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材料表面工程技术-


第七章 材料表面改性技术

材料表面工程技术-表面改性技术

江苏科技大学 材料科学与工程学院 qikailx@sina.com

概念
指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、性能不同的技术。 材料经过表面改性处理后,既能发挥基体材 料的力学性能,又能使材料表面获得各种特殊 性能。

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分类
金属表面形变强化 表面相变硬化 金属表面扩渗 等离子表面处理 电子束表面处理 激光束表面处理 离子注入技术

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§1 金属表面形变强化
一、表面形变强化原理 通过机械手段(滚压、内挤压和喷丸) 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。

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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 密度增大,晶格畸变度增大; 二是形成了高的宏观残余压应力。

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二、表面形变强化的主要方法及应用 主要方法:
滚压 内挤压 喷丸

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喷丸表面形变强化工艺及应用
喷丸材料
铸铁弹丸 铸钢弹丸 钢丝切割弹丸 玻璃弹丸 陶瓷弹丸 聚合塑料弹丸 液态弹丸介质

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喷丸强化用设备
机械离心式喷丸机 气动喷丸机

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§2 表面热处理
表面热处理是指仅对零部件表层加热、冷 却,从而改变表层组织和性能而不改变成分 的一种工艺。

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分类
感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 接触电阻加热表面淬火 浴炉加热表面淬火 电解液加热表面淬火 高密度能量表面淬火 表面保护热处理

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一、感应加热表面淬火
生产中常用高频和中频感应加热淬火。又发 展了超音频、双频感应加热淬火。

原理:
感应加热的物理过程 感应电流透入深度 硬化层深度 组织和性能

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二、火焰加热表面淬火
应用氧——乙炔或其他可燃气体对零件表面 加热,随后淬火冷却的工艺。 优点:设备简单、操作灵活,使用钢种广泛, 零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、畸变小等。 缺点:温度不易控制,噪音大,劳动条件差, 不安全,不易获得薄的表面淬火层。 应用:大尺寸和重量大的工件,批量少品种多 或局部表面淬火零件。

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三、接触电阻加热表面淬火 四、浴炉加热表面淬火 五、电解液加热表面淬火 六、高密度能量表面淬火 七、表面保护热处理

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§3 金属表面化学热处理
概述
金属表面化学热处理过程
利用元素扩散性能,使合金元素渗入金属表层的一 种热处理工艺。 将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定 温度,使活性介质通过分解并释放出欲渗入的活性 原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面 的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层, 从而改变表层的成分、组织和性能。

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金属表面化学热处理的目的
提高金属表面强度、硬度和耐磨性 提高材料疲劳强度 使金属具有良好的抗粘着、抗咬合能力和降低摩擦 系数 提高金属表面的耐蚀性

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渗层的基本组织类型
单相固溶体 化合物 固溶体、化合物多相

化学热处理后的性能 化学热处理种类
固体法 液体法 气体法 等离子法

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一、渗硼
目的:提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性 对象:钢铁、金属陶瓷和某些有色金属,钛、 钽和镍基合金。

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渗硼原理
高温下硼砂与SiC发生反应: Na2B4O7+SiC→Na2O·SiO2+CO2+4[B] 供硼剂为B4C,活性剂为KBF4,反应: KBF4→KF+BF3 4BF3+3SiC+1.5O2→3SiF4+3CO+4B 3SiF4+B4C+1.5O2→4BF3+SiO2+CO+2Si 总反应: B4C+3SiC+3O2→4B+2Si+SiO2+4CO

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渗硼层组织
硼在Fe中的溶解度很小,当含量超过其溶解度 时,就会产生硼的化合物Fe2B(ε)。当B含量大 于质量分数8.83%时,会产生FeB(η’),当硼的 含量在6~16%时会产生FeB与Fe2B白色针状 混合物。一般希望得到单相的Fe2B。

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渗硼层的性能
硬度很高。
Fe2B:1300~1800HV FeB:1600~2200HV

在演算、硫酸、磷酸和碱中具有良好的耐蚀性, 但不耐硝酸。 热硬性高,在800℃时仍保持较高的硬度。 在600℃以下抗氧化性能较好。

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渗硼方法
固体渗硼
粉末渗硼 膏剂渗硼

气体渗硼 液体渗硼 等离子渗硼

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二、渗碳、渗氮、碳氮共渗
提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度。

渗碳、碳氮共渗
结构钢的渗碳 使零件工作表面获得高的硬度、耐磨性、耐 侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度, 而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。

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气体渗碳 盐浴渗碳 固体渗碳

高合金钢的渗碳
工具钢:表面具有高强度、高耐磨性和高热硬性

碳氮共渗
氰化。比渗碳温度低(700~880℃),变形小,且 由于氮的渗入提高了渗碳速度和耐磨性。

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渗氮、氮碳共渗
在含有氮,或氮、碳原子的介质中,将工件加热到一 定温度,钢的表面被氮或氮、碳原子渗入的一种工艺 方法。 渗氮工艺复杂,时间长,成本高,只用于耐磨、耐蚀 和精度要求高的耐磨件,如发动机汽缸、排气阀、阀 门、精密丝杆等。 钢经渗氮后获得高的表面硬度,在加热到500℃时, 硬度变化不大,具有低的划伤倾向和高的耐磨性,可 获得500~1000MPa的残余压应力,使工件具有高的 疲劳极限和高耐蚀性。

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渗氮分类:
低温渗氮:<600℃ 2NH3=3H2+2[N] 高温渗氮:600~1200℃

各种材料
结构钢渗氮 高铬钢渗氮 工具钢渗氮 铸铁渗氮 钛及钛合金渗氮 难熔合金渗氮 钼及钼合金渗氮 铌及铌合金渗氮

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三、渗金属
渗金属方法是使工件表面形成一层金属碳化物的一种 工艺方法,即渗入的金属浴工件表层中的碳结合形成 碳化物的化合物层,如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC 等,次层为过渡层。此类方法适用于高碳钢。 渗金属层的组织:碳化物 渗金属层的性能:硬度极高,耐磨性很好,抗咬合和 抗擦伤能力很高,摩擦系数小。 渗金属方法
气相渗金属法 固相渗金属法

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渗铬
中碳钢渗铬层有两层:
碳化物层, (Cr、Fe)7C3、 (Cr、Fe)23C6、 (Cr、Fe)3C α固溶体层。

工件渗铬后可显著改善在强烈磨损条件下以及在常温、高温腐蚀 介质中工作的物理、化学、力学性能。 中碳钢、高碳钢渗铬层性能均优于渗碳层和渗氮层,但略低于渗 硼层。 高碳钢渗铬后,不仅能提高硬度,而且还能提高热硬性,在850℃ 保持较高的硬度,超过高速钢。 渗铬层具有较高的耐蚀性,对碱、硝酸、盐水、过热空气、淡水 等介质具有良好的耐蚀性,但不耐盐酸。渗铬件能在750℃以下长 期工作,有良好的抗氧化性,但在750℃以上工作不如渗铝件。

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渗钛
提高钢的耐磨性和气蚀性,同时可提高中、高碳钢 的表面硬度和耐磨性。

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渗铝
铝在金属或合金表面扩散渗入的过程。 材料:钢、合金钢、铸铁、热强钢、耐热合金、难 熔金属等。 提高材料的热稳定性、耐磨性和耐蚀性。 适用于石油、化工、冶金等工业管道和容器、炉底 板、热电偶套管、盐浴坩锅和叶片等零件。

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渗铝层性能
当钢中铝的质量分数大于8%时,其表面能形成致密的铝 氧化膜。高过,钢的脆性增加。 渗铝的抗高温氧化性能很好。低碳钢渗铝后能在780℃以 下长期工作;低于900℃以下较长期工作;900~980℃仍 可比未渗铝工件寿命提高20倍。 渗铝件能抵抗H2S、SO2、CO2、H2CO3、HNO3、液氮、 水煤气的腐蚀,尤其抵抗H2S的腐蚀能力最强。

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四、渗其他元素 渗硅
提高零件的耐蚀性、稳定性、硬度和耐磨性。

渗硫
在钢铁表面生成FeS薄膜,一降低摩擦系数, 提高抗咬合性能。

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§4 离子注入表面改性
离子注入是将所需物质的离子在电场中加速后 高速轰击工件表面使之注入工件表面一定深度 的真空处理工艺。 用离子注入法可获得高度过饱和固溶体、亚稳 定相、非晶态和平衡合金等不同组织结构形式, 大大改善了工件的使用性能。

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离子注入特征
可注入任何元素,且不受固溶度和扩散系数的 影响。 离子注入温度和注入后的稳定可以任意控制, 且在真空中进行,不氧化,不变形,不发生退 火软化,表面粗糙度一般没变化,可为最终工 艺。 可控性和重复性好。 可获得两层或两层以上性能不同的复合材料。


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