表面工程学1教材

《表面工程学1教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面工程学1教材（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、表面工程学 绪 论 材料表面改性：改变材料表面性能，延长其使 用寿命，意义重大。 材料表面改质：改变材料的化学成分，使其有 特殊功能，拓宽材料使用领域，如合金化、绝 缘、导电、防腐、抗氧化等。 1 材料的失效形式 大体分两类：整体失效（断裂、疲劳断裂、变 形失去精度）；由 磨损、氧化、腐蚀等造成局 部破坏而失效，这种失效占总失效零件的2/3 ，说明表面改性、改质的重要性。 例如：具国外发达国家统计，每年钢材腐蚀损 失占钢才总量的，经济损失占国民经济 总产值的，我国国家科委对金属腐 蚀做过调查，每年损失达亿元 之多如果加上因腐蚀造成的停工停产那损 失会更大 用电弧喷涂铝涂层的桥梁构架等防腐效 果

2、可达年，而普通油漆仅为年 工,模具经耐磨处理,使用寿命一般提高35倍, 高的可达十倍. 再制造:1984年美国104w/cm2 V加100/s 。 激光加热、电子束加热Q 109w/cm2 超快上加 热 1.2 激光热处理 1.2.1 激光与特性 原理：激光是被其它辐射感应而发生的辐射，所 以也称为感应辐射。 物质的粒子存在着一系列的能基层，设处于高能级 （E2）和低能级（E1）的粒子数分别为N2和N1,它们 服从波尔兹曼分布： N1/N2=e -(E2-E1)/KT =e - h/kT 常温下 N1N2 . 自发辐射：高能粒子可以自发跃迁到低能级发出辐 射光子hv,这称为自发辐射。 反之，低

3、能级的粒子可以受外来的激发（如光 电的激发）吸收光子跃迁上高能级。 受激辐射：部分高能级粒子，可在辐射感应 之下，跃迁到低能级而发出光子hv这称为受激 辐射。 自发辐射与受激辐射不同，前者所发出的光 子之间，没有固定的相位关系，而后者与去感 应的辐射具有相同的频率和相位，因此，受激 辐射发出的光比自发辐射发出的光要强。 要想获得激光必须具备以下两个条件， 缺一不可. 建立“粒子数反转”的非平衡状态，即 N2N1 只有这样，受激辐射得以占优 势的进行下去，这就要找到能实现粒子 数反转的工作物质。 （2）建立一个谐振箱，当外来的或腔内自发 的频率信号，在腔内谐振在工作物质中多次往 返时，有足够的机

4、会去感应处于粒子数反转的 工作物质，才能产生激光。被感应的辐射与感 应的辐射同方向、同相位、同频率、同偏振的 性质。这些被感应的辐射又去感应其他粒子， 造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，因而 产生强烈的激光。 图 1激光原理图 激光具有如下的特性 相位一致，可以简单的相干衍射。 方向性好，即只在光轴方向得到增益， 所以可以获得发散角很小的光束 仅是激光物质所确定的波长被增益，所 以可以获得单一波长的光。 由于以上的特点具有优越的聚光性，可 用透镜和凹镜来聚光。 激光的应用范围很广，涉及测量、通讯 、医疗、加工、受控核聚变等领域，这 里只介绍处理件表面进行短时的局部加 热处理。其应用可见图。

5、图2激光加工的种类、照射条件 图3激光热处理装置示意图 图4激光束的成型方法 1.2.2 激光淬火 功率 k=103-105W/cm2 T=10-2-1s 实现 自冷淬火 激光淬火与普通淬火方法的比较，有如 下的特点： 可以获得质量优良的硬化层。 仅在工件表面做局部的薄的表层加热， 输入工件的热量少，节能效果好。 热处理变形小对长型、薄壁工件更显优 越。 由于光束照射工件，属于无接触加热、 自冷无需淬火液，洁净。 利用适当的光学系统，对工件非常局部 淬火。 是无无公害的淬火方法，劳动条件好。 1.2.21 激光淬火的硬化层 图 5激光淬火与高频淬火硬度分布 激光淬火比高频淬火获得更细、且均匀

6、分布的马氏体，其硬度（45钢 ）HRC62 -64左右。硬化层与基体之间不完全淬火 层比高频小得多（激光低变形原因）， 深度1mm左右。 大面积淬火时会出现0.3mm-0.5mm的重 叠带出现软带当应用在应力集中时，应 防止在此位置上出现软带。 图6 激光淬火回火软化带 1.2.2.2 淬火变形与淬火表面状况 图7 1.2.2.3激光淬火工件的机械性能 图8 抗擦伤试验条件 试样（305010mm）在Cr-P铸铁表面 进行激光淬火。 配对材料为铸铁 滑动方向，（抗擦伤性的判定，用发生 擦伤的最小载荷（p）来判定） 试验结果如表2所示 1.2.2.4激光淬火后的显微组织 激光加热从工件表面到心部

7、为：热影响+ 过渡区+原始组织（无变化区），其淬火 组织为 对于钢来说;隐晶马氏体（M板+M片 +A）+混合M+A+ 原始组织 对于铸铁： 伪共晶萊氏体+M片状+A+ 原始组织 这里需补充一点，快速加热时相变的完 成和相变以后组织成分的变化 1)相变的完成 如图 快速加热相变是在平衡温度以上一定的 温度范围之内完成的,而且随加热速度,钢 的化学成分,原始组织的变化,其温度范围 在变化. 2)相变以后奥氏体的成分不均匀 a) 共析钢有三种情况, F A不充分;渗 碳体不能充分溶解;A中碳不均匀 如图 b)亚共析钢 如图 C) 过共析钢 如图 D) 合金钢A中的碳和合金元素同样分布 不均匀 如表所

8、示: 1.2.2.4激光淬火主要控制因素 1)激光功率的影响: 其他条件不变，在表面不 融化、组织不粗化的前提条件下，输入的功率 越大淬硬层越深，并且表层硬度越高。如图 2)扫描速度的影响 其他条件不变,扫描速度越快,则淬硬层深度变 浅.原因扫描速度越快,输入的能量越少.见图 3)离焦距离 其它条件不变,光点大小影响输入 功率密度. 4)黑化处理 预备处理的作用:金属是良导体,内 部存在大量的自由电子,在表面形成一层很薄的 电子层(集肤效应),它比CO2的激光波长小的多( 远红外线波长10.6m),阻碍激光进入内部 ,80%反射掉.提高吸收率,在工件表面增加涂层 ,当激光加热时，首先涂层被加热

9、，使金属表 面内部的自由电子发生振动和移动，将热能传 到金属内部，从而达到加热的目的表面越光 滑反射率越高 “黑化处理”该涂层应具备如下要求 ）对激光吸收率要高 （）在温度范围 内短时间（），不汽化，不分 解 （）对金属表面无腐蚀作用,及其它不 利影响,且附着性好. （4)涂覆过程简单,厚薄可控,易清洗. 5)原料来源方便,价格便宜,无毒,无害, 易保存. “黑化处理”方法:表面拉毛,表面氧化, 表面磷化,喷无光漆,胶体石墨,胶体氧化 物 5)原始组织影响 原始组织晶粒越细小 ，碳和合金元素分散度越高，激光加热 时奥氏体化的速度越快，淬火后硬化层 越深，且硬度分布均匀，效果好. 1.2.3激光

10、处理应用实例 1)激光淬火 2)激光非晶化处理 3)激光切割 4)激光焊接 1.2.4激光的适用性 1表面形状特别复杂,可获得最小的变形 2严格指定断面 3处理区用常规方法难以实现 4被处理表面与表面比非常小,且极重要 1.2.5激光热处理的发展动向 1)开发大功率激光器 2)激光深层淬火技术 3)应用激光的复合生产系统 1.3电子束热处理 1)工作原理 高速收束的电子流轰击工件表面时 ,电子束可以穿过被热处理的表面,进入到距表 面一定的深度,给材料原子以能量,增加晶格的 振动,把电子的动能转换成热能,从而使被处理 的工件表面温度迅速升高,自冷淬火. 电流穿入的深度主要取决于加速电压的高低,

11、对钢铁材料10 ,16 ,120KV透入深度1,10, 40m. 能量密度109W/Cm2,热处理使用103105W/Cm2, 照射方式:脉冲,连续. 2)电子束热处理设备见图 3)电子束表面淬火方法及工艺控制 电子束工作时可以事先设计好工作网板,可以是 均匀的,也可以是不均匀的,电子束工作时依次 照射每个特定的位置,在一点停留20 后,以其热影响区可以忽视的极快速度在1 之内将电子移动到小一点,形成被淬火表 面要求的图样,该图形在整个热处理过程重复, 一般为每秒重复100次. 当功率增大到足使材料蒸发时,使材料融化成 一细孔,这一现象称为成空效应. 加热时由计算机控制,首先在0.25s内要使

12、 用足够的功率瞬时表面的温度升高,形成 大的温度梯度,自冷实现表面淬火.耶凯斯 对45钢的工作表明,碳化物分布越细加热 到A时,碳的溶解速度越快,淬火后硬化层 的深度越深,越均匀,因此淬火回火比退火 ,正火,效果好.电子束可以在较短的时间 内获得给定的硬化层深度,但处理薄板时, 处理深度应为板厚的10%. 4)与激光高频淬火的比较 (1)与激光淬火的比较 a) 激光最大功率15Kw,电子束100Kw. b)电子束能量转换率为90%,激光为10%. c)激光须先黑化处理,可以在空气中操作, 电子束不须,但只能在真空中加热. d)激光的光学系统-机械系统对准问题, 需精心调整,管理,维修,复杂困难

13、,电子束 简单. e)一个激光器可以配几个工作台,而电子 枪不能动. f) 电子束的投资,运转费用都比激光低,投 资为激光的1/3,运转激光费用是电子束的 2倍. 从能量输入指数看,电子束节能明显忧于 激光,高频,除此之外,它可以做选择表面 淬火.图 (2)与高频比淬硬层比高频硬,但浅,可以用 碳钢代替合金钢节约材料. 5)存在的问题 a)需要真空 b) 对于大件或多品种,生产线不利,灵活性 差. c)靠自冷,对于小件,特别是薄板件,处理效 果差. d)处理前工件需碱洗,并热风干燥,具有良 好的清洁度,增加工序和成本. 6)电子束应用事例 电子束处理的应用范围与激光处理基本相同,涉 及到焊接,

14、切割,表面淬火,表面合金化,表面非晶 化,单晶化等,现仅对电子束淬火举例.美国夏基 兄弟公司用一台价值28.2万美元电子束淬火 设备,处理SAE5060钢制造的汽车传动系统离 合器凸轮,进行选择性表面淬火,每个工件需淬 火八个部位,硬化层深度1.5mm表面硬度 HRC58,处理速度250工件/h 采用这种淬火方法避免了用感应表面淬火所无 法克服的变形问题. 美国SKF公司与空军合作,开发航空发动 机轴承圈,用AISiM50钢(4,0Cr 4.0Mo 1.0V)制造的整体硬化轴承圈通常由于贯 穿整个断面的裂纹引起断裂,突然失效.采 用电子束处理后,旋转接触面的淬硬层深 度为0.76mm,疲劳裂纹

15、减少,问题得到解 决. . 1.4高频电阻感应淬火又称IR淬火 可以取代渗碳,碳氮共渗,高频淬火等.达 到节能目的,因此,得到广泛应用. 工作原理如图所示,通过触头通300 400KHZ高频电流对工件表面进行直接加 热,同时,邻近感应器对工件表面进行感应 加热,使工件表面的温度迅速升高,当达到 淬火温度时,切断电流热量迅速的消失在 周围冷材料中,自冷淬火. 淬硬层深度取决于频率,加热时间,加热功率大 小,通常硬化层深度为0.37-0.35(mm),加热时 不需回路,可以只加热两点之间的一个轨迹.淬 火带不一定是直线,依邻近感应器形状而变,几 乎淬成任何形状. 淬火使用的功率8103-2.3105W/cm2 时间1/2S. 如1095钢1/4S获得 50160.75(mm)淬硬带,HRC62,用同一电源 可以同时获得2,3或4条淬火带.但要注意淬火 带并排时,中间的软带问题 . IR技术靠自