湖大材料工程基礎(chǔ)課件第七章 表面涂層與處理

第7章表面涂層與處理1/30/20241材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

機(jī)械產(chǎn)品的故障往往是個(gè)別零件失效造成的，而零件失效往往是由于局部表面造成的，腐蝕從零件表面開始，磨擦、磨損在零件表面發(fā)生，疲勞裂紋由零件表面向里延伸。如果采用表面處理技術(shù)將機(jī)械產(chǎn)品中那些易損零件的易損表面的失效期延長，則產(chǎn)品整體性能就可以得到提高。

1/30/20242材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理表面涂層與處理是通過涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況以獲得所需要表面性能的加工方法。作用：外觀美容、免受環(huán)境損傷、提高抗熱、抗磨損、抗疲勞以及電絕緣性等。方法：

（1）涂抹一層薄的聚合物、陶瓷或金屬涂層；（2）通過擴(kuò)散或離子注入等改變表面化學(xué)成分；（3）利用噴砂或噴丸處理對表面進(jìn)行簡單的機(jī)械強(qiáng)化。1/30/20243材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

常用的表面技術(shù)有：堆焊技術(shù)、熔結(jié)技術(shù)(低真空熔結(jié)、激光熔敷等)，電鍍、電刷鍍及化學(xué)鍍技術(shù)，熱噴涂技術(shù)(火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、高能超聲速噴涂等)，粘接技術(shù)、涂裝技術(shù)，物理與化學(xué)氣相沉積技術(shù)(真空蒸鍍、離子濺射、離子鍍)，以及化學(xué)熱處理，激光相變硬化、激光非晶化、激光合金化、電子束相變硬化、離子注入等

1/30/20244材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理§7.1表面涂層一、上油漆特點(diǎn)：具有裝飾特性與保護(hù)工件不受環(huán)境損傷的性能，工藝簡單，通常采用刷、蘸或噴的方法。典型工藝：靜電上漆給予涂料的微粒和上漆的表面以相反的電荷，涂料微粒被吸引到靶材的表面。（對容器拐角處非常有效）1/30/20245材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理二、氣相沉積物理氣相沉積（PVD）：用熱蒸發(fā)或電子束、激光束轟擊靶材等方式產(chǎn)生氣相物質(zhì)，在真空中向基片表面沉積形成薄膜的過程，包括：蒸發(fā)鍍膜、濺射沉積和離子鍍膜等物理方法。

蒸發(fā)鍍膜

利用電阻加熱、高頻加熱、載能束等轟擊使鍍料轉(zhuǎn)化為氣相以達(dá)到沉積的目的。其中激光物理氣相沉積方法可以高效、高質(zhì)地在基片表面形成硬質(zhì)氧化物、氮化物陶瓷膜、氧化鋁膜、以及超導(dǎo)薄膜。

1/30/20246材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

濺射沉積

以離子轟擊靶材料，使其濺射并沉積到基體材料上稱為濺射沉積。包括：二極濺射、三極濺射、四極濺射、磁控濺射、射頻濺射和反應(yīng)濺射等技術(shù)。

離子鍍

離子鍍是在鍍膜的同時(shí)采用離子轟擊基體表面和膜層的鍍膜技術(shù)，包括空心陰極離子鍍和多弧離子鍍等，廣泛用于在高速鋼刀具表面鍍超硬TiN膜，在渦輪機(jī)葉片上鍍防熱腐蝕膜，可大大延長部件的使用壽命。

1/30/20247材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理化學(xué)氣相沉積（CVD）

利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程。優(yōu)點(diǎn)：沉積速率高，每小時(shí)可沉淀數(shù)十微米以上；通過調(diào)節(jié)參數(shù)可以控制沉積層的化學(xué)組成、形貌、晶體結(jié)構(gòu)和晶向等，還可以利用中等溫度和高氣壓的反應(yīng)劑氣體源，來沉積高熔點(diǎn)的相，如在900℃下可沉積熔點(diǎn)3225℃的TiB2?；瘜W(xué)氣相沉積的處理溫度相對比較低，沉積層均勻。1/30/20248材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理不足之處：基體材料要加熱，往往引起基體材料中的相變、晶粒的長大和組分的擴(kuò)散；氣相反應(yīng)劑的腐蝕性常常會影響基體材料，導(dǎo)致沉積層多孔、粘著力低和化學(xué)污染；此外，化學(xué)氣相沉積是平衡過程，不能得到亞穩(wěn)態(tài)材料。方法：常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積、激光化學(xué)氣相沉積、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積和等離子體化學(xué)氣相沉積等。

1/30/20249材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理涂層材料：幾十種（主要是金屬碳化物、氮化物、硼化物和氧化物）和上百種反應(yīng)體系。例如硬質(zhì)合金刀具+碳化鈦和碳氮化鈦涂層：硬度可達(dá)基體的二倍，僅次于金剛石，潤滑性和耐磨性很好，大大延長刀具壽命，改進(jìn)工件的表面質(zhì)量。又如鋼鐵碳化鈦涂層復(fù)合材料作為工模具或耐磨部件，已廣泛用于板金壓力加工、紡織、粉末冶金、陶瓷、塑料及鋼絲繩加工等各種工業(yè)部門。

1/30/202410材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理三、熱噴涂定義：采用氣體、液體燃料或電弧、等離子、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料及其復(fù)合材料等噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，形成附著牢固的表面層的加工方法。特性：①熱噴涂的種類多、涂層的功能多、適用范圍廣；②工件受熱程度可控，不發(fā)生畸變；③適用熱噴涂的零件范圍寬、厚度可調(diào)范圍大；④設(shè)備簡單、工藝靈活、生產(chǎn)率高；⑤操作環(huán)境較差，需加以防護(hù)。

1/30/202411材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理涂層結(jié)合機(jī)理

（1）機(jī)械結(jié)合（2）冶金-化學(xué)結(jié)合（3）物理結(jié)合1/30/202412材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理熱噴涂材料

硬質(zhì)耐磨復(fù)合粉末：Co-WC，NiCr-Cr3C2耐高溫和隔熱復(fù)合粉末：ZrO2，Al2O3，TiO2，Y2O3絕緣和導(dǎo)電復(fù)合粉末：陶瓷氧化物；Cu、Ag等減摩潤滑復(fù)合粉末：石墨，MoS，硅藻土，聚四氟乙烯紅外線輻射和防輻射復(fù)合粉末：Al2O3-TiO2，NiO-Cr2O31/30/202413材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理噴涂方法火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂1/30/202414材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理火焰噴涂1/30/202415材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202416材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202417材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202418材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理塑料粉末火焰噴涂技術(shù)

利用燃燒氣體形成的火焰將塑料粉末加熱到熔融狀態(tài)并噴射到工件表面，形成涂層的一種工藝。用壓縮空氣將塑料粉末通過噴槍的中心管道噴出；在塑料粉末的外圍噴出冷卻用的壓縮空氣，以構(gòu)成幕簾；在最外層則為燃燒氣體形成的火焰。這樣，火焰隔著壓縮空氣幕簾將塑料粉末加熱至熔融狀態(tài)，從而在工件上形成涂層。

1/30/202419材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202420材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202421材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理電弧噴涂

以電弧為熱源，將金屬熔化并用氣流霧化，使熔融粒子高速噴到工件表面形成涂層的一種工藝。

1/30/202422材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理等離子噴涂

以等離子弧為熱源的熱噴涂。等離子發(fā)生器又叫等離子噴槍，根據(jù)工藝的需要經(jīng)進(jìn)氣管通入氮?dú)饣驓鍤?。也可以再通?5~10)%的氫氣。這些氣體進(jìn)入弧柱區(qū)后，將發(fā)生電離，成為等離子體。

1/30/202423材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

由于鎢極與前槍體有一段距離，故在電源的空載電壓加到噴槍上以后，并不能立即產(chǎn)生電弧，還需在前槍體與后槍體之間并聯(lián)一個(gè)高頻電源。高頻電源接通使鎢極端部與前槍體之間產(chǎn)生火花放電，于是電弧便被引燃。電弧引燃后，切斷高頻電路。

1/30/202424材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

引燃后的電弧在孔道中受到三種壓縮效應(yīng)，溫度升高，噴射速度加大，此時(shí)往前槍體的送粉管中輸送粉狀材料，粉末在等離子焰流中被加熱到熔融狀態(tài)，并高速噴打在零件表面上。當(dāng)撞擊零件表面時(shí)熔融狀態(tài)的球形粉末發(fā)生塑性變形，粘附在零件表面，各粉粒之間也依靠塑性變而互相鉤連起來，隨著噴涂時(shí)間的增長，零件表面就獲得了一定尺寸的噴涂層。

1/30/202425材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202426材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理電火花表面強(qiáng)化

通過電火花放電的作用把一種導(dǎo)電材料涂敷熔滲到另一種導(dǎo)電材料的表面，從而改變后者表面物理和化學(xué)等性能的工藝方法。1/30/202427材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理四、電鍍、電刷鍍和化學(xué)鍍電鍍

定義：在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，以被鍍基體金屬為陰極，通過電解作用，使溶液中欲鍍金屬的陽離子在基體金屬表面沉積出來，形成鍍層的表面加工方法。電鍍液的基本成分及其作用(1)主鹽：鍍液中在陰極沉積出所要求鍍層的金屬鹽(2)導(dǎo)電鹽：堿金屬或堿土金屬的鹽類。1/30/202428材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理(3)絡(luò)合劑：使待鍍的金屬離子以絡(luò)離子形式存在，從而增大金屬離子析出過電位(增大極化作用)，使鍍層細(xì)致緊密、均鍍能力好。常用絡(luò)合劑有氰鹽、焦磷酸鹽、三乙醇胺和乙二胺等。(4)陽極活化劑：促進(jìn)陽極溶解的物質(zhì)，如鹵素離子、酒石酸鹽、檸檬酸鹽(5)緩沖劑：穩(wěn)定鍍液的PH值，主要有弱酸、弱堿及其鹽類。(6)添加劑：改善鍍層的質(zhì)量，如防針孔劑、光亮劑、整平劑等。1/30/202429材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理應(yīng)用

鍍鋅－防腐(約占電鍍的60%)鍍銅－防護(hù)裝飾性鍍層的底層，鋼鐵件的防滲碳，印刷線路板、塑料電鍍等。鍍鎳－耐蝕鍍鉻－美麗光澤、耐腐蝕、硬度高且摩擦系數(shù)小，可用于裝飾、耐磨損和耐蝕。1/30/202430材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理電鍍合金特點(diǎn)(1)可制取高熔點(diǎn)金屬與低熔點(diǎn)金屬組成的合金；(2)可制取平衡相圖沒有的、與冶煉合金明顯不同的物相；(3)可獲得非晶；(4)單獨(dú)從水溶液中不能析出的金屬如W、Mo、Ti等可以合金形式析出，如Ni-Mo、Cd-Ti；(5)出現(xiàn)電位較負(fù)的金屬優(yōu)先析出的特異現(xiàn)象。1/30/202431材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理電刷鍍

采用專用的直流電源設(shè)備，電源的正極接鍍筆，作為刷鍍時(shí)的陽極，電源的負(fù)極接工件，作為刷鍍時(shí)的陰極。鍍筆通常采用高純細(xì)石墨塊作陽極材料，石墨塊外面包裹上棉花和耐磨的滌棉套。

在被鍍零件表面局部快速電沉積金屬鍍層的技術(shù)，本質(zhì)是依靠一個(gè)與陽極接觸的墊或刷提供電鍍需要的電解液的電鍍。

1/30/202432材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202433材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

刷鍍時(shí)使浸滿鍍液的鍍筆以一定的相對運(yùn)動(dòng)速度在工件表面上移動(dòng)，并保持適當(dāng)?shù)膲毫?。在鍍筆與工件接觸的部位，鍍液中的金屬離子在電場力的作用下擴(kuò)散到工件表面，并在工件表面獲得電子被還原成金屬原子，這些金屬原子在工件表面沉積結(jié)晶，形成鍍層。隨著刷鍍時(shí)間的增長，鍍層逐漸增厚。

1/30/202434材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理（1）優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)備簡單，攜帶方便，不需要大的鍍槽；工藝簡單，操作方便，特別適合不解體機(jī)件的現(xiàn)場維修和野外搶修；鍍層種類多，與基體結(jié)合力強(qiáng)；

沉積速度快。（2）缺點(diǎn)：

勞動(dòng)強(qiáng)度大，消耗鍍液較多，消耗陽極包纏材料。1/30/202435材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理化學(xué)鍍（自催化鍍、無電解鍍、ElectrolessPlating）

定義：在沒有外電流通過的情況下，利用還原劑，在鍍層物質(zhì)溶液中進(jìn)行化學(xué)還原反應(yīng)，在鍍件的固液兩相界面上析出和沉積得到鍍層。特點(diǎn)：①可在復(fù)雜的鍍件表面形成均勻的鍍層；②不需要導(dǎo)電電極；③通過敏化處理活化，可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非導(dǎo)體上鍍膜；④鍍層孔隙率低，耐蝕性好；⑤溶液穩(wěn)定性差，使用溫度高，壽命短。1/30/202436材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理鎳、銅、鈷、金、銀等金屬及合金都能采用化學(xué)鍍的方法沉積。非金屬材料通過化學(xué)沉積方法也可以鍍鎳、銅、金、銀等，而且非金屬材料電鍍之前的表面金屬化主要靠化學(xué)鍍。非金屬材料在化學(xué)鍍之前的預(yù)處理比較復(fù)雜。1/30/202437材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1、封閉處理對于多孔的非金屬材料，首先要封閉表面孔隙。方法是把制件浸在105℃的熔融石蠟中，然后取出滴干和冷卻，去除多余石蠟，使表面平整。2、去應(yīng)力塑料化學(xué)鍍前進(jìn)行去應(yīng)力。方法是把塑料制品放在溫度為(655)℃的烘箱內(nèi)恒溫2h。3、除油去除油污，增加鍍層與非金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度，可采用有機(jī)溶劑除油和堿液除油法。1/30/202438材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理4、粗化粗化的作用是在非金屬材料表面呈現(xiàn)微觀粗糙，從而增大鍍層與基體的接觸面積，使鍍層與基體結(jié)合得更加牢固。常用的方法有機(jī)械粗化（一般采用砂紙打磨、滾磨、噴砂等方法）和化學(xué)粗化（氧化、蝕刻）。機(jī)械粗化和化學(xué)粗化形成凹坑示意圖(a)機(jī)械粗化；(b)化學(xué)粗化1/30/202439材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

5、敏化敏化就是在經(jīng)過粗化的非金屬表面上，吸附一層易被氧化的物質(zhì)，以便在下一道工序活化處理時(shí)，在制件表面形成一層具有催化作用的金屬薄膜。

6、活化活化處理的目的是在非金屬表面形成具有催化作用的金屬膜。方法是把經(jīng)過敏化處理的非金屬制品放在含有銀、鈀、鉑的化合物溶液中，這些貴金屬離子被二價(jià)錫還原成金屬微粒，使之緊密地附著在非金屬制品表面上。1/30/202440材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理熱浸鍍

將工件浸在熔融的液態(tài)金屬中，在工件表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，取出冷卻后表面形成所需的金屬鍍層。常見實(shí)例：鋼板鍍鋅1/30/202441材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理五、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜是指金屬表面原子與某些介質(zhì)中的負(fù)離子反應(yīng)形成的膜。膜與基體結(jié)合良好，不溶于水和某些介質(zhì)，通常是一種穩(wěn)定的化合物。金屬可以通過陽極氧化、化學(xué)氧化，以及鉻酸鹽、磷酸鹽、草酸鹽等處理形成不同類型的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。常見的有鋁及其合金的陽極氧化、鋼鐵零件的化學(xué)氧化及磷酸鹽處理等。1/30/202442材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理典型工藝：鋁及其合金的陽極氧化1、成膜反應(yīng)以鋁及其合金作為電解池陽極，常用的電解液為酸性，陽極氧化時(shí)生成氧化物的反應(yīng)可表示為：

H2O-2e

[O]+2H+2Al+3[O]

Al2O3+1669J同時(shí)，酸對金屬鋁和氧化物有溶解作用：

2Al+6H+

2Al3++3H2

Al2O3+6H+

2Al3++3H2O膜層生成速度只有大于溶解速度，才能不斷長大。1/30/202443材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理2、膜的組織和性能

(1)膜的組織結(jié)構(gòu)密膜/阻擋層：致密無孔，厚度約為0.01~0.1

m，一般認(rèn)為密膜是非晶態(tài)的Al2O3?？啄ぃ悍涓C狀結(jié)構(gòu)，較厚，疏松多孔，電阻低。主要由AlO(OH)和

-Al2O3混合組成的晶體結(jié)構(gòu)。電解液對孔底每個(gè)膜胞的溶解作用形成。鋁在120V電壓下在4%磷酸溶液里生成的氧化物膜底結(jié)構(gòu)模型1/30/202444材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理(2)膜的性能密度和厚度：陽極氧化膜的密度是3.1g/m3，膜的厚度視制取條件而異。色澤：陽極氧化膜固有的顏色取決于電解液和基體金屬成分。不同電解液獲得膜的色澤大致如下：

合金元素對膜的色彩的影響：純鋁和含量不超過5%的鎂、鋅合金鋁都能形成無色和近于透明的膜，工業(yè)純鋁中存在的鐵使膜變?yōu)榧t色，鋁合金中的鉻可使膜變?yōu)榻瘘S色。1/30/202445材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理膜的力學(xué)性能：氧化鋁本身的硬度很高(2000HV)，但多孔的氧化膜硬度低得很多(100~300HV)。氧化膜是脆性的，具有低的拉伸強(qiáng)度和延伸率。但與基體的結(jié)合強(qiáng)度卻比金屬鍍層高得多，如彎曲至膜與基體一起破裂，氧化膜也不會從基體上剝落下來。膜的抗蝕性：堿能強(qiáng)烈腐蝕鋁及其合金的氧化膜，但在大氣及海洋性氣候條件下具有良好的抗蝕性。膜層厚度不均，孔穴、裂紋等缺陷都會降低氧化膜的防護(hù)能力。經(jīng)封閉處理可使膜孔閉合，提高膜的抗蝕性。1/30/202446材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理§7.2表面處理表面處理是通過改變其化學(xué)成分，發(fā)生加工硬化或經(jīng)過熱處理等方法使工件表面硬化。§7.2.1表面熱處理—表面淬火表面淬火原理：用電磁感應(yīng)、火焰、激光等加熱方法對零件表面迅速加熱，使表面材料快速加熱到相變臨界點(diǎn)以上而較變?yōu)榧?xì)小的奧的體組織，心部材料仍保持在相變臨界點(diǎn)以下，保持原有組織，其后用水或油、或依靠母材快速冷卻達(dá)到淬火目的，獲得微細(xì)的馬代氏體組織，從而提高了零件的表面硬度和耐磨性。而零件心部因未生相變，仍保持其強(qiáng)度高、韌性好的性能特點(diǎn)。1/30/202447材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理一、感應(yīng)加熱表面淬火

定義：采用一定方法使工件表面產(chǎn)生一定頻率的感應(yīng)電流，將零件表面迅速加熱，然后迅速淬火冷卻的一種熱處理操作方法?；驹韺⒕€圈(感應(yīng)器)通入交變電流，線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，若將工件(導(dǎo)體)置于交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)。其電流頻率與線圈中電流頻率相同，由于集膚效應(yīng)，電流主要集中在工件表面，通過電流熱效應(yīng)，使工件獲得很快的加熱速度。1/30/202448材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理感應(yīng)加熱表面淬火示意圖1/30/202449材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理感應(yīng)加熱的頻率選用

δ—感應(yīng)電流透入工件表層的深度（mm）

—電阻率

—導(dǎo)磁率

f—電流頻率（Hz）頻率越高，電流的透入深度越淺，工程上根據(jù)對零件要求的硬化層深度不同，選擇不同頻率的感應(yīng)加熱設(shè)備。1/30/202450材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理（1）高頻加熱：電流頻率在100~500kHz，一般最常用為200~300kHz，最佳硬化深度為0.5~2.5mm，設(shè)備為電子管式高頻加熱裝置。（2）中頻加熱：電流頻率在500~10000Hz，常用為2500Hz~8000Hz，最佳硬化深度為2~10mm，設(shè)備為機(jī)械式中頻加熱裝置或可控硅中頻發(fā)生器。（3）工頻加熱：電流頻率為50Hz，最佳硬化深度為10~20mm，設(shè)備為機(jī)械式工頻加熱裝置。1/30/202451材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202452材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理感應(yīng)加熱方式(a)同時(shí)加熱法；(b)連續(xù)加熱法

大批量生產(chǎn)，設(shè)備功率足夠大選用(a)；單件小批量生產(chǎn)，且設(shè)備功率不足，選用(b)。1/30/202453材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)

①加熱速度極大，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度升高，轉(zhuǎn)變溫度范圍擴(kuò)大，轉(zhuǎn)變所需時(shí)間縮短。②可以在工件表層得到極細(xì)的所謂“隱晶馬氏體”組織，它使表面具有比普通淬火稍高的硬度（高2~3HRC）和較低的脆性，并具有較高的疲勞強(qiáng)度。③工件不易氧化和脫碳，變形也小。④淬硬層深度易于控制，淬火操作容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。1/30/202454材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理二、火焰加熱表面淬火定義：用乙炔-氧或煤氣-氧的混合氣體燃燒的火焰，噴射在零件表面上，使它快速加熱，當(dāng)達(dá)到淬火溫度時(shí)立即噴水冷卻，從而獲得預(yù)期的硬度和淬硬層深度的一種表面淬火方法。特點(diǎn)：淬硬層深度一般為2~6mm，方法簡便，無需特殊設(shè)備，可適用單件或小批量生產(chǎn)的大型零件和需要局部淬火的工具或零件，如大型軸類、大模數(shù)齒輪、錘子等。但火焰加熱表面淬火較易過熱，淬火質(zhì)量往往不夠穩(wěn)定。1/30/202455材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

火焰加熱表面淬火示意圖

1/30/202456材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理§7.2.2化學(xué)表面改性化學(xué)表面改性是通過原子擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等方法，使被處理材料表面成分、組織、形貌發(fā)生改變，從而使表面獲得不同于基體材料性能的工藝方法。鋼的化學(xué)熱處理定義：將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素滲入工件表面，以改變表層化學(xué)成分和組織，從而使工件表面具有不同于其心部性能的一種熱處理工藝。1/30/202457材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理特點(diǎn)：

（1）表面層不僅有組織變化，且有成分變化；（2）鋼件表面可以獲得比表面淬火所具有的更高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，同時(shí)心部仍保持良好的塑性和韌性?；具^程：（1）滲劑中的反應(yīng)：在一定溫度下從滲劑中分解出含有被滲元素的“活性原子”的過程。（2）滲劑中的擴(kuò)散：“活性原子”通過擴(kuò)散被輸送到工件表面。1/30/202458材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理（3）界面反應(yīng)：“活性原子”被工件表面吸附、催化，發(fā)生反應(yīng)，被滲元素滲入表層，反應(yīng)副產(chǎn)品離開表面向介質(zhì)擴(kuò)散。（4）金屬中的擴(kuò)散：滲入元素在金屬內(nèi)部擴(kuò)散形成擴(kuò)散層。（5）金屬中的反應(yīng)：被滲元素超過其過飽和濃度時(shí)，析出沉淀相。方法：按滲入元素的名稱分，如滲碳、滲氮、滲硼、滲金屬等。兩種及其以上元素同時(shí)滲入稱為共滲，如碳氮共滲，碳氮硼三元共滲。1/30/202459材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理典型工藝（1）鋼的滲碳（Carburizing）定義：為了增加鋼件表層的含碳量和一定的濃度梯度，將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面的工藝稱滲碳。目的：提高表面的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，心部仍保持良好的韌性及塑性。應(yīng)用：主要用于表面受嚴(yán)重磨損并受較大沖擊載荷的零件，例如汽車齒輪、活塞銷、套筒等。1/30/202460材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理滲碳方法

①氣體~：向爐內(nèi)滴入易分解有機(jī)液體（如煤油、甲醇+丙酮等），或直接通入滲碳?xì)怏w（如煤氣、丙烷、石油液化氣等）2CO→CO2+[C]CO2+H2→H2O+[C]CnH2n→nH2+n[C]

CnH2n+2→(n+1)H2+n[C]1/30/202461材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理氣體滲碳工藝滲碳溫度的選擇

900～950℃：溫度升高，擴(kuò)散過程顯著增加；過高將會導(dǎo)致奧氏體晶粒顯著長大，滲碳件組織和性能惡化，工件的變形增加，設(shè)備壽命縮短。滲碳時(shí)間：滲層深度∝滲碳時(shí)間的平方根碳勢控制：碳勢是表征含碳?xì)夥赵谝欢囟认赂淖児ぜ砻婧剂磕芰Φ膮?shù)，用低碳鋼箔在含碳?xì)夥罩械钠胶夂剂縼肀硎?。在?shí)際生產(chǎn)中，通過控制爐氣的碳勢以達(dá)到控制零件表面含碳量。1/30/202462材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理②固體滲碳法固體滲碳劑通常是一定粒度的木炭與（15~20）%的碳酸鹽（BaCO3或Na2CO3）

C+O2→CO2BaCO3→BaO+CO2CO2+C→2CO1/30/202463材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理③真空滲碳及離子滲碳真空加熱的特點(diǎn)：氧化作用被抑制；工件表面凈化作用；脫氣作用；蒸發(fā)現(xiàn)象；加熱速度慢。真空滲碳的特點(diǎn)：工藝周期短，較普通氣體滲碳速度快3~4倍；氣體消耗量少；滲層質(zhì)量好；工件變形小；對環(huán)境污染小，自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)條件好。1/30/202464材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理離子滲碳：在壓力低于105Pa的滲碳?xì)夥罩?，利用工件（陰極）和陽極間產(chǎn)生輝光放電進(jìn)行滲碳。特點(diǎn)：具有高濃度滲碳、深滲層滲碳和對于燒結(jié)件和不銹鋼等難滲碳件進(jìn)行滲碳的能力。滲速快、滲層致密性好、變形小、表面清潔光亮、節(jié)能無公害。耐磨性和疲勞強(qiáng)度高于普通滲碳件。1/30/202465材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202466材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202467材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理低碳鋼滲碳后緩冷的組織滲碳用鋼

15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB、18Cr2Ni4WA、20CrMnMoVBA1/30/202468材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理滲碳后的熱處理①直接淬火+低溫回火特點(diǎn)：工藝簡單，生產(chǎn)效率高，節(jié)約能源，成本低，脫碳傾向小。但由于滲碳溫度高，奧氏體晶?？赡荛L大，造成淬火后馬氏體晶粒粗大，殘余奧氏體數(shù)量增多，表面耐磨性變差，變形加大。僅用于奧氏體本質(zhì)晶粒度細(xì)鋼或耐磨性要求低，承受載荷輕的零件。1/30/202469材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理②一次淬火+低溫回火心部要求獲得較高的強(qiáng)度、硬度及較好的強(qiáng)韌配合，可將淬火加熱溫度確定于稍高于Ac3

。表面要求高硬度、高耐磨性而心部強(qiáng)度要求不高的零件，可將淬火加熱溫度確定于稍高于Ac1。1/30/202470材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理滲碳熱處理后的組織性能

表面：回火馬氏體＋殘余奧氏體＋粒狀碳化物硬度HRC58~64。心部：低碳馬氏體硬度HRC30~50，未淬火時(shí)HB137~183。疲勞強(qiáng)度提高。

1/30/202471材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理（2）鋼的氮化/滲氮（Nitriding）定義：在一定溫度下（一般在Ac1以下）使活性氮原子滲入工件表面，形成富氮硬化層的化學(xué)熱處理工藝。氮化原理及工藝將氨氣通入加熱到滲氮溫度的密封滲氮罐中，氨氣發(fā)生分解：

2NH3→3H2+2[N]

氮化溫度：500～570℃

1/30/202472材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理目前廣泛使用的滲氮工藝有氣體滲氮和離子滲氮。氣體滲氮以氨作為供氮?jiǎng)诘癄t內(nèi)實(shí)現(xiàn)滲氮過程。離子滲氮：把工件置于密閉容器內(nèi)，抽真空至13.3Pa左右后通入氨氣或氮?dú)浠旌衔铮箟毫ι?33~1333Pa，然后通入直流電，電壓為500~800V。由于工件接陰極，在高壓直流作用下氣體電離成N＋和H＋，在高壓作用下N＋射向工件，正離子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能使工件加熱至滲氮溫度。同時(shí)氮也滲入到工件表層形成富氮化合物。1/30/202473材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理離子滲氮裝置示意圖1/30/202474材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理氮化處理的特點(diǎn)：

氮化前必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；氮化后無需淬火表面硬度即可達(dá)HV1000~1200，有較高的耐磨性和熱硬性；顯著提高鋼的疲勞強(qiáng)度；很好的耐蝕性；熱處理變形極小。應(yīng)用：各種高速傳動(dòng)精密齒輪、高精密機(jī)床主軸，在變向負(fù)荷工作條件下要求疲勞強(qiáng)度很高的零件，以及要求變形很小和具有一定抗熱、耐蝕能力的耐磨零件。氮化用鋼：38CrMoAl1/30/202475材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理§7.2.3表面形變強(qiáng)化噴丸強(qiáng)化：將大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸（鋼丸、鑄鐵丸、玻璃丸、硬質(zhì)合金丸）噴射到零件表面上，尤如無數(shù)小錘反復(fù)錘擊金屬表面。金屬零件表面將產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的（相當(dāng)于最大程度的壓應(yīng)力加工所產(chǎn)生的）塑性變形，使零件表面產(chǎn)生一定厚度（0.5~1.5mm）的冷作硬化層，并產(chǎn)生一層殘余壓應(yīng)力。此表面層稱為表面噴丸強(qiáng)化層。表層組織結(jié)構(gòu)的變化：亞晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度增加、晶格畸變度增加；高的宏觀殘余壓應(yīng)力；顯著地提高零件在室溫和高溫下的工作疲勞強(qiáng)度。1/30/202476材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202477材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理1/30/202478材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理§7.3三束表面改性將具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)，施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，獲得特殊表面性能。高能量密度能源通常指離子束、激光束、電子束。特點(diǎn)：

①激光束能量密度大，極高的加熱和冷卻速度，可在材料表面制得微晶、非晶及一些奇特的、熱平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)合金（非平衡相），賦予材料表面以特殊性能。②利用離子束注入技術(shù)，可把異類原子直接引入表面層進(jìn)行表面合金化，引入原子種類和數(shù)量不受任何常規(guī)合金化熱力學(xué)條件的限制。③三束表面處理，由于加熱速度極快，基材的整體溫度在加熱過程中可以不受影響。1/30/202479材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理一、激光束表面改性技術(shù)激光束表面處理的特點(diǎn)①激光處理后的材料表面的化學(xué)均勻性很高，晶粒細(xì)小，因而表面硬度高，耐磨性好。②在激光表面處理過程中，表面層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而存在殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。③與常規(guī)熱處理相比，激光表面處理在不損失韌性的情況獲得了高的表面性能。④非接觸式的處理，其部位可任意選擇，如盲孔、槽溝等特殊部位，還可以局部加熱。1/30/202480材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理⑤輸入熱量少，熱變形小。⑥能量密度高，加工時(shí)間短。⑦激光處理后，表面光潔度高，只需少量的表面加工。⑧工藝過程無需真空、無化學(xué)污染。局限性：處理效果與材料表面的反射率、密度和導(dǎo)熱系數(shù)等密切相關(guān)，對表面反射率高的材料，激光能量不能充分被吸收

；激光本身是轉(zhuǎn)換效率低的能源；設(shè)備費(fèi)用較貴，成本高；處理效率低，不適宜大面積處理等等。1/30/202481材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理常見的激光表面處理工藝（1）激光表面淬火、激光相變硬化（2）表面熔凝（表層熔化重凝）（3）表面合金化（滲金屬）（4）激光熔/涂敷表面包覆工業(yè)上激光表面改性多用于耐磨鑄鐵件和高碳鋼件以提高表面的硬度、耐磨、耐蝕等性能，也用于在鋁合金表面熔入鎳形成鎳鋁金屬間化合物使硬度大幅度提高。1/30/202482材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理激光表面淬火在高能激光束的作用下，一定深度的表層和基體形成很高的溫度梯度，當(dāng)激光離開后，由于基體材料的快速傳熱而使表層急冷，形成高硬度的隱晶馬氏體組織。該技術(shù)對材料整體熱影響很小，零件變形極小，可作為最后處理工序，而無需后續(xù)加工。

1/30/202483材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理應(yīng)用：汽車?yán)锏脑S多零部件如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸套、曲軸、凸輪軸、挺桿、缸蓋等，機(jī)床電磁離合器零件如連接件、齒環(huán)、花鍵套等，冷沖模具、鉚壓模具、各類軸承和齒輪、導(dǎo)軌、塊規(guī)、刀具、量刃具，石油抽油泵泵筒、軋鋼用冷、熱軋輥，各類主軸、絲杠，機(jī)用、手用鋼鋸條等都可利用激光淬火處理技術(shù)提高使用壽命，效果顯著。

1/30/202484材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸激光淬火處理火車凸輪軸激光淬火處理

1/30/202485材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

激光熔凝處理利用高能量密度的激光束掃描金屬材料表層使其快速熔化，從而造成熔化表層和基體之間很大的溫度梯度，待激光掃過后，熔化表層快速冷卻而凝固，形成極細(xì)的亞穩(wěn)相、過飽和相以至非晶相組織，這樣既可減少金屬表層的微孔和裂紋，提高抗腐蝕性能，又可提高表層的硬度和強(qiáng)度，特別對鑄造零件和焊縫的改性非常有效。1/30/202486材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理

激光熔凝處理工藝簡單、成熟、易于控制，被加工件的熱影響區(qū)小，因而變形較小，但由于被加工件表面發(fā)生微熔，故平整表面的粗糙度會有所增加，需增加精磨等后續(xù)加工工序。例如：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的鑄鐵凸輪軸、摩擦飛輪等經(jīng)激光熔凝處理后，耐磨性和抗腐蝕性有明顯提高。美國工藝研究中心用激光非晶化法在F100發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤上生成非晶態(tài)層，并已用在F15戰(zhàn)斗機(jī)上。采用該技術(shù)可以使渦輪盤的質(zhì)量減少50%。1/30/202487材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理激光合金化

利用激光作為熱源，使外加合金元素和基體金屬表層融合而形成一種新的合金層，獲得基體金屬所沒有的新性能（耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化等）。激光合金化技術(shù)具有很大的自由度，可根據(jù)不同的性能設(shè)計(jì)要求而采用不同的外加合金元素，從而使廉價(jià)的基體金屬得到優(yōu)異的表面性能，而且原料消耗很少，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)而高效的表面處理技術(shù)。

1/30/202488材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理固相~：用粉末金屬或電鍍層金屬作合金元素

氣相~：以氣體作為合金元素；鈦合金、鋁合金、不銹鋼固相激光合金化的應(yīng)用實(shí)例1/30/202489材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理激光合金化技術(shù)常用于對性能要求比較苛刻的材料處理。如要求耐磨性很高的材料、工作在強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)氧化、高溫或其它復(fù)雜惡劣環(huán)境中的材料。因此，激光合金化技術(shù)在航空航天、兵器制造、汽車、模具；采掘機(jī)械制造等工業(yè)部門具有廣闊的應(yīng)用前景。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥門的固相激光合金化（基體：灰鑄鐵，用連續(xù)CO2激光對其表面進(jìn)行滲Cr以代替原來的鉻鎢合金閥門，成本降低80%，生產(chǎn)率大大提高）1/30/202490材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理激光熔覆

根據(jù)工況對零件表面性能的要求，選擇相應(yīng)的涂敷材料(合金、陶瓷粉末或其它復(fù)合粉末)，先預(yù)涂在零件表面，然后用高能激光束進(jìn)行掃描，或者采用同步送粉裝置，在激光束掃描基體表面使之熔化的同時(shí)，將涂敷材料的粉末噴注在激光熔池內(nèi)，控制激光參數(shù)使涂敷材料完全熔化而基體微熔，隨后凝固形成和基體為冶金結(jié)合的涂敷層。1/30/202491材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理激光熔覆在生產(chǎn)中最早的應(yīng)用是1981年，英國羅爾斯—羅依斯(Rolls-Royce)公司將激光熔覆的渦輪葉片（鎳基合合鑄造、工作溫度為1300℃）用在RB211飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上，葉片根部用于裝配的鎖口部位容易磨損，需要在該部位熔覆一層耐高溫磨蝕的鈷基合金層。用激光熔覆法代替鎢極氬弧焊堆焊工藝，加工時(shí)間由原來的14min減少到1.25min，節(jié)省鈷基材料50%。激光熔覆渦輪葉片的示意圖1/30/202492材料工程基礎(chǔ)—表面涂層與處理涂敷材料：Co-Cr基、Ni-Cr基、Fe-Cr基合金粉末配以一定數(shù)量的陶瓷材料，如WC、TiC、Al2O3、VC、BN、ZrO2、SiC、B4C等，形成致密的超硬金屬陶瓷涂層，厚度可達(dá)0.1~十幾毫米之間。應(yīng)