第十章+材料表面改性.ppt

第一节 表面淬火 表面淬火：利用快速加热与立即淬火相结合，表面淬火得到淬火马氏体，而芯部保持原有的塑性和韧性的热处理工艺。 适用于：含碳量为0.4－0.5％的钢中。含碳量太高降低芯部的塑性和韧性；含碳量太低，降低表面的硬度。 方法有：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、 激光加热表面淬火、电子束加热表面淬火等。 表面加热淬火后组织与性能 1、金相组织 淬硬层、过渡层、心部 2、性能 硬度 耐磨性 疲劳强度 3、激光加热表面淬火 方法：是用激光束扫描工件表面，使工件表面迅速加热到钢的临界点以上，而当激光束离开工件表面时，由于基体金属的大量吸热，使表面急速冷却，而无需冷却介质。 淬硬层深度：0.3—0.5mm 应用：形状复杂的工件，如工件的拐角、沟槽、盲孔底部或深孔的侧壁进行处理。 第二节 化学表面改性 化学表面改性： 将工件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几中相关元素渗入工件的表面，以改变表层的化学成分和组织，从而使工件表面具有不同育工件芯部性能的一种热处理工艺。 性能特点： 材料表面具有比表面淬火具有更高的硬度、耐磨性能、疲劳性能；芯部保持良好的塑性和韧性。 钢材的化学表面改性： 渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗金属。 5个基本过程 渗剂中的反应：从渗剂中分解出活性原子，如[C]、[N]等。 渗剂中的扩散：外扩散 相界面反应 金属工件中的扩散 金属中的反应。 固体渗碳 真空渗碳 渗碳工艺 渗碳工艺：渗碳温度、渗碳时间、碳势控制 渗碳温度：温度高有利于碳的渗入，但会使得奥氏体粗化，降低材料的性能。 一般在900－950度， 薄壁件：880－900度 真空渗碳、离子渗碳：950－1100度。 渗碳时间 碳势控制 渗碳用钢 含碳量：0.15－0.25％，最高可以达到0.3％。淬透性差。 合金钢：加入 Cr、Ni、Mn、B以提高淬透性 加入W、Mo、V、Ti以抑制晶粒长大。 渗碳后的热处理 渗碳热处理后的组织及性能 表面：高碳马氏体，HRC58-64，体积膨胀大 中部：低碳马氏体（铁素体加屈氏体、索氏体）HRC30-50，体积膨胀小 产生压应力，有利于提高材料的疲劳性能。 钢的氮化 活性氮原子渗入工件表面，形成富氮层的化学热处理工艺。 硬度：HV1000-1200; 高耐磨性能和抗咬合性能 高的疲劳性能 低的缺口敏感性能 良好的耐腐蚀性能。 气体氮化 氮化后的组织 钢的碳氮共渗 中温渗碳氮：820－860度 玻璃的表面处理 玻璃的化学蚀刻 化学抛光 表面金属涂层：化学法、真空沉积法、溅射镀膜法 表面导电膜：热喷雾法等 表面憎水涂层 表面着色 表面化学薄膜：增透膜、反光膜、分光膜、滤光膜等。 第三节 三束表面改性 激光束表面改性、离子束表面改性、电子束表面改性 1、激光束表面改性技术 应用光学透镜将激光束聚集到很高的功率密度与很高的温度，照射材料表面，借助于材料的自身传到冷却，实现材料表面改性的目的。 激光束的特点：高功率密度（高亮度）、方向性好、高单色性。 激光束表面改性的特点 材料表面的化学均匀性好，晶粒细小，表面硬度高，耐磨性能好 表面发生马氏体转变，有残余压应力，疲劳性能好 不失去韧性，表面性能提高 处理部位刻任意选择 输入热量少，热变形少 能量密度高，加工时间短， 表面光洁度高 工艺过程不需要真空，无化学污染。 常见的激光表面处理 激光表面淬火：提高硬度、改善疲劳性能、改善耐磨性能、残余压应力。 激光表面合金化 激光熔覆 激光非晶化 激光冲击硬化 激光晶粒细化 离子束表面改性 离子注入：把所需要的原子电离成离子，并利用高压加速，轰击零件表面，将离子注入表面一定深度的真空处理技术，以改善材料表面的性能。 离子注入的基本过程 核碰撞：注入离子如基体原子的原子核发生弹性碰撞，使基体产生离子大角度散射和受到辐射损伤。 电子碰撞：注入离子与基体的电子发生非弹性碰撞，使原子失去或者得到电子而发生电离或者产生X射线。 注入离子耗尽能量，留在基体材料中。 离子注入提高机械性能的基本原理 损伤强化：产生空位、非晶，从而钉扎位错。 间隙固溶强化：注入离子处于间隙中，钉扎位错。 偏聚强化：偏聚在位错附近，钉扎位错。 沉淀强化：超过固溶度时，弥散强化 残余应力强化：压应力提高疲劳强度 改善化学性能的原理 形成表面钝化层：产生钝化元素，类似耐腐蚀钢 形成表面惰性层：如注入Cu、Ni等 单相固溶体，避免不同相间的电极电位差 表面层非晶化： 表面氧化膜致密与增厚 离子注入的应用 离子注入的特点 优点： 注入离子能量高，为非热力学平衡过程，适用于任意的基体材料。 表面层不受热力学的限制，可以得到新合金相。