《材料科学与工程概论 作者 杜双明 全书 第10章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学与工程概论 作者 杜双明 全书 第10章（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第10章 材料表面处理技术,10.1 概述 10.2 表面淬火 10.3 化学表面热处理 10.4 电镀和化学镀 10.5 气相沉积技术 10.6 离子注入 10.7 热喷涂 10.8 堆焊 10.9 熔覆技术 10.10 表面技术选择与设计的一般原则,在线教务辅导网：http:/,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,http:/,10.1 概 述 10.1.1 表面工程及其应用 表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的
2、系统工程。,10.1.2 表面工程技术的分类 1表面改性 表面改性是指通过改变基质材料表面的化学成分，来达到改善表面结构和性能的目的。这一类表面工程技术包括化学热处理、离子注入和转化膜技术等。转化膜技术取材于基质中化学成分形成新的表面膜层，可归入表面改性类(见图10-1)。,图10-1 表面改性技术,2表面处理 表面处理时不改变基质材料的化学成分，只通过改变表面组织结构及应力达到改变表面性能的目的。这一类表面工程技术包括表面变形处理、表面淬火热处理以及表面纳米化加工技术等(见图10-2)。,图10-2 表面处理技术,3表面涂覆 表面涂覆是在基质表面上形成一种膜层。涂覆层的化学成分、组织结构可以
3、和基质材料完全不同。涂覆层的厚度可以是几毫米，也可以是几微米。通常在基质零件表面留有加工余量，以实现表面具有工况需要的涂覆层厚度。,4复合表面工程技术 复合表面工程技术是对上述三类表面工程技术的综合应用。,5纳米表面工程技术 纳米表面工程技术是利用纳米材料、纳米结构的优异性能，将纳米材料、纳米技术与表面工程技术交叉、复合、综合，在基质材料表面制备出含纳米颗粒的复合涂层或具有纳米结构的表层。,10.2 表 面 淬 火 10.2.1 火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧的混合气体燃烧的火焰，喷射在零件表面上，使它快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的淬硬层深度和硬度
4、的一种热处理方法，其示意图如图10-3所示。,图10-3 火焰加热表面淬火示意图,10.2.2 感应加热表面淬火 感应加热表面淬火是将工件放在通有中频或高频交流电(频率一般为500300 000 Hz)的感应器(空心铜管绕成)内，于是工件中就感应产生同频率的感应电流，将工件表面迅速加热，当达到淬火温度时立即喷水或浸油冷却，从而获得预期的淬硬层深度和硬度的一种表面淬火方法。,图10-4 感应加热表面淬火示意图,10.2.3 激光表面淬火 激光表面淬火是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面(激光加热速度一般为103104/s)，使其发生相变，然后停止加热或移开激光束，形成马氏体淬硬层的过程。激光
5、淬火的功率密度高，冷却速度快(冷却速度可达104/s，甚至1010/s)，可实现自冷淬火，即不需要水或油等冷却介质，是一种清洁、快速的淬火工艺。,激光淬火的特点如下： (1) 激光淬火的热循环过程快，淬火零件不变形； (2) 采用防氧化保护薄涂层几乎不破坏表面粗糙度； (3) 淬火激光淬火不开裂； (4) 对局部、沟、槽可进行定位精确的数控淬火； (5) 激光淬火清洁、高效，不需要水或油等冷却介质； (6) 淬火硬度比常规方法高，淬火层组织细密、强韧性好。,10.3 化学表面热处理 化学表面热处理是通过原子扩散、化学反应等方法，使被处理材料表面成分、组织、形貌发生改变，从而使表面获得不同于基体
6、材料性能的工艺方法。这一工艺方法已被广泛应用于金属材料以及无机非金属材料的表面改性处理。,10.4 电镀和化学镀 10.4.1 电镀 1电镀及其应用 电镀是用电化学的方法在镀件表面上沉积所需金属或合金覆层的工艺。它是以被镀件金属为阴极，在外电流作用下，使镀液中欲镀金属的阳离子沉积在被镀件金属的表面上，而形成镀层(金属、合金或半导体等)的表面加工方法。,2电镀层的种类 电镀层的种类有多种，若根据镀层使用的目的来分，大致可分为八类： 防护性镀层，镀锌层和镀锡层属于此类镀层。 装饰性镀层，装饰性镀层多半都是由多层镀形成的组合镀层，例如，铜/镍/铬多层镀，现在汽车铝轮毂的电镀层数有的多达九层。 功能性
7、镀层，为了满足工业生产和科技上的一些要求。 抗高温氧化镀层，例如，喷气发动机的转子叶片和转子发动机的内腔等，常需要镀镍、钴、铬及铬合金，以防止其在高温腐蚀介质中氧化或热疲劳而损坏。, 导电镀层，在印制电路板、IC元件等，需要大量使用提高表面导电性镀层，通常采用镀铜、银和金。 磁性镀层，在电子计算机和录音机等设备中，所使用的录音带、磁盘和磁鼓等储存装置均需要磁性材料。 焊接性镀层，有些电子元件器件进行组装时，常需要进行钎焊，为了改善和提高它们的焊接性能，在表面需要镀一层铜、锡、银以及锡-铅合金等。 修复性镀层，有些大型和重要的机器部件经过使用磨损后，可以用电镀或刷镀法进行修补。,10.4.2 化
8、学镀 化学镀是利用合适的还原剂被氧化而释放自由电子，把溶解中的金属离子还原为金属原子，并沉积在工件表面的过程。,10.5 气相沉积技术 气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，在材料表面形成具有特殊性能的金属或化合物覆层的工艺方法。,图10-5 气相沉积分类方法,10.5.1 物理气相沉积 物理气相沉积技术是在真空条件或充氩气(Ar)的真空条件下，采用物理方法，将材料源固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。,10.5.2 化学气相沉积 化学气相沉积是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在
9、加热的固态基体材料表面，形成覆盖层的工艺技术。CVD与PVD的区别在于CVD依赖于化学反应生成固态薄膜，它本质上属于原子范畴的气态传质过程。,常见CVD的化学反应有以下几种类型。 (1) 热分解反应，如,(2) 还原反应，如,(3) 氧化反应，如,(4) 水解反应，如,(5) 综合反应，如,10.6 离 子 注 入 离子注入是将元素的原子电离成离子后，在高电场(几十至几百千伏)作用下被加速获得高能量和高速率摄入工件表面的技术。注入是在高真空(10-4 Pa)和较低温度下进行的，基体不受污染，不引起热变形、退火和尺寸的变化。注入原子与基体材料间没有界面，注入层不存在剥落问题。,10.7 热 喷
10、涂 热喷涂是以一定形式的热源将粉末、丝状或棒状喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，通过高速气流并使其雾化，喷射在经过预处理的零件表面，形成喷涂层，用以改善或改变工件表面性能的一种表面工程技术。,图10-6 热喷涂的分类,10.7.1 火焰喷涂 1线材氧-乙炔火焰喷涂技术 线材氧-乙炔火焰喷涂技术以氧-乙炔作为加热金属线材的热源，使金属线材端部连续被加热熔化，借助于压缩空气或惰性气体高速气流使金属丝端部液滴脱落并雾化成颗粒，在火焰和气流的共同推动下，喷射到集基体表面形成“牢固”结合的涂层。图10-7为氧-乙炔火焰线材喷涂原理示意图。,图10-7 线材火焰喷涂原理示意图,2粉末氧-乙炔火焰喷涂技术 粉
11、末氧-乙炔火焰喷涂技术与线材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料不是线材而是粉末，同时不用压缩空气。喷涂粉末在气流的作用下，从喷嘴端部的燃烧火焰中喷出被加热、加速而成为熔融颗粒，喷射并沉积到基体表面形成“牢固”结合的涂层。,10.7.2 电弧喷涂 电弧喷涂是以两电极之间的气体介质放电产生的电弧为热源，用高速气流将熔化金属的液滴从金属丝端部脱离、雾化，并高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺。,10.7.3 等离子喷涂 等离子喷涂是利用在阴极和阳极之间产生的直流电弧把气体电离后形成的等离子焰，将喷涂粉末加热、熔化、加速和喷射到基体表面形成的一种工艺涂层。,10.8 堆 焊 1轧辊堆焊 各类轧辊都要承受大载
12、荷、高温磨损、热疲劳等因素的作用，要求有高的耐金属间磨损的能力，并能承受一定的冲击。轧辊早期报废的主要原因是磨损和表面裂纹，如冷热交替环境导致的龟裂、因挤压产生的粘着磨损和磨粒磨损等。,2阀门密封面堆焊 阀门的寿命和工作可靠性主要取决于其密封面的质量，密封面不仅因阀门周期性的开启和关闭而受到擦伤、挤压和冲击的作用，而且还因所处工作环境和介质而受到高温、腐蚀、氧化等作用，我国石化企业因密封面失效导致阀门报废而造成的损失十分严重。,3高炉料钟堆焊 高炉料钟堆焊的工况比较复杂，既要经受金属矿石、石灰石、焦炭等的磨料磨损，且有一定的温度，还经常有冲击作用，密封面还要受到带尘高温气流的冲刷，等等。,4挖
13、掘机铲斗和斗齿堆焊 挖掘机铲斗受到磨料磨损和冲击的双重作用。如果在沙性土壤中工作，主要是低应力磨料磨损，只要求堆焊层有中等的耐磨料磨损性，多用马氏体钢堆焊；如果在岩石性土壤中工作，主要是凿削磨损，则用合金铸铁堆焊材料堆焊。斗齿受到的冲击力很大，一般用奥氏体高锰钢制造，并在磨损最严重区域堆焊高铬合金铸铁，提高抗磨性。,5刮板输送机中部槽中板堆焊 刮板输送机属于井下机械化采煤设备。中部槽中板的磨损主要是低应力磨料磨损，对耐冲击性没有要求，要求堆焊硬度大于等于58 HRC。采用Fe-05自熔性耐磨合金粉块，碳极空气等离子堆焊及手工碳弧堆焊均取得很好效果。,10.9 熔 覆 技 术 10.9.1 激光
14、熔覆 1激光熔覆及其应用 激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它是指在被涂敷表面基体上，以不同的填料方式放置选择的涂层材料，以激光辐射使之和基体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体金属成冶金结合的涂层，从而显著改善基体材料表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。,2激光熔覆技术工艺及特点 按照激光束工作方式的不同，激光熔覆技术可分为脉冲激光熔覆和连续激光熔覆。脉冲激光熔覆一般采用YAG脉冲激光器，连续激光熔覆多采用连续波CO2激光器。,脉冲激光熔覆的技术特点是： 加热速度和冷却速度极快，温度梯度大； 可以在相当大范围内调节合金元素在基体中的饱和程度； 生产效率低，
15、表面易出现鳞片状宏观组织。 连续激光熔覆的技术特点是： 生产效率高； 容易处理任何形状的表面； 层深均匀一致。,图10-8 激光熔覆装置示意图,3激光熔覆材料 激光熔覆材料主要是指形成熔覆层所用的原材料。熔覆材料的状态一般有粉末状、丝状、片状及膏状等。其中粉状材料应用最为广泛。,10.9.2 氧-乙炔火焰熔覆 氧-乙炔火焰熔覆是一种传统的材料表面改性或零件修复技术，其原理是以氧-乙炔火焰为热源，把自熔剂合金粉末喷涂在经过预处理的工件表面上，然后加热涂层，使其熔融并润湿工件，通过液态合金与固态工件表面的相互溶解于扩散，形成一层呈冶金结合并具有特殊性能的表面熔覆层。,10.10 表面技术选择与设计的一般原则 1适应性原则 适用性主要是指工艺适用性，即评估所选表面技术能否适应(满足)工件的各种要求。,2耐久性原则 零件的耐久性是指其使用寿命。由于运用表面技术是为了对零件的失效进行有针对性的防护，因而采用表面工程技术“强化”(含涂敷、处理和改性)过的零件，其使用寿命应比未强化的要高。零件的使用寿命随其使用目的的不同有着不同的度量方法。,
