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第二章 表面工程技术的物理、化学基础2.1 固体的表面与界面固体：能承受应力的刚体材料，在室温下其原子在相对的固定位置上振动。从物质结构形态上看，可分为晶体和非晶体两类 表面与界面的区别 界面：以两个均匀相为分界的面，它随相的种类不同而有相当不同的特征。S/S，S/G，S/L表面：固体表面的物理化学性能常与其内部的不同，这是因为在热力学平衡条件下，表面的化学组分、原子排列、原子振动状态等等都与体内不同。S/G，S/L理想表面：在理论上，近似地假设除了固气界面的几何限制外，而系统不发生任何变化的表面称为理想表面。理想表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面。这里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，也忽略表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略表面外界环境的作用等，因而把晶体的解理面认为是理想表面。单种原子组成的某物质，其理想表面的形成过程可想象按两步进行 首先，将固体切开，分割面垂直于固体表面，于是新表面暴露出来，但是新表面上的原子仍留在原来晶体结点的位置上。 第二步，新表面上的原子将排列到各自的受力平衡位置上去。 洁净表面：不存在任何污染的化学纯表面 是经过如离子轰击、高温脱附、超高真空条件下的解理、蒸发薄膜、化学反应、场致蒸发、分子束外延等特殊处理后，保持在106109Pa超真空下外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。洁净表面：晶体表面的成分和结构不同于晶体内部，一般大约要经过46个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原子层范围。 在原子洁净的表面上，可发生多种与基体内不同的结构和成分变化，诸如弛豫、重构、台阶化、偏析、吸附等等。 弛豫：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内原子间距（缩小或增大，也可以是有些原子间距增大，有些减小）重构 ：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整 偏析 ：表面原子是从体内分凝出来的外来原子 台阶：表面不是原子级的平坦，表面原子可以形成台阶结构 化学吸附 ：外来原子（超高真空条件下主要是气体）吸附于表面并以化学键合 化合物： 外来原子进入表面，并与表面原子键合形成化合物实际表面：暴露于未加控制的大气环境中的固体表面，或经一定加工处理（诸如清洗、抛光、研磨、切割等等）保持在常温常压或低真空或高温下的表面。表面吸附、氧化和沾污吸附：固体表面吸引气体与之结合，以降低固体表面能的作用化学反应：固体与气体的分子或离子间以化学键相互作用，形成新的物质，整个固体的能量发生显著的变化。 在工业环境中被污染的实际金属材表面示意机械加工过的表面表面粗糙度：不平整性包括波纹度和粗糙度加工方法和材料本性，粗糙度的表示方法：Ra，i=A i/ A l 。粗糙度：影响膜层与基体材料的结合力，是表征 表面状态的重要指标之一典型固体界面：基于固体晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面BILBY层塑变层基于固相组织或结晶结构差异形成的界面例：钢表面淬火。表面显微结构是马氏体结构为主，心部仍是原来的退火状态，中间是马氏体铁素体珠光体过渡区。 基于固相宏观成分差异形成的界面贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几m或者十几m的表层中可能发生组织结构的剧烈变化。这种晶格畸变是随深度变化的，而在最外的，约5nm10nm厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比层 贝尔比层特点 ：益处：具有较高的耐磨性和耐蚀性，在机械制造时可以利用。害处：对制作电子器件不利，如在硅片上进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比层，因为它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。表面晶体结构 ：二维的布拉菲晶格（点阵）加上结点来描述，二维无限点阵。 TLK模型(Terrace-Ledge-Kink)：各种缺陷的平台，还是台阶和扭折都会对表面的一些性能产生显著的影响图23 单晶表面的TLK模型 表面扩散 ：扩散：物质中原子（分子）的迁移现象称为扩散。FICK1,2定律。 Q表Q界Q位Q体，Q：扩散激活能 D表 D界D位 D体，D：扩散系数表面能：材料表面的内能；产生1cm2新表面需要消耗的等温可逆功。 表面张力固体表面的吸附 ：分类：物理吸附：范德华力。化学吸附：化学键力l 固对气吸附：常见气体对大多数金属而言，吸附强度有顺序：O2 C2H2 C2H4CO H2 CO2 N2 固体对液体的吸附 固体对固体的吸附 莱宾杰尔效应 固体表面的润湿 l 润湿现象和机理 当90 时，为不润湿。越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。当=180时，完全不润湿,为球状。固体表面的润湿l 应用：增大润湿性：表面重熔、合金化、涂装技术，提高与基体的结合力 减小润湿性：“不粘锅”，在锅底表面涂覆上憎水性材料，如PTFE 2.2 材料磨损原理及耐磨性l 摩擦：遵循摩擦三定律1、干摩擦 无润滑摩擦，磨损最大应用：制动器，传送带2、边界润滑摩擦：很薄油层 0.1m 摩擦降低210倍3、流体润滑摩擦：F取决于润滑油粘度4、滚动摩擦：很小 一种摩擦包含几种磨损机理l 磨损：粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、高温磨损粘着磨损：占磨损失效的15 焊合剪切及犁削理论 单位面积载荷大塑性变形冷焊变形断裂（塑性断裂） l 典型情况：硬软：抗剪切强度，实际面积，摩擦力 。硬硬：实际面积，抗剪切强度，摩擦力 影响因素：a.材料的硬度。硬度，耐磨性（一般来讲）b.晶体结构合晶体互溶性。密排六方fccbcc,互溶性，c.温度。 T，硬度，互溶性，磨损（一般来讲）d.环境。磨粒磨损：占磨损失效的50 l 磨粒磨损过程：硬质磨粒绝对刚体塑性材料接触：显微切削、显微犁沟 。脆性材料接触：断裂破坏，显微疲劳、显微裂纹例:a.模具钢中，高铬钢和高速钢耐磨性好，如果 在钢中存在严重的碳化物偏析或大颗粒的碳化物情况下，冲压模易因冲击磨损出现表面剥落，成为磨粒，加速磨损。b.热作模：型腔表面由于高温软化耐磨性，氧化皮起到磨粒作用。c.塑料模具：硬质塑料成型过程中，硬质填料充当磨粒。磨粒磨损影响因素：磨粒特性 a.硬度的影响：Ha/ Hm 1.2 W速率高硬磨粒 1 Ha/ Hm 多角形圆形。当磨粒在某一尺寸一下时，材料的体积W率随尺寸的增大而增大。当尺寸超过这一临界尺寸时，增加幅度降低。 材料力性、组织硬度耐磨性 （一般具有伴随关系）。耐磨性：奥氏体、贝氏体珠光体、马氏体 环境影响提高零件耐磨性的途径：工程结构的合理设计。零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择。材料表面耐磨与减摩处理拉深模 粘着磨损：圆角处 脱落的材料碎屑，磨粒磨损表面粗糙度粘着磨损 改善方法 ：选材：粘附易发生在性质相近的材料之间，根据被拉深材料选择模具材料。如：被拉深材料：有色金属 黑色金属 模具材料：铸铁、钢材、硬质合金； 有色金属、硬质合金、亲和力小钢材2 合理设计模具：凸、凹模间隙设计合理间隙小，摩擦阻力大，磨损。间隙过大，制件起皱，磨损。不均，产生不均匀内应力，寿命改善方法 ：表面处理提高耐磨性硬度提高：淬火、离子注入、热扩渗。粗糙度：抛光（超声波抛光、电解抛光）。润滑：减摩作用，润滑油脂、固体润滑固体润滑机理：利用材料自身转化膜的低剪切特性而具有良好的抗摩、减摩作用。高温稳定性高，不易粘结。固体润滑覆膜：FeS, FeCl（表2-3）。自润滑复合材料：金属基、塑料基、碳基例：金属基向前式自润滑轴承，由金属底材与嵌入底材的孔或槽中的固体润滑剂构成，被称为在摩擦行业中带动模具革命的技术。2.3金属腐蚀原理与防护技术什么是腐蚀？金属材料和周围环境发生相互作用而破坏。定义：材料和周围环境发生化学或电化学的作用而破坏。三个基本要素： 腐蚀的对象 腐蚀的后果 腐蚀的性质腐蚀的分类 按环境分类：大气腐蚀 土壤腐蚀 海水腐蚀 微生物腐蚀 化工介质腐蚀 按形态分类：全面腐蚀 局部腐蚀 按机理分类：化学腐蚀 电化学腐蚀 物理腐蚀腐蚀电池的工作过程Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 定义：只能导致金属材料破坏而不能对外界作功的常见几种现象 极化 极化现象：电流接通后，电池电动势降低的现象叫电池的极化现象。 阳极极化：电位偏离初始电位正移。阴极极化：电位偏离初始电位负移。*腐蚀电池的极化包括阳极的阳极极化和阴极的阴极极化，不过两者的极化程度和方向不相同。 极化值 极化程度的大小用极化值表示，记为E。 E = E - E0 E a = Ea E00 Ec = Ec E00 钝化表面状态改变V腐蚀，通常认为表面形成了氧化膜。金属氧化性酸氧化物，限制反应进一步进行。W HNO330，V腐蚀30 W HNO340， V腐蚀 活化：简单而言，活化即消除表面钝化，获得清洁或洁净表面。加速腐蚀。防护方法：正确选材与合理设计 电化学保护 涂镀层保护 缓蚀剂保护合理设计，正确选材例：（1）避免残留液和沉积物造成腐蚀阴极保护法牺牲阳极保护法：外加比保护金属电位更低的金属，如：钢铁表面热喷涂Zn层。外加阴极电流法：使被保护金属电位降低到保护电位以下。阳极保护法：外加阳极电流使保护金属电位升至钝化电位。表面处理 阳极性金属覆层 热喷（热扩渗、电镀）锌、铝有机物（涂料）封闭。在大型钢结构、船舶中广泛应用 阴极性金属及非金属涂层： 复合镀：CuNiCr；陶瓷陶瓷多元复合涂层第四章 表面淬火1. 表面淬火技术的原理将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使之迅速冷却并转变为马氏体。将钢整体加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。2. 表面淬火技术的加热方式感应加热：中频感应加热、高频感应加热火焰加热激光加热离子束加热电子束加热3. 表面淬火对材料的要求凡是能进行整体淬火强化的材料都可以进行表面淬火。低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化（齿轮渗碳）。表面硬度要求越高，要求钢碳含量和合金含量越高；表面硬化层越深，要求钢淬透性越好。4.与常规淬火技术的区别在一定加热速度范围内，V加热，T临界V加热，奥氏体成分的不均匀性a.C 成分不均匀,从相图上看与F,K 相邻的浓度相差很大,C 来不及扩散b. 合金元素不均匀 预先热处理（调质、正火、球化退火）表面淬火 V加热，奥氏体晶粒细化显著a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在F 和K相界上形成，A在F 亚晶界上形成。 b.加热时间短,如果加热速度10 7 度/S,形成时间10-5S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。 V冷却，表面硬度高5. 表面淬火层组织全马氏体区 (全淬硬层) 马氏体+铁素体区(过渡层) 硬化层深度由硬度法和金相法评定(半马氏体区硬度:国家标准)6. 表面淬火技术的特点生产效率高，能耗小。加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织均匀性差（渗碳体来不及溶解和扩散）。表面组织细，硬度高，中部硬度低，韧性好。感应加热淬火原理将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场的作用下（如果工件与线圈的间隙非常小）由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡流，大小与线圈电流相等，方向相反。涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达到对工件表面淬火的目的。感应加热原理对于圆柱型工件，表面吸收的功率P为：P=1.2510-3R0I2(f)1/2 式中：R0为工件半径（mm），I为感应器通入电流（A）， 为工件材料电阻（.m），为导磁率（H/m），f为电流频率（Hz）。 功率P的大小决定了加热速度。加热到奥氏体时， 迅速下降，即吸收功率P迅速下降 表面不容易过热。中频淬火：电流导入深度：=5.03104（/f）1/2（mm） 式中：为工件材料电阻（.m），为导磁率（H/m），f为电流频率（Hz）。电流导入深度与电流频率成反比，也就是淬火深度与电流频率成反比。工艺流程： 预先调质处理确定加热温度与加热方式选择比功率设计感应加热器确定冷却方式制定回火参数加热方式：同时加热、连续加热 分类：高频200300KHz，淬火深度0.52mm中频25008000Hz，淬火深度25mm 工频50Hz，淬火深度1015mm 双频加热，提高淬火深度（3050mm）。感应加热淬火技术特点：效率高变形小深度可控需要制作特定的线圈电源功率大“尖角”效应感应加热淬火技术应用高频淬火：轴类零件，磨损量小，但精度要求高的零件中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨损量，精度要求较高的零件工频或双频：轧辊，磨损量大表面淬火在粗加工或半精加工后进行，最后只留磨量。火焰淬火（flame quenching）原理：用火焰快速将工件表面加热到淬火温度，并快速冷却，使工件表面得到淬火组织。控制参数：火焰大小、火焰与工件的相对距离和相对移动速度淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却条件等4.3 火焰加热表面淬火技术优点：设备简单操作灵活操作简单适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火缺点：生产效率低难以控制，需要丰富的经验。淬火层的均匀性差变形大4.3 火焰加热表面淬火技术适用于各种形状的小批量零件或大型零件的局部淬火 导槽、模具、凸轮轴（凸台）4.4 激光加热淬火技术激光加热原理: 用激光束加热材料表面，使之迅速生高到相变温度以上。激光加热的特点：能量密度高。加热速度快温度高，且容易控制。激光加热可有多种用途:（1）激光淬火：加热材料表面到相变点以上温度，自行快速冷却转变为马氏体。（2）激光重熔：加热材料表面使之熔化，表层快速冷却，形成白口组织或高硬度相。（3）激光非晶态处理：用激光束熔化材料表面，然后快速冷却，形成非晶态组织。（4）激光合金化：用镀敷或喷涂技术，将需要的合金元素涂敷在金属表面，用激光照射，使表层熔化，合金元素和基体混合，形成所需要的成分和组织。（5）激光熔覆：用镀敷或喷涂技术，将陶瓷涂敷在金属表面，用激光照射，使陶瓷和金属基体表层熔化，并形成冶金结合。激光加热还有大量其他用途：激光切割、激光刻字、激光打孔等激光淬火（Laser Quenching）原理: 用激光束加热材料表面，使之迅速生到相变点温度以上但不熔化，当激光束移开后表层自行快速冷却，并转变为马氏体。4.4 激光加热淬火技术特点 ：能量密度高，加热速度快、温度高，不需要淬火冷却介质。控制参数：（1）淬火层深度：激光功率、光斑直径和扫描速度决定。淬火层深度一般在0.11.0mm（2）能量密度（J/cm2）：决定加热温度和深度 。优点：工件变形小能量集中，热影响区小加热深度和轨迹容易控制适用于表面重熔，甚至可以熔化陶瓷。为了不使材料熔化，激光淬火时能量密度一般为10006000 J/cm2 。缺点： 存在回火软化带，对要求大面积均匀硬化层的工件不利Cr12MoV钢激光淬火组织和硬度分布应用（1）高精度零件处理 汽车大梁，汽车油泵，空压机、发动机的汽缸，汽车凹轮轴，热锻模大型内齿圈质量优势技术特点适用材料实际应用淬火零件不变形热循环过程快中碳钢大型轴类激光淬火不开裂精确定量的数控淬火冷作模具钢模具、刃具对局部沟、槽淬火定位准确中碳合金钢减震器（内槽）清洁、高效不需要冷却介质铸铁材料发动机汽缸硬度高淬火层组织细密、强韧性好高碳合金钢大型轧辊（2）管材内表面改性例：管内机器人激光表面改性技术，对细长管材内表面硬化处理，提高耐磨性，延长寿命，减少管材的使用量。 外径60mm，壁厚8mm，长2300mm的细长空心轴，淬火后振摆变形小于0.2mm4.5 变形强化变形强化机理：塑性变形位错运动位错增殖位错交结强度提高塑性变形马氏体相变强度提高最常用来表示金属材料变形强化的公式是Hollomon公式：S=Ken 式中：S为真应力；e为真应变；n为变形强化指数；K材料硬化系数。4.5 变形强化（1）喷丸或抛丸强化:钢丸高速撞击工件表面，使表层材料产生大量的塑性变形。（2）滚压强化：用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错。产生大量的位错，如有奥氏体相，促使马氏体相变，提高材料的表面强度。较大的残余压应力。提高材料的强度，特别是疲劳强度的方法。4.5.1 喷丸强化 喷丸强化：压缩空气带动钢丸高速撞击工件。 喷丸强化：撞击点集中，易于控制。用于飞机叶轮，齿轮。 抛丸强化：叶轮高速旋转，钢丸在离心力的作用下，沿叶片切线方向以45ms75ms速度飞出，高速撞击工件，使工件表面产生塑性变形和内应力，达到强化的目的。 抛丸强化撞击面大，生产效率高。用于弹簧钢板、圆弹簧、大型工件、车轮以及大批量生产的零件等。喷（抛）丸强化后表层残余应力分布疲劳破坏时，表面产生拉应力，表面残余压应力可以抵消部分拉应力，降低应力峰值，从而提高疲劳强度。合适的工艺参数下，在0.20.4mm表层，产生数百兆帕的压应力。1Cr18Ni9Ti、20钢、45钢、40Cr、60Si2Mn喷（抛）丸强化后疲劳强度可提高1447%。；铝合金的临界腐蚀应力提高1倍；汽车渗碳齿轮疲劳寿命提高4倍；弹簧钢板疲劳寿命可延长5倍。控制要点：（1）钢丸直径：取决于工件表面质量要求（2）钢丸硬度：取决于工件材料（3）钢丸材料：不易破碎。 不能有尖角、碎丸：降低疲劳强度。 不锈钢工件不能用普通钢丸：生锈（4）喷（抛）丸强度：用试片检测。（5）表面覆盖率（%）4.5.2 滚压强化在一定的压力作用下，用钢球、辊轮或辊轴滚压工件表面，使工件表面产生大量的位错和较大的残余压应力，从而提高材料的表面强度，特别是疲劳强度的方法。表面滚压的强化原理与喷丸和抛丸相同。滚压强化适用于轴类零件和沟槽类零件，不能用于复杂零件。滚压改性层深度可达5mm以上，球墨铸铁曲轴滚压疲劳强度可提高2033%滚压强化使零件产生变形，必须进行矫正处理。第五章 热扩渗定义：将工件放在特殊的介质（气体、液体或固体）中，使介质中的某一种或几种元素渗入工件表面，形成一定厚度的扩散层（或掺杂层），从而改变材料成分、组织和性能的方法。渗层形成的条件：渗剂产生活性原子和基体金属原子具有较好的相溶性，能形成固溶体或金属化合物。必须保持直接的紧密接触活性原子在基体金属内有一定的扩散速度。 必须满足热力学条件（化学反应）在热力学条件满足的前提下，扩散速度取决于动力学条件，即温度。热扩渗技术机理：渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金属表面。活性原子吸附在基体金属表面，并被基体金属吸收，形成固溶体或金属间化合物。活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层厚度不断增加。热扩渗层的组织：形成单相固溶体，如渗碳层中的-Fe。形成化合物，如渗氮层中的相（Fe2-3N），渗硼层中的Fe2B等 。形成固溶体和化合物的混合组织，并形成梯度分布。40CrNiMo钢(a)渗碳：层深0.5mm 左右,表面碳势0.9 %。表层为高碳马氏体+ 颗粒状碳化物+ 残留奥氏体;心部为中碳马氏体。（b）渗氮：表层碳氮化合物+ 含氮马氏体+ 残留奥氏体，心部是回火索氏体。 渗氮厚度与时间、温度的关系（95%N2+5%H2）热扩渗工艺分类按渗剂状态分：气体法、液体法、固体法和等离子法。按渗入元素分：渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、浸铝、浸锌、碳氮共渗、氮碳共渗等。按工作温度分：高温（ 910 ）、中温和低温热（720 ）热扩渗。渗碳： 在增碳活性气氛中，将工件加热到高温，低碳钢或低合金钢一般加热900950，使碳原子渗入工件表面，形成高碳层。渗碳气氛的形成方式：滴注式气体渗碳：向炉内滴入含碳有机液体，如煤油。（设备简单，要求经验）吸入式气体渗碳：吸入富碳气氛进行渗碳。（专用设备，大批量生产）氮基气氛渗碳：以纯氮为载体，加入碳氢化合物，一并注入炉内形成富碳气氛进行渗碳。 （专用设备）气氛检测仪器（CO2、CH4、CO分析仪）渗碳控制要点影响因素渗碳层碳浓度(0.81.1%)碳势渗碳层厚度（浅层0.7mm,常规0.7-1.5mm,深层1.5mm）温度、时间工件变形夹具、装料形式表层内氧化炉内气氛、装炉温度、冷却状态渗碳层质量控制：渗碳层碳浓度：设计炉内碳势，测定随炉试样成分，调节碳势，严格控制温度。渗碳层深度：控制温度、时间，测定随炉试样成分，调节时间。工件变形：夹具刚性高，装炉平稳内氧化：炉内气氛，高温装炉，低温开炉和出炉。20Cr2Ni4A齿轮渗碳优点：提高硬度和耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高 缺点：处理温度高，工件畸变大应用： 渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。 例：冷挤压成型塑料模（1）要求： 冷挤压成型在退火态具有高的塑性和低变形抗力提高耐磨性渗碳淬回火处理，表面硬度达5862HRC（2） 材料：工业纯铁、20Cr、12CrNi3A、0Cr4NiMoV(LJ) LJ含碳量低，塑性优良，变形抗力低，Cr、Ni、Mo、V提高淬透性，渗碳能力提高；代替10钢，20钢。（3）工艺性能：固体渗碳工艺：加热930（68h）油淬（850870）低温回火（2002202h）表面硬度：5860HRC；心部：2129HRC；变形小，渗硬层深渗碳温度高，变形大，渗碳速度慢等缺点稀土共渗技术汽车齿轮稀土元素作用：（1）催渗（2）微合金化：成为第二相沉淀析出的核心，超细化马氏体，接触疲劳、弯曲疲劳强度高 向密封的渗氮炉内通入氨气，氨气发生下列反应： 2NH3=3H2+2N 480570 N+Fe= FeN 生成的活性N原子渗入钢铁表面，形成一定厚度的渗氮层。名称结构含氮 (wt%)特性相含氮铁素体体心590:0.1室温:0.004有铁磁性相含氮奥氏体面心2.86590共析转变,慢冷: + 相Fe4N基固溶体面心5.305.70铁磁相,硬度较高,脆性小相Fe2-3N基固溶体4.5511.0铁磁相,650发生共析: + 相化学当量为Fe2N化合物斜方11.0711.18具有高脆性渗氮层相及特性渗氮优点：氮化层硬度高达9501200Hv，耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性能优于渗碳层。低温渗氮：500600渗氮，工件变形小。缺点：时间长，数十到上百小时。渗层薄（500m），脆性高渗氮的应用渗氮可以用于结构钢、高铬钢、工具钢和铸铁。产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具等等。渗氮层很薄，一般为0.10.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工。碳氮共渗在520580，以渗氮为主，称氮碳共渗，渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化。 氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中不含相，硬度略低，韧性好，裂纹敏感性小。 氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性能和疲劳性能好，尺寸变形小的热扩渗工艺。碳氮共渗在780930，以渗碳为主，称碳氮共渗。碳氮共渗比渗碳温度低，零件变形小，晶粒细，可以直接进行淬火，零件变形开裂倾向小。氮不仅扩大了相区，而且提高奥氏体稳定性，提高了渗层的淬透性和淬硬性。渗层存在较大的残余压应力。11.更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性。渗氮和氮碳共渗应用渗氮层很薄，一般为0.10.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工。不仅要求疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性高，而且要求精度高的产品，如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具等等。5.2 液体热扩渗：将工件放入熔融液体中，使表面层渗入一种或几种元素的方法称为液体热扩渗。盐浴法：（1）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗到工件表层。（2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传输活性原子。热浸法：熔融金属液，热浸锌、热浸铝等熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，在真空或保护气氛下加热至渗剂熔点以上，渗剂元素扩散到基体金属表面。Melenite工艺（盐浴氮碳共渗），1974年德国Degguss公司发明，盐浴温度550600，盐浴中含有3438%的CNO2-离子。Melenite工艺原材料不含氰盐或氰酸盐，但反应产物中含低氰。零件清洗水可以直接排放，但废盐处理是问题。Sursulf工艺（盐浴硫氮碳共渗）由法国HEF公司开发的一种表面处理工艺，在5655工作温度下，由硫催化下的无公害盐浴氮化。卓越的渗氮能力使舍舍夫（SUSULF）技术有效地解决钢和铸铁的磨损摩擦、疲劳、咬合及腐蚀的各种问题。 Sursulf工艺原材料不含氰盐或氰酸盐，反应产物中含有少量的氰酸根CN-，质量分数0.8% 。零件清洗水在添加去氰剂中和后，可以直接排放，但废盐处理是问题。同Melenite工艺相比，Sursulf工艺处理零件的摩擦系数更低，抗咬合性能更好。 热浸金属将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护层的方法。 热浸金属的三个过程：（1）基体金属表面被溶解，形成合金层。（2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。（3）合金层外面包覆一层纯金属。热浸锌和热浸铝 热浸铝和热浸锌是公认的经济实用的钢铁材料表面防护方法。 热浸锌在大气、海洋环境下使用的钢结构件已大量使用，如水管、高速公路护栏、铁搭 、桥梁上大量使用。 热浸铝还在汽车零部件上使用。渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的方法。热浸产品 钢管 换热器热浸铝：铝液与铁接触，在界面上形成Fe/Al合金层，并形成FeAl3化合物。 铝原子向内部扩散，不断形成FeAl3化合物，FeAl3相厚度增加。 随着铝原子继续向内扩散，还形成 Fe2Al5相。 取出工件时，表面形成一层纯铝。 用常规方法对工件表面脱脂除锈 用质量浓度为4%的K2ZrF6溶剂在5080清洗工件：（1）进一步清除工件表面铁锈（2）活化工件表面，提高浸入能力和镀层的结合力。 工件干燥后，浸入铝液。热浸铝液成分和浸渍工艺铝液成分浸渍工艺备注温度/时间/min100%Al7607801030粘铝偏多8892%Al+128%Fe6808001560铁锅和工件的溶解少9498%Al+62%Si7207802030铝液流动性好热浸铝工艺影响因素 铝液成分、温度、时间21 基体成分：钢中C、Si含量增加，浸铝层厚度下降钢中的Cr、Mn元素，浸铝层厚度下降Si提高铝液流动性，降低合金层的厚度和硬度渗铝渗铝的方法很多：22 液态渗铝：工件浸入铝液23 固体粉末渗铝：88%AlFe粉+10%石英粉+2%NH4Cl2膏剂，涂在工件表面35mm厚，在专用密封炉内加热，使铝渗入工件。24 表面喷涂铝，再扩散退火渗铝：电弧喷涂0.71.2mm铝层，在920950进行46小时扩散退火渗铝。5.3 固体热扩渗25 把工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包裹工件，并加热达到一定温度，保持一定时间，使工件表面渗入一种或多种元素的方法。26 固体渗剂包含：供渗剂（+还原剂）+催渗剂（或催化剂）+填充剂。例：渗硼27 供硼剂：含硼量高的物质，B4C、硼铁、硼砂，硼量越高，硼的活性越大。28 还原剂：用硼砂的还原剂为SiC。29 催渗剂：欧美用碳化物（环保），国内用氟化物和氯化物（活化能力强）30 填充剂：SiC或Al2O3。常用固体渗硼剂及渗硼工艺渗剂成分/mass%工艺参数渗层厚度/mm渗层组织温度/时间/h95%B4C+2.5%Al2O3+2.5%NH4Cl95050.06FeB+Fe2B80% B4C+20%Na2CO3900110030.090.32FeB+Fe2B5%B4C+5%KBF4+90%SiC70090030.020.1FeB+Fe2B30%硼铁+ 10%KBF4 + 60%SiC80095040.090.1Fe2B13%硼砂+13%催渗剂+10%还原剂+54%SiC+10石墨85040.1Fe2B例：渗硼31 硼在-Fe或-Fe中的溶解度低于0.002%，易与Fe形成Fe2B，如渗硼剂活性高，渗层中硼量增加，当B量超过8.83%时，会出现FeB。32 FeB的硬度比Fe2B 高，脆性性也大，所以一般希望得到Fe2B 相，但大多数情况是得到Fe2B 相和FeB 相混合组织。33 Fe2B 的硬度为12001800Hv，FeB的硬度为18002200Hv。渗硼能显著提高钢的耐磨，特别是磨粒磨损性能。34 钢件渗硼后抗拉强度和韧性下降，但抗压强度提高。35 渗硼工件的抗粘着磨损性能比渗碳淬火和离子渗氮更高。36 在硫酸、盐酸、磷酸等水溶液中的耐腐蚀性能明显提高，但不耐海水和硝酸的腐蚀。钢化学成分对渗硼影响：37 B的渗入，使钢中C内迁，以形成Fe/B化合物。含C量越高，渗硼层越薄。38 W、Ti、Mo是阻止硼化物形成元素，能急剧降低渗硼层厚度。39 Cr、Al、Si影响较小；Mn、Co、Ni几乎没有影响。最适合于中碳钢及中碳合金钢5.4 等离子体热扩渗40 等离子体热扩渗是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，在工件表面产生热扩渗的工艺。等离子体热扩渗特点离子轰击工件表面，使表面活性提高，容易吸收被渗离子和活性原子。离子轰击能去除工件表面的氧化膜或钝化膜，使易氧化的金属（如不锈钢）也能进行热扩渗。调节电参数、渗剂气体成分和压力来控制热扩渗层组织性能。气体放电：当电压达到一定大小时，阴阳极间的气体会发生电离，等离子体是一种电离度超过0.1%的气体。辉光放电特性：阴极附近的电位降落最激烈，此区域的辉光强度最强，称为阴极辉光区，即所谓的辉光厚度。改变两极距离，辉光厚度无明显变化。当距离小于辉光厚度时，辉光将熄灭。这一原理用于工件局部保护。例：离子渗氮41 将工件放入离子渗氮炉,抽真空至1.33Pa.42 通入少量含氮气体,如氨,使炉压升到规定值.43 阴极(工件)和阳极加直流高压,使炉内气体放电.氮离子和氢离子在高压电场作用下冲击阴极,产生大量热量加热工件,同时氮离子和氢离子被工件吸附,渗入工件，形成渗层.44 保持一定时间，渗层达到要求厚度后停电、停气，降温到200后出炉。离子渗氮工艺辉光电压：保温阶段为500700V。电流密度：0.515mA/cm2。电流密度大，升温快，但易出现打弧。炉内真空度：266533Pa。炉内压力太低，加热太慢；炉内压力太高，易出现打弧。渗氮气氛：液氮或氮氢混合气。液氮使用简单，但渗层脆性大；体积比为1:3的氮氢混合气可改善渗层性能。调整氮氢混合气的氮势，可控制渗层相组成。渗氮温度：450650。不含铝的钢一般采用500550的一段渗氮工艺，含铝钢采用520530和560580的二段渗氮工艺；不锈钢采用600650的渗氮温度。渗氮时间 ： 为0.20.6mm时， 为630h。一般钢种8h左右，不锈钢要长得多。渗层深度计算公式：=k（D）1/2计算。为渗层深度，k为常数，D为扩散系数，为渗氮时间。离子渗氮特点45 效率高：渗氮速度与普通气体渗氮的35倍。（1）N离子轰击，使部分金属原子活化，使C、N、O等部分非金属元素还原出来。（2）表面清洗作用（3）高的N浓度：轰击出来的N，Fe原子形成FeN，吸附在工件表面，提高了表面浓度。（4）阴极溅射，部分原子脱离表面，位错密度增加，增加了N原子向内的扩散系数。离子渗氮特点46 硬度：离子渗氮层硬度与气体渗氮层相当。47 厚度：离子渗氮层厚度可达0.30.5mm，比气体渗氮层厚得多。48 热效率高，节能；环保。热扩渗的发展趋势49 应用越来越广：耐磨、耐蚀、提高表面强度。50 低温工艺代替高温工艺，减少变形。51 提高渗层性能，单元素扩渗变为双元素或多元素扩渗。52 环保：液体碳氮共渗改为离子碳氮共渗。53 催渗剂研究54 控制系统或元器件的研发。第六章 热喷涂、喷焊与堆焊技术1. 热喷涂技术：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物以及它们的复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，并喷射到经过预处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法。泵浦静止环 高压WC - Ni 用于耐磨损和腐蚀 钢闸门电弧喷涂Al-Zn防腐涂层德国HUNGER公司等离子喷涂的启闭机油缸活塞杆 启闭机柱塞杆：耐磨损和耐腐蚀陶瓷涂层球阀WC - Co - Cr 用于耐磨损和腐蚀 输送滑轮 WC-Co 用于耐磨损和防滑涂层形成机理 材料熔化加速撞击基体冷却凝固形成涂层涂层结构55 层状结构. 方向性. 孔隙或空洞.伴有氧化物和夹杂涂层质量指标 56 涂层材料性能57 涂层结合强度58 涂层空隙率59 涂层内应力涂层质量影响因素 60 结合强度：材料性质、熔化状态（热源温度、粒子飞行距离）、粒子飞行速度、基体表面粗糙度、涂层厚度等61 空隙率：材料性质、熔化状态、粒子飞行速度62 内应力：材料性质、涂层厚度、工件冷却条件、喷枪运动速度。涂层结合机理 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。63 结合力：涂层与基体表面的结合强度。64 内聚力：涂层内部的结合强度。 涂层结合机理 （1）机械结合65 碰撞成扁平状，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。66 涂层与基体的结合以机械结合为主。67 机械结合为主的结合决定了热喷涂的结合强度较低。 （2）冶金-化学结合68 喷涂热量、撞击能量和放热反应，使表面局部产生高温，使涂层和基体表面局部出现扩散和焊合，形成冶金结合。69 结合面上的金属间化合物或固溶体为冶金结合的产物。70 重熔或喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。 （3）物理结合71 颗粒对基体表面的紧密结合，形成范德华力或次价键形成的结合。 涂层残余应力 熔融颗粒/凝固收缩 涂层外层为拉应力，基体和涂层的内层为压应力。 涂层越厚，内应力越大，直至剥离。热喷涂层厚度一般0.5mm。 残余应力影响因素： 涂层材料与基体材料物理性质的差异（如膨胀系数）。 工艺措施（如工件预热、喷涂过程中对工件冷却等）。 涂层结构（如梯度涂层）。 涂层的致密性等。Wear Resistance Coating on Light Metals2.主要热喷涂方法和特性72 按热源分2.主要热喷涂方法和特性73 不同的方法，适用于不同的材料；不同的材料，选择不同的方法。主要取决于材料的熔点和氧化特性。74 电喷涂：适用于金属材料或金属基复合材料。75 气喷涂：可以喷金属也可以喷陶瓷。火焰喷涂喷金属，HVOF喷金属陶瓷，等离子喷涂喷氧化物陶瓷。热喷涂的特点之一（1）适用范围广涂层可以是金属、非金属以及复合材料。工件也可以是金属和非金属。热喷涂的特点之二（2）工艺灵活施工对象小到10mm内孔，大到铁塔、桥梁等大型结构。既可在整体表面，也可在指定区域内涂敷。既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料，也可在野外现场作业。 热喷涂的特点之三（3）工件受热少例如氧-乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸喷涂，工件受热程度均不超过250，工件不会发生畸变，不改变工件的金相组织。 热喷涂的特点之四（4）生产效率高大多数工艺方法的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料，有些工艺方法可高达50kgh以上。 热喷涂的特点之五（5）缺点热效率等，能耗高。材料利用率低，浪费大。涂层结合强度低。 3. 表面预处理76 为了提高涂层与基体的结合强度，在喷涂前，对基体表面进行脱脂、清洗和粗糙化等预处理。表面预处理是喷涂工艺中的一个重要工序。 基体表面脱脂、清洗方法 碱洗法：将工件放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待基体表面的油脂溶解后，再用水冲洗干净。 溶液洗涤法：采用挥发性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和过氯乙烷乙烯等，它们的主要作用是把基体表面的矿物油溶解掉，再加以清除。基体表面脱脂、清洗方法 蒸气清洗法：采用三氯乙烯蒸气清洗，这种方法的清洗效果很好，但对人体有一定的危害。77 对疏松表面（如铸铁件）的清洗：先脱脂、清洗后，将工件表面加热到250左右，尽量将油脂渗透到表面，然后再加以清洗。基体表面氧化膜的处理 78 机械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除锈法。79 直接喷砂去除氧化膜。80 也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。 表面粗化处理 81 提高结合强度的一个重要措施。82 喷涂前4h8h内必须对工件表面进行粗糙化处理。常用的方法有： （1）喷砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等多种，根据工件表面的硬度选择。 （2）机械加工法83 对轴、套类零件表面粗化，可采用挑扣、开槽、滚花等简便切削加工方法，限制涂层的收缩应力，增加涂层与基的接触面。 84 对强度要求不高的工件，在喷涂区域内车螺纹和滚压，形成粗糙表面，一般每厘米10条纹左右。（3）化学腐蚀法基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各个晶面的腐蚀速度不同，可形成粗糙的表面。（4）电弧法（又称电火花拉毛法）将细镍（或铝）丝作为电极，在电弧作用下，电极与基体表面局部熔合，产生粗糙的表面。这种方法适用于硬度比较高的基体表面，但不适用于比较薄的零件。 基体表面预热涂层与基体表面的温度差使涂层产生拉应力，从而引起涂层开裂和剥落。基体表面的预热可降低涂层残余应力。但预热温度不宜过高，以免基体表面氧化，降低基体表面活性，从而降低涂层与基体的结合强度。 预热温度一般在200300之间非喷涂表面的保护 在喷砂和喷涂前，必须对非喷涂表面保护。保护方法可根据非喷涂表面的形状，设计一些简易的保护罩。保护罩可采用薄铜皮或铁皮、炭素物或石棉等。 4.喷涂后处理 封闭气孔 一般采用有机涂料进行涂覆处理，涂层需封孔时,根据使用状态选择封孔剂.石蜡，树脂。 自熔性合金镀层的熔化处理 将B,Si等元素加入到喷涂材料中，这些元素在喷涂过程中高温时发生氧化或与金属作用形成熔渣，涂覆在最表面；另一方面，发生的反应是放热反应，使基体表面一薄层熔化，涂层与基体达到冶金结合。 熔化处理采用的加热热源一般为火焰加热和高频感应加热等。 精加工 经过喷涂的表面一般厚度不均匀，表面粗糙度高，需要进行精加工，如车削或磨削等。5.热喷涂方法(1) 火焰喷涂（Flame spray）火焰喷涂包括丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂，一般不包括超音速火焰喷涂（HVOF）。火焰喷涂的热源是氧-乙炔气体，也可以是丙烷、氢气或天然气。 喷涂材料熔化 雾化并加速 沉积到工件，形成涂层。 火焰喷涂设备简单，一枝喷枪。喷枪主要由两部分组成：产生火焰的氧、乙炔供给系统和供料（粉末或丝材）系统。 喷枪 线、棒材喷涂都是将材料从喷枪中心孔送出，由氧的火焰将其熔化，通过压缩空气将熔化的材料雾化成微粒，并将其喷射到基体表面沉积成为涂层。 特点：操作简单，设备运转费用低，可手持操作。 材料：线材主要有Zn,Al,Cu, Mo, Ti等及其化合物，铝包镍，镍包铝，金属包碳化物等复合线材;棒材主要为Al2O3、 Al2O3 + TiO2及TiO2陶瓷材料。 粉末火焰喷涂是将粉末加热到熔融或半熔融状态，同时将被加热粉粒以一定的速度喷射到工件上形成涂层。 特点：涂层致密度和结合强度不如线材火焰喷涂，但是该设备最简单、轻便，投资少，成本低。并可喷涂后进行重熔以得到更致密的涂层。 材料：可制备塑料涂层爆炸喷涂技术产生于上世纪50年代中期，将燃气