第2章金属材料组织和性能的控制6

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.6 表面技术,概述,表面技术,通过物理、化学工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的组织结构、化学成分和物理状态，使表面具有与基体材料不同的性能的技术。,表面处理后的材料，基体材料的化学成分和力学性能并未发生变化，但表面却具有一些特殊性能，,如高的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。,表面工程技术,分,分类,表面热处理、,化,化学热处理,表,表面,机,机械强化处理,（,（喷丸强化）,电镀、电刷镀,热喷涂,气,气相沉积,镀,镀膜,高,高能束(激,光,光、电子束）,表,表面处理,2.6.1,电,电刷镀,一、电镀,把工件置于装,有,有电镀液的镀,槽,槽中，工件接,直,直流电源的负,极,极，作为阴极,。,。阳极板接直,流,流电源的正极,，,，镀液中金属,离,离子在阴极上,得,得到电子还原,成,成金属原子，,工,工件表面得到,电,电镀层。,电镀示意图,镀铜：,CuSO,4,Cu,+2,+SO,4,-2,Cu,+2,+2eCu,普通电镀的过,程,程：,（1）金属的,水,水合离子或络,合,合离子从溶液,内,内部迁移到阴,极,极界面；,（,（2）,水,水合离子脱水,或,或络合离子解,离,离，金属离子,在,在阴极上得到,电,电子发生还原,反,反应生成金属,原,原子；,（,（3）还,原,原的原子进入,晶,晶格结点。,应用：,提高零件耐磨耐蚀性，如自行车钢圈、活塞环。,在球墨铸铁活塞环、弹簧钢活塞环表面镀铬，硬度800,900HV，耐磨性好。,球墨铸铁活塞环,表面镀铬,二、电刷镀,电刷镀是电镀的一种,特,特殊方式，不,用,用镀槽。用镀,笔,笔在工件表面,擦,擦涂，获得电,镀,镀层。电刷镀,又,又称无槽镀。,1. 电刷镀,过,过程直流电源的正,极,极与镀笔相联,，,，负极和工件,相,相联。电流方,向,向由镀笔流向,工,工件时为正向,电,电流，发生电,沉,沉积，称正接,。,。形成镀层。,平面零件电刷,镀,镀,轴类零件电刷,镀,镀过程,2. 电刷镀,的,的特点,（1）设备简,单,单、工艺灵活,、,、操作方便,可,可现场作业,，,，局部刷镀；,（,（2）刷镀的速,度,度是一般槽镀,的,的1015,倍,倍，辅助时间,少,少；节约能源,，,，是槽镀耗电,量,量的几十分之,一,一；,（,（3）镀层,结,结合强度较高,。,。在钛、铝、,铜,铜、高合金钢,和,和石墨上也具,有,有较高的结合,强,强度；,（,（4）操,作,作安全，刷镀,液,液可循环使用, 耗量小，,对,对环境污染小,。,。,3. 电刷镀,工,工艺过程,表面清理（磨,、,、抛光）,电净去油（碱,性,性溶液，正接,）,）,活化（酸性溶,液,液，反接）,刷镀过渡层（Cu、Ni，,正,正接）,刷镀工作层（Ni-P、Ni-Co，正,接,接）,4. 实际应,用,用,机械设备的维,修,修和强化,如滚动轴承的,修,修理，轴颈、,孔,孔类零件的修,理,理，平面、键,槽,槽的维修，模,具,具表面强化。,改善零部件的,工,工艺性能,铝电刷镀碱铜,可,可以实现铝和,其,其它金属的钎,焊,焊等。,硬铝刷镀镍磷,耐,耐磨层,改善零部件的,表,表面理化性能,镍、钴、锌、,铜,铜等电刷镀层,可,可用于防腐。,电刷镀应用,例1：T68镗床主,轴,轴,材料为铸钢,长,长约一米,轴,轴颈表面大,面,面积划伤。采,用,用电刷镀进行,修,修复。,表,面,面,清,清,理,理,后,后,，,，,进,进,行,行,电,电,净,净,、,、,活,活,化,化,。,。,用,特,特,殊,殊,镍,镍,打,打,底,底,层,层,，,，,用,用,快,快,速,速,镍,镍,增,增,加,加,镍,镍,层,层,厚,厚,度,度,至,至,要,要,求,求,尺,尺,寸,寸,，,，,抛,抛,光,光,后,后,装,装,机,机,使,使,用,用,。,。,工,艺,艺,简,简,单,单,、,、,成,成,本,本,低,低,廉,廉,，,，,镀,镀,层,层,和,和,基,基,体,体,结,结,合,合,良,良,好,好,，,，,耐,耐,磨,磨,性,性,好,好,。,。,主,轴,轴,修,修,复,复,后,后,，,，,满,满,足,足,使,使,用,用,要,要,求,求,。,。,电,刷,刷,镀,镀,应,应,用,用,例2,：,：,制,造,造,大,大,型,型,塑,塑,料,料,制,制,品,品,的,的,模,模,具,具,材,料,料,为,灰,铸,铸,铁,铁,，,，,模,模,具,具,底,底,盘,盘,直,直,径,径,为,为1m,合,合,模,模,高,高,为,为0.4m,重,重1.3t,。,。,模,具,具,表,表,面,面,硬,硬,度,度,低,低,，,，,腔,腔,面,面,磨,磨,损,损,严,严,重,重,，,，,粗,粗,糙,糙,度,度,增,增,加,加,，,，,产,产,品,品,表,表,面,面,质,质,量,量,变,变,差,差,。,。,采,用,用,电,电,刷,刷,镀,镀,进,进,行,行,强,强,化,化,处,处,理,理,。,。,碱,碱,铜,铜,为,为,过,过,渡,渡,层,层,，,，,镀,镀,镍,镍,钴,钴,合,合,金,金,为,为,工,工,作,作,层,层,。,。,表,面,面,硬,硬,度,度,由,由23HRC,提,提,高,高,到,到40HRC,粗,粗,糙,糙,度,度Ra,由,由6.3,m,降,降,到,到0.8,m,，,，,耐,耐,磨,磨,性,性,提,提,高,高,了,了2,倍,倍,，,，,使,使,用,用,寿,寿,命,命,延,延,长,长,，,，,产,产,品,品,质,质,量,量,提,提,高,高,。,。,2.6.2 热喷,涂,涂技术,热喷涂,技术将金属,或非金属,固,固体材料,加,加热至熔,化,化或半熔,软,软化状态,，,，然后将,它,它们高速,喷,喷射到工,件,件表面上,，,，形成牢,固,固涂层的,表,表面加工,方,方法。,一、热喷,涂,涂技术的,特,特点,(1),涂,涂层和基,体,体材料广,泛,泛，工艺,灵,灵活，喷,涂,涂层、喷,焊,焊层的厚,度,度可以在,较,较大范围,内,内变化。(2),基,基体受,热,热程度低,，,，一般不,会,会影响基,体,体材料的,组,组织和性,能,能。(3) 生,产,产效率较,高,高，成本,低,低，效益,显,显著。,二、热喷涂层形貌,热喷涂层,喷涂层,过渡层,基 材,三、热喷,涂,涂方法,热喷涂方,法,法,1. 火,焰,焰喷涂,以氧-乙,炔,炔火焰为,热,热源，以,喷,喷涂粉末,材,材料为主,的,的热喷涂,方,方法。,火焰喷涂,喷,喷枪,火,火焰喷涂,氧-乙炔,火,火焰温度,大,大约为3000,，喷射,速,速度约150 m/s，结,合,合强度5MPa,10MPa。,适,适合喷涂,塑,塑料、金,属,属、合金,粉,粉末或丝,材,材。,2. 电,弧,弧喷涂,以电弧为热源，以,金,金属或合,金,金丝材作,为,为喷涂材,料,料的热喷,涂,涂方法。,电弧喷涂,原,原理图,电,电弧,喷,喷涂,电弧温度大约,为,为5000 ，,喷,喷射速度,约,约200m/s,，,，结合强,度,度20MPa40 MPa。适,合,合喷涂金,属,属、合金,或,或包裹有,陶,陶瓷粉末,的,的合金丝,材,材。,3. 等,离,离子喷涂等离子喷,涂,涂是以等,离,离子弧为,热,热源，以,喷,喷涂粉末,材,材料为主,的,的热喷涂,方,方法。,直流电弧,把,把工作气,体,体加热电,离,离成高温,等,等离子体,从,从喷嘴喷,出,出形成等,离,离子焰。,工,工作气体,可,可用氩气,、,、氮气。,等离子弧温度大约,为,为5000 12000 ，,喷,喷射速度,约,约500m/s,1500 m/s，结合,强,强度30MPa,70MPa。,适,适合喷涂,金,金属、合,金,金、陶瓷,粉,粉末。,等离子,喷,喷涂原,理,理图,四,、工程,应,应用,热喷涂,材,材料,金属材,料,料锌、铝,、,、铜、,铁,铁、镍,以,以及自,熔,熔合金,等,等。自,熔,熔合金,含,含有硼,、,、硅，,降,降低合,金,金熔点,，,，获得,较,较宽的,液,液相和,固,固相温,度,度区间,，,，脱氧,。,。,陶瓷材,料,料金属氧,化,化物、,碳,碳化物,、,、硼化,物,物等。,具,具有熔,点,点高、,硬,硬度高,、,、性能,脆,脆等特,点,点。,应用用于材,料,料表面,的,的强化,、,、提高,耐,耐磨、,耐,耐蚀性,，,，也可,用,用于磨,损,损件的,表,表面修,复,复。,如油田,抽,抽油机,主,主轴轴,颈,颈磨损,，,，采用,电,电弧喷,涂,涂技术,进,进行修,复,复，取,得,得显著,经,经济效,益,益。,2.6.3,气,气相沉,积,积技术,一、气,相,相沉积,技,技术简,介,介,气相沉,积,积技术在真空,下,下用各,种,种方法,获,获得的,气,气相原,子,子或分,子,子在基,体,体材料,表,表面沉,积,积以获,得,得薄膜,的,的技术,。,。,制备超,硬,硬、耐,蚀,蚀、耐,热,热、抗,氧,氧化的,薄,薄膜；,制备磁,记,记录、,光,光敏、,热,热敏、,光,光电转,换,换等功,能,能薄膜,；,；,制备装,饰,饰性镀,膜,膜。,气相沉,积,积技术,分,分为：物理气,相,相沉积PVD(PhysicalVapour Deposition)化学气,相,相沉积CVD(ChemicalVapour Deposition),二、物,理,理气相,沉,沉积,在沉积,环,环境中,，,，以各,种,种物理,方,方法产,生,生的原,子,子或分,子,子沉积,在,在基体,上,上，形,成,成薄膜,或,或涂层,的,的过程,称,称为物理气,相,相沉积,（,（PVD）。,真空蒸镀,1. 真空蒸镀,在高真空中使金属合金或化合物蒸发，然后凝聚在基体表面上的方法。,采用电阻加热、电子束加热、高频感应加热、激光加热、离子蒸镀等。,2.,阴,阴极溅,射,射沉积用荷能,粒,粒子轰,击,击靶材(阴极)，使,靶,靶材原,子,子以一,定,定的能,量,量逸出,，,，在基,材,材表面,沉,沉积成,膜,膜的过,程,程。,阴极溅,射,射沉积,原,原理图,特点：结合力,高,高，容,易,易得到,高,高熔点,物,物质的,薄,薄膜，,可,可以在,较,较大面,积,积上得,到,到均一,的,的薄膜,，,，控制,膜,膜的组,成,成，制,出,出合金,膜,膜。,3.,离,离子镀在镀膜,的,的同时,，,，采用,带,带能离,子,子轰击,基,基材表,面,面和镀,膜,膜层的,镀,镀膜技,术,术称为离子镀。,离子轰,击,击的目,的,的在于,改,改善膜,层,层的性,能,能。(1),离,离子,镀,镀技术,种,种类高频放电离,子,子镀，,空心阴极放,电,电离子镀，,感,感应加热离,子,子镀,(2) 离,子,子镀的特点,粘着力强、,均,均镀能力好,、,、被镀基体,材,材料和镀层,材,材料可广泛,搭,搭配、工艺,无,无污染。,4. 多弧,离,离子镀,金属靶接弧,电,电源负电压,，,，在靶上进,行,行电弧放电,，,，电弧电流,达,达10,5,A/cm,2,10,7,A/cm,2,，金属被蒸,发,发，电离成,为,为等离子状,态,态，在接有,偏,偏压电源负,电,电压的基材,上,上发生沉积,。,。,多弧离子镀,的,的特点：(1) 蒸,发,发源多，膜,厚,厚分布均匀,。,。,(2)工件,温,温度较低。(3)等离,子,子体密度高,，,，表面被离,子,子轰击洁净,，,，结合力好,。,。,多弧离子镀,原理,PVD技术,的,的应用：,可获得金属,涂,涂层和化合,物,物涂层。,在高速钢表,面,面涂敷TiN、TiC,薄,薄膜, 提,高,高刃具的耐,磨,磨性；,在塑料带上,涂,涂敷铁钴镍,膜,膜，制作磁,带,带；,在黄铜表面,涂,涂敷金膜，,用,用于装饰。,采用多弧离子镀在合金铸铁表面得到CrN/TiN/CrN多层纳米膜，结合力高，耐磨性好。厚度为3m3.2m，,显微硬度为16001800HV,0.025,多层纳米膜,采用多弧离子镀在高速钢钻头表面得到TiN、TiAlN涂层，提高钻头耐磨性。,镀硬质膜高速钢钻头,应用举例,三,、化学气相,沉,沉积,CVD设备,示,示意图,制取Si,3,N,4,薄膜：,SiH,4,+NH,3, Si,3,N,4,+H,2,制取TiC,薄,薄膜：,TiCl,4,+CH,4, TiC+ HCl,制取TiN,薄,薄膜：,TiCl,4,+N,2,+ H,2, TiN+HCl,利用气态化,合,合物或化合,物,物的混合物,在,在加热的基,体,体材料表面,发,发生气相化,学,学反应，在,基,基材表面上,形,形成镀膜的,技,技术称为化学气相沉,积,积(CVD)。,2. 等离,子,子体增强化,学,学气相沉积(PCVD)利用直流或,射,射频放电产,生,生的等离子,体,体，高能电,子,子激活反应,气,气体分子离,解,解或电离，,获,获得化学上,非,非常活泼的,离,离子、原子,，,，在基材（,工,工件）表面,沉,沉积镀膜。,射频放电PCVD,CVD法使,气,气态物质处,于,于高温，经,化,化学反应制,备,备涂层。,PCVD法,由,由于等离子,体,体作用，促,进,进气相化学,反,反应进行，,提,提高反应速,度,度。,CVD技术,的,的应用：,模具、轴承,及,及精密齿轮,的,的表面强化,，,，取得明显,的,的效果。,在不锈钢表,壳,壳上获得金,黄,黄色TiN,涂,涂层, 不,但,但美观,而,而且耐磨。,在钻头、车刀、铣刀等刀具表面沉积TiN、TiC, 提高刀具的耐磨性。,CVD TiN涂层铣刀,2.6.4,激,激光表面,改,改性,激光表面改,性,性将激光束照,到,到工件的表,面,面，以改变,材,材料表面性,能,能的加工方,法,法。,一、激光表,面,面改性的特,点,点,(1) 高,功,功率密度。,能,能量集中，,与,与工件表面,作,作用时间短,，,，适于局部,表,表面处理，,对,对工件整体,热,热影响小，,热,热变形很小,。,。(2),工,工艺操作灵,活,活简便，柔,性,性大。(3) 结合良,好,好。改性层,内,内部、改性,层,层和基体间,呈,呈冶金结合,，,，不易剥落,。,。,二、激光表,面,面处理技术,1.激光淬,火,火（激光相,变,变硬化）,高能量激光,束,束快速扫描,工,工件，材料,局,局部小区域,内,内表面极薄,一,一层温度急,剧,剧上升(升,温,温速度可达10,4,/s10,6,/s)，,基,基体仍处于,冷,冷态。,激光离去后,，,，局部表面,迅,迅速被工件,基,基体冷却，,冷,冷却速度可,达,达10,5,/s以上,，,，瞬间自冷,淬,淬火，材料,表,表面发生相,变,变硬化。,激,光,光,表,表,面,面,淬,淬,火,火,激,光,光,淬,淬,火,火,应,应,用,用,：,：,汽,车,车,缸,缸,套,套,内,内,壁,壁,进,进,行,行,激,激,光,光,表,表,面,面,淬,淬,火,火,内,内,壁,壁,获,获,得,得4.1mm,4.5mm,宽,宽,、,、0.3mm,0.4mm,深,深,、,、,表,表,面,面,硬,硬,度,度644HV,825HV,的,的,螺,螺,纹,纹,状,状,淬,淬,火,火,带,带,使,使,用,用,寿,寿,命,命,比,比,电,电,火,火,花,花,强,强,化,化,缸,缸,套,套,提,提,高,高,一,一,倍,倍,。,。,激,光,光,表,表,面,面,淬,淬,火,火,技,技,术,术,也,也,应,应,用,用,于,于,汽,汽,车,车,发,发,动,动,机,机,凸,凸,轮,轮,轴,轴,、,、,曲,曲,轴,轴,、,、,空,空,调,调,机,机,阀,阀,板,板,、,、,邮,邮,票,票,打,打,孔,孔,机,机,辊,辊,筒,筒,等,等,零,零,件,件,的,的,表,表,面,面,强,强,化,化,处,处,理,理,，,，,显,显,著,著,提,提,高,高,了,了,它,它,们,们,的,的,使,使,用,用,寿,寿,命,命,。,。,2,.,激,激,光,光,表,表,面,面,合,合,金,金,化,化在,高,高,能,能,激,激,光,光,束,束,作,作,用,用,下,下,，,，,将,将,一,一,种,种,或,或,多,多,种,种,合,合,金,金,元,元,素,素,与,与,基,基,材,材,表,表,面,面,快,快,速,速,熔,熔,凝,凝,，,，,使,使,材,材,料,料,表,表,层,层,获,获,得,得,具,具,有,有,预,预,定,定,的,的,高,高,合,合,金,金,特,特,性,性,的,的,技,技,术,术,。,。,3.,激,激,光,光,表,表,面,面,熔,熔,覆,覆激,光,光,加,加,热,热,基,基,材,材,表,表,面,面,形,形,成,成,较,较,浅,浅,的,的,熔,熔,池,池,，,，,同,同,时,时,送,送,入,入,合,合,金,金,粉,粉,末,末,一,一,起,起,熔,熔,化,化,后,后,迅,迅,速,速,凝,凝,固,固,、,、,或,或,者,者,是,是,将,将,预,预,先,先,涂,涂,敷,敷,在,在,基,基,材,材,表,表,面,面,的,的,涂,涂,层,层,与,与,基,基,材,材,一,一,起,起,熔,熔,化,化,后,后,迅,迅,速,速,凝,凝,固,固,，,，,得,得,到,到,一,一,层,层,新,新,的,的,熔,熔,覆,覆,层,层,。,。,激,光,光,表,表,面,面,熔,熔,覆,覆,应,应,用,用,：,：,在,柴,柴,油,油,机,机,铸,铸,铁,铁,阀,阀,座,座,的,的,衬,衬(,不,不,锈,锈,钢,钢,制,制,造,造),表,表,面,面,熔,熔,覆,覆Co,基,基,硬,硬,质,质,合,合,金,金,涂,涂,层,层,。,。,在,刀,刀,具,具,和,和,石,石,油,油,钻,钻,头,头,表,表,面,面,熔,熔,覆,覆WC,层,层,。,。,在,凸,凸,轮,轮,上,上,熔,熔,覆,覆,钴,基,基,自,自,熔,熔,合,合,金,金,层。,工件耐磨性大大,提,提高。,激光表面熔覆层,（钴基自熔合金,）,）,4.激光熔凝,激光束(功率密,度,度高达10,4,W/cm,2,10,5,W/cm,2,)在金属表面扫,描,描，金属表层快,速,速熔化，表层与,基,基体间形成很大,的,的温度梯度。,激光移去后，表,层,层的冷却速度高,达,达10,5,/s。,熔化层凝固后形,成,成极细或超细的,晶,晶粒，甚至形成,非,非晶层。,激光熔凝典型应,用,用：,拖拉机气缸套，,材,材料灰铸铁HT200。,激光熔凝工艺的,参,参数是：激光功,率,率950W;,扫,扫描速度14mm/s25mm/s。,激光熔凝后,其,其硬化带宽度约,为,为3mm, 显,微,微硬度为740HV950HV(原始值,约,约260 HV)。,细化组织，硬度,提,提高。,显著提高缸套的,耐,耐磨性和使用寿,命,命。,本节小结,表面处理技术,表面淬火,化学热处理,电,电镀与电,刷,刷镀,热喷涂,气相沉积,激光表面处理,表面处理技术可,以,以大大提高工程,材,材料的耐蚀、耐,磨,磨、耐疲劳性能,，,，延长工件的使,用,用寿命，具有重,要,要的经济意义。,第2章 小,结,结,1.金属结晶的条件是要有一,定,定的过冷度，推,动,动力是固态金属,和,和液态金属之间,的,的自由能差。结,晶,晶由形核和长大,二,二个过程组成。,细,细化铸态金属晶,粒,粒的措施。,2.合金的结晶用相图来分析。,常,常用的有匀晶相,图,图和共晶相图。,铁碳相图中包含5种相，,铁,铁碳合金的平衡,结,结晶过程用铁碳,相,相图来分析，室,温,温平衡组织中的,组,组成相和组织组,成,成物的质量分数,可,可以用杠杆定律,求,求出。,3.金属塑性变,形,形机理滑移和孪生。,金属晶粒变形，,位,位错密度增加，,产,产生残余内应力,。,。冷塑性变形使,金,金属产生加工硬,化,化现象。,再结晶形成新的,等,等轴晶，可以消,除,除加工硬化。,T,再结晶,=（0.35, 0.4）,T,熔点,4.过冷奥氏体,的,的转变产物珠光体、索氏体,、,、屈氏体、上贝,氏,氏体、下贝氏体,、,、马氏体。,钢,钢的热处理工艺：退火、正火、,淬,淬火、回火、表,面,面热处理和化学,热,热处理。,影响淬透性高低,的,的主要因素是合,金,金元素，影响淬,硬,硬性高低的主要,因,因素是碳的质量,分,分数。,5.合金元素在,钢,钢中的作用,提高钢的淬透性,，,，细化晶粒，提,高,高钢的回火稳定,性,性，防止回火脆,性,性，二次硬化，,固,固溶强化，第二,相,相强化（弥散强,化,化），增加韧性,，,，提高钢的耐蚀,性,性或耐热性。,合金元素在不同,的,的钢中的作用不,一,一样。,6.表面处理技,术,术,电刷镀、热喷涂,、,、气相沉积、激,光,光强化。提高工,程,程材料的耐蚀、,耐,耐磨、耐疲劳性,能,能，延长工件使,用,用寿命，具有重,要,要的经济意义。,