表面工程 第六章 表面改性技术.ppt

1、6.1 激光束表面处理技术,最引人注目的技术之一 成功地走向工业化生产应用 传统的表面处理技术相竞争 提高制品的性能和寿命 获得极大的社会效益和经济效益,6.1 激光束表面处理技术,相位一致 方向性好 波长单一 优越的聚光性 可以获得很高的能量密度 高能束表面改性技术中的一种主要手段,6.1 激光束表面处理技术,激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一种表面处理技术。,激光照射到材料表面,表层材料受热升温,激光作用后冷却,激光被吸收变为热能,固态相变/熔化/蒸发,加热速度快：105-109/S,自冷速度高： 104 /S,输入功率小，工件变形小,可局部加热,精确控制：线加工,自动化,但反

2、射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积,6.1 激光束表面处理技术,激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的带间跃迁实现。,波长越短，吸收率高,越粗糙，越易吸收,温度升高、吸收越多：熔点40-50%，沸点90%,杂质影响吸收,黑化处理：碳素/磷化/油漆,6.1 激光束表面处理技术,激光相变,激光电镀：阴极加热,激光物理气相沉积,激光化学气相沉积,6.1 激光束表面处理技术,激光熔融,激光表面冲击,1. 激光相变硬化：在固态下经受激光辐照，其表层被迅速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬火得到马氏体组织的一种工艺。,加热和冷却速度高： 105109/S,高硬度：比常规淬火提高15

3、%20%,变形小：加热层薄,疲劳强度高,6.1.2 激光表面处理工艺,由于激光加热速率极快，相变在很大的过 热度下进行，形核率很大。 因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大 受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。 冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易 得到隐针或细针马氏体组织。,6.1.2 激光表面处理工艺,低碳钢可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体。 中碳钢可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬度HV达800，比一般淬火硬度高出100以上；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体；第四层是隐针马氏体和完

4、整的铁素体网。,6.1.2 激光表面处理工艺,高碳钢也可分为两层：外层是隐针马氏体； 内层是隐针马氏体加未溶碳化物。 铸铁大致可分为三层：表层是熔化凝固所 得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减 小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及 磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏 体。,6.1.2 激光表面处理工艺,美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载 齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。 -直升飞机辅助动力装置的行星齿轮 -飞机主传动装置的传动齿轮 用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后 研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。 -采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比 氮化处理快14倍，且所得到

5、的硬化层比经过 1020h氮化处理的硬化层还厚，质量优 良，几乎无变形。,6.1.2 激光表面处理工艺,应用实例 内燃机活塞环激光相变硬化 活塞环是内燃机易损基础件之一。为提高活塞环耐磨性延长其使用寿命，对由42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光 相变硬化处理。 工艺：激光输出功率1.65kw，扫描速度22mm/s，光斑直径3mm。,6.1.2 激光表面处理工艺,应用实例 内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化 效果：激光硬化区主要是由细长板条马氏体和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为713HV0.1；硬化层深为0.5mm；激光

6、硬化表面光洁度基本保持不变，变形量满足形位公差要求。,6.1.2 激光表面处理工艺,应用实例 螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化 螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变硬化技术对轴颈进行强化处理。,6.1.2 激光表面处理工艺,螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化 工艺：激光输出功率1.1kw，扫描速度17mm/s，光斑直径4mm。 效果：激光硬化区主要是由针状马氏体、奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬度达HRC60以上；硬化区层深为1mm；使用寿命提高3倍。,6.1.2 激光表面处理工艺,6.1.2 激光表面处理工艺,2.

7、激光表面熔凝处理：利用能量密度很高的激光束在金属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层，并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结构的一种表面改性技术。,细化铸造晶粒,过饱和固溶体,减少偏析,非晶体,改变表层结构,6.1.2 激光表面处理工艺,激光熔化淬火处理后的ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的1/10，硬度可提高30%左右。,AA390铝合金，处理前合金组织中镶有60m大的Si颗粒，处理后硅的颗粒变为14m。,铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松，用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出来，同时把表面层细化。,6.

8、1.2 激光表面处理工艺,为了提高灰铸铁及球墨铸铁的耐磨性，采 用激光加热表面熔化结晶处理使其表面白 口化，可显著提高耐磨性，这种处理方法在 生产上使用较多。如采用二氧化碳激光器对 铬钼合金铸铁活塞环进行熔化一结晶处理， 可获得由细小碳化物与隐晶马氏体所组成的 极细莱氏体。莱氏体的硬化层深度为0.10 0.20mm，硬度为10002000HV。,6.1.2 激光表面处理工艺,通过快磨试验、汽车台架试验与装车考核试验证明，活塞环的磨损量减少，使用寿命提高。 采用激光加热表面熔化-结晶处理灰铸铁，在白口区硬度达到10701210HV。美国阿尔科公司利用这种方法处理灰铸铁的凸轮轴等零件，表面形成莱氏

9、体组织，硬度为5254HRC。,6.1.2 激光表面处理工艺,与表面淬火相比，显著地提高了耐磨性和 抗蚀性，缩短了热处理时间，保证了产品质 量。印刷邮票用的辊式打孔器，辊外径为 365mm，长 645mm，壁厚9.7mm；辊筒材料为50钢。辊面上需使用程控钻床打出2.5万个0.98mm的孔。过去因打孔器技术没过关，以致不能满足需要。我国现已采用激光处理的办法使孔刃部达60HRC以上，攻克了这一难题。,6.1.2 激光表面处理工艺,非晶态金属具有较高的强韧性及非常好的抗腐蚀性和抗磨损性能。,激光扫描处理FePSi合金得到的非晶态硬化层的硬度是基体硬度的56倍。,航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层

10、，使其重量减少50%。,6.1.2 激光表面处理工艺,激光非晶化就是用激光的手段在金属表面上制得非晶层的技术，有有时称之为激光上釉，是非晶态金属获得的一个重要手段。 采用激光扫描处理FePSi合金得到的非晶态硬化层的硬度为13001500HV，是基体硬度的56倍。目前国内外对激光非晶态处理给予极大的关注，认为它是制作非晶态合金的一种很有前途的技术。,6.1.2 激光表面处理工艺,激光非晶体的应用正在开发中。美国工艺研究中心采用此工艺在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减少50%。该工艺已应用于生产F15型战斗机用的F100型发动机上。,6.1.2 激光表面处理工艺,3. 激光表面合金

11、化：利用激光束使合金涂层与基体金属表面混合熔化，在很短的时间内，形成不同化学成分和结构的表面合金。可获得理想合金或亚稳态合金。,区域合金化,有效利用能量,精确控制密度和深度,不规则零件合金,6.1.2 激光表面处理工艺,激光合金化是表面改性处理的新方法，特别适用于工件的重要部位的处理，这样既改善了工件的使用寿命，又可简化工艺和节约昂贵的整体合金。激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨、耐蚀性等性能。,（1）铁基系 在某些情况下，钢中加入Cr，Ni，Mo等贵重元素不是为了提高整体强度，而是为了防止环境对表面的损伤，此时采用表面合金化可使成本大大降低。例如，用70%Cr30%Ni的金属粉末

12、对一般碳钢进行激光表面合金化，表面可获得29%Cr-13%Ni的合金，该合金在1mol/L H2SO4中的极化曲线与18-8不锈钢的极化曲线相似，有几乎一样的钝化能力，即具有相同的耐蚀性。,6.1.2 激光表面处理工艺,（2）有色金属系 在铝合金中加入合金元素的激光表面合金化有大量的研究。例如以Si合金化可达到的硬度是200HV，以Cu合金化可达300HV，以Fe合金化可达300500HV，,6.1.2 激光表面处理工艺,（3）金属硅化物 激光表面合金化另外一个应用领域是制作硅上面的金属触点。1978年 Poate等人用双频激光辐照，把Pt，Pd和Ni膜合金化到Si中，试样表面被熔化并在横向产

13、生非常均匀的合金层，其平均成分可通过改变膜厚和激光功率在一定的范围内变化。用连续波激光加热固体有可能形成单相硅化物。,6.1.2 激光表面处理工艺,4. 激光表面熔覆：在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。,6.1.2 激光表面处理工艺,与表面合金化的不同在于母材微熔而添加物全熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，可获得具有原来特性和功能的强化层。 激光表面熔覆于1981年被成功地应用于大型喷气客机涡轮叶片发动机的高压透平叶片护罩后，引起了重视，目前已经成为国内外激光表面改性研究的热点。,6.1.2 激光表面

14、处理工艺,1激光包覆 激光包覆工艺是继激光淬火之后，第二个在工业中获得应用的一种激光表面改性技术。激光包覆适用于易磨损、腐蚀和受冲击的零件，无论是在包覆展质量还是在工艺性和经济性方面均优于传统的堆焊和热喷涂工艺，其工业应用前景广阔。,6.1.2 激光表面处理工艺,1激光包覆 激光包覆是选择硬度高、耐磨、耐蚀和抗疲劳性能好的材料包覆工件表面，然后用大功率激光束扫描，将包覆材料熔化到基体表面，形成包覆层。激光包覆具有粘结牢靠，包覆层厚度容易控制，操作简单和加工周期短等优点。,6.1.2 激光表面处理工艺,1激光包覆 英国已采用计算机控制的激光包覆工艺取代手工氩弧堆焊工艺，在发动机涡轮叶片上包覆钴基

15、合金，可得到无气孔、无裂纹的高性能包覆层，工效提高11倍，成本降低80%，钴基合金的消耗量减少50%。另外，在制造电接触器时，用激光包覆工艺取代化学涂覆工艺，在铜基体上包覆银层，可大大提高生产率和降低成本消耗。,6.1.2 激光表面处理工艺,2陶瓷层激光涂覆 火焰喷涂和等离子喷涂等热喷涂的方法广泛用来进行陶瓷涂覆。但所有这些方法都不能令人满意。因为它们获得的涂层含有过多的气孔、熔渣夹杂和微观裂纹，而且涂层结合强度低，易脱落。这会导致高温时由于内部硫化、剥落、机械应变降低、坑蚀、渗盐和渗氧而使涂层早期变质和破坏。使用激光进行陶瓷涂覆，即可避免产生上述缺陷，提高涂层质量，延长使用寿命。,6.1.2

16、 激光表面处理工艺,应用实例： 宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层 1、熔覆材料体系：基材为38CrMoAl，涂层材料为Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉末。2、工艺：激光输出功率为2.2kw，扫描速度为3mm/min，送粉率为9g/min，光斑尺寸为15mm1.5mm。,6.1.2 激光表面处理工艺,应用实例： 宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层 1、熔覆材料体系：基材为38CrMoAl，涂层材料为Ni60B+25vol.%WC复合熔覆粉末。2、工艺：激光输出功率为2.2kw，扫描速度为3mm/min，送粉率为9g/min，光斑尺寸为15mm1.5mm。,6.1.2 激光表面处理工艺,应用实例

17、： 宽带激光熔覆Ni-WC复合涂层 3、效果：复合涂层熔覆区主要是由g -Ni、 WC、W2C、M23C6及M7C3 所组成；涂层 厚度为1mm；稀释度为7%；涂层合金最高 硬度为900HV0.1。4、应用范围：a)轴件修复；b)新产品，以提高使用寿命。,6.1.2 激光表面处理工艺,3有色金属激光涂履 激光表面涂覆可以从根本上改善工件的表面 性能，很少受基体材料的限制。这对于表面耐 磨、耐蚀和抗疲劳性都很差的铝合金来说尤为 重要。但是，有色金属特别是铝合金表面实现 激光涂覆比钢铁材料困难得多。铝合金与涂覆 材料的熔点相差很大，而且铝合金表面存在高 熔点、高表面张力、高致密度的Al2O3氧化膜

18、， 所以，涂层易脱落、开裂、产生气孔或与铝合 金混合生成新合金，难以获得合格的涂层。,6.1.2 激光表面处理工艺,3有色金属激光涂履 研究表明，避免涂层开裂的简单方法是工件 预热。一般铝合金预热温度为300500； 钛合金预热温度为400700。国内对 ZL101铝合金发动机缸体内壁进行激光涂覆硅 粉和MoS2，获得 0.1mm0.2mm的硬化层， 其硬度可达基体的3.5倍。铝合金的激光熔覆 已在国外获得应用。,6.1.2 激光表面处理工艺,5. 激光表面冲击硬化：以 高功率密度的脉冲激光在极短的时间内照射金属表面，使表面金属剧烈气化，产生了强的机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。,6.1.

19、2 激光表面处理工艺,激光冲击硬化是正在开发的一种材料表面改性技术，它不仅可以大大提高材料的强度和硬度，而且能有效提高钢、铝、钛等合金的抗疲劳性能。,由于冲击波持续的时间短，因而产生的变形很小， 适于处理成品零件。如果用激光冲击硬化处理齿轮和 轴承等精加工的工作面，就可以阻止处理部位裂纹的 扩展。 因此，激光冲击硬化对提高材料的安全性、可靠性 和使用寿命具有重要意义。 各种材料经过激光表面改性处理以后，可以得到硬 度很高、晶粒和组织很细的强化层，它与基体的结合 属于紧密的冶金结合。 虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使用，却 并不表现出脆性，具有优良的性能。,6.1.2 激光表面处理工艺,用

20、激光冲击波对飞机结构中的紧固件进行 处理，其紧固件的高频疲劳寿命，处理后比 处理前要延长100倍，这对提高飞机的性能起 着决定性的作用。另外，用激光照射铝合金 表面，由于冲击硬化，铝合金构件的疲劳寿 命和焊缝强度得到显著改善。,6.1.2 激光表面处理工艺,各种材料经过激光表面改性处理以后，可 以得到硬度很高、晶粒和组织很细的强化 层，它与基体的结合属于紧密的冶金结合。 虽然在大多数情况下不经回火而直接装配使 用，却并不表现出脆性，具有优良的性能。,激光表面改性对性能的影响,一、力学性能 1硬度 比感应热处理的硬度略高 T12钢：1050HV T8钢：980HV 45钢：780HV， W19C

21、r4V高速钢：10001100HV。 原因：马氏体产生变形，马氏体的细化、残 余奥氏体的数量减少和存在碳化物等因素有 关。,激光表面改性对性能的影响,2疲劳性能 对15MnVN，25CrMnSi等低含碳量的钢进 行激光相变强化，疲劳寿命有较大幅度的提 高。 3耐磨性能 利用各种激光表面强化方法对钢进行强 化，提高耐磨性能的效果是很显著的。 灰口铸铁、球墨铸铁等材料，经过激光表 面强化以后，提高耐磨性的效果也是显著 的。,激光表面改性对性能的影响,二、残余应力 对钢进行激光表面强化以后，能够造成表 面残余压应力，到一定深度后，残余应力的 性质转变为拉应力。例如，对42CrMo钢用 152W激光互

22、搭扫描后，表面残余压应力可达 19.668.6MPa，到0.1mm深度后转变为残余 拉应力，达到176.5323.6MPa左右。表面残 余压应力的存在，有利于提高钢的疲劳强 度，推迟钢铁零件在工作过程中裂纹的萌生 和发展。,激光表面改性对性能的影响,激光电镀：激光可以提高金属的沉积速度，同等面积可使金属的电沉积速度提高三个数量级以上。,温度升高，搅拌作用！,6.1.2 激光表面处理工艺,激光气相沉积 激光气相沉积是以激光束作为热源在金 属表面形成金属膜，通过控制激光的工艺 参数可精确控制膜的形成。目前已用这种 方法进行了形成镍、铝、铬等金属膜的试 验，所形成的膜非常洁净。用激光气相沉 积可以在

23、低级材料上涂覆与基体完全不同 的具有各种功能的金属或陶瓷，这种方法 节省资源效果明显，受到人们的关注。,6.1.2 激光表面处理工艺,激光化学气相沉积是将激光照射至TiCl4 H2CO2，或TiCl4CH4的混合气体中，由于 激光的热分解作用，在基体上沉积出TiO2或 TiC膜层。激光化学气相沉积法是半导体产业 的一种新型激光技术，采取此法可进行空间选 择的光辐射，在照射区成膜，只需一道工序就 可同时进行成膜和图案的制作，使器件满足用 户的要求，这是半导体工业的一次性革命开 拓，利用此法可制作金属、半导体、电介质等 薄膜。,6.1.2 激光表面处理工艺,激光物理气相沉积是利用激光照射并使陶 瓷

24、材料瞬间蒸发，然后沉积到基体材料表面 上，以形成各种陶瓷层，例如，TiN、WC、 SiN4、BN、SiAlON陶瓷层等。 这种方法可以实现高性能和小型化的机械 零件（如轴承、滑动零件）高精度和高寿命 的要求，陶瓷层的耐磨性和自润滑性能优 良。,6.1.2 激光表面处理工艺,6.2电子束表面改性技术 电子束表面改性技术与激光技术一样， 都是近年来迅速发展起来的表面处理新 技术，它具有节约能源、防止环境污染、 提高生产率和提高产品质量等优点，已在 各发达国家得到广泛应用。,第六章 表面改性新技术,6.2.1电子束技术概述 电子束是一束集中的高速电子。 它的速度取决于加速电压的高低，可达到 光速的2

25、3左右。 具有高的功率和功率密度的电子束撞击材 料表面，可使能量沉积在材料的亚表层区 域，并可形成亚稳金属合金。 可在几分之一秒甚至千分之一秒把金属材 料由室温加热至奥氏体转变温度或熔化温度。,第六章 表面改性新技术,6.2.2电子束表面改性的特点 （1）电子束淬火处理在真空中进行，减少了 氧化、氮化的影响，可得到纯净、质量很好 的表面处理层。 （2）电子束加热能量的转换率为80% 90%，能量利用率非常高。并且可以局部淬火 和表面合金化，避免了整体加热，所以应用电 子束可以大大节约能源，属节能型表面改性 法。,第六章 表面改性新技术,6.2.2电子束表面改性的特点 （3）电子束淬火时靠金属基

26、体自行冷却淬 火介质，一般也不需要特别的冷却装置。 （4）由于能量集中、热作用点小，在加热 时形成的热应力小；由于硬化层浅，组织 应力也小，所以零件变形小。 （5）在进行表面合金化时，能在极短的 时间内达到一般渗金属几小时或几十小时 的渗层效果。,第六章 表面改性新技术,6.2.2电子束表面改性的特点 （6）电子束加热可以用于各种钢种和铸 铁的表面硬化以及表面合金化，也适用形 状复杂的零件的处理，所以用途较为广 泛。 （7）电子束功率等参数可以控制，因此， 表面改性的位置、深度等工艺和性能指标 也能严格控制。,第六章 表面改性新技术,6.2.2电子束表面改性方法 一、电子束表面相变强化 在加热

27、时，电子束以很高的速度轰击金属 表面，电子与金属材料中的原子相碰撞，给 原子以能量，使金属表面温度迅速升高。由 于电子束能量密度高，作用于金属表面的能 量集中，故而温度梯度很大，当表面达到相 变点以上温度时，基体金属仍保持冷态。 实现金属表面 “自淬火” 。,第六章 表面改性新技术,6.2.2电子束表面改性方法 一、电子束表面相变强化 获得一种超细晶粒组织。这是电子束快速 加热的最大特点。 淬硬层组织的致密性很好，有较高的耐腐 蚀性能。,第六章 表面改性新技术,二、电子束表面合金化 将具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金 属表面上，然后用电子束加热熔化，或在电 子束作用的同时加入所需合金粉末使其

28、熔融 在工件表面上，使零件表面形成一层很薄的 具有良好性能的合金表面层，从而使金属表 面能获得很好的耐磨、耐腐蚀及耐热的性 能。,第六章 表面改性新技术,二、电子束表面合金化 用电子束快速加热进行表面合金化处理， 尽管时间很短，但仍完成了液体金属的混合 和合金元素的扩散并重新分布的过程，从而 获得了满意的表面合金化结构与硬度。,第六章 表面改性新技术,三、电子束表面非晶化 电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化 处理相似，只是所用的热源不同而已。利用 聚焦的电子束所特有的高功率密度以及作用 时间短等特点，可在表面的下层受热最小的 情况下，使材料的表面熔化形成小液池，这 样便能获得极快的冷却速度。

29、,第六章 表面改性新技术,三、电子束表面非晶化 如在表层熔化0.025mm深度时，可获得 106S的冷却速度。由于快速凝固细化显 微组织，可获得致密性极好的非晶态层，这 种非晶态组织具有很高抗腐蚀与抗疲劳的性 能。,第六章 表面改性新技术,四、电子束表面重熔 利用电子束轰击工件表面使表面产生局部 熔化并快速凝固，从而细化组织，达到硬度 和韧性的最佳配合。 对某些合金，电子束重熔可使各组成相间 的化学元素重新分布，降低某些元素的显微 偏析程度，改善工件表面的性能。,第六章 表面改性新技术,四、电子束表面重熔 目前，电子束重熔主要用于工模具的表面 处理上，以便在保持或改善工模具韧性的同 时，提高工

30、模具的表面强度、耐磨性和热稳 定性。,第六章 表面改性新技术,五、电子束表面熔覆 利用电子束熔覆处理技术时，向熔化区添 加合金元素，在材料表面产生一些覆盖层， 像一些薄的银箔、金箔等薄片、金属丝或者 像电沉积层一样，在熔化区可得到所希望的 化学成分的覆盖层。,第六章 表面改性新技术,6.2.3 电子束表面改性技术的应用 从当前电子束表面热改性技术的应用现状 来看，基本上仍是以钢和铸铁的电子束淬火为 主。 例如在汽车用的转缸式发动机中振动最厉害 的顶部密封件的制造，就采用了电子束熔融处 理技术。,第六章 表面改性新技术,6.2.3 电子束表面改性技术的应用 该密封件是有贝氏体组织的铸铁材料， 不

31、仅要求具有一定的强度和韧性，还要使其侧面 和端面具有抗磨性，因为它工作时其密封面是在 镀硬铬的次摆线面上滑动。把这个密封面用电子 束熔化约3mm深，由于速冷，可得到比任何铸件 都细的渗碳体组织。,第六章 表面改性新技术,6.2.3 电子束表面改性技术的应用 电子束表面淬火的工件主要有型零件，如滑 槽的凸缘，导轨的轨道底板，机床紧固装置上的 导向平面和台板等； 周边要进行淬硬的旋转对称部件，例如套筒、 转动轴、心轴等；锥形外表面或内表面要淬硬的 旋转对称部件，例如阀门、锥齿轮等；,第六章 表面改性新技术,5.2.3 电子束表面改性技术的应用 几何形状和外观规则或不规则的特殊零件，如 凸轮盘、连接

32、元件、正齿轮圈等； 端面淬火的旋转对称件，如导向圈和推力环 等；工具或其它零件，如冲压冲头、挤压模块、 锻造模块、叶片、刀片等。,第六章 表面改性新技术,第六章 表面改性新技术,材料表面热扩渗处理是将工件放入一定的 活性介质中，使金属元素或非金属元素扩散到 工件表层中，改变表层化学成分，可得到一扩 散合金层，有时表面上还会形成化合物层，从 而获得所需的组织和性能。该技术的突出特点 是表面强化层的形成主要依靠加热扩散的作 用，渗层与金属基体的结合是冶金结合，它 们之间无明显的分界面，它们的成分、组织和 性能是逐渐变化的。,第六章 表面改性新技术,按接触介质划分有固体法、液体法、气体法和等离子法。

33、 按渗入元素的种类进行分类，渗碳、渗氮、如渗硼、氮碳共渗、硼铝共渗等。 1固体法 1）粉末法 粉末法是固体法中最普通的方法，历史最为悠久，至今世界各国仍以此法应用最多。,第六章 表面改性新技术,这种方法的早期应用是把工件埋入装有渗层 金属粉末的容器里进行加热扩散，但由于烧结 使得表面难以清理，后来便进行了改进，在粉 末中加入了防粘结粉末（如Al2O3）和活化剂 （助渗剂）。活化剂一般为卤化物，如 NH4Cl，NH4I等。 粉末法的优点是设备简单，操作容易，适用 于形状复杂的工件的渗镀；缺点是效率低，尺 寸受限制，温度高，时间长，基体金属的强度 有一定降低。,第六章 表面改性新技术,2）流化床法

34、 这种方法与粉末法相似，不同之处是将工件 放于带有固体渗剂的流化床内，然后加热，同 时通入运载气体（H2，Ar），使之与流体粒 子反应产生欲渗金属的活性原子渗入工件。 优点:传热性好，渗速快，渗层质量高,有利 于机械化和自动化； 缺点:流化床设备装置成本极高，运转费用 大，因此这种方法尚未推广使用。,第六章 表面改性新技术,2液体法 目前世界上采用的较新的液体法热扩渗技术 是盐浴法，其基本原理是在金属盐熔融液体中 加入V、Nb、Cr、Ti、Ta等铁合金粉末，然 后把含有较高C，N的钢件浸入（可预先进行 渗碳、氮化或碳氮共渗），在8001250温 度下，经过0.510h的时间后；可在表面上形 成

35、一极硬的金属的碳氮化合物薄层，从而赋予 工件表面高的耐磨性。,第六章 表面改性新技术,3气体法 气渗首先把工件加热到渗剂原子在基体中能 产生显著扩散的温度，然后把含有渗入金属卤 化物（MCl2）的氢气通入，气体和表面接触 时，工件表面的金属和氢本身与MCl2发生反 应。 气体渗的优点是渗层厚度均匀，易控制，对 异形件和小孔结构的渗镀效果好，且无粉尘， 劳动条件好。,第六章 表面改性新技术,4等离子法 等离子法是利用物质的第四态等离子体进 行渗镀。等离子体是利用低真空下气体辉光放 电获得的，因为离子活性比原子高，加上电场 的作用，因此渗速较高，质量较好。但是该法 除离子氮化已经成熟，包括渗碳在内

36、的离子渗 金属尚在开发之中。,第六章 表面改性新技术,4.1 渗硼技术 渗硼是将工件置于含硼的介质中，经过加热 和保温，使硼原子渗入其表面，形成硼化物的 工艺过程。 硼原子半径为0.82，与过渡元素原子半径 之比大都大于0.59，因而，硼与过渡族元素形 成的化合物，具有远比正常的间隙相要复杂得 多的晶体结构，如FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2 等，硬度极大，热稳定性好，几乎比相应的碳 化物、氮化物的硬度和热稳定性都要高。,第六章 表面改性新技术,4.1 渗硼技术 钢的渗硼层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐热 性能均比渗碳层和氨化层高。此外，微量的硼还 能增加钢的淬透性。 4.1.1渗硼原理 在

37、渗硼过程中，含硼介质发生化学反应，生成 流体含硼组元，流体含硼组元通过邻接金属表面 的“边界层”进行外扩散，扩散到金属表面并被吸 附，然后发生各种界面反应，生成活性硼原子、 活性硼原子由金属界面向纵深迁移，从而形成有 一定深度的渗硼层。,第六章 表面改性新技术,4.1.1渗硼原理 由图Fe-B相图可知，在、相中溶解硼 的能力极微，在1149时，相中具有最大溶 硼量为0.02%，而溶碳量大于2%，氮的溶解 度更大。随着硼在铁中渗入量的增加，硼与铁 依次形成稳定的化合物Fe2B和FeB，这些铁的 硼化物，在高温时也具有较高的稳定性。 硼在Fe中只能以置换固溶体的形式存 在，而在Fe中既可以置换固溶

38、体的形式存 在，又可以间隙固溶体的形式存在。,第六章 表面改性新技术,4.1.1渗硼原理 因置换固溶体形式的扩散比间隙固溶体形式 困难得多，因此，硼在Fe中扩散速度远大 于硼在Fe中的扩散速度，因此，渗硼温度 大多选在钢处于奥氏体状态的温度范围内。 4.1.2 渗硼工艺方法 渗硼的方法有固体法、液体法和气体法。比 较常用的是固体法和液体法。,第六章 表面改性新技术,4.1.2 渗硼工艺方法 (1) 固体渗硼 渗剂：供硼剂、活化剂、填充剂组成。 供硼剂：提供硼源，它在活化剂的催化作用 下提供硼原子，硼铁和碳化硼在目前是使用得 较多的供硼剂。 活化剂：提高渗剂的活性，理想的活化剂不 仅可降低渗剂成

39、本，而且可提高渗速，增加渗 层深度，改善渗层组织性能。,第六章 表面改性新技术,4.1.2 渗硼工艺方法 (1) 固体渗硼 填充剂：渗硼介质的分散剂和载体，一般由 惰性物质组成。 三方面的作用： 1）使复合渗剂均匀分布其中，以便工件和渗 剂均匀接触，使渗剂保持适当的浓度，保证 渗层的均匀性； 2）产生或保持还原气氛，以保持渗硼件表面 的活性； 3）防止渗剂的烧结，提高渗剂的松散性。,第六章 表面改性新技术,4.1.2 渗硼工艺方法 (1) 固体渗硼 固体法渗硼又分为粉末渗硼和膏剂渗硼。 1) 粉末渗硼 粉末渗硼是将工件埋入含硼粉末中装箱密 封，并在箱式或井式电炉中加热保温。它具有 设备简单、清

40、洗容易的优点，适合批量处理。 生产上常用的渗硼剂多由硼铁、碳化硼、无水 硼砂和适量的氧化铝及卤化物组成。处理温度 在9001000，时间为15h。,第六章 表面改性新技术,4.1.2 渗硼工艺方法 (1) 固体渗硼 1) 粉末渗硼 适当调整渗硼剂的成分可获得耐磨而又不脱 落的FeB相表面层。该法质量稳定、操作简 便，已在生产中应用。 2) 膏剂渗硼 在粉末渗硼剂的基础上加入一定量的粘结 剂，形成膏状渗剂，然后涂在工件表面进行渗 硼，膏剂渗硼尤其适合大件局部处理。,第六章 表面改性新技术,4.1.2 渗硼工艺方法 (1) 固体渗硼 2) 膏剂渗硼 在膏剂法渗硼剂中，加入粘结剂的作用是使 渗剂能涂

41、附于金属表面。常用的粘结剂有甲基 纤维素、水解硅酸乙酯、松香酒精、可溶性淀 粉、水玻璃加浆糊等。粘结剂的选择对渗硼后 渗剂的脱落性有重要影响。该法渗层均匀致 密，表面质量好。,第六章 表面改性新技术,4.1.2 渗硼工艺方法 (2) 液体渗硼 液体渗硼包括电解盐浴渗硼和非电解盐浴渗 硼。 1）电解盐浴渗硼是日本丰田汽车公司和美国 通用电器公司以及前苏联的一些工厂在生产上已 经采用的方法。电解时浸在熔融硼砂中的工件作 阴极，容器或石墨棒为阳极进行电解渗硼。电解 渗硼速度快、渗剂便宜。渗层深、易调节；但也 有渗层欠均匀、坩埚寿命较短等缺点。,第六章 表面改性新技术,4.1.2 渗硼工艺方法 (2)

42、 液体渗硼 2）非电解盐浴渗硼是目前国内应用较多的 一种方法，该法是在硼砂和硼酸的混合熔盐中 加入渗硼剂（如B4C）进行渗硼。 4.1.3 渗硼层的组织与性能 渗硼后的渗层组织由表向里依次为FeB、 Fe2B、过渡层、心部组织，即由化合物、过 渡层和基体组织三部分组成。,第六章 表面改性新技术,4.1.3 渗硼层的组织与性能 渗硼层具有如下性能： （1）高硬度和耐磨性。碳钢渗硼后表面硬度 可达14002000HV，具有极高的耐磨性。试 验表明，渗硼试样的耐磨性能比其它任何处理 （如渗碳、碳氮共渗等）的都高。此外，渗硼 处理还有比较高的耐腐蚀磨损和泥浆磨损能 力。,第六章 表面改性新技术,4.1

43、.3 渗硼层的组织与性能 （2）高的红硬性。钢铁渗硼后形成的铁硼化 合物（FeB、Fe2B）是一种十分稳定的金属化 合物，它具有良好的红硬性，经渗硼处理的工 件一般可在600下可靠地工作。 （3）良好的耐腐蚀性和抗氧化性。渗硼层对 盐酸、硫酸、磷酸及碱具有良好的抗蚀性，在 600下硼化物层抗氧化性良好。例如45钢渗 硼后在盐酸、硫酸水溶液中的耐腐蚀性比渗硼 前提高514倍。,第六章 表面改性新技术,4.1.4 渗硼的应用 近年来，在渗硼领域里，人们在渗硼的基础理 论、工艺过程和工业应用等方面进行了大量的研 究，取得了重要的进展，该工艺已逐渐成为广泛 应用的表面扩渗处理工艺。 目前，渗硼主要用于

44、耐磨并且兼有一定的耐蚀 性方面，例如钻井用的泥浆泵零件，滚压模具、 热锻模具及某些工夹具等。近年来，渗硼还逐渐 扩大到硬质合金、有色金属和难熔金属，例如难 熔属的渗硼已经在宇航设备中获得应用。,第六章 表面改性新技术,4.1.4 渗硼的应用 渗硼还可用于印刷机凸轮、止推板、各种活 塞、离合器轴、压铸机料筒与喷嘴、轧钢机导 辊、油封滑动轴、块规、闸阀和各种拔丝模 等。,第六章 表面改性新技术,4.2 渗金属 渗金属工艺（Diffusion Metallizing）就是采用 加热的方法，使一种或多种金属扩散渗入零件表 面形成表面合金层的方法。这一表面层被称为渗 层或扩散渗层。渗金属的特点是：渗层是

45、靠加热 扩散形成的，所渗元素与基体金属常发生反应而 形成化合物相，使渗层与基体结合牢固，其结合 强度是电镀、化学镀等机械结合所难以达到的。 渗层具有不同于基体金属的成分和组织，因而可 以使零件表面获得特殊的性能，如抗高温氧化、 耐腐蚀、耐磨损等性能。,第六章 表面改性新技术,4.2.1 渗铬 渗铬（Chromizing）的目的主要有两个： 一是为了提高钢和耐热合金的耐蚀性和抗氧化 性，提高持久强度和疲劳强度；二是为了用普 通钢材代替昂贵的不锈钢、耐热钢和高铬合金 钢。 （1）渗铬的方法 1）固体粉末渗铬 目前工业生产中应用较多的方法。,第六章 表面改性新技术,(1) 渗铬的方法 1) 固体粉末

46、渗铬 该法是将工件埋入渗铬剂中，放在高温的密封 容器中保温一定的时间进行渗铬。渗剂一般由金 属铬粉（或铬铁粉）、适量的Al2O3（或SiO2） 和卤化铵配成。渗铬一般为9501100，时间 为410小时。 固体粉末渗铬工艺虽然简单，但由于其加热 温度高、保温时间长、渗层薄、铬耗量大，因 此限制了此工艺的推广应用，近年又发展了多 种固体粉末渗铬法。,第六章 表面改性新技术,(1) 渗铬的方法 1) 固体粉末渗铬 （a）固体粉末通氢渗铬法 氢气促进了化学还 原反应的进行，使之产生更多的活性Cr，加 快了渗速。例如低碳钢在1000、保温6h后， 可渗55m。 （b）不含卤化物的渗铬法 主要用于粉末冶

47、金 件渗铬，可防止残留卤化物的腐蚀。,第六章 表面改性新技术,(1) 渗铬的方法 1) 固体粉末渗铬 （c）快速渗铬法 利用高频感应加热或直接通 电加热，使零件迅速加热到高温，从而能在很 短的时间内得到一定厚度的渗铬层。这种方法 大大缩短了工艺周期，并保持零件心部性能不 变。快速渗铬的方法很多，诸如在活性粉末渗 铬剂中的快速渗铬，在真空中的快速渗铬，用 铬的电镀层快速渗铬等。,第六章 表面改性新技术,(1) 渗铬的方法 1) 固体粉末渗铬 （d）膏剂渗铬法 将渗铬剂调成糊状涂敷在零 件上，通过感应加热使Cr渗入工件表面。膏 剂由渗铬源、熔剂和粘结剂配成。渗铬源是铬 粉或铬铁粉，溶剂是冰晶石，粘

48、结剂可用水玻 璃、干性油漆、清漆、硅酸盐等。膏剂渗铬可 提高渗铝剂的利用率，而且可大幅度加快渗铬 速度。,第六章 表面改性新技术,(1) 渗铬的方法 2) 气体渗铬 气体渗铬的反应机理与固体粉末法相似，在 密封的电炉中进行。气体渗铬的介质多为铬的 氟化物、氯化物。渗铬气氛（卤化铬）可在炉 外制取，也可在炉内放置铬或铬铁粉末，通以 Cl2和H2制取。卤化铬气体在工件表面通过置 换、还原、热分解等反应，产生活性Cr原子 而渗入工件表面。,第六章 表面改性新技术,(1) 渗铬的方法 2) 气体渗铬 如在密封的炉子中通入CrCl2、N2（或 H2+N2）对42CrMo进行10004h气体渗 铬，可获得

49、40m的渗层。 气体渗铬具有渗速快、劳动强度小、渗层质 量高、表面光洁、无粉尘危害等优点，但氢气 易爆炸、氯气有毒，要注意防护。,第六章 表面改性新技术,(1) 渗铬的方法 3) 液体渗铬 液体渗铬是在含有活性铬原子的盐浴中进行 的，具有设备简单、加热均匀、生产周期短、 可直接淬火等特点。液体渗铬主要有硼砂盐浴 渗铬和氯化物盐浴渗铬两类。盐浴渗铬（即 TD法）是先将硼砂熔化（740），然后将烘 干（120150）的铬粉或碳素铬粉加人硼砂 浴中，升温到渗铬温度把（8501050） 时，再将工件放入渗铬。,第六章 表面改性新技术,(2) 渗铬层的性能及应用 1）抗氧化性能 渗铬件具有良好的抗高温氧

50、化 和抗高温腐蚀性能。工件经渗铬后可在800 以上较长时间使用，在900仍有一定的抗氧 化能力。渗铬钢的抗氧化性能较渗铝钢更优。 低碳钢渗铬，在700时其抗氧化能力可比不 渗铬钢高1000倍。奥氏作耐热钢、镍基和钴基 合金材料渗铬后，抗高温氧化性能可显著提 高。,第六章 表面改性新技术,(2) 渗铬层的性能及应用 2）耐腐蚀性能 工件经渗铬处理后具有良好的 耐蚀性，在潮湿空气、水、强碱液、过热蒸汽 和其他许多介质中都有良好的耐蚀性；能耐硫 酸和硝酸的浸蚀；但耐盐酸腐蚀性差。 3）耐磨性能 含0.25%C的碳钢渗铬后表面硬 度为13001600HV；而1.0%1.2%的碳钢 渗铬后表面硬度达17

51、501800HV。碳化铬层 具有高硬度、低摩擦系数（与金属对摩），因 此耐磨性很高。例如，渗铬高碳钢的耐磨性比 GCr15钢还高几倍，与渗硼层耐磨性相近。,第六章 表面改性新技术,(2) 渗铬层的性能及应用 4）力学性能 渗铬后普通碳钢晶粒粗大，静拉 伸强度和韧性下降，为此需进行热处理；渗铬 可显著提高钢在高温下的持久强度。 渗铬可以代替不锈钢和耐热钢用于制造机械 和工具。如：仪表中的叶轮、浮子、弹簧管等 零件；还可用于飞机、船舰、电站的燃气轮机 叶片等高温部件。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (1) 渗铝的方法 1）固体粉末渗铝 固体

52、粉末渗铝是将渗铝工件 埋在粉末状的渗铝剂中，然后加热到900 1050进行保温。优点是设备简单，操作方 便，特别适合于机械的零部件；缺点是工件尺 寸受到限制，效率不高。 渗铝剂一般由三部分组成：铝粉或铝铁合金 粉；氧化铝粉起稀释填充和防止金属粉末粘结 的作用；氯化铵作活化剂。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (1) 渗铝的方法 1）固体粉末渗铝 固体粉末渗铝的工件可以是钢铁件，也可以 是镍基和钴基高温合金，还可用于钛合金、铜 合金及钼、铌等难熔金属。 2）喷镀渗铝法 把热喷涂铝后的工件8001000下保温 5h，让铝进行扩散，称为喷镀渗铝

53、。该处理不 仅改善了喷铝层与基体表面的结合强度，还提 高了喷铝层的密度。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (1) 渗铝的方法 3）料浆渗铝法 料浆渗铝是由固体粉末渗铝法发展而来的一 种工艺方法。将渗铝剂调糊状，然后涂刷在工 件表面上，在120时烘干，再加热到1000 左右进行扩散渗铝。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (1) 渗铝的方法 4）气体渗铝法 气体渗铝是在密封的贯通式炉或井式炉中进 行的。渗铝气氛为铝的卤化物，反应机理基本 同体粉末法，气氛可以从炉外通入，也可以在 炉内制取

54、。该法质量稳定，效率较高。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (1) 渗铝的方法 5）其它渗铝方法 电泳渗铝法是先用电泳法将 铝粉均匀地沉积在工件表面上，再加热扩散制 成镀层。电泳沉积铝的溶液是由铝粉 （10m）、无水乙醇和三氯化铝组成的，配 比时按每升乙醇含铝粉50g、三氯化铝的58 g配制。工件为阴极，铝板为阳极。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (1) 渗铝的方法 5）其它渗铝方法 快速电加热渗铝法将电流直接通过零件和渗 铝剂或用高频感应将零件加热，使表面形成渗 铝层。国外有三种

55、快速渗铝工艺： 1）高频加热热喷涂铝之后的工件； 2）在渗铝气氛中用高频电流加热工件； 3）在活性膏剂中用高频感应加热工件。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (1) 渗铝的方法 5）其它渗铝方法 该渗铝法可使渗铝周期从几十小时缩短为几 分钟甚至几十秒钟，且可改善渗铝层质量，实 现自动化生产，是近十几年出现的一种渗铝新 工艺。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (2) 渗铝层的性能 渗铝层具有特殊的抗氧化性和耐腐蚀性。 1）抗氧化性能 一般来说，渗铝后的钢与原来 未渗铝的钢相比，使用温度

56、可提高200。Q235钢渗铝后抗高温氧化性能优于 0Cr17Mn13Mo2N不锈钢，与未渗铝的Q235钢 比较，抗高温氧化能力提高100倍以上。试验 证明，渗铝层要具有高的抗氧化能力，其含铝 量必须高于12%，最好是32%33%。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (2) 渗铝层的性能 2）耐腐蚀性 渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的 手段之一。在大气条件下，渗铝钢比热镀锌钢 具有更好的耐蚀性。渗铝钢的腐蚀量仅是热镀 锌钢的1/101/5。 把渗铝钢和热镀锌钢在不同的pH值溶液下 的耐腐蚀性进行比较后知，在pH值29范围 内，前者的耐蚀

57、性要好得多。,第六章 表面改性新技术,4.2.2渗铝（Aluminizing，Calorizing） (3) 渗铝的应用 渗铝主要用于提高机件的耐热耐腐蚀寿命， 可用于炉内构件、烟道、汽车消音器、汽车进 排气零部件、高温石油化工用换热器、加热 管、热风管、加热炉排风扇、空气预热器和热 处理用设备，以及一切与H2S、SO2、CO2、 H2CO3、HNO3、液N、水煤气接触的设备。,第六章 表面改性新技术,4.3共渗 共渗是指将工件置于含有至少两种欲渗元素 的渗剂中，经过一次加热扩散过程，使多种元 素同时渗入工件表层的扩散渗入工艺。 4.3.1硫氮共渗 （Sulphnitriding） 硫氮共渗的

58、目的是为了兼顾渗硫、渗氮二者 的优点，其共渗层的组织、性能与渗氮后渗硫 基本相同，但工艺简单。渗层最外层的微孔组 织可储存润滑油、降低摩擦系数，次层硬度较 高，因而耐磨性尤其抗粘着、咬合性能显著提 高。,第六章 表面改性新技术,4.3共渗 4.3.1硫氮共渗 （Sulphnitriding） 硫氮共渗的工艺方法有盐浴法，气体法、离 子法等。 经气体硫氮共渗后的金相组织分为三层。最 外层是FeS，第二层是以Fe23N为主的氮化 物白亮层，第三层是氮的扩散层。硬度峰值可 达1000HV，由表及里的硬度变化较平缓。,第六章 表面改性新技术,4.3共渗 4.3.1硫氮共渗 （Sulphnitridin

59、g） 用高速钢刀具进行了硫氮共渗处理与不处理 的对比试验发现，在不润滑条件下前者使用寿 命较后者提高2倍以上；在润滑条件下，加工 低硬度零件时可提高0.52倍，加工中硬度零 件（310400 HB）时可提高1.56倍。,第六章 表面改性新技术,4.3共渗 4.3.2硫氮碳共渗 （Sulphnitrocarburizing） 硫氮碳共渗实质是渗硫与氮碳共渗的结合。 与硫氮共渗相比，其优点在于能使低碳钢零件 也得到较好的强化效果。 (1) 硫氮碳共渗方法 硫氮碳共渗有粉末法、膏剂法、气体法、液 体法和离子法。,第六章 表面改性新技术,4.3共渗 4.3.2硫氮碳共渗 （Sulphnitrocarburizing） (1) 硫氮碳共渗方法 1) 粉末法 粉末渗剂：由FeS、K4Fe(CN)6及石墨、木炭 等组成。 工艺： 500650 410h。 优点：简单易行，成本低。 缺点：质量不易控制，生产率低，劳动条件 差，目前已应用不多。