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机械工程材料Mechanical Engineering Materials 第十一章 材料表面改性新技术 主要内容 材料表面改性技术 快速凝固性新技术 纳米材料 第一节 材料表面改性新技术 将涂层材料加热熔化，用高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到工件表面，形成涂层。 结合强度低； 良好的贮油和减摩性能； 涂层的抗拉强度一般比基体低； 硬度取决于喷涂材料、方法及工艺； 涂层强度低、硬而脆； 机加工性能差。 取材范围广 几乎所有金属、合金、陶瓷，甚至塑料均可作为喷涂材料； 可用于各种基体； 基体可保持较低的温度，以保证不变形，不弱化； 工效高； 对喷涂工件的形状、尺寸一般无限制； 涂层厚度易于控制； 可赋予普通材料特殊的表面性能； 可使工件满足耐磨、耐蚀、耐高温、隔热、密封、减摩、耐辐射、导电、绝缘等特殊性能要求。 二、 激光束、离子束及电子束技术 预先通过蒸发、溅射、涂敷或喷涂的方法在金属工件表面上附着一层合金元素表面膜 离子注入是在离子注入机上进行的。其基本原理是：将适当的气体或固体工作物质的蒸气通入离子注入机，使其电离，形成正离子束。离子束被加速、聚焦和分选后，以107～108cm/s的速度射到工件表面上。载有一定能量的离子射入工件表层后，与其中的原子核和电子不断碰撞，消耗能量，最终在表层中某处停留下来，形成固溶体或化合物等。 离子注入表面改性的特点 是一个非热平衡过程，任何元素都可注入任何基体材料； 注入元素的种类、能量、剂量可控，以得到不同的新合金相； 注入层相对于基体没有界面，因而不存在结合问题； 常在真空中进行； 能精确控制注入离子的密度及浓度； 表面形成残余压应力。 电子束以极高的速度轰击工件表面，能使工件表面以3000～5000℃/s的速度急速升温，在极短时间内（1/3~1/5s）达到1000℃，使之达到奥氏体状态，但工件表层以下、以及没有受到电子束轰击的区域温度末变，处于冷态。 当电子束离开后，表层的热量向冷态的基体传导而以很快的速度（大于临界冷速）冷却，而完成工件表层“自冷”淬火。 电子束热处理的特点（与LB相比） 功率大，能量转换效率高； 成本低； 工件表面不需特殊处理； 操作维修方便； 在真空条件下进行，工件表面质量高，但限制了工件尺寸； 可控性比激光差。 电子束表面淬火 可用于各种碳钢及合金钢。淬硬层深度随设备功率增大而增加，随扫描速度增大而减小。 淬火组织与材料有关，如45钢表面可得到针状M，最高硬度达62.5HRC，20Cr钢表面可得到低碳M，最高硬度达40～41HRC。 三、 气相沉积技术 气相沉积是将含有形成沉积元素的气相物质输送到工件表面，在工件表面形成沉积层的工艺方法。 依据沉积过程反应的性质，可分为 化学气相沉积 物理气相沉积 化学气相沉积（Chemical Vapour Deposition）是利用气态物质在一定温度下于固体表面上进行化学反应，生成固态沉积膜的过程，常称CVD法。 基本原理 将含有涂层材料元素的反应介质在较低温度下汽化，然后送入高温的反应室与工件表面接触产生高温化学反应，析出合金或金属及其化合物沉积于工件表面形成涂层。 在钢件表面沉积TiC层 将Ti以挥发性TiCl4形式与气态或蒸气态的碳氢化合物一起送入高温的真空反应室，用氢气作为载体气和稀释剂，即会在反应室内钢件表面上发生化学反应： CVD法的主要特点 可沉积各种晶态或非晶态无机薄膜材料； 沉积层纯度高，与基体结合力强； 沉积层致密，气孔少； 均镀性好； 设备及工艺操作较简单； 反应温度较高，1000℃以上，限制了其应用。 物理气相沉积（Phsical Vapour Deposition）是气态物质在工件表面直接沉积成固体薄膜的过程，常称PVD法。 PVD有三种基本方法 真空蒸镀 溅射镀膜 离子镀 在真空下将镀层材料加热变成蒸发原子，蒸发原子在真空条件下不与残余气体分子碰撞而到达工件表面，形成薄膜镀层。 特点： 设备及工艺操作简单； 可镀不良导体、玻璃、陶瓷等； 沉积速度快； 高熔点及低蒸气压物质蒸镀困难，绕镀性差，镀层较疏松，与基体结合弱，而冲击和磨损性差。 在气体辉光放电炉中，用正离子轰击阴极（待沉积材料作的靶），将其原子溅射出，并通过气相沉积到工件表面上形成薄膜镀层。 特点： 适于任何物质； 镀膜密度高、气孔少，与基体结合力强； 沉积速度慢，设备及工艺操作复杂。 借助惰性气体（如Ar）的辉光发电使沉积材料蒸发成离子化，离子经电场加速，沉积在带负电荷的工件表面，形成薄膜镀层。 特点： 工艺温度低（600℃）； 离子绕射能力强，镀层均匀