1、第二章第二章 表面熔融強化表面熔融強化 通過加熱將工件表面層或涂覆在工件表面上的合金化材料熔化，或將熔化了的材料涂覆在工件表面上，隨后冷卻使其凝固成固態的強化層。液相液相固相固相相相變變結晶過程（晶粒度）非晶態過程 涂覆性能更優異材料 有效手段：控制冷速；變質處理（孕育處理）非晶態相特點：沒有晶界、位錯等晶體缺陷，具有高強度、高耐蝕性、各向同性；往往具有特殊的物理特性。1 1、熔體的結晶過程、熔體的結晶過程熔體的特點熔體的特點：無一定形狀；能流動；擴散快；其結構（原子排列）是長程無序、短程有序（特別是溫度接近熔點時）；存在著結構起伏。冰花冰花結晶的動力：結晶的動力：是相變前后液相與固相的自由能

2、差；結晶的阻力：結晶的阻力：液相與新生成固相界面引起的表面能和新相應變能增加。結晶過程取決于動力和阻力兩者隨溫度相對變化的結果。形核率的高低決定晶粒的大小形核率的高低決定晶粒的大小2 2、非晶的形成、非晶的形成非晶轉變溫度非晶轉變溫度T Tg g涂層性能的影響因素：涂層性能的影響因素：l 晶粒大小晶粒大小：晶粒越細小，強度、硬度越高，塑性、韌性也愈好（控制晶粒的大小非常重要：控制冷卻速度的方法（過冷度）控制冷卻速度的方法（過冷度）；孕育處理孕育處理（涂層合金中或熔化的合金中加入變質劑，促進非自發晶核的形成，抑制晶體長大）。）l 固相成分的均勻性固相成分的均勻性：冷卻時按相圖規定進行相變，冷速愈

3、快，將造成固相中成分愈不均勻，也會對涂層性能產生影響。熔點熔點Tm結構特點結構特點：保留溫度接近熔點附近的短程有序、長程無序。即在長程無序的固體中存在短程有序區，它的大小和位置是固定不變的，不存在結構起伏（與熔體的不同之處）。形成機制：形成機制：（熔體結晶的動力是自由能差，過冷度大自由能差增加，有利于結晶），但過冷度大熔體黏度增加，原子移動困難，當其移動、轉動熵值趨近零時，則轉變為非晶態。 堆焊堆焊 利用火焰、電弧、等離子弧等熱源將堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆覆成耐磨、耐蝕及耐熱涂層的工藝方法。 堆焊的目的堆焊的目的不是為了連接零件，而是為了使零件表面獲得具有耐磨、耐熱、耐蝕等獲得具有

4、耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的熔敷金屬特殊性能的熔敷金屬，或是為了恢復或增加為了恢復或增加零件的尺寸零件的尺寸。因此，堆焊有兩方面的應用，一方面可以恢復零件因磨損或加工過程中的失誤而造成的尺寸不足；另一方面可以對零件表面進行改性，以獲得所需要的特殊性能。 根據熱源種類，堆焊分為電弧堆焊、等離子弧堆焊、電渣堆焊、根據熱源種類，堆焊分為電弧堆焊、等離子弧堆焊、電渣堆焊、氧氧- -乙炔焰堆焊乙炔焰堆焊l 堆焊技術的特點堆焊技術的特點 1、必須盡量控制稀釋率 堆焊金屬的稀釋率（以百分比計）等于熔化的母材量（B）除以堆焊的金屬量（A）和熔化的母材金屬量之和。即 堆焊金屬的稀釋率大小會直接地影響到堆焊層的成

5、分和性能，因此，它常常成為關系到堆焊質量的關鍵。對于具體產品堆焊時，必須考慮所采用堆焊方法的稀釋率，以便對堆焊材料和堆焊方法的合理搭配作適當的選擇，從而保證堆焊層的成分和性能。100%BAB%）稀釋率（堆焊金屬稀釋率的概念堆焊金屬稀釋率的概念 2合理地選擇堆焊層的合金系統 堆焊層的合金系統是決定堆焊效果的主要因素，而堆焊層合金系統的確定必須從堆焊零件的具體情況來確定。堆焊合金的類型和特點堆焊合金的類型和特點 所有的堆焊合金可歸納為鐵基、鎳基、鈷基、銅基和碳化鎢堆焊材料等幾種類型。 鐵基堆焊合金性能范圍廣，韌性與抗磨性配合好，能滿足許多不同的要求，而且價格較低，品種也最多，所以應用最廣。鐵基堆焊

6、合金由于碳含量、合金元素含量和冷卻速度的不同，堆焊層的組織可以是馬氏體、奧氏體、珠光體和萊氏體碳化物等幾種基本類型。鎳基、鈷基堆焊合金價格較高，由于高溫性能好、耐腐蝕，主要用于要求耐高溫磨損、耐高溫腐蝕等場合。銅基材料的耐蝕性好，有時也用于堆焊材料。碳化鎢堆焊合金的耐磨料磨損性能最好，雖然其價格較貴，但在耐嚴重磨料磨損部位堆焊和工具堆焊中占重要地位。堆焊合金的選擇原則堆焊合金的選擇原則1、滿足零件堆焊的使用條件 零件堆焊的使用條件（包括受力特點、工作介質、潤滑狀況、運行狀況等）是選擇堆焊材料的主要依據。2、從經濟角度選擇堆焊合金 當有幾種合金都能滿足零件的使用要求時，應該綜合比較它們的經濟性，

7、以選擇既滿足使用要求，又有良好經濟性的堆焊合金。3、從堆焊合金的工藝性能來選擇 在滿足使用條件和經濟指標的前提下，應盡量選用焊接性較好、堆焊工藝簡單的堆焊材料。焊接性較差的材料容易產生堆焊缺陷，通常對零件要求預熱、緩冷。此時應力求選擇抗裂性能好的合金，以使工藝簡化并提高堆焊質量。 l 技術原理技術原理 熱噴涂技術就是這種表面防護和強化的技術之一, 是表面工程中一門重要的學科。利用某種熱源, 如電弧、等離子弧、燃燒火焰等將粉末狀或絲狀的金屬和非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態, 然后借助焰流本身的動力或外加的高速氣流霧化并以一定的速度噴射到經過預處理的基體材料表面, 與基體材料結合而形成具有各

8、種功能的表面覆蓋涂層的一種技術。 l 熱噴涂技術分類（熱源種類）熱噴涂技術分類（熱源種類）l 熱噴涂特點熱噴涂特點1）工藝靈活，適用范圍廣。熱噴涂施工對象可大可小，小的可到10mm內孔(線爆噴涂)，大的可到橋梁、鐵塔(火焰線材噴涂或電孤噴涂)，可在室內噴涂，也可在野外現場作業；可整體噴涂，也可以局部噴涂。2）基體及噴涂材料廣泛。可通過噴涂不同材料，使工件表面獲得所需的各種物理化學性能。3）工件應力變形小。基體可保持較低的溫度，工件產生的應力變形很小。4）生產效率高。每小時噴涂材料重量從幾千克到幾十千克，沉積效率很高。噴涂層是由無數變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結層狀組織結構構，涂

9、層中顆粒與顆粒之間不可避免地存在一些孔隙和空洞孔隙和空洞，并伴有氧化物夾雜氧化物夾雜。 熱噴涂時，涂層材料的粒子被熱源加熱到熔融態或高塑性狀態，在外加氣體或焰流本身的推力下，霧化并高速噴射向基體表面，涂層材料的粒子與基體發生猛烈碰撞而變形、展平沉積于基體表面，同時急冷而快速凝固，顆粒這樣遂層沉積而堆積成涂層 涂層的結合包括涂層與基體的結合和涂層內部的結合。涂層與基體表面的粘結力稱為結合力，涂層內部的粘結力稱為內聚力。涂層中顆粒與基體之間的結合以及顆粒之間的結合機理有以下幾種方式:（1 1） 機械結合機械結合 碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以顆粒的機械聯鎖而形成的結

10、合（拋錨效應），一般來說，涂層與基體的結合以機械結合為主。（2 2） 冶金化學結合冶金化學結合 這是當涂層和基體表面產主冶金反應，如出現擴散和合金化時的一種結合類型。當噴涂后進行重熔即噴焊時，噴焊層與基體的結合主要是冶金結合。（3 3） 物理結合物理結合 即當高速的熔融粒子撞擊到基體表面且緊貼的距離達到基體原子間晶格常數范圍時，就會產生范德華力，而由此引起的結合屬于物理結合。一般在基材表面十分干凈或進行活化后才有產生這種結合的可能性。l . . 化學成分化學成分 氧化物、氮化物，以及在高溫下會發生分解產生的分解物. .孔隙度孔隙度 熱噴涂涂層中不可避免地存在著孔隙，孔隙度的大小與顆粒的溫度和速

11、度以及噴涂距離和噴涂角度等噴涂參數有關。. .硬度硬度 由于熱噴涂涂層在形成時的激冷和高速撞擊，涂層晶粒細化以及晶格產生畸變使涂層得到強化，因而熱噴涂涂層的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也會因噴涂方法的不同而有所差異。. .結合強度結合強度 熱噴涂涂層與基體的結合主要依靠與基體粗糙表面的機械咬合（拋描效應）。基材表面的清潔程度、涂層材料的顆粒溫度和顆粒撞擊基體的速度以及涂層中殘余殘余應力的大小應力的大小均會影響涂層與基體的結合強度。. .冷熱疲勞性能冷熱疲勞性能 涂層抗熱震性能的好壞主要取決于涂層材料與基體材料的熱膨脹系數差異的大小和涂層與基體材料結合的強弱。 當熔融顆粒碰撞基體表面時，

12、在產生變形的同時受到激冷而凝固，從而產生收縮應力。涂層的外層受拉應力，基體有時也包括涂層的內層則產生壓應力。涂層中的這種殘余應力是由熱噴涂條件及噴涂材料與基體材料的物理性質的差異所造成的。 設備簡單、工藝成熟、操作靈活、投資少、見效快 可制備各種金屬、合金、陶瓷及塑料涂層 涂層孔隙度較大, 與基體材料的結合強度也較低 噴槍主要由兩部份組成：噴槍主要由兩部份組成：產生火焰的產生火焰的氧、乙炔供給裝置和噴涂粉末供給系統。氧、乙炔供給裝置和噴涂粉末供給系統。 進行噴涂時，氧氣和乙炔在噴嘴燃燒，進行噴涂時，氧氣和乙炔在噴嘴燃燒，同時粉末隨氧氣輸送至噴嘴，粉末被噴嘴同時粉末隨氧氣輸送至噴嘴，粉末被噴嘴的

13、高溫火焰加熱熔化或半熔化后噴射到工的高溫火焰加熱熔化或半熔化后噴射到工件表面形成涂層。件表面形成涂層。設備一次投資少，使用方便、效率高 噴涂材料必須是導電的金屬及合金絲1、可以在冷工件表面噴涂，噴涂過程中工件受熱不大。2、在特殊的情況下工件表面可以不先進行噴砂處理，而直接噴涂。3、結合強度高，孔隙率低，涂層致密度好。4、可以用多種粉末材料進行噴涂，包括各種單一金屬、合金、單一氧化物或混合氧化物、硬質合金、以碳化鎢或碳化鈦為基體的金屬陶瓷，以及各種復合材料等等，因而可以根據實際需要選擇適當涂層材料，賦予工件表面特定的性能。例如耐磨、耐熱、抗蝕、抗沖擊載荷、導電、絕緣、增摩、減摩等。5、 爆炸噴涂

14、過程是在常壓空氣中完成的，工件周圍不需要真空或其它保護氣體，因而適于對大尺寸工件進行噴涂。 首先將一定比例的氧氣和燃氣送到腔體中的首先將一定比例的氧氣和燃氣送到腔體中的燃燒室，然后從另一入口將氮氣與噴涂材料粉末燃燒室，然后從另一入口將氮氣與噴涂材料粉末混合送入，火花塞點火，使得氧氣混合送入，火花塞點火，使得氧氣燃氣混合氣燃氣混合氣體產生爆炸，產生熱及壓力波，將粉末熔融，隨體產生爆炸，產生熱及壓力波，將粉末熔融，隨爆燃氣體一起射向被噴涂的工件表面爆燃氣體一起射向被噴涂的工件表面涂層孔隙度低（1%），與基體結合牢固，結合強度100160MPa，最高可達250 MPa。 Laval管獲得超音速的方法

15、：獲得超音速的方法：1 1、LavalLaval管；管；2 2、爆震產生的、爆震產生的波波 氣體經過足夠壓縮、速度可在管道某一截面達到聲速，則經過此截面后，將獲得超音速。這種將亞音速流變為超音速流的管道稱之為laval管。由流體力學知，對一維定常流動，考慮可壓縮流體，則有：常數PKK12v2常數Sv常數KP由上面三個公式可求得：vdvMsds12式中：S：管道截面積； ：氣體密度； K：氣體常數P：氣體壓力； v：流體速度 馬赫數聲vvM 產生爆震波的產生爆震波的方法是：以可燃氣方法是：以可燃氣混合物通過足夠長混合物通過足夠長的開口管道，則傳的開口管道，則傳過約過約1010倍管徑距離倍管徑距離

16、之后，開始明顯加之后，開始明顯加速，形成爆震波。速，形成爆震波。或者，由爆炸產生或者，由爆炸產生足夠強的激波，通足夠強的激波，通過激波管中的可燃過激波管中的可燃混合物，也可引發混合物，也可引發爆震波。爆震波。 由燃燒理論的Rankine-Hugoniot關系，可導出用于計算Chapman-Jouguet波初始馬赫數的公式：212121-21-a1220rrarrM式中：a：熱釋放參數 r：最終混合物的比熱比；時，當100Ma0,00MMa時，當故可知：對爆震波，初始馬赫數總是大于1。亦即：所有爆震波均以超音速傳播。超音速涂層性能： 超音速火焰由于受燃燒焰流溫度的限制，與等離子熱源相比，速度高而

17、溫度低（約為 3000 ），對于 WC-CO 系硬質合金，可以有效地抑制 WC 在噴涂過程中的分解，涂層不僅結合強度高、致密，而且可以最大限度地保留粉末中的硬質耐磨 WC 相，因此，涂層耐磨損性能優越，與爆炸噴涂層相當，大幅度涂層耐磨損性能優越，與爆炸噴涂層相當，大幅度超過等離子噴涂層，也優于電鍍硬鉻層與噴焊層，超過等離子噴涂層，也優于電鍍硬鉻層與噴焊層，目前已獲得了廣泛的發展。 當某種氣體如氮、氬、氫及氦等通過一壓縮電弧時產生電離而形成電中性的等離子體(是物質除氣、液、固態外的第四態)。等離子弧的能量集中溫度很高, 其焰流的溫度在萬度以上, 可以將所有固態工程材料熔化 涂層的致密度及與基體材

18、料的結合強度均比火焰噴涂涂層和電弧噴涂涂層的高,而且也是制備陶瓷涂層的最佳工藝 超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂。噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結強度高。由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。 工件表面工件表面預處理預處理工件預熱工件預熱噴噴 涂涂涂層后處理涂層后處理 凈化凈化處理的目的是除去工件表面的所有污垢,如氧化皮、油漬、油漆及其他污物，關鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂。凈化處理的方法有：溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等。 粗化粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力，使凈化處理過的表面更加活化,以提高涂層與基材的結合強度。同時

19、基材表面粗化還改變涂層中的殘余應力分布，對提高涂層的結合強度也是有利的。粗化處理的方法有噴砂、機械加工法(如車螺紋、滾花)、電拉毛等。其中噴砂處理是最常用的粗化處理方法，常用的噴砂介質有氧化鋁、碳化硅和冷硬鑄鐵等。 預熱預熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時的界面溫度，以提高涂層與基體的結合強度；減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應力而導致的涂層開裂。預熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質，以及基材和涂層材料的熱膨脹系數等因素，一般情況下預熱溫度控制在60120之間。 預處理好的工件要在盡可能短的時間內進行噴涂用于防腐蝕的涂層,為了防止腐蝕介質透過涂層的孔隙到達基

20、材引起基材的腐蝕,必須對涂層進行封孔處理；對于承受高應力載荷或沖擊磨損的工件,為了提高涂層的結合強度,要對噴涂層進行重熔處理(如火焰重熔、感應重熔、激光重熔以及熱等靜壓等)，使多孔的且與基體僅以機械結合的涂層變為與基材呈冶金結合的致密涂層。有尺寸精度要求的,要對涂層進行機械加工。 其它熔融強化技術其它熔融強化技術 熱熔結：是在待強化的工件表面涂上一層涂層材料粉末，然后加熱，熱熔結：是在待強化的工件表面涂上一層涂層材料粉末，然后加熱，在較短時間內使涂層材料融化并與基體發生擴散互熔，冷卻后形成涂層。在較短時間內使涂層材料融化并與基體發生擴散互熔，冷卻后形成涂層。真空熔結（真空熔燒）是熱熔結的主要方

21、式。真空熔結（真空熔燒）是熱熔結的主要方式。 熱鍍：是將被鍍零件浸入熔融的低熔點金屬中短時間加熱，經液熱鍍：是將被鍍零件浸入熔融的低熔點金屬中短時間加熱，經液- -固反固反應后提出冷卻，熔融金屬在零件表面形成涂層的表面處理工藝。應后提出冷卻，熔融金屬在零件表面形成涂層的表面處理工藝。u 電火花強化就是以直接放電的方電火花強化就是以直接放電的方式向工件表面提供電能，并使它轉化式向工件表面提供電能，并使它轉化為熱能和其它形式的能量，達到改變為熱能和其它形式的能量，達到改變表層的元素成分和金相結構的目的，表層的元素成分和金相結構的目的，從而使表面性能得到改善。從而使表面性能得到改善。 在液體介質小間

22、隙中進行單個脈沖放電時，材料電腐蝕過程大致可分為介質擊穿和通道形成、能量轉換和傳遞、電蝕產物的拋出三個連續的階段。但實現電火花加工，必須連續多次進行脈沖放電，為使每次脈沖放電正常進行，一般情況下，相鄰兩次脈沖放電之間還要有間隙介質消電離的過程。電火花表面強化過程電火花表面強化過程新合金強化層的特點：新合金強化層的特點： 硬度高：當硬質合金作電極材料時，強化層硬度可達HV11001400（HRC70以上）； 耐磨性好：當用鉻錳、鎢鉻鈷合金、硬質合金做工具電極，強化45號鋼時，其耐磨性比原表面提高22.5倍； 耐蝕性強：用石墨做電極材料強化45號鋼，用食鹽水作腐蝕性試驗時，其耐蝕性提高90%； 耐熱性和耐疲勞性的提高，可大