表面改性技术

表面改性技术第1页，共73页。表面改性技术第2页，共73页。不粘锅有毒吗?不粘锅涂层主要原料是聚四氟乙烯,

该材料可以耐400度高温，但是在200度以上时化学性质开始变的不稳定，释放出氟化氢气体，氟化氢溶解于水后的溶液叫氢氟酸，不但强腐蚀（玻璃蚀刻工艺大量应用氢氟酸），而且有剧毒。全氟辛酸铵是美国杜邦公司用用来合成含氟聚合物的一种分散剂。05年美国环保署指出杜邦特富龙不沾锅中可能存在残留，该残留可能随着食品和食品烹饪过程而进入人体，造成身体健康危害。目前国内没有相关检测报告，没有监管。第3页，共73页。表面处理概念

利用现代物理、化学、金属学和热处理等学科的边缘性新技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法，称为表面处理。

第4页，共73页。表面处理技术的分类（按工艺特点）①表面改性技术（金属、非金属）

④表面涂（镀）层技术（金属、非金属）

③表面转化膜技术（金属）

通过物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态。材料表面化学组成不变。通过化学方法，使添加材料与基体发生化学反应，形成转化膜。通过物理、化学方法，使添加材料在基体表面形成镀、涂层。基材不参与涂层的形成。②表面合金化技术（金属）

通过物理方法，使添加材料进入基体，形成合金化层。第5页，共73页。激光表面改性喷丸强化表面热处理化学热处理等离子扩渗处理表面改性技术通过物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态。材料表面化学组成不变。第6页，共73页。三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。激光束加工电子束加工等离子束加工第7页，共73页。

进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面离子束溅射系统第8页，共73页。激光表面改性

激光表面强化可分为激光相变强化处理、激光表面合金化处理和激光熔覆处理等。

激光表面强化是用聚焦的激光束射向钢件表面，在极短时间内将工件表层极薄的材料加热到相变温度或熔点以上的温度，又在极短时间内冷却，使工件表面淬硬强化。第9页，共73页。激光的特点：材料表面改性层厚度足以适应某些机械零件的要求，而镀覆沉积技术就难达到这一点。改性层组织、性能优良，且与基材之间呈致密牢固的冶金结合状态。光束能量准确集中，与工件作用时间极短，对工件整体热影响小，变形极微，尤其适于细长杆件、薄小零件的局部表面强化处理。激光器发射出来的光束非常强，通过聚焦集中到一个极小的范围之内，可以获得极高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可达1014W／cm2，焦斑中心温度可达几千度到几万度，只有电子束的功率密度才能和激光相比拟。激光工艺参数随意可调，工艺操作灵活方便，劳动条件好，利于建立自动化生产线。

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激光表面强化的热影响区小，变形小，操作方便，主要用于局部强化的零件，如冲裁模、曲轴、凸轮、凸轮轴、花键轴、精密仪器导轨、高速钢刀具、齿轮及内燃机缸套等。高精准的硬化表面

表面选择性的硬化第11页，共73页。1.激光淬火及应用

激光相变硬化也称激光热处理或激光淬火，是工艺最成熟、应用最广泛的表面强化技术。原理：以聚焦激光束瞬间扫描加热钢铁件的表面，随即撤离，使局部金属由珠光体急速相变为奥氏体，借助工件自身导热激冷（比通常的水淬冷却速度要快1000倍以上）使扫描区域得到极细密的高硬度的马氏体组织。优点：硬度高，耐磨性好且变形极小，抗疲劳性能好；缺点：不适于大工件大面积区域的表面强化，成套设备投资较大等。第12页，共73页。第13页，共73页。齿轮激光表面强化第14页，共73页。2.激光表面熔覆及应用

激光表面熔覆(LSC)又称为激光涂敷。根据熔覆材料添加方式的不同，分为预置涂层LSC和同步送粉LSC两种工艺方法.激光熔覆系统第15页，共73页。图预置涂层LSC示意图

图同步送粉LSC示意图

第16页，共73页。（2）熔覆的特点及应用：①可获得各种所需性能的涂层，厚度可达6～7mm；工艺易控制；粉末消耗小；②适用的基材金属广；③工件变形小，热影响区小，稀释率低；④涂层组织细密，但易产生气孔和裂纹，不适于在较大面积的工件上进行强化或修复。第17页，共73页。曲轴激光熔覆第18页，共73页。浆叶激光熔覆强化第19页，共73页。3.激光表面合金化

激光表面合金化(LSA)是指在基材表面预置一层待合金化的粉体、然后象LSC法一样用高能激光束扫描加热预置层，使其中的合金元素与基材迅速熔合而形成新的表面合金层的一种激光表面强化新工艺。LSA与LSC的区别：LSA要求粉末与基材达到充分熔合，基材熔区表层应有成分的改变；LSC是“堆焊”一层合金粉末，成分基本不改变；

第20页，共73页。LSA技术特点:①能准确控制功率密度和加热深度；

②能在廉价基材上的获得有某种特殊性能的合金层；

③可在不规则零件上得到较均匀的合金层；

④所需激光能量密度比LSC技术更高；

⑤残余内应力较大，易出现热裂纹；

⑥合金化表层(一般为10～1000μm)成分均匀性和表面粗糙度(熔凝波纹)待于改进。第21页，共73页。激光表面合金化第22页，共73页。喷丸强化第23页，共73页。第24页，共73页。第25页，共73页。第26页，共73页。第27页，共73页。喷丸强化的优点：第28页，共73页。球面变形趋势；变形有限；限制条件苛刻；影响因素繁多。喷丸强化的缺点：第29页，共73页。第30页，共73页。第31页，共73页。第32页，共73页。第33页，共73页。表面热处理

表面热处理是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。主要方法有感应加热淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火、脉冲加热淬火、激光热处理和电子束加热处理。第34页，共73页。化学热处理

化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼和渗金属等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体，但都要经过介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应和工件中扩散四个过程，具体方法有许多种。第35页，共73页。等离子扩渗处理

等离子扩渗处理又称离子轰击热处理，是指在通常大气压力下的特定气氛中利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行热处理工艺。常见的处理方法有离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗等。优点：渗剂简单、无公害，深层较深，脆性较小，工件变形小，对钢铁材料适用面广，工作周期短。第36页，共73页。20世纪80年代,出现了一门新兴学科—微机械。微机械是指可以批量制作的，集微型机械、微传感器、微能源、微制动器、微控制器、微执行器、信号处理、智能控制等于一体的微型装置或系统美国称其为MEMS（MicroEechanicalSystem)日本称其为(Micromachine,MM)欧洲叫做微系统（Microsystem,MS)。9.4表面加工技术第37页，共73页。微机械外型特征尺寸范围为1nm~10nm，具有高精度、微型化、集成化、高效低耗等特点，广泛应用于生物医学、航空航天、国防、工农业、交通、信息、家庭等，其应用前景不可估量。微细加工（Fabrication)起源于半导体制造工艺,原来指加工尺寸在微米级范围内的加工方式，曾广泛应用于大规模集成电路的加工制作并由此涉及更广泛的领域。在微机械研究领域中，微细加工技术已经成为其前沿关键技术之一，它是微米级、亚微米级微细加工的通称。第38页，共73页。微细加工具备精密和超精密加工的特征。广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及了各种现代特种加工、高能束加工方式。从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：分离加工接合加工变形加工材料处理或改性。第39页，共73页。1987年，UCBerkeley研制的硅静电马达(转子直径120微米，电容间隙2微米)问世，引起轰动。专家预言，它的意义可与当年晶体管的发明相比。第40页，共73页。目前，微机械微细加工得到的埃菲尔铁塔的微模型，旁边摆放了一枚曲别针以示对照。图3-46三维微细加工得到的铁塔微模型第41页，共73页。微细车削42第42页，共73页。微细钻削43第43页，共73页。微细铣削第44页，共73页。微细零件45第45页，共73页。微汽车模型46第46页，共73页。微细电解孔47第47页，共73页。微细电解微结构48第48页，共73页。微细电解微电极49第49页，共73页。微细激光在人的头发丝上用ArF激光微细加工的40μm的方孔50第50页，共73页。激光加工的微涡轮转子51第51页，共73页。激光加工的微齿轮52第52页，共73页。激光加工的微结构53第53页，共73页。微细电火花微细轴54第54页，共73页。微细电火花微细孔55第55页，共73页。微细超声微细孔56第56页，共73页。微细电火花-超声57第57页，共73页。微细电火花-超声58第58页，共73页。生物加工59第59页，共73页。微型弹簧(b)60第60页，共73页。微涡轮(a)61第61页，共73页。微型飞