比较复 杂等。 1 人4超硬化合物表面涂覆处理 它是在工件表面涂覆一层或多层超硬化合物， 如ti c ， v c 洲币 c ， 氧化铝等， 获得 高硬度、 高熔点的覆膜， 从而来改善工件的性质。 实施这种技术的主要方法有: c v d 法、 四d法等几种方法1 ， 7 。 l 1 4. 1化学气相沉积法(cv d ) c v d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。 c v d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、温度控制装置、气体流量控制装置和气体净化装置几部分。c v d 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重要影响。 因此， 工业c v d设备多采用加热式炉子， 炉温分区控制， 以 保证温度的 均匀性。 c v d设备 应能精确控制气体成分和流量，使得气体消耗量最少。 化 学 气 相 沉积法 (c v d ) 的 优点 是 116 气 (l ) 镀层化学成分可以变化， 从而获得梯度沉积物，或混合镀层: (2 ) 可以 控制镀层的密度和纯度; (3 ) 沉积层结合力较强，沉积层硬度高， 并且耐磨性能好; (4 ) 操作方便， 工艺上重复性能好， 适于批量生产。 但是， c v d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c v d的应用范围，并且其反应排出 物污染环境，有害键康。 l 3. 4. 2物理 气相沉积法伊 v d ) 物理气相沉积法(p v d ) 处理是用物理方法把预涂的物质涂覆在工件表面的热处 理技术。 p v d处理有真空蒸 镀、 真空 溅射和离 子镀 等几大类【 ， 4 一 16)。 其中， 真空蒸镀 效果较差，目前主要投入应用的是后两种方法。 真空溅射是用高能离子冲击靶表面， 产生溅射现象， 从靶溅射出来的离子堆积在 工件上形成覆膜。与真空蒸镀相比 较，真空 溅射具有以 下优点115， 9 : (1 ) 膜 与 基 体 之 间 粘 着 力 强 ; 6 南京理工大学硕士学位论文 众属材料热一 声处理表面强化技术研究 (2 ) 容易形成高熔点物质的膜; (3 ) 易控制成分， 设备能长时间工作， 再现性好。 离子镀是将蒸发源蒸发的粒子离子镀的镀层质量比 较好一些。 并且离子镀有以下 特点20l: 离子与其它中 性粒子一起在工件上沉积， 形成薄膜。 相对于溅射镀膜， 离子 镀有以 下特点: ( 1)可以 在较低温度下进行。 一般的 化学热处理和化学气相沉积均需在9 00以 上进行，而离子镀则可以在6 00以下进行; (2 ) 镀膜与基体结合性能 好; (3) 绕镀 性能 好。 离 子 镀 通常是 在1 0 一 1 0-，toir 左 右进行， 蒸发 原 子 在飞向 工 件 途中多次与气体分子撞击而被乱散射， 工件背面也能镀覆上; (4 ) 沉积速度快。 离 子镀的 沉积速度 通常为1 一 50“ 耐m in ， 然而溅射却只有0 .0 1 一 1 林 耐m l n ; (5) 工 件和镀覆材料选择性广。 工 件材料除了 金 属外， 陶瓷、 氧化物、 玻璃、塑 料均可以。 镀覆材料可以是金属和合金， 也可以是碳化物、 氧化物和玻璃等， 并可以 进行多元素多层镀覆: (6) 无公害。由 于其不使用 有毒物 质， 没有废物及 废气排除问 题， 所以 对环境无 污染。 p v d和c v d都是气相沉积方法， 但是两者在效果和使用范围方面有所差别: ip v d法对涂覆物质的选择自由度高， 而c v d法除mt-c v d涂覆tic n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 基体材料都 是有限的; 2 . p v d处理时 工作温度 低( 如可低到1 50 ) ， 而 一 般c v d法要在1 o 00 左右进 行，处理后还要进行后续热处理; 3 . p v d法处理的表面状态与精加工后的表面状态相仿，无需担心变形问题，而 c v d法，则必须充分考虑变形问题; 4 . c v d法的绕镀性能优于p v d法: sp v d法是无公害处理， 而c v d法排出的气体是有毒的， 须作防污染处理; 6 . p v d法需要真空等离子系统以 及蒸发源， 设各价格较高:且在真空之中进行 处理，只适合小型工件或经济效益较大的工件处理。 1 .3.5化学热处理表面强化 化学表面热处理是在一定的温度下， 在不同的活性介质中， 向钢的表面渗入适当 的元素，同时向钢内部扩散以获得预期的组织和性能为目的的热处理过程，如渗碳、 氮化、 碳氮共渗、 渗硼、 渗 硫、 渗金属 等 1 4 1 。 化学 热处理与 一般热处理的 区别在于: 它 通 过 改 变 钢 的 化 学 成 分 和 组 织 ， 达 到 改 善 表 面 性 质 的 目 的 使 得 用 告一 材 料 制 作 的 7 南京理工大学硕士学位论文金属材料热声处理表面强化技术研究 零件，在表面和心部具有不同的性能。 化学热处理时由于渗入工件表面的元素不同，表面所获得的性能也不同。渗碳， 渗氮可以提高钢件的耐磨性和疲劳强度，渗硼可以 提高耐磨性和抗蚀性，渗cr可以 提高抗氧化性、 抗蚀性和耐磨性， 渗钒可以 提高耐磨性， 渗铝可以提高抗高温抗氧化 性， 渗硅则可以增强钢对各种酸的抗蚀能力。 因此， 化学热处理方法对节约合金元素， 提高钢件的使用寿命具有重大意义。 二元或多元共渗与复合渗， 能够进一步改善和补 充单元渗的某些不足， 提高渗层质量。 近年来， 低压真空渗碳、 低压真空碳氮共渗、 脉冲式气体渗碳、 压力渗碳及碳氮共渗技术的应用， 简化了生产工艺， 缩短了生产时 间。但是，它还有一些不足之处; (l ) 渗入元素时， 通常工件需要加热到很高温度: (2) 渗入元素受工 件基体限 制， 并不是 适合任何材料的 基体; ( 3 ) 生产周期长，能耗大，对环境有污染。 l 3. 热喷涂 热喷涂是一种采用专用设备利用热源将金属和非金属材料加热到熔化或半熔化 状态， 用高速气流将其冲成微小颗粒并喷射到工件表面， 形成覆盖层，以提高机件耐 磨、耐热等性能的表面工程技术。热喷涂是20 世纪初发明的，开始主要是喷涂锌、 铝等低熔点金属， 第二次世界大战期间， 线材火焰喷涂开始用于零件修复。 因为不引 起热变形及氧化的优点而受到重视，进而出 现火焰粉末喷涂。50 年代研制出自 熔性 合金粉末和放热型复合粉末， 改善了涂层的多孔结构， 实现了 涂层与基体间的冶金结 合， 极大地扩大了喷涂的应用领域。 随着航空航天等尖端技术的发展， 热喷涂方法得 到了不断的改进和完善。 热喷涂方法的特点: ( 1)基材几乎不受限 制， 其中 包括金属材料、 陶瓷材料、 非晶 态材料、 木材、 布、 纸等; (2) 涂层材料种类广泛， 包括金属及其合金、塑料、陶瓷以及它们的复合材料; (3 ) 喷涂零件不受尺寸和形状限制， 可以进行整体喷涂， 也可以 进行局部表面喷 涂，特别是大型件的局部表面喷涂强化或修复，既经济又方便; (4 ) 除火焰喷涂外， 其他喷涂方法基体受热温度低， 组织性能变化很小，工件变 形小。 热喷涂是一种适用性很广的表面改性方法， 它可以喷涂可以很多材料， 可以用于 各种基体表面喷涂， 而且涂层厚度可以 控制。 但是， 涂层强度低， 空隙率较高涂层均 匀 性 较 差 等 不 足限 制了 其 应 用 赶， ， 7 1 。 上述喷丸强化、 激光表面强化、离子注入强化、超硬化合物表面涂覆表而强化、 化学热处理强化、 热喷涂等各种表面强化技术均可显著提高产品的 硬度、 耐磨等性能， 南京理t大学硕 ! : 学位论文 金属材料热一 声处理表面强化技术研究 延长产品的寿命。 但是上述各种表而强化方法都具有各自的缺点， 单独使用， 有时难 . 以达到一些零件的强化要求。 本课题将要研究的热一 声处理技术是一种深表层强化技术，并且它高效、低耗、 无污染， 工艺上易于实现，对各种工程金属材料均具有适应性，为传统工程金属及合 金能赋予更高的性能和更多的功能， 符合现代材料科学技术发展的趋势， 具有较好的 学术价值的应用前景。 1 .4热一 声效应在材料表面强化技术中的应用 虽然人们对热一 声效应是伴随着制冷技术的发展而发展起来的，但近年来，该效 应在材料改性领域的应用研究也业引起了人们的很大兴趣。进入21 世纪后，随着科 学技术的飞速进步和人们环保意识的不断提高， 高效、 节能、 环保型的表面改性技术 成为近年来的研究热点。 近来，俄国文献izj 2 2 报道一种新的表面改性技术，即热一 声 处理技术。 也就是在材料热处理的过程中，高压气流产生的声波冲击试样表面，即利 用热与声之间相互转换的现象， 处于声场中的工件与振荡的流体之间相互作用， 使得 距固 体壁面一定范围内 沿着( 或逆着) 声 传播方向 产生一个时均热流， 并在 这个区 域内 产生或者吸收声功的现象，同时伴随有高压气流和高频振动的共同作用， 从而影响材 料的组织和性能。 初步实 验结果表明 1231， 热一 声处理 技术一种深表层强化技术， 其强化层可以 达到 几个毫米的厚度， 厚，并且该项技术生产效率高，能耗比较少，对环境的污染少，工 艺上易于实现， 对各种工程金属材料均具有适应性， 为传统工程金属及合金能赋予更 高的性能和更多的功能， 符合现代材料科学技术发展的趋势， 具有较高学术研究价值 的广阔应用前景。 因此随着该项技术的深入研究及推广应用， 很可能为提高传统工程 金属材料的性能和延长其使用寿命开辟一条切实可行的途径。 1 .s课题的主要研究内容及目 标 1 .5.1 课题主要研究内 容 热一 声处理表面强化技术作为一种新的有效表面强化技术， 在提高材料表面强韧 性、耐磨性等方面，与传统的表面强化技术相比， 具有明显的优势。另外，热一 声处 理技术还是一种深表层强化技术， 其强化层深度为数毫米， 既适用于材料的整体、 又 可用于局部的表面改性。 本课题研究热 声处理技术对材料表面性能的影响，主要从以下几个方面进行开 展工作: ( 1) 热一 声处理工艺与材料组织性能的关系 将 经 过95 % 轧 制 变 形 的 工 业 纯 铁 、 淬 火 后 的40 cr钢 在 退 火 、 回 火 冷 姐 过 程 中 叠 9 南京理工大学硕士学位论文 金属材料热一 声处理表面强化技术研究 加热. 声处理。 利用显微硬度仪、万能试验机、 冲击试验机等测试处理后样品的硬度、 强度、塑韧性，并且采用o m、x r d 、s e m、tem、 d s c等检测样品表层的相组成、 显微组织及微观结构、回复与再结晶动力学，研究热一 声处理工艺与材料组织性能的 关系。 (2)耐磨材料的热 声处理工艺研究 采用高铬铸铁、高速钢 ( w6 mo5c r4vz ) 等材料，经过不同的热一 声工艺处理后， 研究其组织性能的变化情况， 并测定其性能， 将部分材料应用到实际工况条件下进行 对比试验。 ( 3 ) 探讨材料表面强化机制 利用摩擦磨损试验机， 直接评估材料的表面强化效果。 结合组织、 性能转变特征， 探讨热一 声处理材料表面强化机制。 l 5. 2课题预期要完成的目 标 通过性能检测及组织转变特征分析，建立经过热一 声处理后材料组织与性能之间 的关系，推断热一 声处理工艺对材料组织性能的影响机制，探索材料强化的原因。 参考文献 1徐滨士， 朱绍华等. 表面工程的理论与技术. 北京: 国防工业出 版社， 1 9 99 2 徐滨士编 纳米表面工程. 北京: 化学工业出 版社， 2 0 04 3 戴达煌， 周克裕， 袁镇海等编著 现代材料表面技术科学 北京: 冶金工业出版社， 2 0()4 4 董允等编著. 现代表面工程技术. 北京: 机械工业出 版社， 1 9 99 5 江静华， 方峰， 马爱斌， 蒋建清 金属表面改性技术( 5) 江苏机械制造与自 动化. 2 0 0 0 ， 2 : 4 2 一 4 5 6 k y 3 明h hab .e ，ma t b e e b ck .o h “ 叨既h o m h ccn e 八 o b 眼h e n 郎 咖 h o h 叩h o ro b 3 a ” m o 及 晰c t b ” 7 t 如 r a h ， y c k o a c t p 拌c n 及 o pko 翻 n p e rp叨。 行 刀 月 mt 巾 1 9 9 9 n o 6 . c 乡 3 一 9 9 b.h . 灿a3 “ c 介 uj ” 。 h aph 砒 t p o 湘h e koh 中 h i，y p a 毋 i n邓a p ” 以 b 。 几 月 t e 3 h 吸 加kji姐arah ax v m m e 狱 月 y h a p h 。 职。 m c e m h h a p en o r a 3 0 及 n h amh k e 门 ， y 益 h 以 h o 叩确h 以.cfl b .2 ooor. 9 奕伟玲 ， 涂善东 . 喷丸 表面改 性技术的 研究 进展. 中国 机械工程， 2005， 16 ( 巧 ): 1 0 4 5 一 1 049 g luk，luj . s u ri 五 c e n ano 卿s t a l l l za t io n ( s n c ) o f m e t a l l i c m at e ri al s 一 p re s en 七 吐 i o n o f the c o n c ept b ehin d a n e wa p p r o a c h ， m a t e r . s c i . 下 ( 2 . 2 ) 式中产 一摩擦系 数，m一摩 擦力矩浏* m)，r 一对摩 销盘的 半径( m)， f 一 实验加 载力(n) 。 2. 3. 3. 5差示扫描分析 ( d s c ) 将轧 制变形量为95 % 的 工业纯铁加工成重量为10m g 左右的 薄片， 利用s ta449 c 型差示扫描分析仪， 测定样品回复与再结晶 过程中的放热峰值与峰值温度， 加热速率 分别为i o k/m i n 、2 0 k/m i n 和4 0 k/in in。 南京理工大学硕 : 学位论文金属材料热 声处理表面强化技术研究 2 3 .4微观组织结构观察 2 浅4. 1光学显微镜( o m) 观察 试样的制备方法:机械研磨，抛光一腐蚀，腐蚀液一般为4 %的硝酸酒精溶液。 用o lymp us公司生产的型号为b x 6 0 m的光学显微镜进行光学金相观察“ 、 2 3 4. 2扫描电 镜(s e 峋观察 扫描电 镜试与光学金相试样的制备方法相同。 用飞利浦q u a n ， ra2 0 。 型扫描电 子显微镜对不同工艺处理的 w6 m o5c r4 v z钢、40c r钢进行组织观察，并对 w6 mo5c r4 v z 钢的微区成分进行能谱分析，实验电压为20kv 。 2 浅4 3透射电 镜(te m ) 观察 透射电 镜薄膜试样的制备， 首先从待观察的w 6 m osc r4 v z 钢、 40c : 钢和工业纯 铁试样上线切割出。 石m m厚的薄片， 用金相砂纸由 粗到细顺次研磨到厚度不超过1 0 0 阿， 研磨时 注意两面 研磨， 然后电 解抛光腐 蚀，直到试样中 部穿 孔， 存入99. 5 % 的 酒精待用。利用日立 h 一 8 0 0型透射电镜观察，实验加速电压 1 5 o k v。 2 沃4. 4 x射线衍射分析 w 6 mo5 c r4 v z 钢的 相组成的 测定 用日 本理学凡g a k u 型x射线衍射仪 进行分析， 衍射条件:c u 靶，管电压50k v 。 南京理工大学硕士学位论文 金属材料热一 声处理表面强化技术研究 第三章 热一 声处理对工业纯铁回复与再结晶过程的影响 铁是金属中应用最广泛的元素， 工业纯铁是钢的一种， 其化学成分主要是铁， 含 量在 99.5 0 % 一99.9 0 %，含碳量在 0. 04%以 下， 其它元素愈少愈好。 纯铁的 性能以及 其变化潜力取决于冶炼和加工的方法以 及杂质元素的种类和含量， 因此， 纯铁也被称 为特殊钢。 随着纯度的提高， 其中杂质元素含量的微小变化， 就会使纯铁的物理和力 学性能发生显著的变化。 用普通冶金方法生产的纯铁有极软钢、无间隙原子钢( 又称 if钢) 、 阿 姆科钢、 瑞 典铁等， 此外还有高纯 度的电 解铁等。由 于纯铁具有 低强度、 高塑性和良 好的深冲性能， 并且具有良 好的物理性能， 如低电阻率、 低娇顽力， 因此 一方面作为 深冲材料， 可以 冲压 成极复 杂的 形 状111 。 另外，以 铁为基组成的 合金是工 业应用中最广泛的合金. 众所周知， 材料的性能依赖于它的微观结构， 许多制备具有优异性能材料的重大 进展追溯到对于它们微观结构的控制。材料微观结构的重要特征包括:晶粒的尺寸、 分布和形貌:位错、孪晶和层错等缺陷结构的类型和分布等。因此，掌握热一 声处理 作用下材料微观结构的演变是非常重要的。 俄罗斯文献i2. 3 ) 报道的关于热一 声处理表面 强化技术的研究，都集中在热一 声效应对合金钢性能的影响， 通过热一 声处理来提高材 料的强度、 硬度，同时还可以改善材料的塑性和韧性，进而提高了 材料的使用性能。 文献中对相关的加工工艺进行了 较多的探索， 但是，由 于合金钢组织转变的复杂性， 影响性能的因素很多， 各种影响因素之间还会产生相互作用， 难以一一剥离出来具体 分析， 且俄罗斯的相关研究人员主要为空气动力学专业的工程师， 也许是学科的限制， 他们没有对热一 声处理对材料组织与性能影响的机制进行报道。 工业纯金属成分单一， 采用不同的加工工艺处理之后， 不会有其他相的出现， 有 利于实 验研究， 预备实验研究还表明， 热一 声处理能 够促进位错等缺陷的 运动和重组， 而工业纯铁经过大变形量的冷轧后， 会引入大量的位错， 因此， 我们选用轧制态工业 纯铁为研究对象，研究热 声处理对其微观结构和性能的影响，该项工作无疑容易取 得一些原理性的认识和结果，进而可以更好的推动相关的研究工作。 本课题采用d t4 工业纯铁为对象， 研究热一 声处理工艺对冷变形工业纯铁试样回 复与再结晶过程