材料表面改性精品课件

1、材料表面改性第1页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四主要内容一，表面二，金属表面形变强化三，表面淬火四，化学热处理五，离子化学热处理第2页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四一，表面1，理想表面2，清洁表面3，金属表层的组成第3页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，理想表面 理想表面具有结构完整的二维点阵平面。半无限的晶体体内原子的位置及结构的周期性与原来的无限晶体相同第4页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，清洁表面包括台阶表面、弛豫表面、重构表面第5页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，

2、清洁表面 表面偏析。物理吸附（范德华力）；化学吸附（化学键：离子键、金属键或共价键）第6页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四3，金属表层的组成（实际表面）普通脏污层：油污或灰尘；吸附层：大气中液体或气体分子吸附膜；氧化层：金属表面与空气中的氧形成氧化物层；贝氏层：机加工中表面的熔化分子层的流动；变形层：机加工而造成的变形层。第7页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四二，金属表面形变强化1，机理2，表面形变强化的方法第8页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，机理 通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成深度

3、可达0.51.5mm的形变硬化层 表面硬化层的变化：（1）亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大； （2）形成了高的宏观残余压应力；（3）表面粗糙度略有增加。第9页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，表面形变强化的方法表面形变强化的主要方法1，滚压 适用于圆角、沟槽等表层形变强化。2，内挤压 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施。3，喷丸 喷丸是国内外广泛应用的一种再结晶温度以下的表面强化方法。其利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。此工艺可应用于钢、铝、球墨铸铁、钛、镁、镍和钴基合金等材料中。其可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲

4、劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀（孔蚀）能力。第10页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四三，表面淬火1，淬火2，淬火方式3，淬火方法第11页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，淬火淬火属于热处理，右图为热处理图示说明。热处理只是用于处理能发生固态相变的材料。第12页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，淬火方式（按加热方式分） 淬火两大类：（1）外热源加热表面淬火，如：火焰加热表面淬火； (2)内热源加热表面淬火，主要有感应加热表面淬火和接触电阻加热表面淬火。第13页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四3，淬

5、火中的冷却（1）喷射冷却法；（2）浸液冷却法第14页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四四，化成热处理1，概念，扩散机理，参数性能评估2，钢的渗碳3，钢的渗氮4，碳氮共渗第15页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，概念，扩散机理，参数性能评估 化学热处理是表面合金化与热处理相结合的一项工艺技术，改变表层化成成分和组织。（表面淬火指改变表层的组织）第16页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，概念，扩散机理，参数性能评估化成热处理基本过程1，渗剂的分解气体渗氮时常采用氨气分解：2NH3 3H2 + 2N渗碳过程的基本反应（可加入催化剂）

6、：Na2CO3 Na2O + CO2 BaCO3 BaO+ CO2CO2 + C 2CO 2COCO2 + C第17页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，概念，扩散机理，参数性能评估化成热处理基本过程2，吸附， 表面的缺陷处，如：钢的表面上存在大量的位错和晶界，为活性原子的渗入提供了方便的通道。第18页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，概念，扩散机理，参数性能评估化成热处理基本过程（例子）3，扩散过程 表面与内部存在着浓度差，要发生原子迁移现象，被渗元素的原子由浓度高处向低处迁移，发生扩散现象。第19页，共42页，2022年，5月20日，4点38分

7、，星期四1，概念，扩散机理，参数性能评估3，扩散过程 纯扩散，可在母相金属中形成无限固溶体（间隙、置换固溶体）第20页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，概念，扩散机理，参数性能评估4，扩散过程的影响因素主要影响因素为扩散系数：一，温度影响 D = D0 e -Q/RT （ D0为扩散常数，R为气体常数，T为热力学温度，Q为扩散激活）二，浓度的影响，在渗碳及碳氮共渗时，可采用强渗工艺三，晶格类型的影响，C、N原子在体心立方的-Fe中的扩散系数比在面心立方的-Fe中大四，固溶体类型的影响（扩散激活能小）五，固溶体中第三元素的影响六，晶粒界面的影响（缺陷）七，形变与应力的影响

8、第21页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，概念，扩散机理，参数性能评估渗层的性能评估1，硬度第22页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，概念，扩散机理，参数性能评估渗层的性能评估（所渗物质所改变相对的性能）渗碳：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。氮化：提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。氰化：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。渗硼：提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性。渗硫：提高表面减磨性和抗咬合性。渗铝：提高表面抗氧化性。渗铬：提高表面抗氧化性、耐蚀 性和耐磨性。渗硅：提高表面硬度、耐蚀性及抗氧化性。渗锌：提高表面抗大气腐蚀性力。第23页，共42页，20

9、22年，5月20日，4点38分，星期四2，钢的渗碳 将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。 工艺流程：锻造正火切削加工渗碳淬火+低温回火精加工第24页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，钢的渗碳渗碳剂：CO或CH4 ，化学分解出C影响因素：（1）渗碳温度越高，渗层越厚，表面碳含量越高。（2）保温时间技术要求：（1）表面碳含量，0.71.05%耐磨取上限，强韧性要求一定耐磨取下限。（2）表层硬度，5663HRC第25页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，钢的渗碳固体渗碳第26页，共42页，2022年，5月20日，4

10、点38分，星期四2，钢的渗碳气体渗碳优点：生产效率高，渗层质量好，劳动条件好。缺点：渗层含碳量不易控制，耗电量大。第27页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，钢的渗碳真空渗碳，新型第28页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，钢的渗碳 渗碳后的热处理：（1）直接淬火低温回火法。（2）一次淬火低温回火法。（3）二次淬火低温回火法（细化心部组织，消除渗层的网状碳化物）第29页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四2，钢的渗碳渗碳件质量的检验如：金相实验；硬度测试；剥层化学分析法第30页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四3

11、，钢的氮化 和别的化学热处理一样也包括三个过程：分解、吸收、扩散。 渗氮介质是氨气：2NH33H2+2N第31页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四3，钢的氮化 一段渗氮第32页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四3，钢的氮化 二段渗碳（提高温度为550，表层硬度有所降低）第33页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四3，钢的氮化 三段渗碳（550 后520 浓度有所变化）第34页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四4，碳氮共渗/氮碳共渗 三个阶段：（1）共渗介质分解产生活性碳原子和氮原子。（2）分解出来的活性碳、氮原子被钢

12、表层吸收，并逐渐达到饱和状态。（3）钢表面层饱和的碳、氮原子向内层扩散 兼得两者优点第35页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四五，离子化学热处理1，定义2，等离子简介3，等离子的获得方法4、离子化学热处理过程第36页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，定义 离子化学热处理是利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处理介质，实现在金属表面渗入欲渗元素的工艺。第37页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四1，等离子 形成：0K时，坐标上平动（a）温度上升到10000K，原子间发生振动（b），原子碰撞，发生解离（c），温度进一步升高，发生电离（d）第38页，共42页，2022年，5月20日，4点38分，星期四 3，等离子的获得方法 条件：中性粒子电离 获得方法： （1）粒子的热运动，燃烧或冲击波使气体达到很高温度。（2）低压气体中施加高压电场（直流电场、交流电场、微波电场等）。（3）利用光、X射线、射线等电磁波能量使气体电离产生等离子体。（4）利用核聚