1、表面改性技术班级：材料 092姓名：朱光辉学号：109012042课程: 现代表面技术2表面改性技术概述：表面技术是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、性能不同的一种技术。材料经表面改性处理后，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（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。表面改性技术的研究和应用已有多年。70 年代中期以来，国际上出现 了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重
2、视。表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料， 只需进行表面改性或强化，可以节约材料。（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能
3、源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。 喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。喷丸强化原理：（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。（2）表面粗糙度略有增大，但却使切削加工
4、的尖锐刀痕圆滑。32、表面热处理表面热处理是指采用快速加热，使钢件表层奥氏体化并立即快冷获得马氏体，而心部仍保持原始组织的一种淬火工艺。表面热处理工艺有多种，如感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等。其中最常用的是火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。（1）感应加热表面淬火后零件的表面性能高额感应淬火时，在零件表层中产生较大的压应力，抗疲劳性能增强；感应淬火时马氏体组织细小，碳化物弥散细小，硬度高。感应淬火时零件经受激烈的喷水冷却，使残余奥氏体量较少，故硬度较高。氧化、脱碳小，组织性能稳定。（2）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火设备简单，成本低，但易使钢
5、件表面过热，质量控制比较困难。因此，它主要适用于单件、小批量生产以及大型零件如大型齿轮、轴、轧辊等的表面淬火。（3）接触电阻加热表面淬火利用触头(铜或石墨材质)和工件的接触电阻，低电压、大电流，使触点温度迅速上升。将触点以一定速度移过工件表面，即可将表层加热至淬火温度，并在工件自身的冷却下淬硬。本法简易可行，适于大件的局部表面淬火，如机床导轨、气缸套等。（4）电解液加热表面淬火以工件作阴极，置于电解液中(常用 520碳酸钠水溶液)，以电解槽为阳极，通入 200300V 直流电。由于电解作用使阴极 (工件)表面形成一层氢气膜。氢气膜具有大的电阻，温度迅速升高，并将工件表面加热到淬火温度。停电后电
6、解液将工件淬冷。本法适用于大批量生产工件的局部表面淬火。3、金属表面化学热处理（1）化学热处理原理将工件置于含有欲渗元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质分解出欲渗元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件内部扩散，以改变工件表层的化学成分。通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。（2）化学热处理方法主要包括：渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬、渗锌（钛、铌、钽、钒、钨） ，以及其他多元共渗工艺，例如铝硅共渗、硼铬共渗、碳氮和氮碳共渗、硫氮和硫氮碳共渗等。（3）化学热处理目的每一种化学热处理工艺都各有其特点，如果需
7、要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、耐蚀、抗高温氧化和耐疲劳性能，则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。（4）化学热处理渗层基本组织类型组织：单相固溶体；化合物。4渗层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得渗层与基体金属之间是靠形成合金来结合的，即形成冶金结合，因而结合非常牢固，渗层不宜脱落。渗层的相组织和各相化学成分取决于组成该合金系的相图。在二元合金系统中，只有单相区、无两相共存区，渗层的浓度分布呈阶梯跳跃式分布，并且有相互毗邻单相区所构成。（5）化学热处理渗层形成的条件渗入元素与基体金属必须能形成固溶体或金属间化合物。渗入元素与基体金属必须保持直接的紧密接触。保持一定的温度，即
8、保证一定的渗镀速度。生成活性原子的化学反应必须满足热力学条件。 （6）渗层形成基本过程活性原子的供给。活性原子在基体金属表面上吸附，并被基体金属吸收。已溶入的渗剂原子在渗镀的高温下向基体金属内部扩散。（7）影响渗层形成厚度因素影响扩散速度的参数主要有两个，即扩散系数 D 和浓度梯度，而许多因素都会影响这两个参数，从而影响扩散速度，几个主要的影响因素为： 温度：扩散系数 D 与温度之间的关系为：DD0EXP(-Q/RT)，可见扩散系数随温度升高而急剧增大。晶体结构：原子排列越紧密，扩散时点阵畸变大，所需扩散激活能升高，扩散越困难。晶体缺陷：基体中的位错、空位和晶界等缺陷都是有利于扩散的。基体合金
9、成分。渗剂金属原子浓度的影响：在其他条件相同时，基体金属表面渗剂金属原子的起始浓度愈高，扩散速度增大。（8）化学热处理种类根据渗入元素的介质所处状态的不同，金属表面化学热处理可分为:固体渗、液体渗、气体渗、等离子渗。4、等离子体表面处理离子氮化工艺原理离子氮化是在密闭的真空炉内，将清洗后的被渗工件放置在阴极盘上（或吊挂在阴极挂具上） 。将真空炉抽真空至一定的真空度（6Pa）后，充入一定流量的含氮气体，如氨气、氨热分解气或以一定比例混合的氮氢混合气，并将气压保持在 1.331021.33103Pa 左右，在阴极（工件）和阳极（真空室壳）之间施加 4001000V 左右的直流电压，将含氮气体电离成
10、 N+、H+和电子，并产生辉光放电现象。在高压电场作用下，N+、H+在电场的作用下以很大的速度轰击工件表面，将动能转化为热能，把工件表面加热到所需渗氮温度，与此同时，氮原子被工件表面吸收并向内扩散形成渗氮层。离子氮化的优点：（1）渗氮速度快。获得相同的氮化层厚度，离子氮化的保温时间仅为气体氮化的 1/3-1/5。5（2）省电、省气，节约能源。采用离子轰击作用加热工件，无需外加热源，节省电能。离子渗氮的气压低，渗氮过程中进气量小，如采用氨气作为工作气体时，氨气用量仅为气体渗氮的 1/5-1/10。（3）氮化层结构可控。采用氮氢混合气作为工作气体时，通过有效控制氮氢含量比，可以控制氮化层的成分及组
11、织结构，获得脆性小的 单相层或韧性较好的单相 化合物层或仅有扩散层。气体渗氮很难达到这一点。（4）非渗氮面屏蔽方法简单。在不需渗氮部分可采用机械屏蔽，如覆盖一层铁皮，无需采用气体渗氮中镀锡或镀铜的方法，屏蔽方法简单方便。（5）对不锈钢不用去钝化膜处理。对不锈钢制品，不用象气体渗氮那样在渗氮前对工件进行喷沙或酸洗除去致密的氧化模， 可以在渗氮开始的阴极溅射作用下除去钝化膜。简化工序，节省劳动力。（6）无公害，工作环境好。与气体渗氮和盐浴渗氮不同，离子氮化的最大特点是不使用造成公害的物质，仅使用少量的氨气或氮气、氢气，对环境无危害。离子渗碳工艺原理离子渗碳与离子氮化一样，也是在真空状态下，以工件为
12、阴极，真空室壳为阳极，在阴极与阳极之间施以直流电压，将渗碳气体电离，产生辉光放电。在电场作用下碳离子轰击工件表面，把工件表面加热并被表面吸收然后向内部扩散。与离子氮化不同的是，离子渗碳需要 900以上的高温，仅靠离子轰击加热很难达到如此高的温度，因此，在离子渗碳炉内通常要附加一个热源（如采用炉内电阻辐射加热） 。此外，离子渗碳还要附设一套真空淬火设备，以便渗碳后及时进行淬火。离子渗碳优点：（1） 渗碳效率高。在等离子体放电空间，碳原子及碳离子的活性大，供碳能力高，离子渗碳效率高达 55%，而真空渗碳效率为 20%，一般气体渗碳效率为 1020%。（2）渗速快。离子渗碳时高的供碳能力以及离子轰击
13、对碳原子扩散的促进作用加快了渗碳速度，离子渗碳的速度比气体渗碳快 1/2-2/3。（3） 表面状态好，渗层质量高。离子渗碳时工件在真空中加热，气体中不含 O2 和 H2O，所以经离子渗碳的零件表面不氧化，无炭黑附着，更不出现内氧化等缺陷，渗碳层致密性好，表面清洁光亮。（4）渗碳量容易控制。通过调节渗碳气体流量和气体中甲烷或丙烷的分压可以精确控制表面渗碳量。（5）零件变形小。由于离子渗碳供碳能力高，渗速快，高温停留时间短，渗碳后零件变形小。（6）离子渗碳件具有较常规渗碳件更高的耐磨性和疲劳强度。（7）省能，无公害。离子渗碳渗速高，渗碳时间短，降低了电的消耗，成本比真空渗碳每公斤降低 33%。离子
14、渗碳气压仅为真空渗碳的百分之一，减少了甲烷、丙烷的用量，废气排除少，对环境无污染。5、激光表面处理6采用激光束、电子束、离子束对材料表面进行改性或合金化的技术，是近十几年迅速发展起来的材料表面新技术，是材料科学的最新领域之一，属高能密度表面处理技术。这三种技术的特点是可以对材料表面快速加热和冷却。激光表面处理工艺: 激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化等。（1）激光束表面相变硬化激光束表面相变硬化，又称激光淬火，是以激光束快速照射工件，使表面形成奥氏体，此后急冷形成马氏体。激光表面强化适用的材料为珠光体灰铸铁、铁素体灰铸铁、球墨铸铁、合金钢和马氏体型不锈钢等。此外，还对
15、铝及铝合金、铜及铜合金等进行了成功的研究和应用。（2）激光涂覆激光涂覆就是用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂覆材料，这类涂覆材料可以是金属或合金，也可以是非金属、化合物。激光表面涂覆工艺可分为两种。一种是预涂覆法，即先把熔覆合金通过粘结、喷涂、电镀等方法预置在材料表面上，而后用激光束将其熔覆；另一种是气相送粉法，即在激光束照射基体材料表面产生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光熔池内实现熔覆。激光涂覆的一个特征就是覆层和基材之间实现了冶金结合。（3）激光表面非晶化利用激光束连续快速扫描金属表面，使表层金属熔化，并以大于临界冷却速度激冷至其晶化温度以下，防止晶体成核和生长，从而
16、在金属表面形成非晶，也称金属玻璃 。激光非晶化又称激光上釉。激光非晶化层在金相及电镜下呈均匀的亮白色。激光非晶层的显微硬度远高于相应成分的晶体相。此外，非晶态处理可减少表层成分偏析，消除表层缺陷，具有很好的韧性、耐磨性、耐蚀性。（4）激光合金化利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。方法是预先在基体表面涂敷一层所需合金元素，采用激光照射，将涂敷层合金元素与基体表面薄层同时熔化、混合，形成新的表层成分、组织、性能。激光合金化的主要优点是：激光能使难以接近的和局部的区域合金化；利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度；能准确地控制功率
17、密度和控制加热深度，从而减小变形；可以节约大量的贵重元素。6、电子束表面处理电子束表面处理技术（1）电子束表面相变硬化电子束相变硬化又称电子束淬火，它是利用钢铁材料的马氏体相变进行表面强化的。（2）电子束表面重熔用电子束将工件表面加热熔化到一定深度，然后快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳配合。（3）电子束表面合金化7预先在基体表面涂敷一层所需合金元素，利用电子束加热使之熔化并熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分和特殊性能的技术。（4）电子束表面非晶化利用电子束连续快速扫描金属表面，使表层金属熔化，并以大于临界冷却速度激冷至其晶化温度以下，防止晶体成核和生长，从而在金属表面形
18、成非晶。7、离子注入表面改性离子注入技术，是指在高真空室内、将几万到几十万电子伏的高能离子束离子入射到固态材料表面，从而改变材料表面层物理、化学和力学性能的方法。将外来元素以离子的形式注入到基体内要借助于电场力、加速器将离子束加速，因此，离子注入技术与核技术的发展有关，是涉及原子物理、核物理、固体物理等多学科的一种新兴工业技术。离子注入可提高金属材料表面的强度、硬度、耐磨性和抗蚀性。在现代生活中，激光具有巨大的技术潜力，在冶金和材料加工中发展迅速，应用广泛。激光表面处理由于其对工业和生产作出了巨大贡献，已成为飞速成长的重要加工技术领域。本文较系统地介绍了国内外激光表面改性技术的研究与应用近况，
19、以及其技术原理、特点和应用工艺，指出了激光改性技术今后的巨大发展前景及趋势。激光表面改性的技术特点激光表面改性是当前材料工程学科的重要方向之一，被誉为光加工时代的一个标志性技术，各国（尤其是发达国家）均予以重点发展。其高效率、高效益、高增长及低消耗、无污染的特点，符合材料加工的发展需要。经过多年研究和实际应用表明，和其它传统表面处理技术相比，激光表面工程技术具有以下一些优点：（1）可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层；（2）强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表
20、面强化技术难以解决的技术关键；（3）易与其它表面处理技术复合，激光表面改性可以方便地与其它表面工程技术结合起来，产生所谓第二代表面工程技术复合表面改性技术。可以综合传统表面改性技术与激光表面改性的优势，弥补甚至消除各自的局限性，展示了很大的潜力；（4）由于高能量密度的激光作用，可实现工件快速加热到相变温度以上，8并依靠零件本体热传导实现急冷，无须冷却介质，而冷却特性优异。形成的表面强化层硬度比常规方法处理的高 15%20%左右，添加合金元素和特殊的工艺方法，可显著提高工件的综合性能；（5）激光束能量密度高，对非激光照射部位几乎没有影响，即热影响区小，工件热变形可由加工工艺控制到较小的程度，后续
21、加工余量小。有些加工件经激光处理后，甚至可直接投入使用；（6）由于是无接触加工，激光束的能量可连续调整，并且没有惯性。配合数控系统，可以实现柔性加工。另外，激光束的可控性好，只要采用光学的束操作技术来适当地引导激光束至工件的不同部位，就可以实现精确的可选择的材料局部表面改性。可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件，可进行灵活的局部强化；（7）易于实现信息化、智能化，可以引入近代计算机、机器人等高技术装备，使激光束的产生及操纵信息化、智能化，例如已推出的可实现复杂形状立体工件的多种类表面工程的五轴联动激光柔性加工中心，它作为一种新型的光、机、电一体化的工作母机，
22、显示了很大的市场竞争能力。另外，配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产；（8）激光器本身具有很大的发展潜力，产生激光束的装置无论品种还是效率都有很大的发展潜力，例如工业激光装置已从常用的波长为 10.6m 的 CO2激光器发展到输出波长更短（1.06m）的高功率 Nd:YAG 激光器和当今电子工业及微电子工业使用的半导体激光器以及和大部分材料都有很好耦合的 308nm波长的准分子（XeCl）激光器。CO2 激光器的输出功率也已从千瓦级发展到万瓦级甚至更高；（10）激光是一种清洁的绿色能源，生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低、经济效益和社
23、会效益好。激光表面改性技术是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识综合的高新技术。利用激光表面改性技术能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳结合，为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计和制造工艺的某些根本性变革。激光表面改性技术原理激光束向金属表面层进行热传递，金属表层和其所吸引的激光进行光热转换。由于光子能穿过金属的能力极低，仅能使金属表面的一薄层温度升高，加之金属导带电子的平均自由时间只有 10-3s 左右，因此，这种交换和热平衡的9建立是非常迅速的。从理论上分析，在激光加热过程中，金属表面极薄层的温度在微秒(10-6s) 级，甚至纳秒 (10-9s)级或皮秒(10-12s)级内就能达到相变或熔化温度。
