6第六章表面改性技术.ppt

第六章 表面改性技术采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术第一节 金属表面形变强化表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一一、表面形变强化原理 基本原理是通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5mm～1.5mm 在形变硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成了高的宏观残余压应力 奥赫弗尔特理论奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产生取决于两个方面的机制：一方面由于大量弹丸压入产生的切应力造成了表面塑性延伸；另一方面，由于弹丸的冲击产生的表面法向力引起了赫芝压应力与亚表面应力的结合在大多数材料中这两种机制并存 喷丸产生的残余压应力 经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的硬化率有关 残余压应力具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点的2－4倍材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。

表面强化方法有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕； 表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度二、表面形变强化的主要方法及应用 （一）表面形变强化的主要方法 1．滚压目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约5mm深的残余压应力，其分布如图所示 2．内挤压 内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显 3．喷丸 利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件；可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳抗微动磨损、耐点蚀（孔蚀）能力 KS1200D干式喷丸机干式喷丸机（二）喷丸表面形变强化工艺及应用 1．喷丸材料 （1）铸铁弹丸：冷硬铸铁弹丸是最早使用的金属弹丸铸铁弹丸易于破碎，损耗较大，要及时分离排除破碎弹丸，否则会影响零部件的喷丸强化质量。

目前这种弹丸已很少使用 （2）铸钢弹丸：铸钢弹丸的品质与碳含量有很大关系 （3）钢丝切割弹丸 弹簧钢丝（或不锈钢丝）切制成段制成钢弹丸的组织最好为回火马氏体或贝氏体使用寿命比铸铁弹丸高 20倍左右 （4）玻璃弹丸 近十几年发展起来的新型喷丸材料，已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应用 脆性较大 5）陶瓷弹丸弹丸硬度很高，但脆性较大喷丸后表层可获得较高的残余应力 （6）聚合塑料弹丸是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环境，可连续使用，成本低，而且即使有棱边的新丸也不会损伤工件表面常用于消除酚醛或金属零件毛刺和耀眼光泽 （7）液态喷丸介质包括二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒等 喷丸时用水混合二氧化硅颗粒，利用压缩空气喷射 注意：强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角毛刺，否则会损伤零件表面 一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸有色金属如铝合金、镁合金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸 2．喷丸强化用的设备 喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分为：机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。

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液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善 （1）机械离心式喷丸机机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出弹丸离开叶轮的切向速度为45m／s－75m／s这种喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本较高主要适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件 （2）气动式喷丸机气动式喷丸机以压缩空气驱动弹丸达到高速度后撞击工件的受喷表面这种喷丸机工作室内可以安置多个喷嘴，因其方位调整方便，能最大限度地适应受喷零件的几何形状而且可通过调节压缩空气的压力来控制喷丸强度，操作灵活，一台喷九机可喷多个零件适用于要求喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件它的缺点是功耗大，生产效率低 气动式喷丸机根据弹丸进人喷嘴的方式又可分为：吸人式、重力式和直接加压式三种吸入式喷丸机结构简单，多使用密度较小的玻璃弹丸或小尺寸金属弹丸，适用于工件尺寸较小、数量较少、弹丸大小经常变化的场合，如实验室等重力式喷丸机结构比吸人式复杂，适用于密度和直径较大的金属弹丸 3．喷丸强化工艺参数的确定 合适的喷丸强化工艺参数要通过：喷丸强度试验和表面覆盖率试验来确定。

喷丸强度试验 弧高度弧高度与时间的关系 在对试片进行单面喷丸时，初期的弧高度变化速率快，随后变化趋缓，当表面的弹丸坑占据整个表面（即全覆盖率）之后，弧高度无明显变化，这时的弧高度达到了饱和值 喷丸强度当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆盖率时，以此弧高度f定义为喷九强度喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25，字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高度值（单位为mm） （2）表面覆盖率试验喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面积的比值称为表面覆盖率一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率达到表面积的100％即全面覆盖时，才能有效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能（3）选定喷九强化工艺参数金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能并不随喷丸强度的增加而直线提高，而是存在一个最佳喷丸强度，它由试验确定 4．旋片喷丸工艺 5．喷丸表面质量及影响因素 (1) 喷丸表层的塑性变形和组织变化金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、晶界滑动、扩散性蠕变等晶体运动，其中晶面间滑移最重要晶面间滑移是通过晶体内位错运动而实现的喷丸表层的组织变化金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层位错密度大大增加。

而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变例如，渗碳钢表层存在大量残余奥氏体，喷丸时，这些残余奥氏体可能转变成马氏体而提高零件的疲劳强度；奥氏体不锈钢特别是镍含量偏低的不锈钢喷丸后，表层中部分奥氏体转变为马氏体，从而形成有利于电化学反应的双相组织，使不锈钢的抗腐蚀能力下降（2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响 （3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响（4）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响 球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷面的理想外形应是大量球坑的包络面这种表面形貌能消除前道工序残留的痕迹，使外表美观同时，凹坑起储油作用，可以减少摩擦，提高耐磨性 （5）喷丸表层的残余应力 喷丸处理能改善零件表层的应力分布喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变形最重要工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切残余压应力材料强度高，表层最大残余压应力就相应增大但在相同喷丸条件下，强度和硬度高的材料，压应力层深度较浅；硬度低的材料产生的压应力层则较深。

渗碳钢经喷丸后的残余压应力常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥氏体有相当大的一部分将转变成马氏体，因相变时体积膨胀而产生压应力，从而使得表层残余应力场向着更大的压应力方向变化 在相同喷丸压力下：大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应力层较深；小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压应力层较浅，且压应力值随深度下降很快对于表面有凹坑、凸台划痕等缺陷或表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸，以获得较深的压应力层，使表面缺陷造成的应力集中减小到最低程度 喷丸硬度的影响表6－6为不同弹丸材料对残余应力的影响可以发现，由于陶瓷丸和铸铁丸硬度较高，喷丸后残余应力也较高 喷丸速度对表层残余应力有明显影响试验表明，当弹丸粒度和硬度不变，提高压缩空气的压力和喷射速度，不仅增大了受喷表面压应力，而且有利于增加变形层的深度， （6）不同表面处理后的表面残余应力的比较不同表面处理后的表面残余应力及疲劳极限如表6－8所示表面滚压强化可获得最高的残余应力经喷九或滚压后，疲劳极限也明显提高 6．喷丸强化的效果检验 弧高度试验不仅是确定喷丸强度的试验方法，同时又是控制和检验喷九质量的方法在生产过程中，将弧高度试片与零件一起进行喷丸，然后测量试片的弧高度f.如f值符合生产工艺中规定的范围，则表明零件的喷丸强度合格。

这是控制和检验喷九强化质量的基本方法 弧高度试片给出的喷丸强度，是金属材料的表面强化层深度和残余应力分布的综合值若需了解表面强化层的深度、组织结构和残余应力分布情况，还应进行组织结构分析和残余应力测定等一系列检验 7．喷丸强化的应用实例 P173第二节 表面热处理对工件表面进行强化的金属热处理工艺它不改变零件心部的组织和性能 广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等一、表面淬火一、表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法热处理方法表面淬火目的：表面淬火目的：①① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;②② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有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、摩擦和冲击的零件适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。

感感应应加加热热火焰加热火焰加热火焰加热火焰加热①①表面淬火用材料表面淬火用材料⑴⑴ 0.4-0.5%C的中碳钢的中碳钢含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降含碳量过高，心部韧性下降；含碳量过高，心部韧性下降；⑵⑵ 铸铁铸铁 提高其表面耐磨性提高其表面耐磨性机床导轨机床导轨表面淬火齿轮表面淬火齿轮②②预备热处理预备热处理⑴⑴工艺：工艺：对于结构钢为调质或正火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⑵⑵目的目的:为表面淬火作组织准备；为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织获得最终心部组织③③表面淬火后的回火表面淬火后的回火采用低温回火采用低温回火，温度不高于，温度不高于200℃℃回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性④④表面淬火表面淬火+低温回火后的组织低温回火后的组织表层组织为表层组织为M回回；心部组织为；心部组织为S回回(调质调质)或或F+S(正火正火)感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应淬火机床感应淬火机床感应淬火机床感应淬火机床感应加热感应加热表面淬火表面淬火示意图示意图⑤⑤表面淬火常用加热方法表面淬火常用加热方法⑴⑴ 感应加热感应加热: 利用交变电流利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。

使工件表面迅速加热的方法感应加热分为：感应加热分为：高频感应加热高频感应加热 频频率率为为250-300KHz，，淬淬硬层深度硬层深度0.5-2mm传传动动轴轴连连续续淬淬火火感感应应器器感应加热表面淬火齿轮的截面图感应加热表面淬火齿轮的截面图中频感应加热中频感应加热 频频率率为为2500-8000Hz，，淬淬硬硬层层深深度度2-10mm各种感应器各种感应器中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴工频感应加热工频感应加热频率为频率为50Hz,淬硬层淬硬层深度深度10-15 mm各种感应器各种感应器感应穿透加热感应穿透加热⑵⑵ 火焰加热火焰加热: 利用乙炔火焰直接加利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法热工件表面的方法成本低，但质成本低，但质量不易控制量不易控制⑶⑶ 激光热处理激光热处理: 利用高能量密度的利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法激光对工件表面进行加热的方法效率高，质量好效率高，质量好火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图激光表面热处理激光表面热处理火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火第三节第三节 金属表面化学热处理金属表面化学热处理化学热处理是将工件置于特定介质中加热保化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能进而改变其性能的热处理工艺。

的热处理工艺与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分变其化学成分化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等共渗、渗其他元素等 可控气氛渗碳炉可控气氛渗碳炉渗渗碳碳回回火火炉炉常用的化学热处理：常用的化学热处理：渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮化）等渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等发兰、磷化可以归渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等发兰、磷化可以归为表面处理，不属于化学热处理为表面处理，不属于化学热处理化学热处理过程包括化学热处理过程包括分解、吸收、扩散分解、吸收、扩散三个基本过程三个基本过程①①化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程 ⑴⑴介质介质(渗剂渗剂)的分解的分解: 分解的同分解的同时释放出活性原子时释放出活性原子如：渗碳如：渗碳 CH4→2H2+[C] 氮化氮化 2NH3→3H2+2[N]⑵⑵工件表面的吸收工件表面的吸收: 活性原子向活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。

成化合物⑶⑶原子向内部扩散原子向内部扩散 氮化扩散层氮化扩散层②钢的渗碳钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程是指向钢的表面渗入碳原子的过程⑴⑴渗碳目的渗碳目的提高工件表面硬度、耐提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性保持心部良好的韧性⑵⑵渗碳用钢渗碳用钢l为含为含0.1-0.25%C的低碳的低碳钢碳高则心部韧性降碳高则心部韧性降低 经经渗渗碳碳的的机机车车从从动动齿齿轮轮气体渗碳气体渗碳法示意图法示意图③③渗碳方法渗碳方法⑴⑴ 气体渗碳法气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳温渗碳气氛中渗碳渗剂为气体渗剂为气体 (煤气、液化气煤气、液化气等等)或有机液体或有机液体(煤油、甲醇等煤油、甲醇等)优点优点: 质量好质量好, 效率高；效率高；缺点缺点: 渗层成分与深度不易控渗层成分与深度不易控制制⑵⑵ 固体渗碳法固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳渗剂为木炭渗剂为木炭优点：操作简单；优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差缺点：渗速慢，劳动条件差l⑶⑶ 真空渗碳法真空渗碳法l将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。

通入渗碳气体加热渗碳l优点优点: 表面质量好表面质量好, 渗碳速度快渗碳速度快真空渗碳炉真空渗碳炉④④渗碳温度渗碳温度：为：为900-950℃℃渗碳层厚度渗碳层厚度（（由表面到过度层一半处的厚度）：由表面到过度层一半处的厚度）： 一般为一般为0.5-2mm低碳钢渗碳缓冷后的组织低碳钢渗碳缓冷后的组织l渗碳层表面含碳量：渗碳层表面含碳量：以以0.85-1. 05为最好l渗碳缓冷后组织：渗碳缓冷后组织：表层表层为为P+网状网状Fe3CⅡ; 心部心部为为F+P; 中间为过渡区中间为过渡区⑤⑤渗碳后的热处理渗碳后的热处理淬火淬火+低温回火低温回火, 回火温度为回火温度为160-180℃℃淬火方法有：淬火方法有：⑴⑴ 预冷淬火法预冷淬火法渗碳后预冷到略高于渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火温度直接淬火渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图⑵⑵一次淬火法一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火即渗碳缓冷后重新加热淬火⑶⑶ 二次淬火法：二次淬火法：即渗碳缓冷后即渗碳缓冷后第一次加热为心部第一次加热为心部Ac3+30-50℃℃，，细化心部细化心部；；第第二次加热为二次加热为Ac1+30-50℃℃，，细化表层。

细化表层 渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃℃淬火淬火+低温低温回火此时组织为：回火此时组织为：表层：表层：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A’(少量少量)心部：心部：M回回+F（淬透时）（淬透时）渗碳淬火后的表层组织渗碳淬火后的表层组织M+F⑥⑥钢的氮化钢的氮化 氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程⑴⑴氮化用钢氮化用钢井式气体氮化炉井式气体氮化炉l为含为含Cr、、Mo、、Al、、Ti、、V的中的中碳钢l常用钢号为常用钢号为38CrMoAll⑵⑵氮化温度氮化温度为为500-570℃l氮化层厚度氮化层厚度不超过不超过0.6-0.7mm⑶⑶常用氮化方法常用氮化方法气体氮化法与离子氮化法气体氮化法与离子氮化法气体氮化法与气体渗碳法类似，气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨渗剂为氨离子氮化法是在电场作用下，离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件与气体氮化相比，阴极的工件与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小氮化时间短，氮化层脆性小。

离子氮化炉离子氮化炉⑷⑷氮化的特点及应用氮化的特点及应用氮化件表面硬度高（氮化件表面硬度高（69~72HRC），耐磨性高耐磨性高疲劳强度高疲劳强度高由于表面存在压应力由于表面存在压应力氮氮化化层层组组织织38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度⑶⑶工件变形小工件变形小原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理 ⑷⑷ 耐蚀性好耐蚀性好因为表层形成的氮化物化学稳定性高因为表层形成的氮化物化学稳定性高氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件如用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等 缝纫机用氮化件缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴经氮化的机车曲轴滲氮与滲碳相比：滲氮与滲碳相比：u滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达滲氮层硬度和耐磨性高于滲碳层，硬度可达69~72HRC，，且在且在600～～650℃℃高温下仍能保持较高硬度；高温下仍能保持较高硬度；u滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性；滲氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性；u滲氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和其滲氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和其他缺陷；他缺陷；u滲氮温度较低。

滲氮温度较低u只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能达到要求只适用于中碳合金钢，需要较长的工艺时间才能达到要求的滲氮层的滲氮层第四节第四节 等离子体表面处理等离子体表面处理等离子体：等离子体：是一种电离度超过是一种电离度超过0.1%的气的气体，由离子、电子、中性粒子（原子和体，由离子、电子、中性粒子（原子和分子）的组成是一种物质能量极高的分子）的组成是一种物质能量极高的物质状态，被称为物质第四态物质状态，被称为物质第四态等离子体获得等离子体获得 高温下，利用粒子热运动、电子碰撞、高能粒子高温下，利用粒子热运动、电子碰撞、高能粒子等产生；等产生； 低温下主要方法是气体放电低温下主要方法是气体放电分类分类 离子渗碳离子渗碳 离子渗氮离子渗氮 离子碳氮共渗离子碳氮共渗 离子渗金属离子渗金属离子渗氮离子渗氮定义：定义：在压力低于在压力低于105Pa的渗氮气氛中，利用工件的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行（阴极）和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺渗氮的工艺离子渗氮的作用离子渗氮的作用离子渗氮是应用广泛的一种化学热处理离子渗氮是应用广泛的一种化学热处理方法。

离子渗氮方法离子渗氮成本低成本低,气氛可控气氛可控,热效率热效率高高离子渗氮形成的氮化层可以大大提高热离子渗氮形成的氮化层可以大大提高热作模具钢的作模具钢的表面硬度和耐磨损性能表面硬度和耐磨损性能,从而从而延长模具寿命延长模具寿命,防止模具磨损失效因此防止模具磨损失效因此离子渗氮是热作模具钢常用的表面处理离子渗氮是热作模具钢常用的表面处理工艺工艺,在工业上已经得到广泛的应用在工业上已经得到广泛的应用实验方法及装置实验方法及装置实验装置实验装置：：自制的活性屏离子渗氮实验自制的活性屏离子渗氮实验装置装置纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理及其影响因素及其影响因素N2-H2 或或NH3 N2活性屏离子渗氮活性屏离子渗氮(ASPN)：：从活性屏上溅射下来的从活性屏上溅射下来的FexN(x>2~3)粒子在等离子体空间物理吸附了氮粒子在等离子体空间物理吸附了氮, 并沉并沉积在工件表面在一定的温度下积在工件表面在一定的温度下, 吸附了氮的粒子发生吸附了氮的粒子发生脱附脱附, 脱附出的活性氮原子渗入工件内部生成渗氮层脱附出的活性氮原子渗入工件内部生成渗氮层。

1983年试验方法及装置试验方法及装置试样试样：：15 mm×15mm×5mm 的的38CrMoAl钢、钢、25mm×25mm×0.5mm 的的T2 纯铜片氮气氮气：先经纯化处理以减小氮气中的含氧量及干燥：先经纯化处理以减小氮气中的含氧量及干燥氮气试验步骤：试验步骤： 1、试样和铜片分别用丙酮、酒精清洗后装入炉内试样和铜片分别用丙酮、酒精清洗后装入炉内 2、将真空室抽至、将真空室抽至2Pa, 然后用氮气冲洗容器三遍然后用氮气冲洗容器三遍, 尽量减少容器中的残余空气及炉壁吸附的气体尽量减少容器中的残余空气及炉壁吸附的气体3、实验分别在、实验分别在600、、800、、1000 和和1200V 电压下进电压下进行行, 渗氮温度渗氮温度540℃℃, 渗氮时间渗氮时间6h金相组织金相组织由图由图2 所示的金相照片可知所示的金相照片可知, 38CrMoAl 钢在钢在600V 进进行纯氮行纯氮ASPN 处理后观察不到明显的渗氮层处理后观察不到明显的渗氮层; 电压高电压高于于800V 后才能形成明显的渗氮层后才能形成明显的渗氮层, 见图见图2(b)、、(c)显微硬度分析显微硬度分析维氏硬度计试件允许最维氏硬度计试件允许最大高度：大高度：130毫米毫米 放电电压在放电电压在600V 时几乎没有渗时几乎没有渗氮效果氮效果, 在高于在高于800V 才有明显的才有明显的渗氮硬化效果渗氮硬化效果, 而且渗氮层较深而且渗氮层较深, 与金相组织相对应。

与金相组织相对应粒子的表面形貌分析粒子的表面形貌分析图图4(a)与图与图4(b)粒子尺寸在数十至数百纳米范围内粒子尺寸在数十至数百纳米范围内, 但粒但粒子形状不一样子形状不一样, 图图4(b)中粒子形状更规则中粒子形状更规则, 呈正多边形呈正多边形铜片上沉积粒子的铜片上沉积粒子的X射线衍射分析射线衍射分析1、、 当处理电压为当处理电压为600V 时时, 沉积的粒子是铁的氧化物沉积的粒子是铁的氧化物(Fe3O4)和少量和少量的铁的氮化物的铁的氮化物(γ′-Fe4N、、ε-Fe3N)当处理电压高于当处理电压高于800V 后后, 这些粒子则是铁的氮化物这些粒子则是铁的氮化物(γ′, ε少量少量)和少量和少量的氧化物的氧化物, 并且随着电压的升高并且随着电压的升高, γ′增多增多, ε和和Fe3O4 减少电压达到减少电压达到1000V 时时, 粒子中几乎没有氧化物存在粒子中几乎没有氧化物存在Fe3O4？由于离子渗氮是在低真空度下进行的？由于离子渗氮是在低真空度下进行的, 真空炉内残留少量空气真空炉内残留少量空气, 炉壁炉壁也吸附了少量水蒸气或空气在离子渗氮处理过程中也吸附了少量水蒸气或空气。

在离子渗氮处理过程中, 600V时活性氮少时活性氮少, O 被被激活激活, Fe 原子优先与原子优先与O 结合形成铁的氧化物结合形成铁的氧化物, 炉内残余的氧起主导作用炉内残余的氧起主导作用氮原子的产生：分两步，氮原子的产生：分两步，N2 N2++e(24.5eV)，，N2+ N++N (49eV)1、放电电压低于、放电电压低于600V 时时, N2+在一个平均自由程里所获得的电场能小于在一个平均自由程里所获得的电场能小于49 eV, 等离子空间活性氮很少等离子空间活性氮很少, 没有离子渗氮的氮源没有离子渗氮的氮源, 所以渗氮效果甚微所以渗氮效果甚微2、放电电压高于、放电电压高于800V 时时, N2+在一个平均自由程里所获得的电场能为在一个平均自由程里所获得的电场能为75.22 eV, 超过了超过了49 eV, 可以通过碰撞裂解产生大量的活性氮原子这些高能氮原子可以通过碰撞裂解产生大量的活性氮原子这些高能氮原子在活性屏附近与铁原子结合成在活性屏附近与铁原子结合成FexN, 活性屏被氮化活性屏被氮化3、从活性屏上溅射下来的、从活性屏上溅射下来的FexN 在向工件运输过程中吸附了大量的氮原子在向工件运输过程中吸附了大量的氮原子, 当当粒子沉积于试样表面后粒子沉积于试样表面后, 吸附了的氮在一定的温度条件下开始脱附成为活性氮吸附了的氮在一定的温度条件下开始脱附成为活性氮原子原子, 脱附出的活性氮原子向工件内部渗入形成了渗氮层。

脱附出的活性氮原子向工件内部渗入形成了渗氮层结论结论(1) 电压较低时, 氧对活性屏离子渗氮处理有重要影响, 铁主要与氧结合生成了大量的氧化铁而不能进行活性屏离子渗氮处理2) 放电电压高于800V 后, 铁与氮的结合能力较强时才主要生成氮化铁进行活性屏离子渗氮处理, 并可获得良好的渗氮效果第五节第五节 激光表面处理激光表面处理概述概述定义定义：用镀膜或喷涂等技术把所需合金：用镀膜或喷涂等技术把所需合金元素涂敷在金属表面，利用激光照射使元素涂敷在金属表面，利用激光照射使敷层合金元素和基体表面薄层融化、混敷层合金元素和基体表面薄层融化、混合，而形成新的表层，从而改善表层耐合，而形成新的表层，从而改善表层耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等分类分类根据工艺不同，激光表面合金化可分为：根据工艺不同，激光表面合金化可分为：Ø激光粉末涂覆合金化激光粉末涂覆合金化Ø激光硬质粒子喷射合金化激光硬质粒子喷射合金化Ø激光气体合金化激光气体合金化铸造铝合金预置铸造铝合金预置Si粉激光表面合金化研究粉激光表面合金化研究研究背景研究背景 1、、A357、、A319 等铝合金中等铝合金中Si 的质量分数约为的质量分数约为6% ,α-A l软相软相是该类合金中的主要组成相，在发动机组中作为摩擦副零件使是该类合金中的主要组成相，在发动机组中作为摩擦副零件使用时存在硬度低、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤等缺陷用时存在硬度低、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤等缺陷,不能不能直接用于发动机气缸内壁等缺陷。

直接用于发动机气缸内壁等缺陷 2、为了提高铸造铝合金气缸的耐磨性、为了提高铸造铝合金气缸的耐磨性,一种方法是在铸造铝合一种方法是在铸造铝合金气缸内表面内衬缸套，内衬缸套增加了缸体的重量，且铸铁金气缸内表面内衬缸套，内衬缸套增加了缸体的重量，且铸铁缸套与铝合金热膨胀系数不同，在使用过程中也存在问题缸套与铝合金热膨胀系数不同，在使用过程中也存在问题; 另另一种方法是采用铝硅合金气缸，以合金中的一种方法是采用铝硅合金气缸，以合金中的Si作为主要相而作为主要相而铝硅合金有较好的耐磨性，但其铸造成本高，且合金中出现粗铝硅合金有较好的耐磨性，但其铸造成本高，且合金中出现粗大的板条状大的板条状Si相，使合金基体受到严重割裂，容易形成裂纹，相，使合金基体受到严重割裂，容易形成裂纹，破坏基体的连续性，显著降低合金的强度、韧性破坏基体的连续性，显著降低合金的强度、韧性研究内容研究内容低低Si含量的含量的A357合金为基，采用激光表合金为基，采用激光表面合金化技术，选用面合金化技术，选用Si粉末作为合金化粉末作为合金化涂层材料，适当提高基体合金中的涂层材料，适当提高基体合金中的Si含含量，制备高硅量，制备高硅Al2Si合金涂层，研究了激合金涂层，研究了激光表面合金化涂层的组织和性能。

光表面合金化涂层的组织和性能1　试验材料及方法　试验材料及方法材料材料：基体材料为基体材料为A357铸铝合金，主要化学成分铸铝合金，主要化学成分(质量分数质量分数, % )为为7. 63Si、、0. 54Mg, 其余其余Al试样尺寸为试样尺寸为ΦΦ70 mm ×10 mm的的圆片表面预处理：表面预处理： 1、首先采用、首先采用100 目到目到400 目的砂纸将试样表面磨平；目的砂纸将试样表面磨平； 2、采用、采用5wt%的的NaOH溶液浸泡溶液浸泡5 min用以去除试样表面的油迹用以去除试样表面的油迹,破坏铝合金表面致密的破坏铝合金表面致密的Al2O3 氧化膜氧化膜,并且可以起到黑化的作用并且可以起到黑化的作用,提高试样表面对激光光束的吸收率；提高试样表面对激光光束的吸收率； 3、用工业酒精和丙酮溶液清洗表面；、用工业酒精和丙酮溶液清洗表面； 4、将、将Si粉粉(纯度为纯度为99. 95% ,粒度为粒度为200目目)用用4 wt %的聚乙烯醇的聚乙烯醇有机粘结剂调成糊状有机粘结剂调成糊状,然后均匀地涂刷到基板合金表面然后均匀地涂刷到基板合金表面,涂刷厚度涂刷厚度为为0. 5 mm左右。

左右1　试验材料及方法　试验材料及方法激光器激光器：激光器为激光器为5 kW的的CO2 横流激光横流激光器器,激光表面合金化所用激光功率为激光表面合金化所用激光功率为3. 5 kW,光斑直径光斑直径<3. 0 mm,扫描速度为扫描速度为15 mm / s,搭接率搭接率33%　试验结果及分析试验结果及分析涂层的表面形貌涂层的表面形貌 金相试样沿涂层横向截取图金相试样沿涂层横向截取图1是预置是预置Si粉末激光表面粉末激光表面合金化高硅合金化高硅Al2Si合金涂层的大面积搭接表面宏观照片合金涂层的大面积搭接表面宏观照片由图由图1可见可见,多道搭接获得的大面积激光表面合金化层多道搭接获得的大面积激光表面合金化层表面比较平整、光滑表面比较平整、光滑,且表面无气孔、裂纹等缺陷且表面无气孔、裂纹等缺陷,宏观宏观表面质量较好表面质量较好样本横截面样本横截面Si是与是与Al有共晶反应的合金有共晶反应的合金元素元素,预置预置Si粉经激光照射熔粉经激光照射熔化后化后,与基板上的与基板上的Al宏观上形宏观上形成了均匀的合金化层成了均匀的合金化层,其横截其横截面组织如图面组织如图2所示所示,可以看出可以看出,整个激光表面合金化层组织整个激光表面合金化层组织均匀、致密、无气孔、无裂均匀、致密、无气孔、无裂纹纹,且与基体呈冶金结合。

相且与基体呈冶金结合相对于原始基板合金对于原始基板合金,预置预置Si粉粉末激光表面合金化层组织较末激光表面合金化层组织较为细小为细小,合金化层中合金化层中Si含量约含量约20 wt% ) 　　激光表面合金化层的维氏硬度激光表面合金化层的维氏硬度1、对比基体合金，涂层的维氏硬度有一定的提高，且沿涂层层深方向硬度、对比基体合金，涂层的维氏硬度有一定的提高，且沿涂层层深方向硬度分布相对比较均匀分布相对比较均匀VMHT30M型显微硬度计对涂层的硬度分布进行测量型显微硬度计对涂层的硬度分布进行测量)原因：激光表面合金化的快速凝固效应原因：激光表面合金化的快速凝固效应,使得合金化涂层组织均匀细小、具有使得合金化涂层组织均匀细小、具有优异的强韧性配合优异的强韧性配合,故整个涂层硬度分布比较均匀激光表面合金化层中细小故整个涂层硬度分布比较均匀激光表面合金化层中细小的未熔的未熔Si颗粒、细小的共晶相颗粒、细小的共晶相,增加了涂层的维氏硬度激光表面合金化高硅增加了涂层的维氏硬度激光表面合金化高硅Al2Si合金涂层能在一定程度上提高铝合金的硬度合金涂层能在一定程度上提高铝合金的硬度,进而为一定程度上提高铝进而为一定程度上提高铝合金的耐磨性奠定了基础。

合金的耐磨性奠定了基础　激光表面合金化层的耐磨性　激光表面合金化层的耐磨性试验名称试验名称：室温油润滑磨损试验室温油润滑磨损试验设备设备：：在在SRV型高温磨损试验机上进行型高温磨损试验机上进行试验前准备及参数设置试验前准备及参数设置 润滑介质：润滑介质：L2AN22机油机油 试样尺寸：试样尺寸：Φ24. 0 mm ×7. 88 mm 对磨上试样：对磨上试样：直径直径<10. 0 mm硬度为硬度为55 HRC的的GCr15钢球钢球,法向载荷法向载荷20 N,微动频率微动频率20 Hz,冲程冲程1. 2mm,磨损时间为磨损时间为10min 试样和标样：试样和标样：选取合金涂层和未经激光处理选取合金涂层和未经激光处理的原始的原始A357铸造铝合金作为试样和标样铸造铝合金作为试样和标样 体积磨损量测量体积磨损量测量：用：用Taly2surfsp2120表面形表面形貌测量仪测量试样及标样的体积磨损量貌测量仪测量试样及标样的体积磨损量结论：结论：与原始与原始A357合金标样相比合金标样相比,激光表面合金化层的耐磨激光表面合金化层的耐磨性能有较大的提高这是由于激光表面合金化层中大量细小性能有较大的提高。

这是由于激光表面合金化层中大量细小且圆整度好的未熔且圆整度好的未熔Si颗粒具有高硬度及高耐磨能力颗粒具有高硬度及高耐磨能力,且在摩且在摩擦磨损过程中不易脱落擦磨损过程中不易脱落,从而使激光表面合金化层在磨损条从而使激光表面合金化层在磨损条件下表现出优异的耐磨性能件下表现出优异的耐磨性能谢谢大家！谢谢大家！。