第六章_表面改性技术.ppt

表面改性技术 教师 强颖怀学院 材料学院 6 1激光束表面处理技术 最引人注目的技术之一成功地走向工业化生产应用传统的表面处理技术相竞争提高制品的性能和寿命获得极大的社会效益和经济效益 6 1激光束表面处理技术 相位一致方向性好波长单一优越的聚光性可以获得很高的能量密度高能束表面改性技术中的一种主要手段 6 1激光束表面处理技术 激光束表面处理 采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术 激光照射到材料表面 表层材料受热升温 激光作用后冷却 激光被吸收变为热能 固态相变 熔化 蒸发 加热速度快 105 109 S 自冷速度高 104 S 输入功率小 工件变形小 可局部加热 精确控制 线加工 自动化 但反射率高 转换率低 设备昂贵 不能大面积 6 1激光束表面处理技术 激光与材料 反射与吸收 吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现 波长越短 吸收率高 越粗糙 越易吸收 温度升高 吸收越多 熔点40 50 沸点90 杂质影响吸收 黑化处理 碳素 磷化 油漆 6 1激光束表面处理技术 激光相变 激光电镀 阴极加热 激光物理气相沉积 激光化学气相沉积 6 1激光束表面处理技术 激光熔融 激光表面冲击 1 激光相变硬化 在固态下经受激光辐照 其表层被迅速加热到奥氏体温度以上 并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺 加热和冷却速度高 105 109 S 高硬度 比常规淬火提高15 20 变形小 加热层薄 疲劳强度高 6 1 2激光表面处理工艺 由于激光加热速率极快 相变在很大的过热度下进行 形核率很大 因加热时间短 碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制 所以得到的奥氏体晶粒小 冷却速率也比使用任何淬火剂都快 因而易得到隐针或细针马氏体组织 6 1 2激光表面处理工艺 低碳钢可分为两层 外层是完全淬火区 组织是隐针马氏体 内层是不完全淬火区 保留有铁素体 中碳钢可分为四层 外层是白亮的隐针马氏体 硬度HV达800 比一般淬火硬度高出100以上 第二层是隐针马氏体加少量屈氏体 硬度稍低 第三层是隐针马氏体加网状屈氏体 再加少量铁素体 第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网 6 1 2激光表面处理工艺 高碳钢也可分为两层 外层是隐针马氏体 内层是隐针马氏体加未溶碳化物 铸铁大致可分为三层 表层是熔化 凝固所得的树枝状结晶 此区随扫描速度的增大而减小 第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及磷共晶组织 第三层是较低温度下形成的马氏体 6 1 2激光表面处理工艺 美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载齿轮 以取代渗碳淬火的化学热处理工艺 直升飞机辅助动力装置的行星齿轮 飞机主传动装置的传动齿轮用激光硬化的飞机重载齿轮 不需要最后研磨 大大降低了生产成本 提高生产率 采用激光硬化飞机发动机气缸内壁 比氮化处理快14倍 且所得到的硬化层比经过10 20h氮化处理的硬化层还厚 质量优良 几乎无变形 6 1 2激光表面处理工艺 应用实例内燃机活塞环激光相变硬化活塞环是内燃机易损基础件之一 为提高活塞环耐磨性延长其使用寿命 对由42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光相变硬化处理 工艺 激光输出功率1 65kw 扫描速度22mm s 光斑直径3mm 6 1 2激光表面处理工艺 应用实例内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化效果 激光硬化区主要是由细长板条马氏体和其间不连续分布的奥氏体所组成 除位错亚结构外 在局部区域还出现了平行排列的微细孪晶组织 硬化区最大硬度为713HV0 1 硬化层深为0 5mm 激光硬化表面光洁度基本保持不变 变形量满足形位公差要求 6 1 2激光表面处理工艺 应用实例螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件 现多采用球墨铸铁制备而成 其主要失效形式是轴颈发生严重磨损 为此 采用激光相变硬化技术对轴颈进行强化处理 6 1 2激光表面处理工艺 螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化工艺 激光输出功率1 1kw 扫描速度17mm s 光斑直径4mm 效果 激光硬化区主要是由针状马氏体 奥氏体及团絮状组织所组成 硬化区平均硬度达HRC60以上 硬化区层深为1mm 使用寿命提高3倍 6 1 2激光表面处理工艺 6 1 2激光表面处理工艺 2 激光表面熔凝处理 利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描 使之迅速形成一层非常薄的熔化层 并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却 凝固 从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术 细化铸造晶粒 过饱和固溶体 减少偏析 非晶体 改变表层结构 6 1 2激光表面处理工艺 激光熔化淬火处理后的ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的1 10 硬度可提高30 左右 AA390铝合金 处理前合金组织中镶有60 m大的Si颗粒 处理后硅的颗粒变为1 4 m 铸造合金一般都存在着氧化物 硫化物等夹杂和疏松 用激光把表面重熔就可以把杂质 气孔 化合物释放出来 同时把表面层细化 6 1 2激光表面处理工艺 为了提高灰铸铁及球墨铸铁的耐磨性 采用激光加热表面熔化 结晶处理使其表面白口化 可显著提高耐磨性 这种处理方法在生产上使用较多 如采用二氧化碳激光器对铬钼合金铸铁活塞环进行熔化一结晶处理 可获得由细小碳化物与隐晶马氏体所组成的极细莱氏体 莱氏体的硬化层深度为0 10 0 20mm 硬度为1000 2000HV 6 1 2激光表面处理工艺 通过快磨试验 汽车台架试验与装车考核试验证明 活塞环的磨损量减少 使用寿命提高 采用激光加热表面熔化 结晶处理灰铸铁 在白口区硬度达到1070 1210HV 美国阿尔科公司利用这种方法处理灰铸铁的凸轮轴等零件 表面形成莱氏体组织 硬度为52 54HRC 6 1 2激光表面处理工艺 与表面淬火相比 显著地提高了耐磨性和抗蚀性 缩短了热处理时间 保证了产品质量 印刷邮票用的辊式打孔器 辊外径为365mm 长645mm 壁厚9 7mm 辊筒材料为50钢 辊面上需使用程控钻床打出2 5万个 0 98mm的孔 过去因打孔器技术没过关 以致不能满足需要 我国现已采用激光处理的办法使孔刃部达60HRC以上 攻克了这一难题 6 1 2激光表面处理工艺 非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗磨损性能 激光扫描处理Fe P Si合金得到的非晶态硬化层的硬度是基体硬度的5 6倍 航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层 使其重量减少50 6 1 2激光表面处理工艺 激光非晶化就是用激光的手段在金属表面上制得非晶层的技术 有有时称之为激光上釉 是非晶态金属获得的一个重要手段 采用激光扫描处理Fe P Si合金得到的非晶态硬化层的硬度为1300 1500HV 是基体硬度的5 6倍 目前国内外对激光非晶态处理给予极大的关注 认为它是制作非晶态合金的一种很有前途的技术 6 1 2激光表面处理工艺 激光非晶体的应用正在开发中 美国工艺研究中心采用此工艺在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层 使其重量减少50 该工艺已应用于生产F 15型战斗机用的F100型发动机上 6 1 2激光表面处理工艺 3 激光表面合金化 利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化 在很短的时间内 形成不同化学成分和结构的表面合金 可获得理想合金或亚稳态合金 区域合金化 有效利用能量 精确控制密度和深度 不规则零件合金 6 1 2激光表面处理工艺 激光合金化是表面改性处理的新方法 特别适用于工件的重要部位的处理 这样既改善了工件的使用寿命 又可简化工艺和节约昂贵的整体合金 激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨 耐蚀性等性能 1 铁基系在某些情况下 钢中加入Cr Ni Mo等贵重元素不是为了提高整体强度 而是为了防止环境对表面的损伤 此时采用表面合金化可使成本大大降低 例如 用70 Cr 30 Ni的金属粉末对一般碳钢进行激光表面合金化 表面可获得29 Cr 13 Ni的合金 该合金在1mol LH2SO4中的极化曲线与18 8不锈钢的极化曲线相似 有几乎一样的钝化能力 即具有相同的耐蚀性 6 1 2激光表面处理工艺 2 有色金属系在铝合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究 例如以Si合金化可达到的硬度是200HV 以Cu合金化可达300HV 以Fe合金化可达300 500HV 6 1 2激光表面处理工艺 3 金属硅化物激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属触点 1978年Poate等人用双频激光辐照 把Pt Pd和Ni膜合金化到Si中 试样表面被熔化并在横向产生非常均匀的合金层 其平均成分可通过改变膜厚和激光功率在一定的范围内变化 用连续波激光加热固体有可能形成单相硅化物 6 1 2激光表面处理工艺 4 激光表面熔覆 在金属基体表面上预涂一层金属 合金或陶瓷粉末 在进行激光重熔时 使添加层熔化并使基体表面层微熔 从而得到一外加的熔覆层 6 1 2激光表面处理工艺 与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔 这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释 可获得具有原来特性和功能的强化层 激光表面熔覆于1981年被成功地应用于大型喷气客机涡轮叶片发动机的高压透平叶片护罩后 引起了重视 目前已经成为国内外激光表面改性研究的热点 6 1 2激光表面处理工艺 1 激光包覆激光包覆工艺是继激光淬火之后 第二个在工业中获得应用的一种激光表面改性技术 激光包覆适用于易磨损 腐蚀和受冲击的零件 无论是在包覆展质量还是在工艺性和经济性方面均优于传统的堆焊和热喷涂工艺 其工业应用前景广阔 6 1 2激光表面处理工艺 1 激光包覆激光包覆是选择硬度高 耐磨 耐蚀和抗疲劳性能好的材料包覆工件表面 然后用大功率激光束扫描 将包覆材料熔化到基体表面 形成包覆层 激光包覆具有粘结牢靠 包覆层厚度容易控制 操作简单和加工周期短等优点 6 1 2激光表面处理工艺 1 激光包覆英国已采用计算机控制的激光包覆工艺取代手工氩弧堆焊工艺 在发动机涡轮叶片上包覆钴基合金 可得到无气孔 无裂纹的高性能包覆层 工效提高11倍 成本降低80 钴基合金的消耗量减少50 另外 在制造电接触器时 用激光包覆工艺取代化学涂覆工艺 在铜基体上包覆银层 可大大提高生产率和降低成本消耗 6 1 2激光表面处理工艺 2 陶瓷层激光涂覆火焰喷涂和等离子喷涂等热喷涂的方法广泛用来进行陶瓷涂覆 但所有这些方法都不能令人满意 因为它们获得的涂层含有过多的气孔 熔渣夹杂和微观裂纹 而且涂层结合强度低 易脱落 这会导致高温时由于内部硫化 剥落 机械应变降低 坑蚀 渗盐和渗氧而使涂层早期变质和破坏 使用激光进行陶瓷涂覆 即可避免产生上述缺陷 提高涂层质量 延长使用寿命 6 1 2激光表面处理工艺 应用实例 宽带激光熔覆Ni WC复合涂层1 熔覆材料体系 基材为38CrMoAl 涂层材料为Ni60B 25vol WC复合熔覆粉末 2 工艺 激光输出功率为2 2kw 扫描速度为3mm min 送粉率为9g min 光斑尺寸为15mm 1 5mm 6 1 2激光表面处理工艺 应用实例 宽带激光熔覆Ni WC复合涂层1 熔覆材料体系 基材为38CrMoAl 涂层材料为Ni60B 25vol WC复合熔覆粉末 2 工艺 激光输出功率为2 2kw 扫描速度为3mm min 送粉率为9g min 光斑尺寸为15mm 1 5mm 6 1 2激光表面处理工艺 应用实例 宽带激光熔覆Ni WC复合涂层3 效果 复合涂层熔覆区主要是由g Ni WC W2C M23C6及M7C3所组成 涂层厚度为1mm 稀释度为7 涂层合金最高硬度为900HV0 1 4 应用范围 a 轴件修复 b 新产品 以提高使用寿命 6 1 2激光表面处理工艺 3 有色金属激光涂履激光表面涂覆可以从根本上改善工件的表面性能 很少受基体材料的限制 这对于表面耐磨 耐蚀和抗疲劳性都很差的铝合金来说尤为重要 但是 有色金属特别是铝合金表面实现激光涂覆比钢铁材料困难得多 铝合金与涂覆材料的熔点相差很大 而且铝合金表面存在高熔点 高表面张力 高致密度的Al2O3氧化膜 所以 涂层易脱落 开裂 产生气孔或与铝合金混合生成新合金 难以获得合格的涂层 6 1 2激光表面处理工艺 3 有色金属激光涂履研究表明 避免涂层开裂的简单方法是工件预热 一般铝合金预热温度为300 500 钛合金预热温度为400 700 国内对ZL101铝合金发动机缸体内壁进行激光涂覆硅粉和MoS2 获得0 1mm 0 2mm的硬化层 其硬度可达基体的3 5倍 铝合金的激光熔覆已在国外获得应用 6 1 2激光表面处理工艺 5 激光表面冲击硬化 以高功率密度的脉冲激光在极短的时间内照射金属表面 使表面金属剧烈气化 产生了强的机械冲击波和应力波 使材料表面硬化 6 1 2激光表面处理工艺 激光冲击硬化是正在开发的一种材料表面改性技术 它不仅可以大大提高材料的强度和硬度 而且能有效提高钢 铝 钛等合金的抗疲劳性能 由于冲击波持续的时间短 因而产生的变形很小 适于处理成品零件 如果用激光冲击硬化处理齿轮和轴承等精加工的工作面 就可以阻止处理部位裂纹的扩展 因此 激光冲击硬化对提高材料的安全性 可靠性和使用寿命具有重要意义 各种材料经过激光表面改性处理以后 可以得到硬度很高 晶粒和组织很细的强化层 它与基体的结合属于紧密的冶金结合 虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用 却并不表现出脆性 具有优良的性能 6 1 2激光表面处理工艺 用激光冲击波对飞机结构中的紧固件进行处理 其紧固件的高频疲劳寿命 处理后比处理前要延长100倍 这对提高飞机的性能起着决定性的作用 另外 用激光照射铝合金表面 由于冲击硬化 铝合金构件的疲劳寿命和焊缝强度得到显著改善 6 1 2激光表面处理工艺 各种材料经过激光表面改性处理以后 可以得到硬度很高 晶粒和组织很细的强化层 它与基体的结合属于紧密的冶金结合 虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用 却并不表现出脆性 具有优良的性能 激光表面改性对性能的影响 一 力学性能1 硬度比感应热处理的硬度略高T12钢 1050HVT8钢 980HV45钢 780HV W19Cr4V高速钢 1000 1100HV 原因 马氏体产生变形 马氏体的细化 残余奥氏体的数量减少和存在碳化物等因素有关 激光表面改性对性能的影响 2 疲劳性能对15MnVN 25CrMnSi等低含碳量的钢进行激光相变强化 疲劳寿命有较大幅度的提高 3 耐磨性能利用各种激光表面强化方法对钢进行强化 提高耐磨性能的效果是很显著的 灰口铸铁 球墨铸铁等材料 经过激光表面强化以后 提高耐磨性的效果也是显著的 激光表面改性对性能的影响 二 残余应力对钢进行激光表面强化以后 能够造成表面残余压应力 到一定深度后 残余应力的性质转变为拉应力 例如 对42CrMo钢用152W激光互搭扫描后 表面残余压应力可达19 6 68 6MPa 到0 1mm深度后转变为残余拉应力 达到176 5 323 6MPa左右 表面残余压应力的存在 有利于提高钢的疲劳强度 推迟钢铁零件在工作过程中裂纹的萌生和发展 激光表面改性对性能的影响 激光电镀 激光可以提高金属的沉积速度 同等面积可使金属的电沉积速度提高三个数量级以上 温度升高 搅拌作用 6 1 2激光表面处理工艺 激光气相沉积激光气相沉积是以激光束作为热源在金属表面形成金属膜 通过控制激光的工艺参数可精确控制膜的形成 目前已用这种方法进行了形成镍 铝 铬等金属膜的试验 所形成的膜非常洁净 用激光气相沉积可以在低级材料上涂覆与基体完全不同的具有各种功能的金属或陶瓷 这种方法节省资源效果明显 受到人们的关注 6 1 2激光表面处理工艺 激光化学气相沉积是将激光照射至TiCl4 H2 CO2 或TiCl4 CH4的混合气体中 由于激光的热分解作用 在基体上沉积出TiO2或TiC膜层 激光化学气相沉积法是半导体产业的一种新型激光技术 采取此法可进行空间选择的光辐射 在照射区成膜 只需一道工序就可同时进行成膜和图案的制作 使器件满足用户的要求 这是半导体工业的一次性革命开拓 利用此法可制作金属 半导体 电介质等薄膜 6 1 2激光表面处理工艺 激光物理气相沉积是利用激光照射并使陶瓷材料瞬间蒸发 然后沉积到基体材料表面上 以形成各种陶瓷层 例如 TiN WC SiN4 BN SiAlON陶瓷层等 这种方法可以实现高性能和小型化的机械零件 如轴承 滑动零件 高精度和高寿命的要求 陶瓷层的耐磨性和自润滑性能优良 6 1 2激光表面处理工艺 6 2电子束表面改性技术电子束表面改性技术与激光技术一样 都是近年来迅速发展起来的表面处理新技术 它具有节约能源 防止环境污染 提高生产率和提高产品质量等优点 已在各发达国家得到广泛应用 第六章表面改性新技术 6 2 1电子束技术概述电子束是一束集中的高速电子 它的速度取决于加速电压的高低 可达到光速的2 3左右 具有高的功率和功率密度的电子束撞击材料表面 可使能量沉积在材料的亚表层区域 并可形成亚稳金属合金 可在几分之一秒甚至千分之一秒把金属材料由室温加热至奥氏体转变温度或熔化温度 第六章表面改性新技术 6 2 2电子束表面改性的特点 1 电子束淬火处理在真空中进行 减少了氧化 氮化的影响 可得到纯净 质量很好的表面处理层 2 电子束加热能量的转换率为80 90 能量利用率非常高 并且可以局部淬火和表面合金化 避免了整体加热 所以应用电子束可以大大节约能源 属节能型表面改性法 第六章表面改性新技术 6 2 2电子束表面改性的特点 3 电子束淬火时靠金属基体自行冷却淬火介质 一般也不需要特别的冷却装置 4 由于能量集中 热作用点小 在加热时形成的热应力小 由于硬化层浅 组织应力也小 所以零件变形小 5 在进行表面合金化时 能在极短的时间内达到一般渗金属几小时或几十小时的渗层效果 第六章表面改性新技术 6 2 2电子束表面改性的特点 6 电子束加热可以用于各种钢种和铸铁的表面硬化以及表面合金化 也适用形状复杂的零件的处理 所以用途较为广泛 7 电子束功率等参数可以控制 因此 表面改性的位置 深度等工艺和性能指标也能严格控制 第六章表面改性新技术 6 2 2电子束表面改性方法一 电子束表面相变强化在加热时 电子束以很高的速度轰击金属表面 电子与金属材料中的原子相碰撞 给原子以能量 使金属表面温度迅速升高 由于电子束能量密度高 作用于金属表面的能量集中 故而温度梯度很大 当表面达到相变点以上温度时 基体金属仍保持冷态 实现金属表面 自淬火 第六章表面改性新技术 6 2 2电子束表面改性方法一 电子束表面相变强化获得一种超细晶粒组织 这是电子束快速加热的最大特点 淬硬层组织的致密性很好 有较高的耐腐蚀性能 第六章表面改性新技术 二 电子束表面合金化将具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金属表面上 然后用电子束加热熔化 或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上 使零件表面形成一层很薄的具有良好性能的合金表面层 从而使金属表面能获得很好的耐磨 耐腐蚀及耐热的性能 第六章表面改性新技术 二 电子束表面合金化用电子束快速加热进行表面合金化处理 尽管时间很短 但仍完成了液体金属的混合和合金元素的扩散并重新分布的过程 从而获得了满意的表面合金化结构与硬度 第六章表面改性新技术 三 电子束表面非晶化电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化处理相似 只是所用的热源不同而已 利用聚焦的电子束所特有的高功率密度以及作用时间短等特点 可在表面的下层受热最小的情况下 使材料的表面熔化形成小液池 这样便能获得极快的冷却速度 第六章表面改性新技术 三 电子束表面非晶化如在表层熔化0 025mm深度时 可获得106 S的冷却速度 由于快速凝固细化显微组织 可获得致密性极好的非晶态层 这种非晶态组织具有很高抗腐蚀与抗疲劳的性能 第六章表面改性新技术 四 电子束表面重熔利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化并快速凝固 从而细化组织 达到硬度和韧性的最佳配合 对某些合金 电子束重熔可使各组成相间的化学元素重新分布 降低某些元素的显微偏析程度 改善工件表面的性能 第六章表面改性新技术 四 电子束表面重熔目前 电子束重熔主要用于工模具的表面处理上 以便在保持或改善工模具韧性的同时 提高工模具的表面强度 耐磨性和热稳定性 第六章表面改性新技术 五 电子束表面熔覆利用电子束熔覆处理技术时 向熔化区添加合金元素 在材料表面产生一些覆盖层 像一些薄的银箔 金箔等薄片 金属丝或者像电沉积层一样 在熔化区可得到所希望的化学成分的覆盖层 第六章表面改性新技术 6 2 3电子束表面改性技术的应用从当前电子束表面热改性技术的应用现状来看 基本上仍是以钢和铸铁的电子束淬火为主 例如在汽车用的转缸式发动机中振动最厉害的顶部密封件的制造 就采用了电子束熔融处理技术 第六章表面改性新技术 6 2 3电子束表面改性技术的应用该密封件是有贝氏体组织的铸铁材料 不仅要求具有一定的强度和韧性 还要使其侧面和端面具有抗磨性 因为它工作时其密封面是在镀硬铬的次摆线面上滑动 把这个密封面用电子束熔化约3mm深 由于速冷 可得到比任何铸件都细的渗碳体组织 第六章表面改性新技术 6 2 3电子束表面改性技术的应用电子束表面淬火的工件主要有 型零件 如滑槽的凸缘 导轨的轨道底板 机床紧固装置上的导向平面和台板等 周边要进行淬硬的旋转对称部件 例如套筒 转动轴 心轴等 锥形外表面或内表面要淬硬的旋转对称部件 例如阀门 锥齿轮等 第六章表面改性新技术 5 2 3电子束表面改性技术的应用几何形状和外观规则或不规则的特殊零件 如凸轮盘 连接元件 正齿轮圈等 端面淬火的旋转对称件 如导向圈和推力环等 工具或其它零件 如冲压冲头 挤压模块 锻造模块 叶片 刀片等 第六章表面改性新技术 第六章表面改性新技术 材料表面热扩渗处理是将工件放入一定的活性介质中 使金属元素或非金属元素扩散到工件表层中 改变表层化学成分 可得到一扩散合金层 有时表面上还会形成化合物层 从而获得所需的组织和性能 该技术的突出特点是表面强化层的形成主要依靠加热扩散的作用 渗层与金属基体的结合是冶金结合 它们之间无明显的分界面 它们的成分 组织和性能是逐渐变化的 第六章表面改性新技术 按接触介质划分有固体法 液体法 气体法和等离子法 按渗入元素的种类进行分类 渗碳 渗氮 如渗硼 氮碳共渗 硼铝共渗等 1 固体法1 粉末法粉末法是固体法中最普通的方法 历史最为悠久 至今世界各国仍以此法应用最多 第六章表面改性新技术 这种方法的早期应用是把工件埋入装有渗层金属粉末的容器里进行加热扩散 但由于烧结使得表面难以清理 后来便进行了改进 在粉末中加入了防粘结粉末 如Al2O3 和活化剂 助渗剂 活化剂一般为卤化物 如NH4Cl NH4I等 粉末法的优点是设备简单 操作容易 适用于形状复杂的工件的渗镀 缺点是效率低 尺寸受限制 温度高 时间长 基体金属的强度有一定降低 第六章表面改性新技术 2 流化床法这种方法与粉末法相似 不同之处是将工件放于带有固体渗剂的流化床内 然后加热 同时通入运载气体 H2 Ar 使之与流体粒子反应产生欲渗金属的活性原子渗入工件 优点 传热性好 渗速快 渗层质量高 有利于机械化和自动化 缺点 流化床设备装置成本极高 运转费用大 因此这种方法尚未推广使用 第六章表面改性新技术 2 液体法目前世界上采用的较新的液体法热扩渗技术是盐浴法 其基本原理是在金属盐熔融液体中加入V Nb Cr Ti Ta等铁合金粉末 然后把含有较高C N的钢件浸入 可预先进行渗碳 氮化或碳氮共渗 在800 1250 温度下 经过0 5 10h的时间后 可在表面上形成一极硬的金属的碳氮化合物薄层 从而赋予工件表面高的耐磨性 第六章表面改性新技术 3 气体法气渗首先把工件加热到渗剂原子在基体中能产生显著扩散的温度 然后把含有渗入金属卤化物 MCl2 的氢气通入 气体和表面接触时 工件表面的金属和氢本身与MCl2发生反应 气体渗的优点是渗层厚度均匀 易控制 对异形件和小孔结构的渗镀效果好 且无粉尘 劳动条件好 第六章表面改性新技术 4 等离子法等离子法是利用物质的第四态 等离子体进行渗镀 等离子体是利用低真空下气体辉光放电获得的 因为离子活性比原子高 加上电场的作用 因此渗速较高 质量较好 但是该法除离子氮化已经成熟 包括渗碳在内的离子渗金属尚在开发之中 第六章表面改性新技术 4 1渗硼技术渗硼是将工件置于含硼的介质中 经过加热和保温 使硼原子渗入其表面 形成硼化物的工艺过程 硼原子半径为0 82 与过渡元素原子半径之比大都大于0 59 因而 硼与过渡族元素形成的化合物 具有远比正常的间隙相要复杂得多的晶体结构 如FeB Fe2B TiB2 ZrB2等 硬度极大 热稳定性好 几乎比相应的碳化物 氮化物的硬度和热稳定性都要高 第六章表面改性新技术 4 1渗硼技术钢的渗硼层的硬度 耐磨性 耐腐蚀性 耐热性能均比渗碳层和氨化层高 此外 微量的硼还能增加钢的淬透性 4 1 1渗硼原理在渗硼过程中 含硼介质发生化学反应 生成流体含硼组元 流体含硼组元通过邻接金属表面的 边界层 进行外扩散 扩散到金属表面并被吸附 然后发生各种界面反应 生成活性硼原子 活性硼原子由金属界面向纵深迁移 从而形成有一定深度的渗硼层 第六章表面改性新技术 4 1 1渗硼原理由图Fe B相图可知 在 相中溶解硼的能力极微 在1149 时 相中具有最大溶硼量为0 02 而溶碳量大于2 氮的溶解度更大 随着硼在铁中渗入量的增加 硼与铁依次形成稳定的化合物Fe2B和FeB 这些铁的硼化物 在高温时也具有较高的稳定性 硼在 Fe中只能以置换固溶体的形式存在 而在 Fe中既可以置换固溶体的形式存在 又可以间隙固溶体的形式存在 第六章表面改性新技术 4 1 1渗硼原理因置换固溶体形式的扩散比间隙固溶体形式困难得多 因此 硼在 Fe中扩散速度远大于硼在 Fe中的扩散速度 因此 渗硼温度大多选在钢处于奥氏体状态的温度范围内 4 1 2渗硼工艺方法渗硼的方法有固体法 液体法和气体法 比较常用的是固体法和液体法 第六章表面改性新技术 4 1 2渗硼工艺方法 1 固体渗硼渗剂 供硼剂 活化剂 填充剂组成 供硼剂 提供硼源 它在活化剂的催化作用下提供硼原子 硼铁和碳化硼在目前是使用得较多的供硼剂 活化剂 提高渗剂的活性 理想的活化剂不仅可降低渗剂成本 而且可提高渗速 增加渗层深度 改善渗层组织性能 第六章表面改性新技术 4 1 2渗硼工艺方法 1 固体渗硼填充剂 渗硼介质的分散剂和载体 一般由惰性物质组成 三方面的作用 1 使复合渗剂均匀分布其中 以便工件和渗剂均匀接触 使渗剂保持适当的浓度 保证渗层的均匀性 2 产生或保持还原气氛 以保持渗硼件表面的活性 3 防止渗剂的烧结 提高渗剂的松散性 第六章表面改性新技术 4 1 2渗硼工艺方法 1 固体渗硼固体法渗硼又分为粉末渗硼和膏剂渗硼 1 粉末渗硼粉末渗硼是将工件埋入含硼粉末中装箱密封 并在箱式或井式电炉中加热保温 它具有设备简单 清洗容易的优点 适合批量处理 生产上常用的渗硼剂多由硼铁 碳化硼 无水硼砂和适量的氧化铝及卤化物组成 处理温度在900 1000 时间为1 5h 第六章表面改性新技术 4 1 2渗硼工艺方法 1 固体渗硼1 粉末渗硼适当调整渗硼剂的成分可获得耐磨而又不脱落的FeB相表面层 该法质量稳定 操作简便 已在生产中应用 2 膏剂渗硼在粉末渗硼剂的基础上加入一定量的粘结剂 形成膏状渗剂 然后涂在工件表面进行渗硼 膏剂渗硼尤其适合大件局部处理 第六章表面改性新技术 4 1 2渗硼工艺方法 1 固体渗硼2 膏剂渗硼在膏剂法渗硼剂中 加入粘结剂的作用是使渗剂能涂附于金属表面 常用的粘结剂有甲基纤维素 水解硅酸乙酯 松香酒精 可溶性淀粉 水玻璃加浆糊等 粘结剂的选择对渗硼后渗剂的脱落性有重要影响 该法渗层均匀致密 表面质量好 第六章表面改性新技术 4 1 2渗硼工艺方法 2 液体渗硼液体渗硼包括电解盐浴渗硼和非电解盐浴渗硼 1 电解盐浴渗硼是日本丰田汽车公司和美国通用电器公司以及前苏联的一些工厂在生产上已经采用的方法 电解时浸在熔融硼砂中的工件作阴极 容器或石墨棒为阳极进行电解渗硼 电解渗硼速度快 渗剂便宜 渗层深 易调节 但也有渗层欠均匀 坩埚寿命较短等缺点 第六章表面改性新技术 4 1 2渗硼工艺方法 2 液体渗硼2 非电解盐浴渗硼是目前国内应用较多的一种方法 该法是在硼砂和硼酸的混合熔盐中加入渗硼剂 如B4C 进行渗硼 4 1 3渗硼层的组织与性能渗硼后的渗层组织由表向里依次为FeB Fe2B 过渡层 心部组织 即由化合物 过渡层和基体组织三部分组成 第六章表面改性新技术 4 1 3渗硼层的组织与性能渗硼层具有如下性能 1 高硬度和耐磨性 碳钢渗硼后表面硬度可达1400 2000HV 具有极高的耐磨性 试验表明 渗硼试样的耐磨性能比其它任何处理 如渗碳 碳氮共渗等 的都高 此外 渗硼处理还有比较高的耐腐蚀磨损和泥浆磨损能力 第六章表面改性新技术 4 1 3渗硼层的组织与性能 2 高的红硬性 钢铁渗硼后形成的铁硼化合物 FeB Fe2B 是一种十分稳定的金属化合物 它具有良好的红硬性 经渗硼处理的工件一般可在600 下可靠地工作 3 良好的耐腐蚀性和抗氧化性 渗硼层对盐酸 硫酸 磷酸及碱具有良好的抗蚀性 在600 下硼化物层抗氧化性良好 例如45钢渗硼后在盐酸 硫酸水溶液中的耐腐蚀性比渗硼前提高5 14倍 第六章表面改性新技术 4 1 4渗硼的应用近年来 在渗硼领域里 人们在渗硼的基础理论 工艺过程和工业应用等方面进行了大量的研究 取得了重要的进展 该工艺已逐渐成为广泛应用的表面扩渗处理工艺 目前 渗硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蚀性方面 例如钻井用的泥浆泵零件 滚压模具 热锻模具及某些工夹具等 近年来 渗硼还逐渐扩大到硬质合金 有色金属和难熔金属 例如难熔属的渗硼已经在宇航设备中获得应用 第六章表面改性新技术 4 1 4渗硼的应用渗硼还可用于印刷机凸轮 止推板 各种活塞 离合器轴 压铸机料筒与喷嘴 轧钢机导辊 油封滑动轴 块规 闸阀和各种拔丝模等 第六章表面改性新技术 4 2渗金属渗金属工艺 DiffusionMetallizing 就是采用加热的方法 使一种或多种金属扩散渗入零件表面形成表面合金层的方法 这一表面层被称为渗层或扩散渗层 渗金属的特点是 渗层是靠加热扩散形成的 所渗元素与基体金属常发生反应而形成化合物相 使渗层与基体结合牢固 其结合强度是电镀 化学镀等机械结合所难以达到的 渗层具有不同于基体金属的成分和组织 因而可以使零件表面获得特殊的性能 如抗高温氧化 耐腐蚀 耐磨损等性能 第六章表面改性新技术 4 2 1渗铬渗铬 Chromizing 的目的主要有两个 一是为了提高钢和耐热合金的耐蚀性和抗氧化性 提高持久强度和疲劳强度 二是为了用普通钢材代替昂贵的不锈钢 耐热钢和高铬合金钢 1 渗铬的方法1 固体粉末渗铬目前工业生产中应用较多的方法 第六章表面改性新技术 1 渗铬的方法1 固体粉末渗铬该法是将工件埋入渗铬剂中 放在高温的密封容器中保温一定的时间进行渗铬 渗剂一般由金属铬粉 或铬铁粉 适量的Al2O3 或SiO2 和卤化铵配成 渗铬一般为950 1100 时间为4 10小时 固体粉末渗铬工艺虽然简单 但由于其加热温度高 保温时间长 渗层薄 铬耗量大 因此限制了此工艺的推广应用 近年又发展了多种固体粉末渗铬法 第六章表面改性新技术 1 渗铬的方法1 固体粉末渗铬 a 固体粉末通氢渗铬法氢气促进了化学还原反应的进行 使之产生更多的活性 Cr 加快了渗速 例如低碳钢在1000 保温6h后 可渗55 m b 不含卤化物的渗铬法主要用于粉末冶金件渗铬 可防止残留卤化物的腐蚀 第六章表面改性新技术 1 渗铬的方法1 固体粉末渗铬 c 快速渗铬法利用高频感应加热或直接通电加热 使零件迅速加热到高温 从而能在很短的时间内得到一定厚度的渗铬层 这种方法大大缩短了工艺周期 并保持零件心部性能不变 快速渗铬的方法很多 诸如在活性粉末渗铬剂中的快速渗铬 在真空中的快速渗铬 用铬的电镀层快速渗铬等 第六章表面改性新技术 1 渗铬的方法1 固体粉末渗铬 d 膏剂渗铬法将渗铬剂调成糊状涂敷在零件上 通过感应加热使 Cr 渗入工件表面 膏剂由渗铬源 熔剂和粘结剂配成 渗铬源是铬粉或铬铁粉 溶剂是冰晶石 粘结剂可用水玻璃 干性油漆 清漆 硅酸盐等 膏剂渗铬可提高渗铝剂的利用率 而且可大幅度加快渗铬速度 第六章表面改性新技术 1 渗铬的方法2 气体渗铬气体渗铬的反应机理与固体粉末法相似 在密封的电炉中进行 气体渗铬的介质多为铬的氟化物 氯化物 渗铬气氛 卤化铬 可在炉外制取 也可在炉内放置铬或铬铁粉末 通以Cl2和H2制取 卤化铬气体在工件表面通过置换 还原 热分解等反应 产生活性 Cr 原子而渗入工件表面 第六章表面改性新技术 1 渗铬的方法2 气体渗铬如在密封的炉子中通入CrCl2 N2 或H2 N2 对42CrMo进行1000 4h气体渗铬 可获得40 m的渗层 气体渗铬具有渗速快 劳动强度小 渗层质量高 表面光洁 无粉尘危害等优点 但氢气易爆炸 氯气有毒 要注意防护 第六章表面改性新技术 1 渗铬的方法3 液体渗铬液体渗铬是在含有活性铬原子的盐浴中进行的 具有设备简单 加热均匀 生产周期短 可直接淬火等特点 液体渗铬主要有硼砂盐浴渗铬和氯化物盐浴渗铬两类 盐浴渗铬 即TD法 是先将硼砂熔化 740 然后将烘干 120 150 的铬粉或碳素铬粉加人硼砂浴中 升温到渗铬温度把 850 1050 时 再将工件放入渗铬 第六章表面改性新技术 2 渗铬层的性能及应用1 抗氧化性能渗铬件具有良好的抗高温氧化和抗高温腐蚀性能 工件经渗铬后可在800 以上较长时间使用 在900 仍有一定的抗氧化能力 渗铬钢的抗氧化性能较渗铝钢更优 低碳钢渗铬 在700 时其抗氧化能力可比不渗铬钢高1000倍 奥氏作耐热钢 镍基和钴基合金材料渗铬后 抗高温氧化性能可显著提高 第六章表面改性新技术 2 渗铬层的性能及应用2 耐腐蚀性能工件经渗铬处理后具有良好的耐蚀性 在潮湿空气 水 强碱液 过热蒸汽和其他许多介质中都有良好的耐蚀性 能耐硫酸和硝酸的浸蚀 但耐盐酸腐蚀性差 3 耐磨性能含0 25 C的碳钢渗铬后表面硬度为1300 1600HV 而1 0 1 2 的碳钢渗铬后表面硬度达1750 1800HV 碳化铬层具有高硬度 低摩擦系数 与金属对摩 因此耐磨性很高 例如 渗铬高碳钢的耐磨性比GCr15钢还高几倍 与渗硼层耐磨性相近 第六章表面改性新技术 2 渗铬层的性能及应用4 力学性能渗铬后普通碳钢晶粒粗大 静拉伸强度和韧性下降 为此需进行热处理 渗铬可显著提高钢在高温下的持久强度 渗铬可以代替不锈钢和耐热钢用于制造机械和工具 如 仪表中的叶轮 浮子 弹簧管等零件 还可用于飞机 船舰 电站的燃气轮机叶片等高温部件 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 1 渗铝的方法1 固体粉末渗铝固体粉末渗铝是将渗铝工件埋在粉末状的渗铝剂中 然后加热到900 1050 进行保温 优点是设备简单 操作方便 特别适合于机械的零部件 缺点是工件尺寸受到限制 效率不高 渗铝剂一般由三部分组成 铝粉或铝铁合金粉 氧化铝粉起稀释填充和防止金属粉末粘结的作用 氯化铵作活化剂 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 1 渗铝的方法1 固体粉末渗铝固体粉末渗铝的工件可以是钢铁件 也可以是镍基和钴基高温合金 还可用于钛合金 铜合金及钼 铌等难熔金属 2 喷镀渗铝法把热喷涂铝后的工件800 1000 下保温5h 让铝进行扩散 称为喷镀渗铝 该处理不仅改善了喷铝层与基体表面的结合强度 还提高了喷铝层的密度 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 1 渗铝的方法3 料浆渗铝法料浆渗铝是由固体粉末渗铝法发展而来的一种工艺方法 将渗铝剂调糊状 然后涂刷在工件表面上 在120 时烘干 再加热到1000 左右进行扩散渗铝 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 1 渗铝的方法4 气体渗铝法气体渗铝是在密封的贯通式炉或井式炉中进行的 渗铝气氛为铝的卤化物 反应机理基本同体粉末法 气氛可以从炉外通入 也可以在炉内制取 该法质量稳定 效率较高 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 1 渗铝的方法5 其它渗铝方法电泳渗铝法是先用电泳法将铝粉均匀地沉积在工件表面上 再加热扩散制成镀层 电泳沉积铝的溶液是由铝粉 10 m 无水乙醇和三氯化铝组成的 配比时按每升乙醇含铝粉50g 三氯化铝的5 8g配制 工件为阴极 铝板为阳极 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 1 渗铝的方法5 其它渗铝方法快速电加热渗铝法将电流直接通过零件和渗铝剂或用高频感应将零件加热 使表面形成渗铝层 国外有三种快速渗铝工艺 1 高频加热热喷涂铝之后的工件 2 在渗铝气氛中用高频电流加热工件 3 在活性膏剂中用高频感应加热工件 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 1 渗铝的方法5 其它渗铝方法该渗铝法可使渗铝周期从几十小时缩短为几分钟甚至几十秒钟 且可改善渗铝层质量 实现自动化生产 是近十几年出现的一种渗铝新工艺 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 2 渗铝层的性能渗铝层具有特殊的抗氧化性和耐腐蚀性 1 抗氧化性能一般来说 渗铝后的钢与原来未渗铝的钢相比 使用温度可提高200 Q235钢渗铝后抗高温氧化性能优于0Cr17Mn13Mo2N不锈钢 与未渗铝的Q235钢比较 抗高温氧化能力提高100倍以上 试验证明 渗铝层要具有高的抗氧化能力 其含铝量必须高于12 最好是32 33 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 2 渗铝层的性能2 耐腐蚀性渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的手段之一 在大气条件下 渗铝钢比热镀锌钢具有更好的耐蚀性 渗铝钢的腐蚀量仅是热镀锌钢的1 10 1 5 把渗铝钢和热镀锌钢在不同的pH值溶液下的耐腐蚀性进行比较后知 在pH值2 9范围内 前者的耐蚀性要好得多 第六章表面改性新技术 4 2 2渗铝 Aluminizing Calorizing 3 渗铝的应用渗铝主要用于提高机件的耐热耐腐蚀寿命 可用于炉内构件 烟道 汽车消音器 汽车进排气零部件 高温石油化工用换热器 加热管 热风管 加热炉排风扇 空气预热器和热处理用设备 以及一切与H2S SO2 CO2 H2CO3 HNO3 液N 水煤气接触的设备 第六章表面改性新技术 4 3共渗共渗是指将工件置于含有至少两种欲渗元素的渗剂中 经过一次加热扩散过程 使多种元素同时渗入工件表层的扩散渗入工艺 4 3 1硫氮共渗 Sulphnitriding 硫氮共渗的目的是为了兼顾渗硫 渗氮二者的优点 其共渗层的组织 性能与渗氮后渗硫基本相同 但工艺简单 渗层最外层的微孔组织可储存润滑油 降低摩擦系数 次层硬度较高 因而耐磨性尤其抗粘着 咬合性能显著提高 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 1硫氮共渗 Sulphnitriding 硫氮共渗的工艺方法有盐浴法 气体法 离子法等 经气体硫氮共渗后的金相组织分为三层 最外层是FeS 第二层是以Fe2 3N为主的氮化物白亮层 第三层是氮的扩散层 硬度峰值可达1000HV 由表及里的硬度变化较平缓 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 1硫氮共渗 Sulphnitriding 用高速钢刀具进行了硫氮共渗处理与不处理的对比试验发现 在不润滑条件下前者使用寿命较后者提高2倍以上 在润滑条件下 加工低硬度零件时可提高0 5 2倍 加工中硬度零件 310 400HB 时可提高1 5 6倍 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 硫氮碳共渗实质是渗硫与氮碳共渗的结合 与硫氮共渗相比 其优点在于能使低碳钢零件也得到较好的强化效果 1 硫氮碳共渗方法硫氮碳共渗有粉末法 膏剂法 气体法 液体法和离子法 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 1 硫氮碳共渗方法1 粉末法粉末渗剂 由FeS K4Fe CN 6及石墨 木炭等组成 工艺 500 650 4 10h 优点 简单易行 成本低 缺点 质量不易控制 生产率低 劳动条件差 目前已应用不多 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 1 硫氮碳共渗方法2 膏剂法膏剂配方 37 ZnSO4 18 5 K2SO4 18 5 Na2SO4 2 25 KSCN 3 75 Na2SO3 20 的高岭土和水 工艺 分两次涂敷0 5 2mm 500 600 3 4h共渗 特点 简单易行 成本低 但质量不易控制 目前仅用于特大零件或单件生产等特殊情况 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 1 硫氮碳共渗方法3 盐浴法盐浴硫氮碳共渗是在盐浴氮碳共渗的基础上发展起来的 渗剂以盐浴氮碳共渗渗剂为基础 加入适量渗硫剂 盐浴硫氮碳共渗的温度一般是540 650 时间1 3h 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 1 硫氮碳共渗方法4 气体法气体法硫氮碳共渗有两种 一种是滴入渗剂的同时通入氨气 如 三乙醇胺1Kg 乙醇1Kg 再溶入20g硫脲 另外再通入适量的氨气 工艺一般是540 560 1 3 h 另一种是以丙烷和空气为载气 通入5 NH3和0 02 2 H2S 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 1 硫氮碳共渗方法4 气体法工艺一般是500 650 1 4 h 必要时滴入碳当量小的煤油或苯 以提高碳势 气体法的优点是 在质量稳定性 技术经济指标优良的前提下 基本无公害 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 1 硫氮碳共渗方法5 等离子法往真空室中通入NH3 并将CS2溶于酒精中再汽化后通入 便可进行离子硫氮碳共渗 工艺一般取500 650 1 4 h 离子法的特点是经济无公害 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 2 硫氮碳共渗层的组织与性能硫氮碳共渗层中 最外层是5 20 m的FeS FeS2层 次层为白亮层 由Fe2 3 N C Fe4 N C 等组成 白亮层下面是过渡层 其中有少量Fe4 N C 第六章表面改性新技术 4 3共渗4 3 2硫氮碳共渗 Sulphnitrocarburizing 2 硫氮碳共渗层的组织与性能一层韧而硬度较低的硫化物层 使摩擦接触表面具有良好的磨合性 同时该层的微孔中可储存润滑油 加之硫化物本身干摩擦系数较低 所以其减摩性 抗胶合性 接触疲劳强度均优于一般的气体氮碳共渗 此外 由于硫的渗入 改变了