表面强化技术课件.ppt

,第13讲 表面强化技术,2022/12/2,目 录,1,2,3,4,5,6,7,表面强化技术的定义及分类,金属表面形变强化,表面淬火,热扩渗技术,等离子体扩渗技术,激光表面强化技术,电子束表面强化技术,8,9,10,11,电镀和化学镀,气相沉积技术,热喷涂、堆焊和热喷焊,离子注入和电火花表面强化,2022/12/2,目 录,1 表面强化技术的定义及分类,表面工程是一个既古老又新颖的学科，人们使用表面工程技术已有悠久的历史。追溯到几千年前，我国早在春秋战国时期就已经开始应用钢的淬火、铜器热镀锡、鎏金及油漆等古老技术。但是，表面工程的迅速发展还是从19世纪工业革命开始，20世纪80年代成为世界上10大关键技术，进入20世纪90年代发展势头出现工程研究的热潮，几乎涉及了工业的各个领域，表面工程技术仍是将是主导21世纪的关键技术之一。,1.1 表面强化技术概述,2022/12/2,表面强化是经表面欲处理后，通过表面涂覆、表面改性或表面复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合而繁衍、发展起来的，有着坚实的科学基础，具有明显的交叉、边缘学科的性质和极强的实用性。,1.2 表面强化技术定义,定义：采用某种工艺手段使零件表面获得与基体材料的组织结构，性能不同的一种技术。优点：延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料，促进高新技术发展。,2022/12/2,1 表面强化技术的定义及分类,1 表面强化技术的定义及分类,1.3 表面强化技术分类,2022/12/2,原理：通过机械手段（滚压、喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层深度可达0.151.5mm。在此形变硬化层中产生两种变化： （1）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度变大； （2）形成了高的宏观残余应力。,2 金属表面形变强化,2.1 金属表面形变强化的机理及主要方法,表面形变强化的主要方法,超声冲击,新兴起的，设备体积小，应用方便，效率高,国内外广泛应用于弹簧、齿轮链条、轴、叶片、火车轮等,用小锤（手工或机械）锤击金属表面，使其内部加工硬化,通过滚轮对金属零件表面进行滚压强化,使孔的内表面形成形变强化的工艺措施，效果明显,2022/12/2,2 金属表面形变强化,图2-1 喷丸表面的塑形变形,图2-2 表面滚压示意图,2022/12/2,2 金属表面形变强化,2.2 喷丸强化 2.2.1 喷丸强化的设备 喷丸采用的设备按驱动弹丸的方式可分为机械离心喷丸机和气动喷丸机两大类。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也太重成悬浮状，然后喷出弹丸，因此工作条件有所改善。（1）机械式离心喷丸机 弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。喷丸功率小，制造成本高，主要用于喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的工件。（2）气动离心喷丸机 以压缩空气驱动弹丸达到高速后撞击工件的受喷表面。可通过控制气压来控制喷丸强度，操作灵活，一台机器可喷多个零件，适用于喷丸强度低、品种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零部件，但功耗大、生产效率低。,2022/12/2,2 金属表面形变强化,机械离心式喷丸机,6,1.叶轮 2.叶轮转向 3.接触叶片前的弹丸4.弹丸输送管 5.漏斗6.压缩空气 7.喷射管8.90弯曲喷管9.弹丸,2022/12/2,2 金属表面形变强化,气动式喷丸机,1.零件 2.阀门 3.空气过滤器4.管道 5.喷嘴 6.导丸管 7.储丸箱 8.排尘管 9.转换口,2022/12/2,2 金属表面形变强化,2.2.2 喷丸材料,一般来说，黑色金属制件可用铸铁丸、钢铸丸、钢丝线切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢则采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。,2022/12/2,2.3 表面强化在模具表面强化工艺中的影响 表面形变强化可以使模具表面产生冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除电火花加工产生的表面变质层，提高模具的疲劳强度，抗冲击磨损性能，从而达到提高零件使用寿命的目的。喷丸强化后模具使用寿命的提高见表2-1。,2 金属表面形变强化,表2-1 喷丸对模具寿命的影响,2022/12/2,3 表面淬火,3.1 表面淬火的原理及特点 利用快速加热将钢件表面加热到相变温度以上转变为奥氏体，然后快冷，形成马氏体组织的硬化层，而心部仍保持其原始组织珠光体、索氏体，且硬化层与基体之间具有不完全淬火的过渡层。适用材料 中、高碳钢，普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸 铁、合金铸铁。预处理 调质、正火或球化退火。,2022/12/2,3.2 表面淬火的目的 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。,3 表面淬火,轴的感应加热表面淬火,2022/12/2,3.3 表面淬火前预备热处理工艺： 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。,3 表面淬火,2022/12/2,3.3 表面淬火前后处理及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)。,3 表面淬火,2022/12/2,3 表面淬火,3.4 表面淬火常用的加热方法3.4.1 感应加热表面淬火定义：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。,感应加热表面淬火示意图,2022/12/2,分类：高频感应淬火、中频感应淬火、工频感应淬火高频感应淬火 频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm,3 表面淬火,传动轴连续淬火感应器,感应加热表面淬火齿轮的截面图,2022/12/2,3 表面淬火,中频感应淬火 频率为2500-8000Hz， 淬硬层深度2-10mm。,各种感应器,中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴,2022/12/2,3 表面淬火,工频感应淬火 频率为50Hz， 淬硬层深度10-15mm。,各种感应器,感应穿透加热,2022/12/2,3.4.2 火焰加热表面淬火定义：应用氧-乙炔（或其他可燃气体）火焰对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工艺。特点：可使零件表面获得高的硬度和耐磨性，从而提高零件的使用寿命。成本低，但质量不容易控制。,3 表面淬火,火焰加热表面淬火示意图,齿轮火焰加热表面淬火,2022/12/2,3 表面淬火,3.4.3 激光表面淬火定义：利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。特点：效率高，质量好。,2022/12/2,3 表面淬火,3.4.3 其他表面淬火方法,电解液淬火（电解淬火）是将工件淬火部位浸入电解液中，工件接阴极，电解槽接阳极，通电后由于阴极效应而讲工件表面加热，到温后断电。常用电解液为5%18%的Na2CO3水溶液。缺点：工件棱角部分易出现过烧，工艺规范不易控制，形状复杂的工件加热不易均匀。优点：设备简单，淬火变形小，适用于形状简单小件的批量生产。,接触电阻加热淬火 是利用触头（铜滚轮或碳棒）和工件间的接触点出使工件表面加热，并依靠自身热传导来实现冷却淬火。缺点：淬硬层较（0.150.3mm），金相组织及硬度的均匀性较差，多用于导轨表面的淬火。优点：设备简单，工件变形小，淬火后不需要回火。,浴炉加热表面淬火 将工件进入高温盐浴（或金属盐浴）中，短时加热，使工件表面层达到规定的淬火温度，然后极冷的方法。缺点：淬硬层较层较深，表面硬度低。优点：不需要添加特殊设备，操作简单，适合单件小批量生产。注意：高合金钢由于导热性较差，加热前需提前预热。,2022/12/2,4 热扩渗技术,4.1 热扩散定义及特点定义：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺。(化学热处理技术)所形成的合金层称为热扩渗层，简称渗层。突出特点：渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很高。通过渗入不同合金元素或者采用不同渗入工艺，可以使工件表面获得不同组织和性能的扩渗层，从而极大提高工件的耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能等。广泛应用于机械、化工、微电子和信息等行业。,2022/12/2,最早起源于我国战国时代。 勾践剑：宝剑通长55.6厘米，剑身长47.2厘米，剑身宽4.6厘米，重857.4克。 1965年于湖北荆州出土 ，历经2500多年仍未生锈 ，且能吹发可断、一下划破20多张复印纸。剑表面黑色部位是经硫化处理而形成的，主要作用是防锈。能进行热扩渗的材料包括：碳、氮、 硼、锌、铝、铬、钒、铌、钛、硅、 硫等和这些元素的多元共渗。,2022/12/2,4 热扩渗技术,4.2 热扩散技术的基本原理4.2.1 热扩渗层形成的基本条件渗入元素的原子存在于扩渗层的形式： 与基体金属形成：固溶体或金属间化合物层，或固溶体+化合物的复合层。形成渗层基本条件：1.渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。2.欲渗元素与基材之间必须有直接接触。3.被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。4.(对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺)该反应必须满足热力学条件。 (产生活性原子；反应平衡常数1%。),2022/12/2,4 热扩渗技术,4.2.2 热扩渗层形成的基本条件1. 产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。 活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法（常用方法）。2. 渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。 3. 渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程(简称扩散过程)。 扩散的机理：间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。,2022/12/2,4 热扩渗技术,4.3 热扩散技术工艺分类按热扩渗温度：高温（高于910）、中温、低温（低于720）热扩渗。按渗入元素：非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属一非金属元素多元共渗、扩散退火(均匀化退火)。,2022/12/2,盐浴法,熔烧法,熔盐电解法,粉末包渗法,固-固扩渗法,流化床法,真空扩散法,间接气体扩散法,直接气体扩散法,离子扩散法,固渗,气渗,热扩渗,液渗,热浸渡渗,膏剂渗,热喷涂渗,化学镀渗,电镀渗,复合扩渗,真空镀渗,2022/12/2,4 热扩渗技术,按渗剂在工作温度下 物质状态分：,将大量固体颗粒悬浮于体之中，从而使颗粒具有流体的某些表观特征，这种流固接触状态称为固体流态化，即流化床。,4 热扩渗技术,4.4 液渗TD盐浴法渗钒4.4.1 TD盐浴渗钒原理及方法设备：坩埚盐浴炉原理： TD处理的渗剂由基盐、供钒剂、还原剂和活化剂组成，其中，基盐是渗钒盐浴的重要组成部分，它是盐浴的加热载体，也是供钒剂、还原剂和活化剂的熔体。 V2O5+AlAl+V(活性钒原子) V+CVC,2022/12/2,1炉盖 2增锅固定圈 3炉膛 4炉膛外壳 5增锅支架 6加热元件 7控温热电偶 8柑锅 9中心热电偶,TD盐浴渗钒的目的：在工件表面形成一层致密的VC覆层，以达到提高其耐磨性和抗氧化性。VC（VCx）形成原理如下：,4 热扩渗技术,2022/12/2,4 热扩渗技术,4.4.2 TD盐浴渗钒配方,4 热扩渗技术,常见的几种渗钒盐浴配方：,硼砂盐浴,10钒铁+ lAl + 89硼砂10V2O5+ 5Al+85硼砂10V2O5+ 3B4C+87硼砂10V2O5+10Cr+10NaF+ 5B4C+65硼砂10V2O5+3B4C+15NaF+72硼砂,混合盐浴,中性盐浴,44.4钒铁+ 22.2KCl + 22.2NaCl+11.2Al2O344钒铁+ 20KCl + 10Na2CO3+10Al2O310V2O5+6Al+9NaF+27NaCl+48BaCl2,10硼砂+ 80BaCl2 + 10钒铁10硼砂+ 70BaCl2+ 15钒铁+5CaF2,V2O5+ AlV+Al2O3,表中所示均为wt%,4.4.3 TD盐浴渗钒案例（试样为Cr12MoV钢）TD工艺,4 热扩渗技术,Cr12MoV钢化学成分,TD工艺曲线,4 热扩渗技术,TD盐浴渗钒EDS结果,渗层 基体,在9508hTD处理后EDS分析,4 热扩渗技术,TD盐浴渗钒XRD分析结果,Cr12MoV钢钢经950不同时间处理得到的表面覆层XRD图谱,5 等离子体扩渗技术,5.1 等离子体扩渗定义及特点定义：等离子化学热处理技术又称等离子体扩渗技术（PDT）、粒子轰击扩渗技术。利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，使金属表面成分、组织结构及性能发生变化的工艺过程，从而起到表面强化的作用。等离子体是一种电离气体（电离度超过10%的气体），它由粒子、电子和中性粒子（中性原子和中性分子）所组成的基体。,5 等离子体扩渗技术,与普通气体热扩渗技术相比，离子热扩渗具有如下特点：(1) 离子轰击溅射去除了工件表面的氧（钝）化膜或杂质，提高工件表面活性，使其易于吸附被渗元素，加快热扩渗速度；(2) 等离子体激活了反应气体，降低了化学反应温度；(3) 可通过调节工艺参数控制热扩渗层的组织以及渗层的厚度，强化效果好；(4) 对环境无污染，是一种环境友好的处理工艺。,5 等离子体扩渗技术,5.2 有关等离子体的一些基本概念等离子体分高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体（也叫非平衡等离子体）：低温等离子体中的重粒子温度接近常温，而电子温度高达103104K。气体放电的过程 使气体由绝缘体变成导体的现象称为气体放电。气体放电的条件是：（1） 有一定的电场强度；（2） 气体中存在带电粒子。 在电场中，带电粒子发生定向运动。带电粒子与气体原子和带电粒子与电极之间发生一系列的物理和化学现象：,5 等离子体扩渗技术,带电粒子碰撞引起气体激发和电离碰撞使原子中的电子从正常能级跃迁到较高能级，成为亚稳态的受激原子。受激电子返回基态时，将能量以光子的形式释放出来（辉光）。若带电粒子撞击的能量较大，可能会将原子中的某个电子撞离原子（电离）。,激发,电离,5 等离子体扩渗技术,离子轰击加热阴极离子轰击阴极时约有75的动能被转化为热能，可以将工件加热到离子热扩渗的处理温度。阴极溅射高能粒子轰击阴极表面，使阴极材料的原子和电子（甚至阴极金属材料的颗粒）逸出表面的现象称为阴极溅射。,5 等离子体扩渗技术,辉光放电的光区 从阴极到阳极的光层按顺序分为：(1) 阿斯顿暗区：电子刚离开阴极，速度还很小，不能产生激发，因此没有发光现象。(2) 阴极辉光区：电子被加速到足以产生激发，因而产生辉光。,5 等离子体扩渗技术,(3) 阴极暗区：电子速度进一步增大，足以产生电离，而激发很少，因此不产生辉光。(4) 负辉区：来自阴极位降区的电子因多次受非弹性碰撞被减速，又产生激发碰撞和电子与离子间的复合，产生大量的激发发光和复合发光，使负辉区的光最强。(5) 法拉第暗区：大部分电子在负辉区损失了能量，已无足够的能量进行激发和电离，因此光度很弱。(6) 阳极光柱区：这个区域的正负离子数相等，在气体放电中起到传导电流的作用，电场强度比阴极区小几个数量级。(7) 阳极暗区：与阳极辉光区共同组成阳极区。,5 等离子体扩渗技术,(8) 阳极辉光区：电子在阳极前被加速，产生激发和电离，形成阳极辉光。辉光放电中的化学反应（等离子体化学）在辉光放电中，等离子体空间存在大量的具有一定能量的亚稳态粒子，这些活性粒子可以促使化学反应进行。等离子体化学反应主要发生在阴极位降区，反应机理可能有：（1） 具有一定能量的自由电子直接作用于反应物质的中性原子或分子上，使其激发成活性原子或离子，然后化合成新的物质。如H2+N2NH3；（2） 运动中的正离子碰撞使中性原子或分子发生离解，促进其相互发生化学反应。,5 等离子体扩渗技术,5.3 离子渗氮（钢中渗氮）5.3.1 离子渗氮机理（1） Klbel离子溅射渗氮模型 高能氮离子轰击阴极使Fe溅射出阴极表面，Fe与氮原子结合成FeN，FeN重新沉积在工件表面（背散射），处于亚稳态的FeN按FeN Fe2-3N Fe4N顺序依次分解，分解出的活性N渗入钢内，同时钢表面从外到内形成由Fe2-3N（相）和Fe4N（相）的渗氮层。,5 等离子体扩渗技术,离子渗氮装置示意图,5 等离子体扩渗技术,5.3.2 离子渗氮设备（1）供电和操作的电器系统（2）真空炉体（3）气体动态平衡的供气和抽气系统a.真空室 保温式结构、水冷式结构、外加热式结构,5 等离子体扩渗技术,b.电气系统直流高压电源，01000V连续可调，有灭弧装置。,c.真空系统由于是低真空，可以采用旋片式机械真空泵。,5 等离子体扩渗技术,5.3.3 离子渗氮工艺（1）将清洗好的工件放入离子渗氮炉内，抽真空至1Pa左右；（2）通入少量含氮气体，接通直流高压电源，产生辉光放电；（3）溅射清洗净化被处理工件表面；（4）调整气压和电压，将工件加热到所需要的处理温度（550），开始渗氮；（5）保温一定时间，达到渗氮层要求的厚度；（6）断电、工件在真空中冷至200以下出炉。 离子渗氮后的工件表面呈银灰色。表面耐磨性以及硬度都有大幅度的提高，从而提高表面强化的效果。,5 等离子体扩渗技术,5.3.4 离子渗氮特点氮化速度快，比普通气体氮化快1/31/2,节约能源及气体消耗；可控制氮化层的组织而或得更多优越性能；畸变小，离子渗氮的温度可以降低至400甚至更低；可实现无公害化处理，用N2+H2，分解氨气，即采用氨气进行粒子渗氨，由于压力很低（66.51330Pa），使用量少，也不会产生大的公害；对于不锈钢、耐热钢等直接离子氮化而不用事先进行任何消除钝化处理。其缺点是费用大，检查维修比较复杂，对操作人员技术要求较高。,5 等离子体扩渗技术,5.3.5 离子渗氮应用挤塑机螺杆：38CrMoAl； 缸套：灰口铸铁； 曲轴：球墨铸铁； 压铸模、热锻模：3Cr2W8V,6 激光表面强化技术,6.1 激光表面处理技术定义及产生6.6.1 定义激光表面处理技术，是在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能的表面强化技术。6.6.1 产生激光加工技术的研究始于20 世纪60 年代，但到20 世纪70 年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用，并在近十年内得到迅速的发展。,6 激光表面强化技术,6.2 激光表面处理技术的特点（1）激光束处理后材料表面化学均匀性很高，晶粒细小，因而表面硬度高，耐磨性好，在不损失韧性的情况下或得了高的表面性能。（2）输入热量少，热变形小。（3）能量密度高，加工时间短。（4）处理部位可以任意选择，如深孔、沟槽等特殊部位均可采用激光进行处理。（5）工艺过程无需真空，无化学污染。（6）激光处理过程中，表层发生马氏体转变而存在残余压应力，提高了其疲劳强度。,6 激光表面强化技术,6.2 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。6.2.1 激光的产生,电子可吸收或释放光子在能级间进行跃迁其跃迁的形式分为三种：a.自发吸收；b.自发辐射；c.受激辐射。,6 激光表面强化技术,激光产生的条件（1）实现“粒子数反转”的非平衡状态，使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，以造成原子受激辐射的概率大于原子受激吸收的概率，实现光放大；（2）要建立一个光学谐振腔，以造成原子受激辐射的概率大于原子自发吸收的概率，使其产生激光震荡，并控制方向和频率，输出强烈的激光。,6 激光表面强化技术,6.2.2 激光器,6 激光表面强化技术,6.3 激光表面强化技术原理优点激光是一种相位一致，波长一定，方向性极强的电磁波，激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光(直径只有0.1 mm)，从而可以获得极高的功率密度(104109 W/cm2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段:吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。,原理图,6 激光表面强化技术,激光表面强化是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。它在材料加工中的如下优点：(1) 能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化；(2) 能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小；(3) 处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线；(4) 改性效果比普通方法更显著， 速度快，效率高,成本低；(5) 通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材；,6 激光表面强化技术,6.4 激光表面强化技术分类,6 激光表面强化技术,6.5 激光熔覆6.5.1 发展及其定义激光熔覆的英文原名laser cladding，又称laser hardfacing，或称激光涂覆，从1984年开始统称为激光熔覆。激光熔覆是用激光将按照需要配置的合金粉末熔化，成为熔覆层的主体合金，同时基体金属有一薄层熔化，与之构成冶金结合的一种表面处理技术。6.5.2 激光熔覆的特点(1) 冷却速度快(高达106 K/s)，组织具有快速凝固的典型特征；(2) 热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于5%)，与基体呈冶金结合；,6 激光表面强化技术,(3) 粉末选择几乎没有任何限制，特别是低熔点金属表面熔敷高熔点合金；(4) 能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；(5) 光束瞄准可以使难以接近 的区域熔敷；(6) 工艺过程易于实现自动化。6.5.3 激光熔覆的原理激光熔覆原理示意图如右图所 示。,6 激光表面强化技术,6.5.4 合金粉末激光熔覆一般采用0.0450.154mm的粉末，粉末使用前应烘干以免影响流动性和避免气泡的产生。粉末的热膨胀系数、导热性能应尽量与工件材料相近，以减少熔覆层中的残余应力。常用的合金粉末：Ni基、Co基、Fe基、WC合金粉、符合粉末等。6.5.5 激光熔覆供给方式及其特点供给方式分两大类： 第一类是预引入式，即熔覆材料在激光辐射作用之前就已预引入到了基材表面上； 另一类是同步引入式，这种供料方式是在激光辐射作用在基材表面的同时，将熔覆材料引入激光作用区域。,6 激光表面强化技术,激光熔覆供给方式及其特点,6 激光表面强化技术,6.5.6 激光熔覆工艺参数及特点,6 激光表面强化技术,6.5.7 激光熔覆的应用进入20 世纪80 年代以来, 激光熔敷技术得到了迅速的发展, 目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。正是由于理论上的支持和实践的需要, 激光熔敷技术在工业化上迈出了巨大的一步, 其应用领域非常宽, 它可以用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。在刀具、模具、阀体上熔敷陶瓷层已获得广泛的应用。,6 激光表面强化技术,文本,文本,激光熔覆的应用,激光熔覆的应用,7 电子束表面强化技术,7.1 有关电子束强化处理技术的简介定义：利用高能电子束轰击材料表面，使其温度升高并发生成分、组织结构的变化，从而达到所需性能的工艺方法，称为电子束表面处理。电子束表面处理技术是以电场中高速移动的电子作为载能体，电子束的能量密度最高可达109W/cm2。与激光处理相比具有的特点：（1）由于电子束具有更高的能量密度，所以加热的尺寸范围和深度更大；（2）设备投资较低，操作较简单（无需像激光束处理那样在处理前进行“黑化”）；（3）因需真空条件，故零件的尺寸收到限制。,7 电子束表面强化技术,7.2 电子束表面强化原理电子束就是高能电子流，这些电子使用电流加热电子强力的阴极灯丝产生。带负电荷的电子束高速飞向高电位正极的过程中，经过加速级加速，又通过电磁透镜聚焦，电子素的功率加大，再经二次聚焦，其能量密度高度集中，并以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，其能量大部分转化为热能，被冲击部位的材料在几分之一微秒内温度升至几千摄氏度，使材料瞬间熔化甚至气。,7 电子束表面强化技术,7.3 电子束表面强化设备电子束表面处理设备由五个系统组成：电子枪系统 发射高速电子流；真空系统 保证系统所需的真空度；控制系统 控制电子束的大小、形状、和方向；电流系统 供给高低压稳压电流；传动系统 控制工作台移动。,7 电子束表面强化技术,7.4 电子束表面强化工艺7.4.1电子束表面强化工艺的特点（1）将工件置于真空室中加热，没有氧化脱碳，表面相变强化无需冷却介质，靠基体自行冷却，可实现“绿色表面强化”。（2）电子束加热能量的转换率约为80%90%，能量集中，热效率高，可实现局部相变强化和表面合金化。（3）由于热量集中，热作用点小，在加热时形成的热应力小，又由于硬化层浅，组织应力小，表面相变强化畸变小。（4）电子束表面处理设备一次性投入比激光少（约为激光的1/3），电子束使用成本也只有激光的一半。（5）设备结构简单，电子束靠磁偏转动、扫描，不需要工件转动、移动和光传输机构。,7 电子束表面强化技术,（6）电子束加热不仅适用于材料范围宽，可适用于各种钢材、铸铁和其他材料的表面处理，而且也适用于形状复杂啊的零件。（7）电子束易激发X射线 ，使用过程中应注意保护。7.4.2电子束表面处理工 艺分类,7 电子束表面强化技术,7.5 电子束表面强化技术应用D2模具钢经电子束表面强化后，电子素鸿基处理后试验的最表层发生熔化，表面重熔层厚度处达到10m左右，熔化造成其表层显微硬度降低；表面碳化物颗粒溶解，基体固溶铬和能量增加，造成过饱和固溶强化，并形成超细化马氏体，试样显微硬度从955.2HK提高到1169HK，相对耐磨性提高了5.63倍、轰击次数越多，影响区越深，显微硬度提高幅度越大。,7 电子束表面强化技术,电子束表面相变硬化首先用于汽车工业和宇航工业。用铬硼钢SAE5060钢(美国结构钢)制造的汽车离合器进行电子束表面淬火，工作室真空度为6.67Pa，容积为0.03m3。,8 电镀与化学镀,8.1 电镀8.1.1 定义及其原理电镀是一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层工艺。电镀原理：在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积，形成镀层.电镀目的：获得不同于基体材料，且具有特殊性能的表面，既可以用作耐腐蚀，也可作为耐磨等功能性镀层。,阴极还原反应：Men+ne=Me 阳极氧化反应：Me-ne=Men+,8 电镀与化学镀,镀层厚度：一般为几微米到几十微米。特点：电镀工艺设备较简单，操作条件易于控制，镀层材料广泛，成本较低，因而在工业中广泛应用，是材料表面处理的重要方法。8.1.2镀层的分类镀层种类很多，按使用性能可分为防护性镀层：例如锌、锌-镍、镍、镉、锡等镀层，作为耐大气及各种腐蚀环境的防腐蚀镀层。防护-装饰性镀层：例如 Cu-Ni-Cr镀层等，既有装饰性，亦有防护性。装饰性镀层：例如Au及CuZn仿金镀层、黑铬、黑镍镀层等。耐磨和减磨镀层：例如硬铬，松孔镀，NiSiC，Ni-石墨，Ni-PTFE复合镀层等。,8 电镀与化学镀,电性能镀层：例如Au，Ag镀层等，既有高的导电率，又可防氧化，避免增加接触电阻。磁性能镀层：例如软磁性能镀层有Ni-Fe，Fe-Co镀层；硬磁性能有Co-P，Co-Ni，Co-Ni-P等。可焊性镀层：例如Sn-Pb，Cu，Sn，Ag等镀层。可改善可焊性，在电子工业中广泛应用。 耐热镀层：例如Ni-W，Ni，Cr镀层，熔点高，耐高温。修复用镀层：一些造价较高的易磨损件，或加工超差件，采用电镀修复尺寸，可节约成本，延长使用寿命。例如可电镀Ni，Cr，Fe层进行修复。若按镀层与基体金属之间的电化学性质可分为：阳极性镀层和阴极性镀层：凡镀层相对于基体金属的电位为负时，镀层是阳极，称阳极性镀层，如钢上的镀锌层。,8 电镀与化学镀,而镀层相对于基体金属的电位为正时，镀层呈阴极，称阴极性镀层，如钢上的镀镍层、镀锡层等。若按镀层的组合形式分，镀层可分为：单层镀层，如Zn或Cu层；多层金属镀层，例如Cu-Sn/Cr，CuNiCr镀层等；复合镀层，如 Ni-Al2O3，Co-SiC等。若按镀层成分分类，可分为：单一金属镀层、合金镀层及复合镀层。,8 电镀与化学镀,8.1.3电镀溶液的基本组成 主盐 沉积金属的盐类，有单盐，如硫酸铜、硫酸镍等；有络盐，如锌酸钠、氰锌酸钠等。络合剂 配合剂与沉积金属离子形成配合物，改变镀液的电化学性质和金属离子沉积的电极过程，对镀层质量有很大影响，是镀液的重要成分。常用配合剂有氰化物、氢氧化物、焦磷酸盐、酒石酸盐、氨三乙酸、柠檬酸等。导电盐 其作用是提高镀液的导电能力，降低槽端电压提高工艺电流密度.例如镀镍液中加入Na2SO4。导电盐不参加电极反应，酸或碱类也可作为导电物质。缓冲剂 在弱酸或弱碱性镀液中，pH值是重要的工艺参量。加入缓冲剂，使镀液具有自行调节pH值能力，以便在施镀过程中保持pH值稳定。缓冲剂要有足够量才有较好的效果，一般加入3040gL，例如氯化钾镀锌溶液中的硼酸。,8 电镀与化学镀,阳极活化剂 在电镀过程中金属离子被不断消耗，多数镀液依靠可溶性阳极来补充，使金属的阴极析出量与阳极溶解量相等，保持镀液成分平衡。加入活性剂能维持阳极活性状态，不会发生钝化，保持正常溶解反应。例如镀镍液中必须加入Cl-，以防止镍阳极钝化。特殊添加剂 为改善镀液性能和提高镀层质量，常需加入某种特殊添加剂。其加入量较少，一般只有几克每升，但效果显著。这类添加剂种类繁多，按其作用可分为：光亮剂可提高镀层的光亮度。晶粒细化剂能改变镀层的结晶状况，细化晶粒，使镀层致密。例如锌酸盐镀锌液中，添加环氧氯丙烷与胺类的缩合物之类的添加剂，镀层就可从海绵状变为致密而光亮。整平剂可改善镀液微观分散能力，使基体显微粗糙表面变平整。,8 电镀与化学镀,润湿剂可以降低金属与溶液的界面张力，使镀层与基体更好地附着，减少针孔。应力消除剂可降低镀层应力。镀层硬化剂可提高镀层硬度。掩蔽剂可消除微量杂质的影响。8.1.4 电镀过程的基本步骤液相传质 电化学还原 电结晶 8.1.5 影响电镀质量的因素镀液：主盐溶度 、配离子 、附加盐；,8 电镀与化学镀,镀液：主盐溶度 、配离子 、附加盐；PH值；析氢 ；电流参数：电流密度、电流波形；添加剂；温度；搅拌； 基体金属：性质 、表面加工状态；前处理。8.1.6 电镀方式（1）挂镀,8 电镀与化学镀,定义：将零件悬挂于挂具上，然后浸没于欲镀金属的电镀溶液中作为阴极，在两边适当距离放置阳极，通电后使金属离子在零件表面沉积的一种电镀方法。挂镀的特点：适用于各类零件的电镀；电镀时单件电流密度较高且不会随时间而变化，槽电压低，镀液温升慢，带出量小，镀件的均匀性好；但劳动生产率低，设备和辅助用具维修量大。,8 电镀与化学镀,（1）刷镀定义：在被镀零件表面局部快速电沉积金属镀层的技术，也称为选择电镀、笔镀、涂镀、擦镀、无槽镀等。,特点：（1）镀层结合强度高，在钛、铝、铜、铬、高合金钢和石墨上也具有很好的结合强度。（2）设备简单、工艺灵活、操作方便，可以在现场作业。（3）可以进行槽镀困难或实现不了的局部电镀。例如对某些重量重、体积大的零件实行局部电镀。,8 电镀与化学镀,（4）生产效率高。刷镀的速度是一般槽镀的1015倍；辅助时间少；且可节约能源，是糟镀耗电量的几十分之一。（5）操作安全，对环境污染小。刷镀的溶液不含氰化物和剧毒药品，可循环使用，耗量小，不会因大量废液排放而造成污染。,8 电镀与化学镀,滚镀生产线,连续电镀生产线,8 电镀与化学镀,8.1.7 合金电镀定义：在阴极上同时沉积出两种或两种以上金属，形成结构和性能符合要求的镀层的工艺过程，称为合金电镀。特点（与热冶金合金相比）（1）容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金；（2）可获得热熔相图没有的合金；（3）容易获得组织致密、性能优异的非晶态合金；（4）硬度高，延展性差。合金镀层主要特点（与单金属镀层相比）能获得单一金属所没有的特殊物理性能；合金镀层结晶更细致，镀层更平整，光亮；可以获得非晶结构镀层；更耐磨、耐蚀，更耐高温，并有更高硬度和强度，但延展性和韧性通常有所降低；,8 电镀与化学镀,不能从水溶液中单独电镀的W，Mo，Ti，V等金属可与铁族元素（Fe，Co，Ni）共沉积形成合金；能获得单一金属得不到的外观。沉积合金的条件两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近。,8 电镀与化学镀,8.2 化学镀化学镀：是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属，并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。被镀件浸入镀液中，化学还原剂在溶液中提供电子使金属离子还原沉积在镀件表面。Mn+neM化学镀时，还原金属离子所需电子是通过化学反应直接在溶液中产生的。完成过程有三种方式：（1） 置换沉积利用被镀金属M1（如Fe）比沉积金属M2（如Cu）的电位更负，将沉积金属离子从溶液中置换在工件表面上。工程中称它为浸镀。,8 电镀与化学镀,当金属M1完全被金属M2覆盖时，则沉积停止，所以镀层很薄。铁浸镀铜，铜浸汞，铝镀锌就是这种置换沉积。浸镀不易获得实用性镀层，常作为其它镀种的辅助工艺。（2） 接触沉积除了被镀金属M1和沉积金属M2外，还有第三种金属M3。在含有M2离子的溶液中，将M1M3两金属连接，电子从电位高的M3流向电位低的M1，使M2还原沉积在M1上。当接触金属M1也完全被M2覆盖后，沉积停止。在没有自催化功能材料上化学镀镍时，常用接触沉积引发镍沉积起镀。（3）还原沉积,8 电镀与化学镀,这是由还原剂被氧化而释放自由电子，把金属离子还原为金属原子的过程。其反应方程式为：Rn+2e-+R(n+2)+ 还原剂氧化M2+2e-M 金属离子还原工程上所讲的化学镀也主要是指这种还原沉积化学镀。8.2.1化学镀的条件（1）镀液中还原剂的还原电位要显著低于沉积金属的电位，使金属有可能在基材上被还原而沉积出来。（2）配好的镀液不产生自发分解，当与催化表面接触时，才发生金属沉积过程。（3）调节溶液的pH值、温度时，可以控制金属的还原速率，从而调节镀覆速率。,8 电镀与化学镀,（4）被还原析出的金属也具有催化活性，这样氧化还原沉积过程才能持续进行，镀层连续增厚。（5）反应生成物不妨碍镀覆过程的正常进行，即溶液有足够的使用寿命。化学镀镀覆的金属和合金种类较多，诸如:Ni-P， Ni-B， Cu, Ag， Pd， Sn，In， Pt，Cr及多种Co基合金等，但应用最广的是化学镀镍和化学镀铜。 化学镀层一般具有良好的耐蚀性、耐磨性、钎焊性及其它特殊的电学或磁学等性能，从而起到表面强化的作用。,8 电镀与化学镀,电镀与化学镀比较,8 电镀与化学镀,8.2.2化学镀的应用不同成分的镀层，其性能变化很大，因此在电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、纺织、机械等工业中获得日益广泛的应用。,8 电镀与化学镀,化学镀镍 化学镀镍层具有晶粒细、孔隙率低、硬度高、磁性好等特点广泛应用。其中，化学镀镍磷合金具有较高的硬度，在常温下镍磷镀层的硬度在600HV左右，镀层经合适温度处理后（一般为400），硬度可达1000HV左右，镀层均匀，经热处理后抛光即可使用。,9 气相沉积技术,9.1 分类及强化机理定义：气相沉积技术室一种发展迅速、应用广泛的表面强化技术，它利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积以制备各种特殊力学性能（如超硬、高耐蚀性、耐热和抗氧化性等）的薄膜涂层，而且还可以用来制备各种功能薄膜材料和涂层。分类：物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）强化机理：通过PVD和CVD在材料表面得到沉积层，沉积层的主要类别包括碳化物、氮化物、氧化碳氮化合物、硼化物、金属及非金属元素、硅化物等，从而使涂层具有很高的硬度（抗耐磨性较好）、较强的抗腐蚀能力以及良好的抗氧化能力等。,9 气相沉积技术,9.2 化学气相沉积9.2.1 化学