6第六章 表面改性技术.ppt

1、第六章 表面改性技术,采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。,第一节 金属表面形变强化表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一,一、表面形变强化原理 基本原理是通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5mm1.5mm。,在形变硬化层中产生两种变化：,一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大； 二是形成了高的宏观残余压应力。,奥赫弗尔特理论,奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产生取决于两个方面的机制： 一方面由于大量弹丸压入产生的切应力造成了表面塑性延伸； 另

2、一方面，由于弹丸的冲击产生的表面法向力引起了赫芝压应力与亚表面应力的结合。 在大多数材料中这两种机制并存。,喷丸产生的残余压应力,经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的硬化率有关。,残余压应力,具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点的24倍。 材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。,表面强化方法有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。,表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕； 表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖

3、锐刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。 这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。,二、表面形变强化的主要方法及应用,（一）表面形变强化的主要方法 1滚压 目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准。 对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约5mm深的残余压应力，其分布如图所示。,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，效果明显,3喷丸,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。 喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件； 可显著提高抗弯曲疲劳

4、、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳。抗微动磨损、耐点蚀（孔蚀）能力。,KS1200D干式喷丸机,（二）喷丸表面形变强化工艺及应用,1喷丸材料 （1）铸铁弹丸：冷硬铸铁弹丸是最早使用的金属弹丸。 铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。目前这种弹丸已很少使用。 （2）铸钢弹丸：铸钢弹丸的品质与碳含量有很大关系。,（3）钢丝切割弹丸,弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段制成。 钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体。使用寿命比铸铁弹丸高 20倍左右。,（4）玻璃弹丸,近十几年发展起来的新型喷丸材料，已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应用。 脆性较大 。 （5）陶瓷弹丸

5、 弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层可获得较高的残余应力。,（6）聚合塑料弹丸,是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环境，可连续使用，成本低，而且即使有棱边的新丸也不会损伤工件表面。 常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼光泽。,（7）液态喷丸介质,包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等。 喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压缩空气喷射。,注意：强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角毛刺，否则会损伤零件表面。 一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。 有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢丸

6、、玻璃丸和陶瓷丸。,2喷丸强化用的设备,喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分为： 机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。 喷丸机又有干喷和湿喷之分。 干喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善。,（1）机械离心式喷丸机,机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机。 工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。 弹丸离开叶轮的切向速度为45ms75ms。这种喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本较高。 主要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部件。,（2）气动式喷丸机,气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后

7、撞击工件的受喷表面。 这种喷丸机工作室内可以安置多个喷嘴，因其方位调整方便，能最大限度地适应受喷零件的几何形状。 而且可通过调节压缩空气的压力来控制喷丸强度，操作灵活，一台喷九机可喷多个零件。 适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。它的缺点是功耗大，生产效率低。,气动式喷丸机根据弹丸进人喷嘴的方式又可分为： 吸人式、重力式和直接加压式三种。 吸入式喷丸机结构简单，多使用密度较小的玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸，适用于工件尺寸较小、数量较少、弹丸大小经常变化的场合，如实验室等。 重力式喷丸机结构比吸人式复杂，适用于密度和直径较大的金属弹丸。,3喷丸强化工艺参数的确定,合适的

8、喷丸强化工艺参数要通过： 喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。 喷丸强度试验,弧高度,弧高度与时间的关系,在对试片进行单面喷丸时，初期的弧高度变化速率快，随后变化趋缓，当表面的弹丸坑占据整个表面（即全覆盖率）之后，弧高度无明显变化，这时的弧高度达到了饱和值。,喷丸强度,当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆盖率时，以此弧高度f定义为喷九强度。 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25，字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高度值（单位为mm）。,（2）表面覆盖率试验,喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面积的比值称为表面覆盖率。 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率达到表面积的100即全面覆盖

9、时，才能有效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。,（3）选定喷九强化工艺参数,金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能并不随喷丸强度的增加而直线提高，而是存在一个最佳喷丸强度，它由试验确定。,4旋片喷丸工艺,5喷丸表面质量及影响因素,(1) 喷丸表层的塑性变形和组织变化。 金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、晶界滑动、扩散性蠕变等晶体运动，其中晶面间滑移最重要。晶面间滑移是通过晶体内位错运动而实现的。,喷丸表层的组织变化,金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层位错密度大大增加。而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。 喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷丸引起

10、的不稳定结构向稳定态转变。 例如，渗碳钢表层存在大量残余奥氏体，喷丸时，这些残余奥氏体可能转变成马氏体而提高零件的疲劳强度； 奥氏体不锈钢特别是镍含量偏低的不锈钢喷丸后，表层中部分奥氏体转变为马氏体，从而形成有利于电化学反应的双相组织，使不锈钢的抗腐蚀能力下降。,（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响,（3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响,（4）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响 球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷面的理想外形应是大量球坑的包络面。 这种表面形貌能消除前道工序残留的痕迹，使外表美观。同时，凹坑起储油作用，可以减少摩擦，提高耐磨性。,（5）喷丸表层的残余应

11、力,喷丸处理能改善零件表层的应力分布。 喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变形最重要。 工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切。,残余压应力,材料强度高，表层最大残余压应力就相应增大。 但在相同喷丸条件下，强度和硬度高的材料，压应力层深度较浅；硬度低的材料产生的压应力层则较深。,渗碳钢经喷丸后的残余压应力,常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥氏体有相当大的一部分将转变成马氏体，因相变时体积膨胀而产生压应力，从而使得表层残余应力场向着更大的压应力方向变化。,在相同喷丸压力下： 大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应力层较深；

12、 小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压应力层较浅，且压应力值随深度下降很快。 对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸，以获得较深的压应力层，使表面缺陷造成的应力集中减小到最低程度。,喷丸硬度的影响,表66为不同弹丸材料对残余应力的影响。可以发现，由于陶瓷丸和铸铁丸硬度较高，喷丸后残余应力也较高。,喷丸速度对表层残余应力有明显影响,试验表明，当弹丸粒度和硬度不变，提高压缩空气的压力和喷射速度，不仅增大了受喷表面压应力，而且有利于增加变形层的深度，,（6）不同表面处理后的表面残余应力的比较,不同表面处理后的表面残余应力及疲劳极限如表68所示。表面滚压强化可获得最高的残余

13、应力。经喷九或滚压后，疲劳极限也明显提高。,6喷丸强化的效果检验,弧高度试验不仅是确定喷丸强度的试验方法，同时又是控制和检验喷九质量的方法。 在生产过程中，将弧高度试片与零件一起进行喷丸，然后测量试片的弧高度f.如f值符合生产工艺中规定的范围，则表明零件的喷丸强度合格。这是控制和检验喷九强化质量的基本方法。,弧高度试片给出的喷丸强度，是金属材料的表面强化层深度和残余应力分布的综合值。 若需了解表面强化层的深度、组织结构和残余应力分布情况，还应进行组织结构分析和残余应力测定等一系列检验。,7喷丸强化的应用实例 P173,第二节 表面热处理,对工件表面进行强化的金属热处理工艺。它不改变零件心部的组

14、织和性能 。广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。,一、表面淬火,表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,表面淬火目的： 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。 适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。,感应加热,火焰加热,表面淬火用材料 0.4-0.5%C的中碳钢。 含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。 含碳量过高，心部韧性下降； 铸铁 提高其表面耐磨性。,

15、预备热处理 工艺： 对于结构钢为调质或正火。 前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。 目的: 为表面淬火作组织准备； 获得最终心部组织。,表面淬火后的回火 采用低温回火，温度不高于200。 回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。 表面淬火+低温回火后的组织 表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。,感应加热表面淬火示意图,表面淬火常用加热方法 感应加热: 利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。,感应加热分为： 高频感应加热 频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm,中频感应加热 频率为2500-8000Hz，淬硬层

16、深度2-10mm。,工频感应加热 频率为50Hz,淬硬层深度10-15 mm, 火焰加热: 利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。 激光热处理: 利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,第三节 金属表面化学热处理,化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。 化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。 根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。,常用的化学热处理： 渗

17、碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮化）等。 渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。发兰、磷化可以归为表面处理，不属于化学热处理。 化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。,化学热处理的基本过程,介质(渗剂)的分解: 分解的同时释放出活性原子。 如：渗碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N 工件表面的吸收: 活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。 原子向内部扩散。,氮化扩散层,钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,渗碳目的 提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。 渗碳用钢 为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,经渗碳的

18、机车从动齿轮,气体渗碳法示意图,渗碳方法 气体渗碳法 将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。 渗剂为气体 (煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。 优点: 质量好, 效率高； 缺点: 渗层成分与深度不易控制, 固体渗碳法 将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。 渗剂为木炭。 优点：操作简单； 缺点：渗速慢，劳动条件差。, 真空渗碳法 将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。 优点: 表面质量好, 渗碳速度快。,真空渗碳炉,渗碳温度：为900-950。 渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）： 一般为0.5-2mm。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,渗碳层表面含碳量：以

19、0.85-1. 05为最好。 渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3C; 心部为F+P; 中间为过渡区。,渗碳后的热处理 淬火+低温回火, 回火温度为160-180。淬火方法有： 预冷淬火法 渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。,渗碳后的热处理示意图,一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。 二次淬火法： 即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。,渗碳后的热处理示意图,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火+低温回火。此时组织为： 表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量) 心部：M回+F（淬透时）,钢的氮化,氮化是指向钢的表

20、面渗入氮原子的过程。 氮化用钢,井式气体氮化炉,为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。 常用钢号为38CrMoAl。 氮化温度为500-570 氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。,常用氮化方法 气体氮化法与离子氮化法。 气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。 离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。,离子氮化炉,氮化的特点及应用 氮化件表面硬度高（6972HRC），耐磨性高。 疲劳强度高。由于表面存在压应力。,工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。 耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。 氮化的缺点：工艺

21、复杂，成本高，氮化层薄。 用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,滲氮与滲碳相比： 滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达6972HRC，且在600650高温下仍能保持较高硬度； 滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性； 滲氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和其他缺陷； 滲氮温度较低。 只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能达到要求的滲氮层。,第四节 等离子体表面处理,等离子体：是一种电离度超过0.1%的气体，由离子、电子、中性粒子（原子和分子）的组成。是一种物质能量极高的物质状态，被称为物质第四态。,等离子体获得 高温下，利用粒子热运

22、动、电子碰撞、高能粒子等产生； 低温下主要方法是气体放电。 分类 离子渗碳 离子渗氮 离子碳氮共渗 离子渗金属,离子渗氮,定义：在压力低于105Pa的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。,离子渗氮的作用,离子渗氮是应用广泛的一种化学热处理方法。离子渗氮成本低,气氛可控,热效率高。 离子渗氮形成的氮化层可以大大提高热作模具钢的表面硬度和耐磨损性能,从而延长模具寿命,防止模具磨损失效。因此离子渗氮是热作模具钢常用的表面处理工艺,在工业上已经得到广泛的应用。,实验方法及装置,实验装置：自制的活性屏离子渗氮实验装置,纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理及其影响因素,N2

23、-H2 或NH3 N2 活性屏离子渗氮(ASPN)：从活性屏上溅射下来的FexN(x23)粒子在等离子体空间物理吸附了氮, 并沉积在工件表面。在一定的温度下, 吸附了氮的粒子发生脱附, 脱附出的活性氮原子渗入工件内部生成渗氮层。,1983年,试验方法及装置,试样：15 mm15mm5mm 的38CrMoAl钢、25mm25mm0.5mm 的T2 纯铜片。 氮气：先经纯化处理以减小氮气中的含氧量及干燥氮气。 试验步骤： 1、试样和铜片分别用丙酮、酒精清洗后装入炉内。 2、将真空室抽至2Pa, 然后用氮气冲洗容器三遍, 尽量减少容器中的残余空气及炉壁吸附的气体。3、实验分别在600、800、100

24、0 和1200V 电压下进行, 渗氮温度540, 渗氮时间6h。,金相组织,由图2 所示的金相照片可知, 38CrMoAl 钢在600V 进行纯氮ASPN 处理后观察不到明显的渗氮层; 电压高于800V 后才能形成明显的渗氮层, 见图2(b)、(c)。,显微硬度分析,维氏硬度计试件允许最大高度：130毫米,放电电压在600V 时几乎没有渗氮效果, 在高于800V 才有明显的渗氮硬化效果, 而且渗氮层较深, 与金相组织相对应。,粒子的表面形貌分析,图4(a)与图4(b)粒子尺寸在数十至数百纳米范围内, 但粒子形状不一样, 图4(b)中粒子形状更规则, 呈正多边形。,铜片上沉积粒子的X射线衍射分析

25、,1、 当处理电压为600V 时, 沉积的粒子是铁的氧化物(Fe3O4)和少量的铁的氮化物(-Fe4N、-Fe3N)。 当处理电压高于800V 后, 这些粒子则是铁的氮化物(, 少量)和少量的氧化物, 并且随着电压的升高, 增多, 和Fe3O4 减少。电压达到1000V 时, 粒子中几乎没有氧化物存在。,Fe3O4？由于离子渗氮是在低真空度下进行的, 真空炉内残留少量空气, 炉壁也吸附了少量水蒸气或空气。在离子渗氮处理过程中, 600V时活性氮少, O 被激活, Fe 原子优先与O 结合形成铁的氧化物, 炉内残余的氧起主导作用。 氮原子的产生：分两步，N2 N2+e(24.5eV)，N2+ N

26、+N (49eV)。 1、放电电压低于600V 时, N2+在一个平均自由程里所获得的电场能小于49 eV, 等离子空间活性氮很少, 没有离子渗氮的氮源, 所以渗氮效果甚微。 2、放电电压高于800V 时, N2+在一个平均自由程里所获得的电场能为75.22 eV, 超过了49 eV, 可以通过碰撞裂解产生大量的活性氮原子。这些高能氮原子在活性屏附近与铁原子结合成FexN, 活性屏被氮化。 3、从活性屏上溅射下来的FexN 在向工件运输过程中吸附了大量的氮原子, 当粒子沉积于试样表面后, 吸附了的氮在一定的温度条件下开始脱附成为活性氮原子, 脱附出的活性氮原子向工件内部渗入形成了渗氮层。,结论

27、,(1) 电压较低时, 氧对活性屏离子渗氮处理有重要影响, 铁主要与氧结合生成了大量的氧化铁而不能进行活性屏离子渗氮处理。 (2) 放电电压高于800V 后, 铁与氮的结合能力较强时才主要生成氮化铁进行活性屏离子渗氮处理, 并可获得良好的渗氮效果。,第五节 激光表面处理,概述,定义：用镀膜或喷涂等技术把所需合金元素涂敷在金属表面，利用激光照射使敷层合金元素和基体表面薄层融化、混合，而形成新的表层，从而改善表层耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。,分类,根据工艺不同，激光表面合金化可分为： 激光粉末涂覆合金化 激光硬质粒子喷射合金化 激光气体合金化,铸造铝合金预置Si粉激光表面合金化研究,研究背景

28、1、A357、A319 等铝合金中Si 的质量分数约为6% ,-A l软相是该类合金中的主要组成相，在发动机组中作为摩擦副零件使用时存在硬度低、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤等缺陷,不能直接用于发动机气缸内壁等缺陷。 2、为了提高铸造铝合金气缸的耐磨性,一种方法是在铸造铝合金气缸内表面内衬缸套，内衬缸套增加了缸体的重量，且铸铁缸套与铝合金热膨胀系数不同，在使用过程中也存在问题; 另一种方法是采用铝硅合金气缸，以合金中的Si作为主要相。而铝硅合金有较好的耐磨性，但其铸造成本高，且合金中出现粗大的板条状Si相，使合金基体受到严重割裂，容易形成裂纹，破坏基体的连续性，显著降低合金的强度、韧性。,研究内

29、容,低Si含量的A357合金为基，采用激光表面合金化技术，选用Si粉末作为合金化涂层材料，适当提高基体合金中的Si含量，制备高硅Al2Si合金涂层，研究了激光表面合金化涂层的组织和性能。,1试验材料及方法,材料：基体材料为A357铸铝合金，主要化学成分(质量分数, % )为7. 63Si、0. 54Mg, 其余Al。试样尺寸为70 mm 10 mm的圆片。 表面预处理： 1、首先采用100 目到400 目的砂纸将试样表面磨平； 2、采用5wt%的NaOH溶液浸泡5 min用以去除试样表面的油迹,破坏铝合金表面致密的Al2O3 氧化膜,并且可以起到黑化的作用,提高试样表面对激光光束的吸收率； 3、用工业酒精和丙酮溶液清洗表面； 4、将Si粉(纯度为99. 95% ,粒度为200目)用4 wt %的聚乙烯醇有机粘结剂调成糊状,然后均匀地涂刷到基板合金表面,涂刷厚度为0. 5 mm左右。,1试验材料及方法,激光器：激光