广工大材料表面工程课件第6章 表面改性技术

第六章表面改性技术6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术

零件在服役过程中往往由于表面强度不足，或者耐腐蚀性能差，而疲劳破损失效。因此，改善和提高材料的表面性能，就成为提高疲劳强度、延长使用寿命的重要工艺措施。表面形变强化就是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，金属表面喷丸强化工程就是其代表性技术。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。表面滚压强化示意图。对于圆角、沟槽等皆可通过该方法获得表层形变强化，并引进残余压应力。内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果显著。表面滚压6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术

喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术

喷丸强化原理：1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。2）表面粗糙度略有增大，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术表面强化层的组织变化：6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术表面强化层的组织：6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术强化后残余应力的分布规律表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表面层由于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲线上有“抬头”现象。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术喷丸强化用的弹丸，常用的有三种：1)铸铁弹丸碳质量分数物为2.75-3.60％，硬度约为HRC58-65,退火后硬度为HRC30-57。铸铁弹丸的价格低廉。2)钢弹丸当前使用的钢弹丸一般是将含碳量为0.7％的弹簧钢丝(或不锈钢丝)，切制成段，经磨圆加工制成，直径为0.4-1.2mm。硬度HRC45-50为最适宜。钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。3)玻璃弹丸其应用是在近十几年发展起来的，已在国防工业中获得应用。玻璃弹丸的直径为0.05—0.40mm范围,硬度HRC46-50。此外,还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术喷丸强化强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是因球形，切忌有棱角，以免损伤零件表面。一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、钢丸和玻璃丸。有色金属和不锈钢制件则需采用不锈钢丸或玻璃丸。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术喷丸强化设备主要有两类：（1）机械离心式喷丸机，适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零件。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术喷丸强化设备主要有两类：（2）气动式喷丸机适用于要求喷丸强度较低、品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术（2）气动式喷丸机压缩空气式6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术重力式喷丸机结构比吸入式复杂，适合使用比重、直径较大的金属弹丸。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术直接加压式喷丸机6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术表示喷丸强化质量的三个参数：喷丸强度、覆盖率、表面粗糙度。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术1）影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。在喷丸强度的阿尔门试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。

6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术阿尔门试验

弧高度测试时采用标准化的弧高度试片，也称Almen试片。试片分N、A、C三种，其材料和硬度都有规定，长度和宽度也固定，只是厚度不同。其中应用较多的为A试片(厚1．27mm)，适用于中等喷丸强度。试片在专用的夹具中，接受在一组选定的工艺参数条件下进行的喷射，然后测量其变形后凸弧的高度作为喷丸强度的量度。弧高度单位用mm表示。例如，30A表示A试片弧高度为0．3mm。图为不同弹丸速度和喷丸时间的弧高度值曲线。当喷丸时间延长时，弧高度先增大，之后逐渐平稳，呈饱和趋势。弹丸速度提高(喷丸机叶轮转速提高)，则弧高度全面增大。生产实际中以弧高度的饱和值作为喷丸强度。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术2）所谓覆盖率是指强化后表面弹坑占据的面积与总强化表面的比值。喷丸覆盖率的影响因素：零件材料的硬度、弹丸直径、喷射角度及距离、喷丸时间等。在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时，覆盖率能达到100％；反之，覆盖率会下降。在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时达到要求值。

通常覆盖率要求在100%-200%，有些零件，如曲轴应用可能要求覆盖率高于200%。6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术3）表面粗糙度的影响因素：零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射角度及速度、零件的原始表面粗糙度。在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表面粗糙度值就变小；喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅，弹丸的切向速度越大，弹丸对表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小；零件的原始表面粗糙度也是影响因素之一，原始表面越粗糙，喷丸后表面粗糙度值降低越小；相反，表面越光滑，喷丸后表面变得粗糙。当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大表面粗糙度值，还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。

6.1金属表面形变强化第六章表面改性技术

喷丸强化工艺适应性较广；工艺简单、操作方便；生产成本低，经济效益好，强化效果明显。近年来，随着计算机技术发展，带有信息反馈监控的喷丸技术已在实际生产中得到应用，使强化的质量得到了进一步提高。

喷丸强化在汽车上的应用凡是承受交变载荷的零件都用喷丸强化工艺。如螺旋弹簧、板簧、扭杆、齿轮、传动元件、轴承、连杆、凸轮轴、曲轴等。汽车板簧的工艺路线：扁钢间断-加热压弯成型-淬火中文回火-喷丸-装配6.2表面热处理第六章表面改性技术

表面淬火是指采用快速加热，使钢件表层奥氏体化并立即快冷获得马氏体，而心部仍保持原始组织的一种淬火工艺。表面淬火的加热方法有多种，如感应加热、火焰加热、电接触加热、电解液加热等。其中最常用的是火焰加热和感应加热两种。

6.2表面热处理第六章表面改性技术一、感应加热表面淬火目前应用最广、发展最快的一种表面热处理方法。“集肤”效应

主要适用于大批量生产的轴、齿轮等零件。6.2表面热处理第六章表面改性技术一、感应加热表面淬火

感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电集肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法。

集肤效应(skineffect)又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效用越显著。

6.2表面热处理第六章表面改性技术一、感应加热表面淬火

6.2表面热处理第六章表面改性技术一、感应加热表面淬火

电流频率愈高，电流透入深度就愈小，硬化层深度越厚薄。因此应根据零件所要求的淬火层深度来选择频率，从而选定设备。6.2表面热处理第六章表面改性技术一、感应加热表面淬火淬火后工件断面组织6.2表面热处理第六章表面改性技术一、感应加热表面淬火感应淬火后零件的表面性能①高额感应淬火时，在零件表层中产生较大的压应力，抗疲劳性能增强；②感应淬火时马氏体组织细小，碳化物弥散细小，硬度高。③感应淬火时零件经受激烈的喷水冷却，使残余奥氏体量较少，故硬度较高。

④氧化、脱碳小，组织性能稳定。6.2表面热处理第六章表面改性技术一、感应加热表面淬火感应淬火类型：根据频率不同，分为中频感应淬火，高频感应淬火，此外还有超音频感应淬火、双频感应淬火。表6-9.6.2表面热处理第六章表面改性技术

根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、工频5类。①超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫，加热层极薄，仅约0.15毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火。②高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200～300千赫,加热层深度为0.5～2毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。③超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为20～30千赫，用超音频感应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布。④中频感应加热热处理所用的电流频率一般为2.5～10千赫,加热层深度为2～8毫米，多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的表面淬火。⑤工频感应加热热处理所用的电流频率为50～60赫，加热层深度为10～15毫米，可用于大型工件的表面淬火。6.2表面热处理第六章表面改性技术600mm冷轧辊工频淬火6.2表面热处理第六章表面改性技术大型铸钢件工频淬火6.2表面热处理第六章表面改性技术

各种感应加热器6.2表面热处理第六章表面改性技术二、火焰加热表面淬火利用氧-乙炔火焰将钢件表层迅速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却以实现表面淬火的方法。其淬硬层一般为2-6mm。6.2表面热处理第六章表面改性技术二、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火设备简单，成本低，但易使钢件表面过热，质量控制比较困难。因此，它主要适用于单件、小批量生产以及大型零件如大型齿轮、轴、轧辊等的表面淬火。6.2表面热处理第六章表面改性技术三、接触电阻加热表面淬火利用触头(铜或石墨材质)和工件的接触电阻，低电压、大电流，使触点温度迅速上升。将触点以一定速度移过工件表面，即可将表层加热至淬火温度，并在工件自身的冷却下淬硬。本法简易可行，适于大件的局部表面淬火，如机床导轨、气缸套等。6.2表面热处理第六章表面改性技术四、电解液加热表面淬火

以工件作阴极，置于电解液中(常用5％～20％碳酸钠水溶液)，以电解槽为阳极，通入200～300V直流电。由于电解作用使阴极(工件)表面形成一层氢气膜。氢气膜具有大的电阻，温度迅速升高，并将工件表面加热到淬火温度。停电后电解液将工件淬冷。本法适用于大批量生产工件的局部表面淬火。6.2表面热处理第六章表面改性技术五、高密度能量加热表面淬火6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（一）化学热处理原理

将工件置于含有欲渗元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质分解出欲渗元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件内部扩散，以改变工件表层的化学成分。通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（二）化学热处理方法主要包括：渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬、渗锌（钛、铌、钽、钒、钨），以及其他多元共渗工艺，例如铝硅共渗、硼铬共渗、碳氮和氮碳共渗、硫氮和硫氮碳共渗等。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（三）化学热处理目的

每一种化学热处理工艺都各有其特点，如果需要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、耐蚀、抗高温氧化和耐疲劳性能，则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

组织：单相固溶体；化合物。

渗层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得渗层与基体金属之间是靠形成合金来结合的，即形成冶金结合，因而结合非常牢固，渗层不宜脱落。

（四）化学热处理渗层基本组织类型6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

渗层的相组织和各相化学成分取决于组成该合金系的相图。在二元合金系统中，只有单相区、无两相共存区，渗层的浓度分布呈阶梯跳跃式分布，并且有相互毗邻单相区所构成。

（四）化学热处理渗层基本组织类型6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（四）化学热处理渗层基本组织类型6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（四）化学热处理渗层基本组织类型6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术①渗入元素与基体金属必须能形成固溶体或金属间化合物。②渗入元素与基体金属必须保持直接的紧密接触。③保持一定的温度，即保证一定的渗镀速度。④生成活性原子的化学反应必须满足热力学条件。

（五）化学热处理渗层形成的条件6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术①活性原子的供给。②活性原子在基体金属表面上吸附，并被基体金属吸收。③已溶入的渗剂原子在渗镀的高温下向基体金属内部扩散。（六）渗层形成基本过程

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

影响扩散速度的参数主要有两个，即扩散系数D和浓度梯度，而许多因素都会影响这两个参数，从而影响扩散速度，几个主要的影响因素为：

①温度：扩散系数D与温度之间的关系为：D＝D0exp(-Q/RT)，可见扩散系数随温度升高而急剧增大。

②晶体结构：原子排列越紧密，扩散时点阵畸变大，所需扩散激活能升高，扩散越困难。

（七）影响渗层形成厚度因素

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术③晶体缺陷：基体中的位错、空位和晶界等缺陷都是有利于扩散的。

④基体合金成分。

⑤渗剂金属原子浓度的影响：在其他条件相同时，基体金属表面渗剂金属原子的起始浓度愈高，扩散速度增大。（七）影响渗层形成厚度因素

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

根据渗入元素的介质所处状态的不同，金属表面化学热处理可分为:固体渗、液体渗、气体渗、等离子渗。（八）化学热处理种类6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术1固体渗-----粉末渗粉末渗就是把工件埋入装有粉末渗剂的容器中，然后密封容器高温加热即可。这种方法很简单，是固渗中最普通的方法，也是历史最为悠久的渗镀法。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术2液体渗------盐浴法将工件直接浸入含有欲渗元素的熔盐槽内，经扩散形成渗层。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术3气体渗首先把工件加热到扩散的温度，然后把含有欲渗元素的气体介质通入，气体介质发生反应，生成活性原子渗入工件表面。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

4离子渗离子渗是利用物质的第四态——等离子体进行渗镀。因为等离子体离子活性比原子高，加上电场的作用，因此渗速较高，质量较好

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

渗硼是使硼原子渗入工件表层的化学热处理工艺。硼在钢中的溶解度很小，主要是与铁和钢中某些合金元素形成硼化物。渗硼件的耐磨性高于渗氮和渗碳层，而且有较高的热稳定性和耐蚀性。渗硼层脆性较大，难以变形和加工，故工件应在渗硼前精加工。这种工艺主要用于中碳钢、中碳合金结构钢零件，也用于钛等有色金属和合金的表面强化。

二、渗硼6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术2.渗硼层组织：FeB→Fe2B→扩散层→心部组织钢件渗硼后，渗硼层由单一的Fe2B化合物层或由Fe2B+FeB构成的两相化合物。Fe2B和FeB通常为指状(或梳齿状)，且垂直于表面楔入基体。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术3、渗硼层性能（1）高硬度和高耐磨性

Fe2B和FeB具有高的硬度，其显微硬度分别为1300-1800HV和1600-2200HV。钢铁材料渗硼后的表面硬度也很高．可达1300-2300HV。（2）高的热硬性

Fe2B和FeB化合物稳定性好，渗硼层在800℃能保持高硬度。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术3、渗硼层性能（3）良好的高温抗氧化性能及抗蚀性在高温下,工件表面的铁硼化合物与氧反应，生成B2O3,使工件受到保护。渗硼层对盐酸、硫酸、磷酸、醋酸、氢氧化纳水溶液、氯化钠水溶液，都具有较高的抗蚀性，和不锈钢耐蚀性相当。但不耐硝酸腐蚀。

（4）脆性渗硼层硬度很高，但脆性较大。尤其FeB，脆性大，一般希望得到单层的Fe2B层。厚度在0.07-0.15mm.6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

钢经过渗硼以后、表面具有很高的硬度（1300-2300HV)和耐磨性、良好的抗蚀性、抗氧化性和热硬性。已在承受磨损的磨具、受到磨粒磨损的石油钻机的钻头、煤水泵零件、拖拉机履带板、在腐蚀介质或较高温度条件下工作的阀杆、阀座等石油化工机械、汽车拖拉机、纺织机械、工模具(如拉丝模、冲压模）、钻杆等耐磨零件上得到广泛应用。但渗硼工艺还存在处理温度较高、畸变大、熔盐渗硼件清洗较困难和渗层较脆等缺点。

二、渗硼6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术二、渗硼渗硼方法：固体渗硼、气体渗硼、液体渗硼、等离子渗硼。固体渗硼：粉末渗、膏剂渗。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

固体渗硼渗硼剂：供硼剂、活化剂、填充剂。1)供硼剂供硼剂是渗硼的硼源。使用较多的是硼铁、碳化硼（B4C）和硼砂（Na2B4O7）。2）活化剂活化剂的主要作用是提高渗剂的活性，与供硼剂进行化学反应，产生气态化合物，促进活性硼原子的产生，加速渗硼过程。常用的活化剂是氟硼酸钾(KBF4)、碳化硅(SiC)。3）填充剂填充剂是渗硼剂中的载体。它的主要作用是使供硼剂、活化剂均匀分布在渗剂中，保证渗硼层的均匀性。通常的填充剂是碳化硅（SiC）、三氧化二铝（Al2O3）、木炭。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

固体渗硼供硼剂为硼砂（Na2B407）、活化剂为碳化硅（SiC）时的反应：

Na2B407+SiC→Na20·Si02+C02+02+4[B]供硼剂为碳化硼（B4C）、活化剂为氟硼酸钾(KBF4)时的反应见书P183。

通过反应产生大量活性硼原子[B]6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术膏剂渗硼：是将粉末溶剂加上粘结剂调成膏状，涂在需要渗硼的工件表面上，然后加热扩散。加热方式一般为装箱(用木炭或三氯化二铝作为填充剂)密封后在空气炉中加热；或不装箱，在保护气（氩气或氮基气氛)中加热，也可置于感应器中(工件无需装箱)进行感应加热。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术液体渗硼（盐浴渗硼）：是将工件置于熔融盐浴中的渗硼方法。硼砂作为供硼剂。还原剂的作用是从硼砂熔融分解产物中还原出活性硼原子。凡是与氧的亲和力大于硼和氧的亲和力的物质均可作为还原剂。通常选用的还原剂有碳酸钠、碳酸钾、氟硅酸钾。渗硼温度一般为900~1000℃，保温2~6小时。碳钢渗硼可代替合金钢。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

渗碳目的是在低碳钢或低碳合金钢零件的表面得到高的含碳量（高于0.8%)。其后经淬火、低温回火得到高的硬度和耐磨性的渗碳层，而零件的内部具有高的强韧性。但缺点是处理温度高（900℃左右），工件畸变大。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。用微处理机可实现渗碳全过程的自动化，能控制表面含碳量和碳在渗层中的分布。三、钢的渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗碳层组织特点：由表及里：网状碳化物+珠光体------珠光体-----珠光体+铁素体------珠光体减少，铁素体增多。渗碳层不允许出现过多的网状碳化物，防止渗碳层和零件变脆。只要控制渗碳介质的活性或碳势（钢表面的含碳量），就可以加以控制。组织：表面(层)为高碳回火马氏体组织、心部为低碳回火马氏体组织。（一）钢的渗碳渗碳层深度一般为0.7-1.5mm、碳的质量分数为0.7％-0.9％。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术三、钢的渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗（一）钢的渗碳按照渗碳介质的状态，渗碳方法分为：气体渗、液体渗、固体渗。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

（1）气体渗碳（应用最广泛的渗碳方法）

CH3OH（甲醇）→CO+2H2CH4（甲烷）→[C]+2H22CO→[C]+CO2CO2+H2→CO+2H20（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（2）固体渗碳（传统的渗碳方法）固体渗碳剂主要由木炭和碳酸盐（NaCO3，BaCO3）组成。反应：碳酸盐高温分解：NaCO3→NaO+CO2BaCO3→BaO+CO2CO2与木炭反应：C（木炭）+CO2→2COCO→CO2+[C]（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（3）盐浴渗碳介质：氰盐，反应后生成氰氢酸，有剧毒。（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗碳主要用于要求承受很大冲击载荷、高的强度和好的抗脆裂性能，使用硬度为58～62HRC的小型模具。如用Cr12MoV钢制的八角模寿命很短，往往不到2000件就断裂，现在用20Cr钢加渗碳处理来制造，在渗层深为1.0～1.2mm、硬度为60～62HRC时，一次寿命可延长到3万件；W6Mo5Cr4V2钢制螺母冲模经渗碳淬火处理后，使用寿命比常规工艺处理的延长2～3倍；热挤压GCr15钢轴承套圈用的3Cr2W8V钢挤压模，经高温渗碳处理后，其使用寿命可延长7～10倍；W18Cr4V钢制冲孔冲模，经渗碳淬火后，其使用寿命比常规工艺处理的可延长2～3倍；还可以用65Nb钢渗碳处理来代替Cr12MoV钢制造冷挤压模具，65Nb钢制的冷挤压模经真空渗碳处理后，其寿命可达3万件，而用Cr12MoV钢经淬火回火处理的冷挤压模的寿命仅为4000件。（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

渗氮（又称氮化），是使氮原子向金属工件表层扩散的化学热处理工艺。钢铁渗氮后，可形成以氮化物为主的表层。当钢中含有铬、铝、钼等氮化物时，可获得比渗碳层更高的硬度、更高的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能。渗氮主要用于对精度、畸变量、疲劳强度和耐磨性要求都很高的工件，例如镗床主轴、镗杆，磨床主轴，气缸套等。常用渗氮钢38CrMoAl。

（二）钢的渗氮6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

渗氮具有比渗碳更高的硬度和耐磨性，热稳定性好。渗氮后表面为残余压应力，比渗碳具有更高的疲劳强度、抗咬合性能、低的缺口敏感性。

渗氮可使钢铁零件表面硬度达到950-2200HV。

（二）钢的渗氮6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

渗氮温度低于共析转变温度，一般为500-600℃，零件渗氮后不进行淬火工艺，渗氮零件的变形很小。主要用于结构钢和铸铁。目前生产中多采用气体渗氮和离子渗氮。

气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子,不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，形成渗氮层。(2NH3=2[N]+3H2)

气体渗氮渗速慢，形成0.3mm厚渗层需60小时，包括保温降温时间。后发明离子氮化技术。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗氮层的组织：

离子氮化层通常可能出现以下三种典型组织：(1)只有扩散层；(2)γ’化合物层+扩散层；(3)ε+γ’复相化合物层+扩散层。ε相是以Fe2-3N为基的固溶体，氮浓度范围很宽（4.55％－11.0％）。γ’相是以Fe4N为基的固溶体，氮浓度范围比较窄（5.30％－5.75％）。纯扩散层为氮原子在α-Fe中的固溶体组织。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术金相照片（二）钢的渗氮6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

碳氮共渗和氮碳共渗是在金属工件表层同时渗入碳、氮两种元素的化学热处理工艺。前者以渗碳为主，与渗碳相比，共渗件淬冷的畸变小，耐磨和耐蚀性高，抗疲劳性能优于渗碳，70年代以来，碳氮共渗工艺发展迅速，不仅可用在若干种汽车、拖拉机零件上，也比较广泛地用于多种齿轮和轴类的表面强化；后者则以渗氮为主，它的主要特点是渗速较快，生产周期短，表面脆性小且对工件材质的要求不严，不足之处是工件渗层较薄，不宜在高载荷下工作。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术

渗金属通常是指钢铁零件表面渗入金属元素，如铬、钒、钛、钨、钼、铌等，使工件表面形成一层金属碳化物。渗金属是钢铁零件表面强化工艺方法之一，其作用是提高零件的表面硬度、耐磨件和抗蚀性或抗氧化性。为了使表面生成碳化物层，基材的含碳量必须大于0.45%。渗金属层的组织一般都很薄（0.005-0.02mm)，呈白亮色。渗金属方法：气体渗、固体渗、液体渗、离子渗。四、渗金属6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术2.固体渗金属固体粉末渗剂的组成：金属合金粉末（金属氧化物粉末）+还原剂+填充剂（A12O3，Cr2O3）+活化剂(NH4Cl)1）金属合金粉末纯度越高越好。2）填充剂(又称分散剂)通常使用惰性高的粉末。填充剂用于分散金属粉末、防止它们在渗金属高温下彼此粘合或金属粉末粘附在零件表面。3）活化剂：其作用是把粉末金属转化为金属活性物质。（三）渗金属方法6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(四)渗铬渗铬可以提高零件在高温下的抗氧化性能以及在多数浸蚀性介质中的抗蚀性和耐磨性。渗铬层的组织与基体碳含量有关，高碳钢基体表层只形成铬的碳化物层，如（Cr,Fe）7C3,（Cr,Fe）23C6,（Fe,Cr）3C。厚度薄，只有0.01-0.04mm，硬度为1500HV。中碳钢渗铬层在铬的碳化物层下有一层扩散层。铬在α铁中的固溶体组织。渗铬工艺有气体法、液体法和固体法。由于气体渗铬介质(CrCl2)没有商品供应，而且它的活性大难以贮存，因此．气体渗铬没有得到应用。主要采用固体渗铬。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(四)渗铬

基材：1080合金元素：Cr放大倍数：500X6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(五)渗钛渗层主要为TiC。TiC具有很高的硬度，远远高于工业上用的大多数其它金属碳化物。

TiC的耐磨性和耐蚀性优良，碳可在11-20％之间变动，因而显微硬度也不同，一般HV在3000一3800之间。渗钛可用于提高在腐蚀、气蚀条件下以及在浸蚀性介质中工作的普通碳钢件的寿命。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(五)渗钛

基材：1080合金元素：Ti放大倍数：500X6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(五)渗钛渗钛方法:固体渗钛，气体渗钛，液体渗钛。1.气体渗钛采用金属卤化物（TiCl4），用H2、Fe进行还原。TiCl4+2H2→[Ti]+4HCl渗钛温度：950-1200℃。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（六）渗铝当钢中含铝量高于8％时，其表面能形成致密的铝氧化膜，具有良好的抗氧化性和抗蚀性。但钢中含这样高的铝时就会变脆。采用渗铝的方法既可保持钢件心部的韧性，又可提高表面的抗氧化性和抗蚀性。渗铝主要用来提高钢铁的抗氧化性能，还能提高在含硫与含氧化性介质中的耐蚀性，在冶金，石油，化工，飞机，船舶，汽车等方面得到的广泛的应用。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术基材：40Cr合金元素：Al放大倍数：500X渗铝层的组织

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（六）渗铝渗铝的方法主要有：(1)固体粉末渗铝；(2)液体浸铝(热浸铝)；(3)膏剂渗铝（料浆渗Al）；(4)喷镀渗铝；(5)气体渗Al

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(1)固体粉末渗铝将工件埋在粉末状的渗铝剂中，然后加热到900-1050℃保温数小时即可。渗铝剂一般由三部分组成：①铝粉、铝铁合金粉或铝钼合金粉（提供铝原子的原料);②氧化铝粉(稀释填充剂，防止金属粘结的作用);③氯化铵（活化剂）。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(1)固体粉末渗铝渗镀原理为：

2NH4Cl--->2HCl＋N2＋3H2

6HCl＋2Al--->2AlCl3＋3H2

Fe＋AlCl3--->FeCl3＋[Al]

该方法不仅可在钢铁件上渗镀，在镍基、钴基高温合金上渗镀，还可在钛合金、铜合金及钼、铌等难熔金属上渗镀。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(2)液体浸铝(热浸铝)

液体渗铝就是把预处理过的工件浸入熔融的铝浴中，经保温一定时间取出，使其表面渗入一层铝。主要用于镀铝钢板、钢管、钢丝及某些钢铁制品的生产，以提高这些制品的耐蚀性及耐热性。

Al的熔点为660℃，所以热浸铝的温度一般在700-850℃左右。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术(3)膏剂渗铝（料浆渗Al）

将渗铝剂用有机溶剂调制成糊浆状，涂刷或喷涂在工件表面上，在120℃以下进行烘干，再加热至1000℃左右，保温1～3小时即可获得渗铝层。(4)喷镀渗铝将铝丝热喷涂于工件上，构成附着牢固的覆盖层，再在800～1000℃温度下进行5小时的扩散退火，使Al扩散到工件表层内而形成合金层。(5)气体渗Al

在封闭的贯通式炉或井式炉中进行的，渗Al气氛为铝的卤化物，反应机理基本同固体粉末法。气氛可从炉外通入也可在炉内制取。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（七）渗钒渗钒主要是在表面形成VC，提高耐磨性。硬度可达3000-3300HV。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术五、渗其他元素1.渗硅钢铁渗硅后可以获得优良的耐热性、耐酸性、耐磨性。组织：带有孔隙的含硅固溶体。硬度：175-230HV。通过减磨提高耐磨性。在750℃以下有好的抗氧化性，但高温抗氧化性不如渗铬、渗铝。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗硫是通过硫与金属工件表面反应而形成FeS薄膜的化学热处理工艺。经过渗硫处理的工件，其硬度较低，但减摩作用良好，能防止摩擦副表面接触时因摩擦热和塑性变形而引起的擦伤和咬死。

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术硫氮共渗、硫氮碳共渗是将硫、氮或硫、氮、碳同时渗入金属工件表层的化学热处理工艺。采用渗硫工艺时，渗层减摩性好，但在载荷较高时渗层会很快破坏。采用渗氮或氮碳共渗工艺时，渗层有较好的耐磨、抗疲劳性能，但减摩性欠佳。硫氮或硫氮碳共渗工艺，可使工件表层兼具耐磨和减摩等性能。

硫氮共渗、硫氮碳共渗6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子化学热处理

离子化学热处理是最为先进的化学热处理技术。该技术是将工件置于低压容器内，利用低压气体放电将气体电离，在电场作用下，带电离子轰击工件表面，使其温度升高，利用热扩散实现原子渗的一种化学热处理方法。20世纪30年代，德国学者B.Berghous首先采用此工艺进行了渗氮处理，并取得了第一个离子渗氮发明专利。目前，该技术已经可以用于任何金属和非金属元素，如碳、氮、硅、硼、硫等非金属元素以及铝、钒、钛、钨、钼等非金属元素。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

一、等离子体的物理概念通常物质呈现三种状态，即固态、液态、气态。物质的状态是可以变化的，在一定温度和压力条件下固、液、气三态的相互转变早已为人们所熟知。若采取某种手段，如加热、放电等，使气体分子离解和电离，当电离产生的带电粒子密度达到一定数值时，物质状态便又出现新变化，这时的电离气体己不再是原来的气体了。而是由离子、电子和中性粒子组成的集合体（等离子体）。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

这种电离气体是有别于普通气体的一种新的物质聚集态。按聚集态的顺序，列为物质第四态。鉴于无论部分电离还是完全电离，其中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。

6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

这种电离气体与普通气体有着本质区别：首先，它是一种既能导电而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电的中性；其二，气体分子间并不存在静电磁力，而电离气体中的带电粒子间存在库仑力，由此导致带电粒子群的种种集体运动；再者，作为一个带电粒子系，其运动行为会受到磁场的影响和支配等。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

等离子体的产生：产生等离子体的方法很多，但其主要着重点是使中性粒子电离：(1)利用电子碰撞法：在低压气体中，总存在有自然电子。这些自然电子在外加高压电场的作用下，被加速并获得足够的能量，与中性粒子发生碰撞并使之电离，电离所产生的电子也会被电场加速与其他中性粒子碰撞并使之电离。从而产生雪崩式电离．形成等离子体。在离子渗氮、渗碳、渗硼等工艺中就是利用该方法获得等离子体的。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

等离子体的产生：产生等离子体的方法很多，但其主要着重点是使中性粒子电离：(2)利用粒子热运动法．将中性气体加热到很高温度，使得分子和原子的热运动加剧，从而产生碰撞，使之离解为离子和电子。(3)利用电磁波能量，如用光、X－射线、г－射线等，使气体电离获得等离子体。(4)利用高能粒子的方法、如核聚变所用的方法获得等离子体。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

按照产生的形式，等离子体可以分为：(1)天然等离子体宇宙中99%的物质是以等离子体状态存在的，如恒星星系、星云，地球附近的闪电、极光、电离层等。太阳本身就是一个灼热的等离子体火球。(2)人工等离子体如：日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。等离子体炬（焊接、新材料制备、消除污染）中的电弧放电等离子体。气体激光器及各种气体放电中的电离气体。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

入射粒子非弹性碰撞效应反冲注入

注入溅射粒子：M0、M+、M-、Mn光子基材M通道注入二次电子X-射线反射粒子I0、I+、I-、In弹性碰撞效应离子轰击固体表面的物理、化学现象6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

二、离子渗氮

离子氮化设备主要由真空氮化炉、抽真空系统、供气系统、电控系统、测温系统等组成。

图3-２离子氮化设备示意图1-气瓶；2-针形阀；3-浮子流量计；4-进气管；5-冷却水进水口；6-冷却水出水孔；7-真空罩；8-窥视孔；9-观察窗；10-工件；11-阳极；12-阴极柱；13-真空泵；14-光电测温仪；15-温度表；16-直流电源+__123764851091113121614156.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

工艺原理

离子氮化是在密闭的真空炉内，将清洗后的被渗工件放置在阴极盘上（或吊挂在阴极挂具上）。将真空炉抽真空至一定的真空度（6Pa）后，充入一定流量的含氮气体，如氨气、氨热分解气或以一定比例混合的氮氢混合气，并将气压保持在1.33×102～1.33×103Pa左右，在阴极（工件）和阳极（真空室壳）之间施加400～1000V左右的直流电压，将含氮气体电离成N+、H+和电子，并产生辉光放电现象。在高压电场作用下，N+、H+在电场的作用下以很大的速度轰击工件表面，将动能转化为热能，把工件表面加热到所需渗氮温度，与此同时，氮原子被工件表面吸收并向内扩散形成渗氮层。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

常用离子氮化工艺参数范围：氮化温度450-650℃；气压1.33×102～1.33×103Pa；放电电压400～800V；电流密度0.5~5mA/cm2；氮化时间根据工件的材质、氮化温度以及要求的渗氮层深度，为十分钟~几十小时。

+__123764851091113121614156.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子对工件表面的轰击作用：（1）将工件表面的Fe、C、O原子打出，破坏了金属表面的氧化膜。

(2)激发了工件表面的二次电子发射。

(3)在工件表面形成5-10μm的厚的位错层。

图3-1离子氮化原理图[3]6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

氮的渗入机理：J.Kölbel的溅射和沉积理论：

在离子轰击作用下，从阴极表面溅射出铁原子，与阴极附近的活性氮原子结合形成FeN,由于背散射效应，一部分FeN又沉积到工件表面，在离子轰击和热激活的作用下，氮化铁发生分解：

FeN→Fe2N+[N]Fe2N→Fe3N+[N]Fe3N→Fe4N+[N]图3-1离子氮化原理图[3]6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

氮的渗入机理：

(2)M.Hudis的分子离子化理论(3)Tibbetts的中性氮原子轰击理论(4)徐冰冲的碰撞离析理论

图3-1离子氮化原理图[3]6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子氮化和气体氮化的优点：

1．渗氮速度快。获得相同的氮化层厚度，离子氮化的保温时间仅为气体氮化的1/3-1/5。

2．省电、省气，节约能源。采用离子轰击作用加热工件，无需外加热源，节省电能。离子渗氮的气压低，渗氮过程中进气量小，如采用氨气作为工作气体时，氨气用量仅为气体渗氮的1/5-1/10。

3．氮化层结构可控。采用氮氢混合气作为工作气体时，通过有效控制氮氢含量比，可以控制氮化层的成分及组织结构，获得脆性小的ε单相层或韧性较好的单相γ’化合物层或仅有扩散层。气体渗氮很难达到这一点。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子氮化和气体氮化相比的优点：

4．非渗氮面屏蔽方法简单。在不需渗氮部分可采用机械屏蔽，如覆盖一层铁皮，无需采用气体渗氮中镀锡或镀铜的方法，屏蔽方法简单方便。5．对不锈钢不用去钝化膜处理。对不锈钢制品，不用象气体渗氮那样在渗氮前对工件进行喷沙或酸洗除去致密的氧化模，可以在渗氮开始的阴极溅射作用下除去钝化膜。简化工序，节省劳动力。6．无公害，工作环境好。与气体渗氮和盐浴渗氮不同，离子氮化的最大特点是不使用造成公害的物质，仅使用少量的氨气或氮气、氢气，对环境无危害。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

三．离子渗碳离子渗碳与离子氮化一样，也是在真空状态下，以工件为阴极，真空室壳为阳极，在阴极与阳极之间施以直流电压，将渗碳气体电离，产生辉光放电。在电场作用下碳离子轰击工件表面，把工件表面加热并被表面吸收然后向内部扩散。与离子氮化不同的是，离子渗碳需要900℃以上的高温，仅靠离子轰击加热很难达到如此高的温度，因此，在离子渗碳炉内通常要附加一个热源（如采用炉内电阻辐射加热）。此外，离子渗碳还要附设一套真空淬火设备，以便渗碳后及时进行淬火。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子渗碳介质：离子渗碳采用的渗碳介质为甲烷CH4或丙烷C3H8。由于直接将甲烷或丙烷通入炉内渗碳时易产生炭黑，特别是丙烷，一般多以氢气或氩气作为载气，以1：10(体积比)将甲烷或丙烷稀释后作为渗碳介质。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子渗碳的特点：1.渗碳效率高。在等离子体放电空间，碳原子及碳离子的活性大，供碳能力高，离子渗碳效率高达55%，而真空渗碳效率为20%，一般气体渗碳效率为10~20%。2．渗速快。离子渗碳时高的供碳能力以及离子轰击对碳原子扩散的促进作用加快了渗碳速度，离子渗碳的速度比气体渗碳快1/2-2/3。3.表面状态好，渗层质量高。离子渗碳时工件在真空中加热，气体中不含O2和H2O，所以经离子渗碳的零件表面不氧化，无炭黑附着，更不出现内氧化等缺陷，渗碳层致密性好，表面清洁光亮。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子渗碳的特点：4．渗碳量容易控制。通过调节渗碳气体流量和气体中甲烷或丙烷的分压可以精确控制表面渗碳量。5．零件变形小。由于离子渗碳供碳能力高，渗速快，高温停留时间短，渗碳后零件变形小。6．离子渗碳件具有较常规渗碳件更高的耐磨性和疲劳强度。7．省能，无公害。离子渗碳渗速高，渗碳时间短，降低了电的消耗，成本比真空渗碳每公斤降低33%。离子渗碳气压仅为真空渗碳的百分之一，减少了甲烷、丙烷的用量，废气排除少，对环境无污染。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子氮碳共渗：离子氮碳共渗是在离子渗氮的温度下对基体表面进行的以渗入氮原子为主，碳原子为辅的一种化学热处理工艺，又称软氮化。由于碳的存在可促进渗氮速度，离子氮碳共渗在较短的时间内可获得与离子渗氮相近的性能。在离子化学热处理中，离子氮碳共渗是仅次于离子渗氮而获得广泛应用的热处理工艺，常用于提高齿轮、轴、活塞环、阀片、模具、刀具等产品的表面耐磨性能。离子氮碳共渗通常以氨气或氮氢混合气为渗氮介质，以乙醇（C2H5OH）、丙酮（CH3COCH3）、甲烷CH4或丙烷C3H8为渗碳介质。工艺参数为温度560～600℃，时间1～4h。

6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子碳氮共渗：离子碳氮共渗是在低于离子渗碳的温度下（780~880℃）对基体表面进行的以渗入碳原子为主，氮原子为辅的一种化学热处理工艺。离子碳氮共渗介质主要有供碳剂（甲烷、丙烷或丙酮）、供氮剂（氮气或氨气）、以及起还原和稀释作用的氢气。氮气的体积分数一般为30％以上，氨气的体积分数一般为14％。离子碳氮共渗层具有比渗碳层更高的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性；处理温度低，晶粒不易长大，变形倾向小；碳氮共渗层比渗氮层具有较高的抗压强度和较低的脆性碳氮共渗后，共渗表层含碳量为0.7%~1.0%，含氮量为0.15%~0.5%。由于碳氮共渗温度比渗碳温度低，共渗后就可直接淬火，然后再低温回火。

6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子碳氮共渗：

碳氮共渗适用于基体具有良好韧性，而表面硬度高、耐磨性要求好的模具零件。塑料模、陶瓷模中的凸模、凹模和型芯等型腔部位零件以及冲裁模的凸模和凹模等零件，其中有些适合采用碳氮共渗处理。如45钢制切边模，820℃碳氮共渗4小时，淬火并180℃回火，表面硬度970HV，使用寿命可达16000件，与Cr12MoV钢制的同样模具经类似处理后的使用寿命相等。柴油机壳体拉深凹模采用球墨铸铁QT600-3制造，气体碳氮共渗后，凹模表面硬度为760~850HV，并有石墨存在，因而既有良好的耐磨性，又有良好的润滑及减摩擦作用，可使模具的粘着磨损减少到最低程度，从而可大大提高模具的寿命。。

6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子渗硫离子渗硫是在等离子场中对基体表面进行渗硫的一种化学热处理工艺。将经强化处理后的工件放在离子渗氮炉内，通入含硫介质（CS2、H2S）或用加热方法将硫磺升华而获得的含硫气氛，接通阴极（工件）和阳极间的直流电源，当放电电压大于500V时，电离出C+、S+、H+，发出灰白色的辉光，在150~300℃即可进行离子渗硫[1]。由于硫原子半径很大，在α-Fe中的溶解度仅为0.02%，且硫在低温下扩散十分困难，因此离子渗硫后几乎没有扩散层，主要形成的是硫化亚铁FeS的化合物层。FeS为六方点阵结构，质软、呈多微孔的鳞片状、剪切抗力低、易滑移，在工件表面可起到减摩、抗咬合的作用。离子渗硫处理温度低，因而不影响工件原有硬度，不产生变形。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子渗硫离子渗硫是在等离子场中对基体表面进行渗硫的一种化学热处理工艺。将经强化处理后的工件放在离子渗氮炉内，通入含硫介质（CS2、H2S）或用加热方法将硫磺升华而获得的含硫气氛，接通阴极（工件）和阳极间的直流电源，当放电电压大于500V时，电离出C+、S+、H+，发出灰白色的辉光，在150~300℃即可进行离子渗硫。由于硫原子半径很大，在α-Fe中的溶解度仅为0.02%，且硫在低温下扩散十分困难，因此离子渗硫后几乎没有扩散层，主要形成的是硫化亚铁FeS的化合物层。FeS为六方点阵结构，质软、呈多微孔的鳞片状、剪切抗力低、易滑移，在工件表面可起到减摩、抗咬合的作用。离子渗硫处理温度低，因而不影响工件原有硬度，不产生变形。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

离子渗硫许多模具，如拉深、挤压模等常在干摩擦的条件下工作，因此要求具有较小的摩擦系数。渗硫可以在钢铁材料表面生成很薄的薄膜，以降低摩擦系数，提高抗咬合性能。经渗硫以后的模具材料，表面硬度可以达70~100HV，渗层具有良好的减摩性和抗咬合能力。如用Cr12钢制M8螺帽模具，经固体渗硼处理后寿命为25000~30000次；在渗硼的基础上进行离子渗硫处理，寿命达到100000次，而且克服了粘模的现象；而采用常规淬火、回火工艺，使用寿命只有3000多次。用Cr12钢制照相机后盖板模具，在未渗硫时冲压78个零件后就要发生粘模和拉伤零件的现象，经渗硫后的模具在冲压1500个零件后未发生粘模现象。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

双层辉光离子渗金属技术：在离子氮化设备的真空容器中，设置一源极。在源极和阳极之间及工件与阳极之间各设一个可控直流电源。当真空室充入一定的氩气后，接通电源，在源极与阳极之间、工件与阳极之间产生两组辉光放电现象（即双层辉光放电现象）。利用辉光放电所产生的氩离子轰击源极，使欲渗合金元素由源极表面被溅射出来，通过空间输运到达工件表面并被工件表面吸附，在高温下向内部扩散形成具有特殊物理化学性能的合金层。

四．离子渗金属6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

双层辉光离子渗金属技术应用：四．离子渗金属在可导电材料表面形成具有特殊物理化学性能的合金层。例如在普通碳钢表面形成高速钢、不锈钢和镍基合金等。在钛及钛合金表面形成各种耐磨、耐蚀、抗高温氧化的合金层等。6.4等离子体表面处理第六章表面改性技术

四．离子渗金属

双层辉光离子渗金属技术具有节约贵金属，节省能源、无公害，并可大面积处理及表面合金成份可控等显著优点。已成功地应用于手用锯条，机用锯条，大型钢板，化工用阀门及液体泵，钢窗附件以及汽车排气阀等。是一项有广阔应用前景的表面工程技术。6.5激光表面处理第六章表面改性技术

采用激光束、电子束、离子束对材料表面进行改性或合金化的技术，是近十几年迅速发展起来的材料表面新技术，是材料科学的最新领域之一，属高能密度表面处理技术。这三种技术的特点是可以对材料表面快速加热和冷却。

激光表面处理工艺:激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化等。6.5激光表面处理第六章表面改性技术一、激光的特性激光作为一种光，它除了具有普通光的一般特性，如光的反射性、折射性、吸收性外，还具有自己的特点：即高度的方向性、单色性和亮度，是一种聚焦性好、功率密度高、易于控制、能在大气中远距离传输的新颖光源。

6.5激光表面处理第六章表面改性技术一、激光的特性1.高度的方向性一、激光的特性2.高亮度激光有极高的亮度，可以达到比太阳光的亮度还高100万亿倍．普通光源的亮度则比太阳光还低．由于激光发出的光束很强，而方向性又很强，所以聚焦后可以获得极高的能量密度，功率密度高达1014W/cm2.焦斑中心温度可高达几千到几万度。6.5激光表面处理第六章表面改性技术6.5激光表面处理第六章表面改性技术一、激光的特性3．高单色性科学上用光辐射能量集中的频谱区间（称谱线宽度）衡量光的单色性，谱线宽度越窄，它的单色性越好．太阳光辐射能量分布在从紫外至远红外的广阔光谱区域，所以它谈不上单色性．常用的单色光源如氖灯、氦灯、氪灯、氢灯等，它们的光辐射谱线宽度比较窄（小于4.5×10-3nm），其中氪86光源发射的红光（波长605.7nm）的谱线宽度最窄，只有4.7×10-4nm，有单色性之冠之称．激光具有相同的位相和波长，所以激光的单色性比它更好，特制发红光的He-Ne激光器，波长632.8nm的谱线宽度只有2×10-9nm！6.5激光表面处理第六章表面改性技术二、激光表面处理设备

包括：激光器、功率计、导光聚焦系统、工作台、数控系统和软件编程系统。6.5激光表面处理第六章表面改性技术

激光是由具有亚稳态能级结构的物质(激光介质)，在激光器的谐振腔内受外界能量(光或电)的激发，产生受激辐射放大所输出的方向性、相干性很好、亮度很高的光。

（一）激光的产生§

1.激光的基本原理按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过程中，存在三种类型的跃迁。即：受激吸收、自发辐射和受激辐射。E1E3E2

如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且，其中：E2为原子的某一较高的能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时，光子才能被吸收。原子吸收

E1E3E2图1-1原子吸收示意图hvE1E3E2

与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。

原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。hv图1-2自发辐射示意图E1E3E2自发辐射自发辐射的特点是：

这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。

受激辐射处于激发态的原子，在其发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，而且外来光子的能量恰好满足，原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1，同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。如图1-3所示。这一过程被称为受激辐射。

Lightorlaser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv图1-3受激辐射示意图

这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光放大。图1-4就是受激辐射光放大的示意图。受激辐射的特点是：hvhvhvhvhvhvhv输入输出图1-4光放大示意图激光器知识一、激光振荡器与激光放大器1、激光振荡器(激光器)

2、激光放大器二、产生与放大激光的条件

形成粒子数反转(上能级粒子数>下能级粒子数)对输入的弱激光进行放大产生并输出激光2、泵浦源(光泵、放电管)对激光工作物质进行激励以形成粒子数反转3、谐振腔(半反镜与全反镜)(1)维持激光振荡(2)改善激光质量如单色性、方向性(1)激活粒子(分子、原子、离子)

发光(2)基质

寄存激活粒子的材料1、激光工作物质三、激光器构造四、激光器种类1、气体激光器(1)He-Ne

发光粒子为Ne原子,=6328Å(0.6328m,632.8nm)(2)CO2

发光粒子为CO2分子,=10.6m(106000Å,10600nm)

电源全反镜半反镜放电管2、固体激光器(1)红宝石

发光粒子为(铬离子),光波长0.6943m电源全反镜半反镜激光晶体光泵(2)YAG

发光粒子为(钕离子),光波长1.06m

(1Å=10-10m,1m=10-6m,1nm=10-9m)3、液体激光器4、半导体激光器五、能级系统1、三能级(红宝石)E1基态(激光下能级)E2亚稳态(激光上能级)E3非稳态W13S32A21W21W12W13:泵浦几率S32:非辐射跃迁几率GaAsP-GaAsn-GaAs激光(1)侧面发光(2)垂直腔面发光2、四能级(He-Ne、YAG、CO2)W14:泵浦几率S43、S21:非辐射跃迁几率E2非稳态(激光下能级)E3亚稳态(激光上能级)E4非稳态W14S43A32W32W23E1基态S21激光器的工作方式有连续和脉冲两种。气体激光器工作物质：原子气体、分子气体和离子气体氦氖激光器氩离子激光器液体激光器工作物质：有机染料溶液和无机化合物溶液。染料激光器半导体激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术（二）激光器

激光振荡器（激光器）：6.5激光表面处理第六章表面改性技术（二）激光器

激光振荡器（激光器）：6.5激光表面处理第六章表面改性技术（二）激光器

在激光器中，必须使光在增益介质中来回一次所产生的增益，足以补偿光在介质来回传播中的各种损耗，这样才形成激光。激光器实现振荡所需要的最低条件，又称阈值条件。概括地讲，要形成激光，首先必须利用激励能源，使工作物质内部的一种粒子在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成激光的前提条件；还必须满足阈值条件，这是形成激光的决定性条件。各种激光器都必须满足这两个条件才能形成激光。6.5激光表面处理第六章表面改性技术（1）固体激光器：这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的（如红宝石激光器）；（2）气体激光器：采用的工作物质是气体，根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；（二）激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术

激光器的种类：（3）液体激光器：这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子；（4）半导体激光器（5）化学激光器（二）激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术6.5激光表面处理第六章表面改性技术固体激光器：（1）钕-钇铝石榴石激光器(又称YAG激光器)。

YAG激光器属于固体激光器、激活介质(工作物质)是钇铝石榴石(Y3Al5O12)晶体中掺入质量分数1.5％左右的钕制成。其激光波长为1.06um，属近红外光，输出方式可以是连续的也可以是脉冲的，但连续输出功率较小，仅1kw左右，且光电转换效率很低。（二）激光器6.5激光表面处理第六章表面改性技术气体激光器（2）CO2激光器激活介质(工作气体)为CO2

气体，激光波长为10.6um

，属中红外光，一般是连续输出。CO2

激光器是目前连续输出功率最大的激光器，10kw以下已经系列商品化；光电转换效率高，一般为10-20％、而YAG激光器仅1-3％。金属表面强化技术大多采用2