.,1,表面技術提高材料抵御環境作用能力和賦予材料表面某種功能特性的主要途徑：施加各種覆蓋層和采用各種表面改性技術。表面改性技術用機械、物理、化學等方法，改變材料表面的形貌、化學成分、相組成、微觀結構、缺陷狀態或應力狀態，使材料表面獲得與其基體材料的組織結構、性能不同的一種技術。,第八章表面改性技術,.,2,舉例:鋼熱處理,.,3,第八章表面改性技術,舉例:鋼表面熱處理材料經表面改性處理后，既能發揮基體材料的力學性能，又能使材料表面獲得各種特殊性能(如耐磨，耐腐蝕，耐高溫，合適的射線吸收、輻射和反射能力，超導性能，潤滑，絕緣，儲氫等)。,.,4,第八章表面改性技術,常用的表面改性技術主要有：表面形變強化（按壓、內擠壓和噴丸等）表面熱處理三束(激光、電子和離子束)表面改性技術離子注入表面改性等離子體擴散處理,.,5,第八章表面改性技術,一、表面形變強化二、表面熱處理三、表面化學熱處理四、三束(激光、電子和離子束)表面改性技術五、離子注入表面改性,.,6,一、金屬表面形變強化,1、表面形變強化：是通過機械手段在金屬表面產生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，從而使材料強化。機械手段：按壓內擠壓噴丸滾壓,.,7,一、金屬表面形變強化,.,8,2、表面形變強化原理在形變硬化層中產生兩種變化：在組織結構上，亞晶粒極大地細化，位錯密度增加，晶格畸變度增大形成了高的宏觀殘余壓應力結果：反抗外力的能力增強，表面強度、耐應力腐蝕性能和疲勞強度提高。,一、金屬表面形變強化,.,9,一、金屬表面形變強化,3、噴丸強化的應用實例20CrMnTi圓輥滲碳淬火回火后進行噴丸處理，殘余壓應力為880MPa，壽命從55萬次提高到150180萬次；40CrNiMo鋼調質后再經噴丸處理，殘余壓應力為880MPa，壽命從4.6106次提高到1.04107次以上；鋁合金LD2，經噴丸處理后，壽命從1.1106次提高到1108次以上；,.,10,一、金屬表面形變強化,在質量分數為3的NaCl水溶液中工作的45鋼，經噴丸處理后，其疲勞強度-1從100MPa提高到202MPa；耐蝕鎳基合金鼓風機葉輪在150熱氮氣中運行，六個月后發生應力腐蝕破壞。經噴丸強化并用玻璃珠去污，運行了四年都未發生進一步破壞。液體火箭推進劑容器的鈦制零部件未噴丸強化時，在40下使用14h就發生應力腐蝕破壞；容器內表面經玻璃珠噴丸強化后，在同樣條件下試驗30天還沒有產生破壞。,.,11,二、表面熱處理強化,表面熱處理:指僅對零部件表層加熱、冷卻，從而改變表層組織和性能而不改變成分的一種工藝，是最基本、應用最廣泛的材料表面改性技術之一。（包括表面化學熱處理是一個專業熱處理）,.,12,二、表面熱處理強化,強化基本思想:當工件表面層快速加熱時，工件截面上的溫度分布是不均勻的，工件表層溫度高且由表及里逐漸降低。如果表面的溫度超過相變點以上達到奧氏體狀態時，隨后的快冷可獲得馬氏體組織，而心部仍保留原組織狀態。結果:得到硬化的表面層，即通過表面層的相變達到強化工件表面的目的。,.,13,二、表面熱處理強化,分類:根據加熱方式表面熱處理工藝分包括：感應加熱表面淬火火焰加熱表面淬火接觸電阻加熱表面淬火浴爐加熱表面淬火電解液加熱表面淬火高密度能量的表面淬火表面保護熱處理等,.,14,二、表面熱處理強化,(一)感應加熱表面淬火1、感應加熱表面處理的基本原理生產中常用工藝是高頻和中頻感應加熱淬火。近年來又發展了超音頻、雙頻感應加熱淬火工藝。其交流電流頻率范圍見表6-9。,.,15,二、表面熱處理強化,感應加熱的物理過程感應加熱主要依據:熱傳導、電磁感應和集膚效應等基本原理。,圖感應加熱表面淬火示意,.,16,二、表面熱處理強化,電磁感應：線圈通電流交變磁場工件內部產生閉合感應電流即渦流。金屬零件的電阻很小，所以渦電流很大，渦電流產生的熱量：Q=I2Rt,圖感應加熱表面淬火示意,.,17,集膚效應：零件表面的電流密度最大，電阻的熱效應使工件表面被迅速加熱。并且，頻率f越大，被加熱的表面厚度越小。,二、表面熱處理強化,.,18,二、表面熱處理強化,圖感應加熱表面淬火示意,2、感應加熱方式方式：同時加熱和連續加熱方式。同時加熱方式淬火時，零件需要淬火的區域整個被感應器包圍，通電加熱到淬火溫度后迅速冷卻淬火。此法適用于大批量生產。連續加熱方式淬火時，零件與感應器相對移動，使加熱和冷卻連續進行。適用于淬硬區較長，設備功率又達不到同時加熱要求的情況。,.,19,二、表面熱處理強化,（二）火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是應用氧乙炔或其他可燃氣體對零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。優點：與感應加熱表面淬火等方法相比，具有設備簡單，操作靈活，適用鋼種廣泛，零件表面清潔、一般無氧化和脫碳、形變小等優點。缺點：加熱溫度不易控制，噪音大，勞動條件差，使用混合氣體不夠安全，不易獲得薄的表面淬火層。應用：常用于大尺寸和重量大的工件，尤其適用于批量少品種多的零件或局部區域的表面淬火，如大型齒輪、軸、軋輥和導軌等。,.,20,三、金屬表面化學熱處理,金屬表面化學熱處理：利用元素擴散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。(一)金屬表面化學熱處理過程其基本工藝過程是：首先將工件置于含有滲入元素的活性介質中加熱到一定溫度，使活性介質通過分解并釋放出欲滲入元素的活性原子；活性原子被表面吸附并溶入表面；溶入表面的原子向金屬表層擴散滲入形成一定厚度的擴散層。結果：改變表層的成分、組織和性能。,.,21,三、金屬表面化學熱處理,(二)金屬表面化學熱處理的目的(1)提高金屬表面的強度、硬度和耐磨性。如滲氮可使金屬表面硬度達到9501200Hv；滲硼可使金屬表面硬度達到14002000Hv等。因而工件表面具有極高的耐磨性。(2)提高材料疲勞強度。如滲碳、滲氮、滲鉻等滲層中由于相變使體積發生變化，導致表層產生很大的殘余壓應力，從而提高疲勞強度。(3)使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數。如滲硫等。(4)提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。,.,22,三、金屬表面化學熱處理,(三)化學熱處理種類根據滲入元素的介質所處狀態不同，化學熱處理可分以下幾類：(1)固體法。包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層等)擴散法等。(2)液體法。包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。(3)氣體法。包括固體氣體法、間接氣體法、流動粒子爐法等。(4)等離子法。,.,23,三、金屬表面化學熱處理,根據滲入元素的不同，化學熱處理可分以下幾類：(1)滲碳、滲氮、碳氮共滲。可提高材料表面獲得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕磨損性、接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，而心部具有一定強度、塑性、韌性的性能。(2)滲硼。提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。可用于鋼鐵材料、金屬陶瓷和某些有色金屬材料，如鉭和鎳基合金。這種方法成本較高。,.,24,三、金屬表面化學熱處理,(3)滲金屬。使工件表面形成一層金屬碳化物的一種工藝方法，即滲入元素與工件表層中的碳結合形成金屬碳化物的化合物層，如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等。(4)滲其他元素。如材料表面滲硅、滲硫等。滲硅的主要目的是提高工件的耐蝕性、穩定性、硬度和耐磨性。滲硫的目的是在鋼鐵零件表面生成FeS薄膜，以降低摩擦系數，提高抗咬合性能。(5)多元共滲。如硼和另一種或多種金屬元素進行的多元滲硼、氧氮共滲等。,.,25,（四）滲碳以結構鋼滲碳為例。方法：1、氣體滲碳：在滲碳爐中通人含碳的氣體介質，如甲醇、乙醇、丙酮、煤油、苯等來滲碳。2、固體滲碳：用固體滲碳劑，如木炭、焦炭等。3、鹽浴（液體）滲碳：在熔融鹽浴中進行滲碳。鹽浴如：KCl、NaCl和Na2CO3組成的鹽浴。,三、金屬表面化學熱處理,.,26,四、三束表面改性處理,激光束、電子束和離子束三束表面處理是高能密度表面處理技術中的一種主要手段。三束表面處理的目的是利用在加熱和冷卻時速率高，如激光可達106108s的優點，改變表面層的成分和顯微結構，從而提高表面性能，以適應基體材料的需要。,.,27,（一）激光表面處理1、激光的特點1)高方向性。激光光束的發散角可以小于一到幾個毫弧度。2)高平行性。光束基本上是互相平行的。3)高亮度性。激光器發射出來的光束非常強，通過聚焦集中到一個極小的范圍之內。可以獲得極高的能量密度或功率密度，聚集后的功率密度可達1014wcm2，焦斑中心溫度可達幾千度到幾萬度，只有電子束的功率密度才能和激光相比擬。4)高單色性。激光具有相同的位相和波長，所以激光的單色性好。激光的頻率范圍非常狹。,四、三束表面改性處理,.,28,2、激光表面處理設備激光表面處理設備包括激光器、導光聚焦系統、工作臺、計算機控制系統等，如圖所示。,四、三束表面改性處理,.,29,(1)激光與材料的相互作用激光與材料的相互作用主要是通過電子激發實現的。只有一部分激光光子能量被材料所吸收而轉化為熱能，激光并未穿過金屬表面;另一部分激光則從材料表面反射。不同材料對不同波長激光的反射率是不同的。一般情況下，電導率高的金屬材料對激光的反射率高，表面粗糙度小反射率也高。,四、三束表面改性處理,.,30,(2)激光器激光器的種類：現已有幾百種激光器。主要有：固體激光器和氣體激光器。固體激光器：晶體固體激光器：如紅寶石激光器、釹-釔鋁石榴石激光器玻璃激光器：如釹離子玻璃激光器,四、三束表面改性處理,.,31,氣體激光器：中性原子氣體激光器(如He-Ne激光器)、離子激光器(如Ar+激光器)、分子氣體激光器(如CO2、Kr激光器)、準分子激光器(如Xe激光器)。液體激光器。無機液體激光器、染料激光器。半導體激光器(砷化鎵激光器)。化學激光器。,四、三束表面改性處理,.,32,3、激光表面處理前工件表面的預處理：由于激光加熱時被處理金屬表面吸收光子能量，激光并未穿過金屬表面，為了減少反射，提高處理效率，因此需進行。常用的預處理方法：磷化（吸收率88）、黑化和涂覆紅外能量吸收材料（如涂碳黑吸收率高達90以上）,四、三束表面改性處理,.,33,應用舉例：激光表面強化：激光表面淬火的應用實例見表6-29。,.,34,舉例：,.,35,有色金屬激光涂履利用激光進行鋁合金表面涂覆可以從根本上改善工件的表面的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能，很少受基體材料的限制。如:西安交通大學等對ZL101鋁合金發動機缸體內壁進行激光涂覆硅粉和MoS2，獲得0102mm的硬化層，其硬度可達基體的35倍。,四、三束表面改性處理,.,36,金屬表面非晶態處理紡紗機鋼令跑道表面硬度低，易生銹，造成鋼令使用壽命低，紡紗斷頭率高。用激光非晶化處理后，鋼令跑道表面的硬度提高至1000HV以上，耐磨性提高1.3倍，紡紗斷頭率下降75，經濟效益顯著。汽車凸輪軸和柴油機鑄鋼套外壁經激光表面非晶態處理后，強度和耐腐蝕性均明顯提高。在真空中采用連續氣相沉積激光技術,在軟的基材表面獲得硬度達20004500HV的非晶BN薄層。,四、三束表面改性處理,.,37,離子注入：將所需的某種元素的原子電離成離子，在電場中加速后高速轟擊工件表面使之注入工件表面一定深度的真空處理工藝，也屬于PVD范圍。（一）離子注入的原理1、入射離子工件材料與發生相互作用,五、離子注入表面改性,.,38,入射離子經過與電子、原子若干次碰撞后，自身的能量幾乎耗盡而停止運動，在材料中的一定深度處停留下來，成為材料中的一種雜質原子留在固體中（圖右側注入處）。,五、離子注入表面改性,.,39,結果：離子進入固體后對固體表面性能發生的上述作用在改性中都有重要意義。離子注入除了在表面層中增加注入元素含量外，還在注入層中增加了許多空位、間隙原子、位錯、位錯團、空位團、間隙原子團等缺陷。它們對注入層的性能有很大影響。,五、離子注入表面改性,.,40,2、離子注入設備圖6-17是離子注入裝置簡圖。裝置包括離子發生器、加速系統、分選裝置、離子束掃描系統、試祥室和排氣系統。從離子發生器發出的離子由幾萬伏電壓引出，在幾萬至幾十萬伏電壓的加速系統中加速獲得高能量，進入分選部，將一定的質量電荷比的離子選出。通過掃描機構掃描轟擊工件表面，離子與工件材料發生一系列相互作用。,五、離子注入表面改性,.,41,（二）離子注入的特點離子注入法不同于任何熱擴散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和擴散系數的影響。因此，用這種方法可能獲得不同于平衡結構的特殊物質的方法；是開發新型材料的非常獨特的方法；離子注入溫度和注人后的溫度可以任意控制，且在真空中進行，工件不氧化，不變形，不發生退火軟化，表面租糙度一般無變化，可作為最終處理工藝；,五、離子注入表面改性,.,42,可控性和重復性好。通過改變離子源和加速器能量，可以調整離子注入深度和分布；通過可控掃描機構，不僅可實現在較大面積上的均勻化，而且可以在很小范圍內進行局部改性。可獲得兩層或兩層以上性能不同的復合材料。復合層不易脫落。注入層薄，工件尺寸基本不變。70年代初，人們利用離子注入進行金屬表面合金強化的研究，使離子注入技術成為目前最活躍的研究方向之一。離子注入已在表面非晶化、表面冶金、表面改性和離子與材料表面相互作用等方面取得了可喜的研究成果。特別是在工件表面合金化方面取得了突出的進展。,五、離子注入表面改性,.,43,目前，離子注入在微電子技術、生物工程、宇航、醫療等高技術領域獲得了比較廣泛的應用，尤其是在工具和模具制造工業的應用效果突出。但從目前的技術水平看，還存在一些缺點，如注入層薄(1nm)；離子只能直線行進，不能繞行，對于復雜的和有內孔的零件不能進行離子注入，設備造價高，所以應用還不廣泛。,五、離子注入表面改性,.,44,（三）離子注入表面改性的應用離子注入金屬表面合金化離子注入金屬表面會改善材料的耐磨性、耐蝕性、硬度、疲勞壽命和抗氧化性等。以下從微觀角度分析離子注人改善性能的可能機制:輻照損傷強化。離子注入產生的輻照損傷增加了各種缺陷的密度，改變了正常的晶格原子的排列。同時，注入元素離子阻止位錯滑移，從而使表面層強化并降低表面疲勞裂紋的形成可能性，但對疲勞裂紋的擴展影響不大。固溶強化。離子注入可獲得過飽和度很大的固溶體，固溶強化效果較強。而且注入離子對位錯的釘扎作用也使材料得到強化。,五、離子注入表面改性,.,45,沉淀強化。注入元素可能與基體材料中的元素形成各種化合物，使表面離子注入層產生沉淀強化。如鈦離子注入含有C的鋼或合金中，有可能形成TiC微粒沉淀。非晶態化。當離子注入的量達到一定值時，可使基體金屬形成非晶態表面層。因此可降低鋼的摩擦系數，提高耐磨性。由于非晶態表面沒有晶界等缺陷，可顯著提高耐蝕性能。,五、離