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1、表面改性技术表面改性技术概述概述定义定义：采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体表面材料的组织结构、性能不同的一种技术。J传统表面改性技术有喷丸强化、表面热处理、化学热处理；J优质清洁表面工程技术包括等离子体、激光、电子束、高密度太阳能表面处理和离子注入表面改性。1.等离子体表面处理等离子体表面处理等离子体表面处理概述等离子体表面处理概述等离子体：等离子体：是一种电离度超过0.1%的气体，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物质状态，被称为物质第四态。等离子体表面处理概述等离子体表面处理概述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、高能粒子等产生；
2、 低温下主要方法是气体放电。分类分类 离子渗碳 离子渗氮 离子碳氮共渗 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件（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。进行渗氮的工艺。离子渗氮的溅射和沉积理论离子渗氮的溅射和沉积理论渗氮层的形成渗氮层的形成：反应阴极溅射。详细过程详细过程：真空炉中,稀薄气体在阴极、阳极间的直流高压下形成等离子体，N+、H+、NH3+等正离子轰击阴极工件表面，轰击的能量可加热阴极，工件发生二次电子发射，同时阴极溅射，从工件上打出C、N、O、Fe等。Fe
3、与阴极附近活性氮原子形成FeN，由于背散射又沉积到阴极表面，FeN分解，FeN-Fe2N-Fe3N-Fe4N，分解出的氮原子大部分渗入工件表面内，一部分返回到离子区。示意图如下：N+H+NH3+材料表面阴极CNOFeFeNFeNFe2NFe3NFe4N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方离子渗氮是应用广泛的一种化学热处理方法。离子渗氮法。离子渗氮成本低成本低,气氛可控气氛可控,热效率高热效率高。离子渗氮形成的氮化层可以大大提高热作离子渗氮形成的氮化层可以大大提高热作模具钢的模具钢的表面硬度和耐磨损性能表面硬度和耐磨损性能,从而延长从而延长模具寿命模具寿命,防止模具磨
4、损失效。因此离子渗防止模具磨损失效。因此离子渗氮是热作模具钢常用的表面处理工艺氮是热作模具钢常用的表面处理工艺,在工在工业上已经得到广泛的应用。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装：自制的活性屏离子渗氮实验装置置纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理及纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理及其影响因素其影响因素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(x23)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
5、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 mm15mm5mm 的的38CrMoAl钢、钢、25mm25mm0.5mm 的的T2 纯铜片。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先经纯化处理以减小氮气中的含氧量及干燥氮气。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、试样和铜片分别用丙酮、酒精清洗后装入炉内。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,
6、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 进行纯氮进行纯氮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; 电压电压高于高于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大维氏硬度计试件允许最大高度：高度：130毫米毫
7、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(
8、Fe3O4)和少量和少量的铁的氮化物的铁的氮化物(-Fe4N、-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(, 少量少量)和和少量的氧化物少量的氧化物, 并且随着电压的升高并且随着电压的升高, 增多增多, 和和Fe3O4 减少。电压减少。电压达到达到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
9、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。氮原子的产生氮原子的产生：分两步，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
10、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, 当粒子沉积于试样表面后当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氮原子, 脱附出的
11、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。2.激光表面处理激光表面处理概述概述目的目的：改变表面层的成分和显微结构，以改变表面层的成分和显微结构，以提高表面性能，适应基体材料的需要提高表面性能，适应基体材料的需要。激光表面处理工艺包括：激光表面处理工艺包括： 激光相变硬化；激光相变硬化； 激光熔覆；激光熔
12、覆； 激光合金化；激光合金化； 激光非晶化；激光非晶化； 激光冲击硬化等。激光冲击硬化等。概述概述设备设备：CO2激光器激光器激光与金属相互作用激光与金属相互作用 光能光能-热能热能-熔点（熔点（us、ns、ps）激光处理前表面预处理激光处理前表面预处理 激光波长激光波长 ，吸收率，吸收率 磷化、黑化和涂覆红外能量吸收材料（如石墨、磷化、黑化和涂覆红外能量吸收材料（如石墨、含炭黑的涂料等）含炭黑的涂料等） 磷化工艺繁琐，黑化简单，激光吸收率高达磷化工艺繁琐，黑化简单，激光吸收率高达90%。激光表面合金化激光表面合金化概述概述定义定义：用镀膜或喷涂等技术把所需合金元：用镀膜或喷涂等技术把所需合金
13、元素涂敷在金属表面，利用激光照射使敷层素涂敷在金属表面，利用激光照射使敷层合金元素和基体表面薄层融化、混合，而合金元素和基体表面薄层融化、混合，而形成新的表层，从而改善表层耐磨性、耐形成新的表层，从而改善表层耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。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：激光粉末涂覆合金化激光粉末涂覆合金化激光硬质粒子喷射合金化激光硬质粒子喷射合金化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粉激光表面合金粉激光表面合金化研究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
14、约为的质量分数约为6% ,-A l软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用时存在硬度低、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤零件使用时存在硬度低、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤等缺陷等缺陷,不能直接用于发动机气缸内壁等缺陷。不能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，铝合金气缸内表面内衬缸套，内衬缸套增加了缸体的重量，且铸铁缸套与铝合金热膨胀系数不同，在使用过程中也存且铸铁缸套与铝合金热膨胀
15、系数不同，在使用过程中也存在问题在问题; 另一种方法是采用铝硅合金气缸，以合金中的另一种方法是采用铝硅合金气缸，以合金中的Si作作为主要相。而铝硅合金有较好的耐磨性，但其铸造成本高，为主要相。而铝硅合金有较好的耐磨性，但其铸造成本高，且合金中出现粗大的板条状且合金中出现粗大的板条状Si相，使合金基体受到严重割裂，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、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。韧性。研究内容研究内容低低Si含量的含量的A357合金为基，采用激光表面合金为基，采用激光表面合金化技术，选用合金化技术，选用Si粉末作为合金化涂层
16、材粉末作为合金化涂层材料，适当提高基体合金中的料，适当提高基体合金中的Si含量，制备高含量，制备高硅硅Al2Si合金涂层，研究了激光表面合金化合金涂层，研究了激光表面合金化涂层的组织和性能。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(质量分质量分数数, % )为为7. 63Si、0. 54Mg, 其余其余Al。试样尺寸为。试样尺寸为70 mm 10 mm的圆片。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5w
17、t%的的NaOH溶液浸泡溶液浸泡5 min用以去除试样表面用以去除试样表面的油迹的油迹,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,并且可以起并且可以起到黑化的作用到黑化的作用,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 %的聚的聚乙烯醇有机粘结剂调成糊状乙烯醇有机粘结剂调成糊状,然后均匀地涂刷到基板合金然后均匀地涂刷到基板合金表面表面,涂刷厚度为涂刷厚度为0. 5 mm左右。左右。1试验材料及方
18、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 横流激光器横流激光器,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,光光斑直径斑直径3. 0 mm,扫描速度为扫描速度为15 mm / s,搭搭接率接率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粉末激光表面合粉末激光表面合金化高硅金化高硅Al2Si合金涂层的大面积搭接表面宏观照片。由合金涂层的大面积搭接表面宏观照片。由图图1可见可见,多道搭接获得的大面积激光表面合金化层表面比多道搭接获得的大面积激光表面合金化层
19、表面比较平整、光滑较平整、光滑,且表面无气孔、裂纹等缺陷且表面无气孔、裂纹等缺陷,宏观表面质量宏观表面质量较好。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
20、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、具使得合金化涂层组织均匀细小、具有优异的强韧性配合有优异的强韧性配合,故整个涂层硬度分布比较均
21、匀。激光表面合金化层中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细小的未熔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。激光表面合金增加了涂层的维氏硬度。激光表面合金化高硅化高硅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,进而为一定程度上进而为一定程度上提高铝合金的耐磨性奠定了基础。提高铝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
22、润滑介质润滑介质：L2AN22机油机油 试样尺寸试样尺寸：24. 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。
