技能培训 材料表面工程学 表面改性方法原始

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6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 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。 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 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 钢铁的化学热处理可按进行扩散时的基本组织， 区分为铁素体化学热处理和奥氏体化学热处理。 前者的扩散温度低于铁氮共析温度，如渗氮、 渗硫、硫氮共渗、氧氮共渗等，这些工艺又可称为 低温化学热处理； 后者是在临界温度以上扩散，如渗碳、渗硼、 渗铝、碳氮共渗等，这些工艺均属高温化学热处理 范围。 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 特点：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。 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。 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 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 固体渗-----粉末渗 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 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 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 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 扩渗原理----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 扩渗原理----渗层形成的条件 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。 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 扩渗原理----热渗镀的基本过程 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。 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 扩渗原理----渗层组织特征 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。 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 扩 渗原理--- -渗层组织特征 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 渗镀原理----渗层组织特征 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 扩渗原理----扩渗速度 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。 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。 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 渗镀原理----多元共渗的特点 多元共渗：指同时或顺序渗入两种或两种以上元 素的渗镀过程。如：CN共渗，Cr-Al共渗，CNB三 元共渗等。 由于多元共渗可赋予金属表面以更高的的性能 （如耐磨性，耐蚀性等），所以其工作目前正在扩 大应用。由于多元共渗时渗入元素不止一种，所以 他们之间在渗入时就可能相互影响，从而使多元共 渗与单元共渗有一些不同的性质。 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 渗镀原理----多元共渗的特点 1.多元共渗对渗剂活性的影响 2.多元共渗时活性原子吸附速度的影响 3.多元共渗对扩散速度的影响 4.多元共渗时渗层的化学成分 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 渗鹏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 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 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、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 1.渗硼原理（以固体渗硼为例） 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。通常的活化剂是碳化硅（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 1.渗硼原理（以固体渗硼为例） 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： KBF4 → KF+ BF3 见书。 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 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 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800C 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，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 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。 4. 渗硼方法 1）固体渗硼 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度，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（900C 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 三、钢的渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗 （一）钢的渗碳 对多数中、小型零件来说，渗碳层深度一般为 0.7-1.5mm、碳的质量分数为0.7％-0.9％。 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+2H2 CH4（甲烷）→[C] +2H2 2CO→[C]+CO2 CO2+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+CO2 BaCO3 →BaO+CO2 CO2与木炭反应：C（木炭）+CO2→2CO CO→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 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。 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 1 渗氮的分类： （1）低温渗氮 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 体渗氮法。 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) （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 1 渗氮的分类： （2）高温渗氮 渗氮温度高于共析转变温度，为600-1200℃。 渗氮后需进行淬火工艺，渗氮零件的变形很小。 主要用于铁素体钢、奥氏体钢、难溶金属（Ti、 Mo、Nb、V)等。 （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 渗氮层的组织： ξ相 ----ε相 ----Γ’相 ----α 相 (1) α 相 它是氮溶于α铁的间隙固溶体，性能与铁相近。 (2) Γ相 它是氮溶于Γ铁的间隙固溶体。平衡条件下Γ 相 存在于590℃以上，温度降到590C以下，Γ 相通过共析反应 转变为α相十Γ’相。 (3) Γ’相 它是可变成分的间隙相，又称有序化合物：氮的 质量分数在5.7％-6.1％之间改变，通常用Fe4N表示其分子 式。脆性较其它氮化物低。 (4) ε相 它也是间隙相．其室温时的化学式相当于Fe2- 3N；氮的质量分数为11-11.35％。 (5) ξ相 它是以Fe2N为基的固溶体、氮的质量分数可在 11％--11.35％范围内变化的有序化合物，脆性极大。 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 渗 氮 第六章 表面改性技术 6.3 金属表面化学热处理 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 3．渗氮层的组织特点 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 渗硫是通过硫与金属工件表面反应而形成薄膜的 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 渗硫是通过硫与金属工件表面反应而形成薄膜的 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。 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。 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 基材： 1080 合金元素：Cr 放大倍数：500X （一）渗金属层的组织 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 基材： 1080 合金元素：Ti 放大倍数：500X （一）渗金属层的组织 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 （一）渗金属层的组织 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 1.气相渗金属 采用金属卤化物（TiCl4），用H2进行还原。 （三）渗金属方法 TiCl4 +2H2→Ti+4HCl 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：500X 6.3 金属表面化学热处理第六章 表面改性技术 (五) 渗钛 常用固体粉末渗钛，气相体渗钛，液体渗钛。 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HM在3000一 3800之间，在个别情况下HM可达4000一4500。气 体渗钦形成的Tic层具有较高的硬度。 ’ 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 （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、镍基和钴基高温合金 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 （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。 6.4 等离子体表面处理第六章 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 。 6.5 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。 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 二、激光表面处理工艺 包括：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 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。 三、激光的产生：激光器 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 工业上采用的激光器主要有： （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。 三、激光的产生：激光器 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 工业上采用的激光器主要有： （2）CO2激光器 激活介质(工作气体)为 CO2 气体，激光波 长为 1.06um ，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2-5kw CO2激光器。 三、激光的产生：激光器 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 四、激光束加热金属的过程 激光照射到金属表面： 一部分被金属表面反射， 一部分进入金属表层并被吸收。 激光向金属表层的热传递是通过“韧致辐射效应” 实现的，即与入射进行光-热转换的过程，是通过固 体金属对激光光子的吸收而实现的。一定强度的激 光照射金属表面时，入射到金属晶体中的激光光子， 将与金属中的自由电子发生非弹性碰撞，光子被电 子吸收。吸收了光子的电子，跃迁到高能级状态， 并将其吸收的能量转化为晶格的热振荡，使金属表 层的温度迅速升高。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 四、激光束加热金属的过程 由于光子穿透金属的能力极低（小于0.1um）， 故光子的吸收及转换为热的过程仅限于表面极薄层。 由于导电电子的平均自由时间只有10-3s，所以 激光的加热速度很快。 金属深处的加热主要靠热传导进行。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 五、金属对激光的吸收与以下几个因素有关： （1）激光的波长越短，吸收率越高。 （2）金属的温度越高，吸收率越大。 金属材料在室温的吸收率均很小，当温度升高 到接近熔点时，其吸收率将升高至40％～50％。 （3）电导率高的金属对激光的反射率高，吸收率低。 （4）金属表面粗糙度愈大，其吸收率愈大。 表层杂质和氧化物亦会使反射率急剧变化，以 致对吸收的光能发生显著影响。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 六、激光表面预处理 常用的方法有： （1）黑化处理方法，即将黑化溶液，如胶体石墨 或含炭黑和硅酸钠的涂料直接刷涂或喷涂到工件表 面。黑化法工艺简单，处理后工件对CO2激光的吸 收率可达90％以上 。 （2）磷化法：是把金属放入含有锰、铁、锌的磷 酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难 溶于水的磷酸盐保护膜的方法。磷化法处理后工件 对CO2激光的吸收率可达88％。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （一）激光涂覆 激光涂覆就是用激光在基体表面覆盖一层薄的 具有特定性能的涂覆材料，这类涂覆材料可以是金 属或合金，也可以是非金属、化合物。 激光表面涂覆工艺可分为两种。一种是预涂覆 法，即先把熔覆合金通过粘结、喷涂、电镀等方法 预置在材料表面上，而后用激光束将其熔覆；另一 种是气相送粉法，即在激光束照射基体材料表面产 生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激 光熔池内实现熔覆。 激光涂覆的一个特征就是覆层和基材之间实现 了冶金结合。 七、激光处理技术 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （二）激光表面非晶化 利用激光束连续快速扫描金属表面，使表层金 属熔化，并以大于临界冷却速度激冷至其晶化温度 以下，防止晶体成核和生长，从而在金属表面形成 非晶，也称金属玻璃 。激光非晶化又称激光上釉。 激光非晶化层在金相及电镜下呈均匀的亮白色。 激光非晶层的显微硬度远高于相应成分的晶体相。 此外，非晶态处理可减少表层成分偏析，消除表层 缺陷，具有很好的韧性、耐磨性、耐蚀性。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （三）激光合金化 利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基 体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技 术。方法是预先在基体表面涂敷一层所需合金元素， 采用激光照射，将涂敷层合金元素与基体表面薄层 同时熔化、混合，形成新的表层成分、组织、性能。 激光合金化的主要优点是：激光能使难以接近 的和局部的区域合金化；利用激光的深聚焦，在不 规则的零件上可得到均匀的合金化深度；能准确地 控制功率密度和控制加热深度，从而减小变形；可 以节约大量的贵重元素。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （四） 激光束表面相变硬化 激光束表面相变硬化，又称激光淬火，是以激 光束快速照射工件，使表面形成奥氏体，此后急冷 形成马氏体。 激光表面强化适用的材料为珠光体灰铸铁、铁素 体灰铸铁、球墨铸铁、合金钢和马氏体型不锈钢等。 此外，还对铝及铝合金、铜及铜合金等进行了成功 的研究和应用。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （五）激光熔凝 激光熔凝是用激光束将工件表面加热熔化到一 定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质 的组织和所需性能的表面改性技术。 激光熔凝原理与激光非晶化基本上相一致。但 激光熔凝处理时激光的能量密度和扫描速度均远小 于激光非晶化。 在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同 时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和 抗蚀性；其表面熔层深度远大于激光非晶化。 6.5 激光表面处理第六章 表面改性技术 （六）激光气相沉积 激光气相沉积是将激光用于气相沉积技术。 用激光束辐照含欲沉积元素的气体或固体，使 之反应或蒸发，形成欲沉积元素，在基体表面形成 沉积层。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 电子束表面处理是采用电子束照射金属表面， 使金属表面强化的方法。 一、电子束对金属的加热 与激光表面加热不同，电子束表面处理时电子 束照射到金属表面会同金属的原子核及电子发生相 互作用。由于电子与原子核的质量相差特别大，电 子与原子核的碰撞可以看作弹性碰撞，因此能量传 递主要通过电子束的电子与金属表层的电子碰撞而 完成的。传递的能量以热能形式传与金属表层原子， 使表层金属温度升高。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 二、电子束表面处理技术 电子束作为热源的应用领域和激光基本相同， 涉及到表面相变强化、表面合金化、表面非晶化、 表面涂敷等。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 (1)电子束表面相交硬化 电子束相变硬化又称电子束淬火，它是利用钢 铁材料的马氏体相变进行表面强化的。 (2)电子束表面重熔 用电子束将工件表面加热熔化到一定深度，然后 快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳 配合。 (3)电子束表面合金化 预先在基体表面涂敷一层所需合金元素，利用 电子束加热使之熔化并熔入基体表面，从而使基体 表层具有特定的合金成分和特殊性能的技术。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 (4)电子束表面非晶化 利用电子束连续快速扫描金属表面，使表层金 属熔化，并以大于临界冷却速度激冷至其晶化温度 以下，防止晶体成核和生长，从而在金属表面形成 非晶。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 三、电子束表面处理设备 电子束表面处理设备包括：电子枪、真空工 作室、传动机构及控制系统。 电子枪是最主要的部件，其组成包括：一个用 作电子发射源的灯丝，一个使电子加速的高电位阳 极。 传动机构有可以收缩电子束、在可调距离上聚 焦的线圈和偏转移动电子束的线圈。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 三、电子束表面处理设备 电子枪室的真空度一般为1.33×10-2-1.33×10- 3Pa，在灯丝中通过直流电流加热使温度高达2500℃ 将放出电子，这些电子被灯丝和阳极间的加速电压加 速而形成高速运动的电子流，并从阳极中央的孔穿过。 利用聚焦线圈可将电子束焦点控制在所需距离 上，利用偏转线圈移动电子束的位置，从而精确地控 制电子束。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 三、电子束表面处理设备 电子束表面处理的工作室通常保持13.3-1.33Pa 的低真空。由于在大气中电子束容易散射，使电子束 能达到的距离大大缩短，所以一般不在大气中进行电 子束表面处理。 6.6 电子束表面处理第六章 表面改性技术 电 子 束 处 理 示 意 图 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 离子注入技术，是指在高真空室内、将几万到 几十万电子伏的高能离子束离子入射到固态材料表 面，从而改变材料表面层物理、化学和力学性能的 方法。 将外来元素以离子的形式注入到基体内要借助 于电场力、加速器将离子束加速，因此，离子注入 技术与核技术的发展有关，是涉及原子物理、核物 理、固体物理等多学科的一种新兴工业技术。 第六章 表面改性技术 离 子 注 入 装 置 简 图 一、离子注入的原理 6.8 离子注入表面改性 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 最简单的离子注入机包括一个产生离子的离子 源和一个真空靶室。对于不同的离化物质，有固体 离子源、气体离子源和固体/气体离子源等。常规束 线离子注入受“视线加工” 的限制，后来又出现了 等离子体浸没离子注入技术（PIII），可用于全方 位注入。采用离子注入技术可以向金属表面注入N ＋，Si＋、Ti＋ 等金属和非金属元素的离子。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 注入离子与基体材料表面的相互作用 入射离子进入靶金属，与靶金属发生一系列的 碰撞作用。这些作用主要有： （1）入射离子与靶原子的弹性碰撞，使靶材固体 中产生离子大角度散射和辐照损伤等； （2）入射离子与电子非弹性碰撞，引起靶原子电 离或者激发产生二次电子或X射线发射； （3）离子与靶原子电荷交换。 由于这三种作用，入射离子的能量在运动中逐 渐消耗，最后停留在靶中某个位置。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 入射离子进入靶金属，与靶金属发生一系列的 碰撞作用。由于晶体的原子在空间呈规则排列，如 果入射方向正好沿某个晶向，则离子在入射过程中 发生的碰撞偏转会很少，阻力也比较小，透入深度 则较大，这种现象称为沟道效应。 沟道效应会影响离子注入后的射程分布。离子 沿晶注入的穿透较深。如果入射方向偏离晶向，碰 撞会加剧，透入深度减小。而且，与入射方向偏离 越大．碰撞越严重，离子透入深度越小。 二、沟道效应与辐照损伤 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 注入离子在基体表面的 射程分布 一个原子从靶表面到 其停留点的路程称为射程 (R)；射程在入射方向上 的投影长度，称为投影射 程，用RP表示。由于离子 注入靶材后的碰撞是一个 随机过程，具有相同初始 能量的注入离子，在靶材 表面的浓度、深度呈统计 学的高斯函数分布。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 具有高能量的离子注入晶体表面后，发生上述碰 撞作用，产生能量交换，其中核碰撞产生的能量交换 起主要作用。当所传递给点阵原子的能量足以使原子 激活时、点阵原子离开晶格结点位置，形成一个空位 和间隙原子对。若离位原子获得的能量足够大、它又 与点阵中的其他原子发生碰撞，产生更多的离位原子， 形成级联碰撞过程。级联碰幢的结果在靶材的表层中 产生大量的空位、间隙原子等晶格缺陷，这就是辐照 损伤。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 可见，离子注入除了在靶材表面增加了注人元素 成分外，还在注入层中增加了许多空位、间隙原子、 位错等晶体缺陷，在加热效应的作用下，间隙原子、 空位的迁移，使晶体缺陷进一步发展、形成空位团、 间隙原子团、位错团等，对注入层的性能有很大影响。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 三、离子注入的特征 （1）离子注入可注入任意元素，且不受相平衡和固 溶度限制。可以形成平衡态合金、高度过饱和固溶体、 亚稳态合金及化合物、非晶态，并可形成通常方法难以 获得的合金相及化合物。 （2）离子注入是在高真空（10－4 Pa左右）和较低温 度下进行，基体不受污染，工件不氧化、不变形；注入 原子与基体金属间没有界面，注入层不存在剥落问题； 注入后表面不发生粗化，可作为最终热处理。 （3）通过控制离子源能量可控制注入含量和注入层 深度。 缺点：注入层薄（小于1µm）,金属离子注入钢中，厚 度一般仅几十至二三百纳米；设备昂贵。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 四、离子注入强化机制 离子注入可提高金属材料表面的强度、硬度、耐 磨性和抗蚀性: 1．固溶强化 离子注入是一个非平衡过程，不受热力学平衡相 图的限制，可以得到过饱和固溶体。随着注入剂量的 增大，过饱和程度也增大，其固溶强化效果越明显。 2．位错强化 离子注入在靶材金属表层造成大量的空位和间隙 原子、它们在一定条件下会发生迁移，形成位错团， 提高了位错密度，从而使表面强化；注入原子半径小 的碳、氮或硼原子时，注入的间隙原子形成柯氏气团， 强烈地抑制位错运功，起到强化作用。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 离子注入强化机制 3．弥散强化 注入与基体金属能形成化合物的元素，在离子 注入层中可能析出化合物。如，当金属中注入碳、氮、 硼等非金属元素时，金属中可能析出碳化物、氮化物、 硼化物，这些化合物的均匀弥散析出提高了金属的强 度。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 离子注入强化机制 4．表层冷加工强化 高能离子轰击靶金属表面，可视为原子尺寸的 弹丸冲击，有类似于喷九强化的冷加工硬化作用、在 表面形成压应力，使表面层硬度、强度提高。 在冷变形强化的同时，表面注入的外来原子及 其造成的晶格缺陷。如间隙原子使晶格常数增大，导 致基体金属表面层有膨胀倾向，但膨胀受到基体的限 制，因而表层产生侧向压应力、压应力对提高疲劳强 度和耐磨性能有一定贡献。 。 6.8 离子注入表面改性第六章 表面改性技术 离子注入强化机制 4．表层冷加工强化 高能离子轰击靶金属表面，可视为原子尺寸的 弹丸冲击，有类似于喷九强化的冷加工硬化作用、在 表面形成压应力，使表面层硬度、强度提高。 在冷变形强化的同时，表面注入的外来原子及 其造成的晶格缺陷。如间隙原子使晶格常数增大，导 致基体金属表面层有膨胀倾向，但膨胀受到基体的限 制，因而表层产生侧向压应力、压应力对提高疲劳强 度和耐磨性能有一定贡献。 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 6.3 金属表面化学热处理 渗 碳 第六章 表面改性技术 6.3 金属表面化学热处理 渗 碳 第六章 表面改性技术 6.3 金属表面化学热处理 渗 碳 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 渗 氮 6.3 金属表面化学热处理 渗 氮 第六章 表面改性技术 6.3 金属表面化学热处理 电弧喷涂 第六章 表面改性技术 6.3 金属表面化学热处理 离子喷涂 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