金属材料的表面处理.ppt

金属材料与热处理 主编 课题5金属材料的表面处理 课题引入课题说明课题目标5 1金属材料表面处理概述5 2表面淬火5 3表面化学热处理技术5 4化学氧化与磷化处理5 5电镀技术5 6表面气相沉积技术5 7其他表面处理技术5 1思考题 5 1金属材料表面处理概述 5 1 1表面处理技术的作用5 1 2表面处理技术的分类 5 1 1表面处理技术的作用 提高表面耐蚀性和耐磨性 减缓 消除和修复材料表面的变化及损伤 使普通材料获得具有特殊功能的表面 表面处理技术可用于节约能源 降低成本 改善环境 5 1 2表面处理技术的分类 表面合金化技术包括喷焊 堆焊 离子注入 激光熔覆等 表面覆盖与覆膜技术包括电镀 化学镀 化学转化膜 气相沉积等 表面组织转化技术包括表面淬火 化学热处理等热处理技术及喷丸 滚压等表面加工硬度技术 表面热处理 如表面淬火 表面化学热处理等 电镀与化学镀 如纯金属电镀 合金电镀 电刷镀等 化学转化膜 如化学氧化处理 磷化处理等 气相沉积 如化学气相沉积 物理气相沉积等 形变强化 如喷丸 机械镀等 5 1 2表面处理技术的分类 热喷涂 如火焰喷涂 等离子喷涂 电弧喷涂等 堆焊 如手工堆焊 埋弧堆焊 等离子堆焊等 高能束技术 如激光表面合金化 激光熔覆 离子注入等 5 2表面淬火 5 2 1火焰淬火5 2 2感应淬火 5 2 1火焰淬火 火焰淬火原理 火焰淬火方法及应用 火焰淬火操作要点及注意事项 火焰淬火的特点 火焰淬火原理 图5 1火焰淬火示意图 火焰淬火方法及应用 固定法零件和喷嘴都不动 用火焰喷嘴直接加热淬火部分 使零件加热到淬火温度后立即喷水冷却 如图5 2a所示 图5 2火焰表面淬火方法示意图 火焰淬火方法及应用 前进法火焰喷嘴和冷却装置沿零件表面作平行移动 一边加热 一边冷却 旋转法用一个或几个固定火焰喷嘴对旋转零件表面进行加热 表面加热至淬火温度后进行冷却 如图5 2c所示 联合法淬火零件绕其轴线旋转 喷嘴和喷水装置同时沿零件轴线移动 如图所示 火焰淬火操作要点及注意事项 对被淬火表面预先进行认真清理和检查 淬火部位不允许有脱碳层 氧化皮 气孔 砂眼和裂纹等缺陷 根据零件淬火部位及技术要求选择合适的喷嘴 在淬火前零件一般应进行预备热处理 如正火或调质处理 以保证零件心部的强度和韧性 合理调整氧 乙炔混合气 火焰淬火温度比普通淬火温度要高 一般取880 950 合理选择淬火介质 工作结束后 先关断氧气 再关断乙炔 等熄灭后再开少量氧气吹出烧嘴中剩余气体 最后再关掉氧气 工件淬火后必须立即回火 以消除应力 防止开裂 火焰淬火的特点 火焰淬火的主要特点为 设备简单 体积小 成本低 使用方便 受工件体积大小的限制 淬火后表面清洁 很少氧化与脱碳 变形小 操作简便 工艺灵活 淬火成本低 火焰加热温度高 加热快 生产效率高 加热温度和淬硬层深度不容易控制 质量不稳定 所以 火焰淬火一般用于单件 小批量生产以及大型工件 如大模数齿轮 大轴轴颈 的表面淬火 5 2 2感应淬火 感应淬火原理 常用感应淬火方法及应用 感应淬火的特点 感应淬火原理 感应淬火是利用感应电流通过零件所产生的热效应 使零件表面很快加热到淬火温度 然后迅速冷却的热处理方法 如图5 KG 8 3所示 感应淬火是目前应用最广泛的一种表面淬火 当一定频率的电流通过空心铜管制成的感应器时 在感应器的内部及周围便产生一个交变磁场 于是 在工件内部产生了同频率的感应电流 电流在工件内的分布是不均匀的 表面电流密度大 心部电流密度小 通过感应器的电流频率越高 电流就越集中于工件的表面 这种现象称为集肤效应 依靠感应电流的热效应 可将工件表层迅速加热到淬火温度 而此时心部温度还很低 淬火介质通过感应器内侧的小孔及时喷射到工件上 形成淬硬层 感应电流频率越高 电流透入深度越小 工件加热层越薄 淬硬层越浅 因此 感应加热进入工件表层的深度主要取决于电流频率 常用感应淬火方法及应用 工频感应淬火电流频率为50Hz 可获得10 15mm以上的淬硬层 适用于大直径的穿透加热及要求淬硬层深的大工件的表面淬火 中频感应淬火常用电流频率为2500 8000Hz 可获得3 6mm深的淬硬层 主要用于要求淬硬层较深的零件 如发动机曲轴 凸轮轴 大模数齿轮 较大尺寸的轴和钢轨的表面淬火 高频感应淬火常用电流频率为200 300kHz 可获得的表面淬硬层深度为0 5 2mm 主要用于中小模数齿轮和小轴的表面淬火 感应淬火的特点 图5 3感应淬火示意图1 加热淬火层2 水3 间隙4 工件5 加热感应圈6 进水7 出水8 淬火喷水套9 水 感应淬火的特点 图5 4高频感应加热设备 5 3表面化学热处理技术 1 分解富有渗入元素的介质在一定的条件下进行化学反应 分解产生具有一定活性的渗入元素原子 2 吸收分解产生渗入元素的活性原子 初生状态原子 被工件表面吸收 溶解 这一过程的进行必须具备下列两个条件 有渗入元素的活性原子存在 渗入元素呈分子状态存在时 不能被工件吸收 渗入元素能渗入工件中形成固溶体或金属化合物 3 扩散被工件表面吸收的渗入元素原子 由表面向内部移动 并达到一定的浓度和深度 1 强化工件表面提高工件表层的力学性能 如表层硬度 耐磨性 疲劳强度等 5 3表面化学热处理技术 2 保护工件表面改善工件表层的物理 化学性能 如耐高温及耐蚀性等 5 3 1渗碳技术5 3 2渗氮技术5 3 3碳氮共渗技术5 3 4渗硼技术 5 3 1渗碳技术 固体渗碳固体渗碳是将工件置于填满木炭 90 和碳酸钡 BaCO3 10 的固体渗碳箱内进行的 如图5 5所示 气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺 5 3 1渗碳技术 表5 1常见渗碳用钢及其用途 5 3 1渗碳技术 图5 5固体渗碳箱1 渗碳剂2 工件3 箱体4 6mm铁板4 泥封5 试棒 10mm6 盖 铁板厚6 8mm 气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺 图5 6井式气体渗碳炉1 风扇电动机2 废气火焰3 炉盖4 砂封5 电阻丝6 耐热罐7 工件8 炉体 气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺 图5 7气体渗碳典型工艺曲线 气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺 1 排气阶段零件在装炉时使炉温下降 同时带入大量空气 2 强渗阶段到温后保温约30min 排气阶段结束即关闭排气孔 进入强渗阶段 3 扩散阶段进入扩散阶段应减少煤油滴量 使表面高浓度的碳向心部扩散 同时滴入少量甲醇 最终达到规定的渗层深度和合适的碳浓度分布 4 降温阶段提前0 5 1h检查试棒 当渗层深度达到规定要求时间时即可降温出炉 5 3 2渗氮技术 气体渗氮 离子渗氮 气体渗氮 图5 8气体渗氮装置示意图1 氨气分解率测定器2 冒泡瓶3 9 U形气压计4 安置架5 缓冲箱6 箱式电阻炉7 渗氮箱8 热电偶10 干燥箱11 氨气瓶 离子渗氮 图5 9离子渗氮装置1 温度表2 热电偶3 接真空系统4 阀5 绝缘体6 工件7 观察窗8 13 开关9 阀10 电源11 气源12 温度控制器 5 3 3碳氮共渗技术 1 渗层性能好碳氮共渗与渗碳相比 其渗层硬度差别不大 但其耐磨性 耐蚀性及疲劳强度比渗碳层高 2 渗入速度快在碳氮共渗的情况下 由于碳氮原子能互相促进渗入过程 所以在相同温度下 共渗速度比渗碳和渗氮都快 仅是渗氮时间的1 3 1 4 3 工件变形小由于氮的渗入提高了共渗层奥氏体的稳定性 故使渗层的淬透性得到提高 这样不仅可以用较缓慢的淬火介质进行淬火而减少变形 而且可以用较便宜的碳素钢来代替合金钢制造某些工模具 4 不受钢种的限制 4 不受钢种的限制 表5 2几种表面热处理工艺的比较 5 3 4渗硼技术 1 硬度与耐磨性钢铁渗硼后表面具有极高的硬度 显微硬度可达1290 2300HV 所以具有很高的耐磨性 2 高温抗氧化性及热硬性钢铁渗硼后所形成的铁硼化合物 FeB Fe2B 是一种十分稳定的金属化合物 它具有良好的高温抗氧化性和热硬性 经渗硼处理的模具一般可在600 以下可靠地工作 3 耐蚀性渗硼层在酸 除硝酸外 碱和盐的溶液中都具有较高的耐蚀性 特别是在盐酸 硫酸和磷酸中具有很高的耐蚀性 4 渗硼层的脆性渗硼层的硬度高 脆性较大 固体渗硼 5 3 4渗硼技术 液体渗硼液体渗硼包括盐浴渗硼和电解盐浴渗硼 盐浴渗硼是利用硼砂作为供硼源 无水硼砂 Na 2B 4O 7 在高温熔融状态和还原剂作用下 有活性硼原子产生 在高温下游离状态的活性硼原子 被工件表面吸附 与铁原子生成硼化物FeB和Fe 2B 盐浴渗硼多采用坩埚电阻炉 而且多是自制设备 炉内放置盐浴坩埚 为了防止腐蚀 盐浴坩埚必须用不锈钢制作 渗硼温度为 WTBZ 900 1000 WTBZ 时间为4 6h 盐浴配制完成后加热到渗硼温度 保温0 5h 再搅拌一次 方可放入渗硼工件 渗硼工件要吊装在坩埚内 每隔0 5 1h将工件适当地移动 以保证渗硼层均匀 达到渗硼保温时间后 即可出炉 不需淬火的工件从盐浴中取出 空冷 由于有粘在工件上的盐浴液保护 渗硼层不致损坏 需要淬火的工件应立即转入中性盐浴中加热 然后淬火 电解盐浴渗硼时 以浸在熔融硼砂中的工件作阴极 石墨坩埚作阳极 电流密度为 0 15 0 2 A cm 2 处理温度为930 950 时间为2 6h 可得渗层深0 15 0 35mm 电解渗硼速度快 渗剂便宜 渗层深 易调节 但渗层欠均匀 坩埚寿命较短 气体渗硼与固体渗硼的区别是供硼剂为气体 气体渗硼需用易爆的乙硼烷或有毒的氯化硼 在工业生产上很少使用 工件渗硼后一般应进行淬火和回火处理 热处理使基体发生相变 而硼化物层不发生相变 因硼化物与基体的膨胀系数差别较大 渗层易开裂 所以要尽量使用缓和的淬火介质 并及时回火 盐浴渗硼具有设备简单 用盐资源丰富 成本低 无公害等优点 适合渗硼的材料十分广泛 几乎所有钢铁材料 如结构钢 工具钢 模具钢 铸铁均可进行渗硼 硬质合金 有色金属也可以进行渗硼 固体渗硼 固体渗硼是将工件埋入含硼的粉末或颗粒介质中 或在其表面涂以含硼膏剂 装箱密封再加热保温的化学热处理工艺 固体渗硼不需要专用设备 操作方便 适应性强 但固体渗硼劳动强度大 工作条件差 成本较高 固体渗硼分为粉末渗硼和膏剂渗硼 粉末渗剂一般由供硼剂 硼粉 碳化硼B 4C 硼铁合金B Fe 硼砂Na 2B 4O 7等 活化剂 氟硼酸盐 冰晶石 氟化物 氯化物 碳酸盐等 和填充剂 三氧化二铝Al 2O 3 碳化硅SiC 木炭 煤粉等 组成 渗硼用铁箱可用低碳钢板焊制 装箱方法与固体渗碳相似 先在箱底铺上一层厚20 30mm的渗硼剂后 再放入工件 工件与箱壁 工件与工件之间要保持10 15mm的间隙 然后填充渗硼剂 盖上箱盖后用耐火泥或黄土泥密封 对于大型凹模的模腔 因非工作部位不需渗硼 所以只在模腔内填充渗硼剂 其他部位用木炭填充 防止表面脱碳 操作时 为了防止活化剂过早分解 影响渗硼效果 要先将炉升温 采用热炉装箱 粉末渗硼的温度一般为850 950 提高渗硼温度可以缩短渗硼时间 但会引起晶粒粗大 渗硼保温时间一般为3 5h 最长不超过6h 渗硼层的厚度为0 07 0 15mm 工件经固体渗硼后 最好采用渗箱出炉空冷 至300 400 以下开箱取出工件 渗硼工件表面呈光亮的银灰色 膏剂渗硼所用膏剂是粉末渗硼剂与粘结剂 常用的有松香酒精溶液 硅酸乙酯水溶液等 混合制成的膏状物 渗硼前将工件去锈 脱脂清洗干净后 再将膏剂涂于工件表面 涂层厚度为1 2mm 经自然干燥或在 150 烘箱中烘干后便可装箱 对不需要渗硼的部位 可用三氧化二铝与水玻璃调成糊状进行保护 工件与箱底 箱壁应保持20 30mm距离 盖箱后用水玻璃调制耐火土或黄土泥密封 然后装入已升温到渗硼温度的箱式电炉中加热 膏剂渗硼温度常用930 950 保温时间为3 6h 温度过高或保温时间过长将引起渗硼层脆性增大 反之渗层过薄 液体渗硼 液体渗硼包括盐浴渗硼和电解盐浴渗硼 盐浴渗硼是利用硼砂作为供硼源 无水硼砂 Na 2B 4O 7 在高温熔融状态和还原剂作用下 有活性硼原子产生 在高温下游离状态的活性硼原子 被工件表面吸附 与铁原子生成硼化物FeB和Fe 2B 盐浴渗硼多采用坩埚电阻炉 而且多是自制设备 炉内放置盐浴坩埚 为了防止腐蚀 盐浴坩埚必须用不锈钢制作 渗硼温度为900 1000 时间为4 6h 盐浴配制完成后加热到渗硼温度 保温0 5h 再搅拌一次 方可放入渗硼工件 渗硼工件要吊装在坩埚内 每隔0 5 1h将工件适当地移动 以保证渗硼层均匀 达到渗硼保温时间后 即可出炉 不需淬火的工件从盐浴中取出 空冷 由于有粘在工件上的盐浴液保护 渗硼层不致损坏 需要淬火的工件应立即转入中性盐浴中加热 然后淬火 电解盐浴渗硼时 以浸在熔融硼砂中的工件作阴极 石墨坩埚作阳极 电流密度为 0 15 0 2 A cm 2 处理温度为930 950 时间为2 6h 可得渗层深0 15 0 35mm 电解渗硼速度快 渗剂便宜 渗层深 易调节 但渗层欠均匀 坩埚寿命较短 气体渗硼与固体渗硼的区别是供硼剂为气体 气体渗硼需用易爆的乙硼烷或有毒的氯化硼 在工业生产上很少使用 工件渗硼后一般应进行淬火和回火处理 热处理使基体发生相变 而硼化物层不发生相变 因硼化物与基体的膨胀系数差别较大 渗层易开裂 所以要尽量使用缓和的淬火介质 并及时回火 盐浴渗硼具有设备简单 用盐资源丰富 成本低 无公害等优点 适合渗硼的材料十分广泛 几乎所有钢铁材料 如结构钢 工具钢 模具钢 铸铁均可进行渗硼 硬质合金 有色金属也可以进行渗硼 5 4化学氧化与磷化处理 5 4 1化学氧化处理5 4 2磷化处理 5 4 1化学氧化处理 氧化处理 发蓝 时氧化膜形成的原理 氧化处理工艺 发蓝处理后的质量检查 氧化处理设备5 氧化处理安全要求6 氧化处理的应用 氧化处理 发蓝 时氧化膜形成的原理 氧化处理工艺 高温氧化工艺流程碱性化学脱脂 热水洗 酸洗 冷水洗两次 氧化处理 回收温水洗 冷水洗 浸3 5 肥皂水 皂化 或3 5 铬酸钾溶液 钝化 干燥 浸油 常温氧化工艺流程化学脱脂 热水洗 冷水洗 除锈酸洗 冷水洗 中和处水洗 常温氧化 水洗 肥皂水处理干燥 浸热油 水洗 热水烫干 浸清漆封闭 发蓝处理后的质量检查 外观观察法将工件放在荧光灯下 离肉眼300mm 观察其表面 若颜色均匀一致 无明显花斑与锈迹存在 则为良好 氧化膜疏松的测定在脱脂后的工件上滴上数滴3 的中性硫酸铜 若在30s内不显示铜色即为合格 氧化处理设备 酸洗槽应采用玻璃钢耐酸缸 耐酸塑料桶 耐酸搪瓷缸等 氧化槽应保证一定的氧化速度所具有的功率 其他辅助设备清洗槽 皂化槽 热油槽等都无一定技术规定 按需选用即可 5 氧化处理安全要求 操作人员在操作时必须戴上眼镜 橡胶手套 高筒胶皮鞋 穿耐酸工作服 碱性溶液在氧化阶段具有强烈腐蚀性气体 蒸发时 如碰到操作人员皮肤 会导致皮肤发痒甚至破裂 因此必须采用铁罩壳将蒸气通向屋外 或安装排气扇把气体排出室外 6 氧化处理的应用 氧化处理适用于碳素钢和低合金钢 广泛应用于机械零件 仪器仪表 枪械等的精密零件及不能以其他覆层替代的防护 装饰性工件 在不影响精密度及力学性能的前提下 它能使工件增加美观和防锈等 但在使用过程中应定期擦油 由于操作不同及金属本身的化学成分不同 获得的氧化膜颜色也不同 有蓝黑色 黑色 红棕色等 碳素钢及一般合金钢为黑色 铬硅钢为红棕色到黑棕色 高速钢是黑褐色 铸铁为紫褐色 5 4 2磷化处理 磷化工艺的基本原理 磷化工艺分类及应用特点 磷化工艺的基本原理 利用酸的浸蚀使基体金属表面H 浓度降低 促进剂 氧化剂 加速 磷酸根的多级离解 磷酸盐沉淀结晶成为磷化膜 磷化工艺分类及应用特点 防锈磷化工艺磷化工艺的早期应用是防锈 钢铁件经磷化处理形成一层磷化膜 起到防锈作用 耐磨减摩润滑磷化工艺对于发动机活塞环 齿轮 制冷压缩机一类工件 它不仅承受一次载荷 而且还有运动摩擦 要求工件能减摩 耐磨 漆前磷化工艺涂装底漆前的磷化处理 将提高漆膜与基体金属的附着力 提高整个涂层系统的耐腐蚀能力 提供工序间保护以免形成二次生锈 高温磷化钢铁零件的高温磷化是在90 98 温度下处理10 30min 中温磷化钢铁零件中温磷化 是在50 70 温度下处理10 15min 磷化工艺分类及应用特点 常 低 温磷化钢铁零件常温磷化 是指不加热 在自然室温条件下的磷化 正常为10 35 1 浸渍磷化适用于高 中 低温磷化 2 喷淋磷化适用于中 低温磷化工艺 可处理大面积工件 如汽车 冰箱 洗衣机壳体 3 刷涂磷化上述两种方法无法实施时 采用本法 5 5电镀技术 5 5 1普通电镀5 5 2电刷镀 5 5 1普通电镀 电镀原理 镀铬 镀锌 电镀原理 图5 10电镀锌装置示意图 镀铬 镀前准备包括镀前机械加工以提高工件表面质量 绝缘处理 即在工件不需镀铬表面 先刷绝缘清漆 再包塑料胶带 吊入镀槽进行电镀 镀后加工与处理 镀后检查 不合格处用酸洗或反极退镀 重新电镀 镀锌 锌镀层大多镀覆于钢铁制品的表面 经钝化后 在空气中几乎不发生变化 有很好的防锈功能 这是因为钝化膜紧密细致及锌镀层表面生成的碱式碳酸盐薄膜保护了下面的金属不再受腐蚀的缘故 另一方面 由于锌有较高的负电位 比铁的电位高 因此 形成铁 锌原电池时 锌镀层是阳极 它会自身溶解而保护钢铁基体 即使表面锌镀层不也能起到这个作用 锌镀层对铁基体既有物理保护作用 又有电化学保护作用 所以 耐蚀性能相当优良 锌镀层钝化后 通常视所用钝化液不同而得到彩虹色钝化膜或白色钝化膜 彩虹色钝化膜的耐蚀性比无色钝化膜高5倍以上 这是因为彩虹色钝化膜比白色钝化膜厚 另一方面 彩虹色钝化膜表面被划伤后 表面能自行再钝化 使钝化膜恢复完整 因此镀锌多采用彩虹色钝化 白色钝化膜外观洁白 多用于日用五金 建筑五金等要求有均匀白色表面的制品 此外 还有黑色钝化 军绿色钝化等 在工业上也有应用 锌是既溶于酸又溶于碱的两性金属 锌层中含有异类金属越多越容易溶解 电镀所得锌层较纯 在酸和碱中溶解较慢 锌镀层经特种处理后可呈现各种颜色作装饰用 锌镀层的厚度视工件的要求而定 一般不低于5 m 普通在6 12 m 恶劣环境条件下才超过20 m 镀锌具有成本低 耐蚀性好 美观和耐储存等优点 在工业中得到广泛应用 但锌镀层硬度低 又对人体有害 所以不能在食品工业上使用 5 5 2电刷镀 图5 11电刷镀原理示意图 工件 镀层 镀液 包套 阳极 导电柄 电刷镀电源 阳极电缆 阴极电缆 循环使用溶液 拾液盘 5 6表面气相沉积技术 5 6 1化学气相沉积5 6 2物理气相沉积5 6 3等离子化学气相沉积 PCVD 5 6 1化学气相沉积 化学气相沉积的原理 化学气相沉积的特点 化学气相沉积的应用 化学气相沉积的原理 图5 12化学气相沉积氮化钛设备示意图 干燥器 净化器 流量计 TiC 包蒸发器 反应器 加热器 工件 泵 尾气吸收器 1 反应气体向工件表面扩散并吸附 化学气相沉积的原理 2 吸附于工件表面的各种物质发生表面化学反应 3 生成物质点聚集成晶核逐渐长大 4 表面化学反应中产生的气体产物脱离工件表面返回气相 5 沉积层与基体的界面发生元素的互扩散 形成镀层 化学气相沉积的特点 1 设备简单 操作维护方便 灵活性强 2 由于它绕镀性能好 所以可涂覆带有槽 沟 孔 不通孔等各种形状的复杂工件 3 由于沉积温度高 涂层与基体之间结合牢靠 经CVD处理的工件 即使在十分恶劣的条件下工作涂层也不易脱落 4 涂层致密均匀 并且可以控制它们的纯度 结构和晶粒度 5 CVD法沉积温度高 一般在800 1100 范围内 对于高温时变形量较大的钢材和尺寸要求特别精密的工件要考虑变形的影响 化学气相沉积的应用 耐磨镀层以氮化物 氧化物 碳化物和硼化物为主 主要应用于金属切削刀具 摩擦学镀层主要降低接触的滑动面或转动面之间的摩擦因数 减少粘着 摩擦或其他原因造成的磨损 高温应用镀层主要是镀层的热稳定性 5 6 2物理气相沉积 物理气相沉积 PVD 是在真空条件下 将金属 合金或非金属及化合物等用物理方法气化为原子或分子 或使之离化为离子 然后直接沉积在基体表面形成薄膜的技术 物理气相沉积技术始于20世纪初 现已在机械 电子 信息 航空航天 轻工 光学 能源等部门得到广泛应用 可用于制备抗氧化 抗腐蚀 耐磨 润滑 装饰等结构镀层 也可制备光学 磁性 导电 压电和超导等具有特殊性能的功能膜 物理气相沉积的实用方法有以下三种 真空蒸镀 在真空室中将成膜材料用电阻加热 或电子束加热 感应加热 方法加热至熔化状态 并使之蒸发后以原子或分子态沉积在基体表面成膜 真空溅射 在真空室内通入0 1 1 0Pa的惰性气体 如氮 使之在高电压下辉光放电 气体离子在强电场作用下轰击膜材制成的阴极靶 使表面的原子被溅射出来 沉积在基体上成膜 离子镀 将真空蒸镀和离子溅射结合起来的一种新的镀膜技术 在真空室中通过电阻加热 或电子束加热 感应加热 使膜材汽化 然后向真空室中通入0 1 1 0Pa的氢气 在基体相对于膜材间加负高压 于是基体与膜材间产生辉光放电 基体在受到气体正离子轰击清除表面污染物的同时 也有大量被电离的膜材物质的正离子射向负高压的基体 沉积成膜 物理气相沉积过程是在真空中进行的 与其他工艺相比有以下特点 在真空条件下制备的膜物理化学性能好 如不受污染 纯度高 致密性好 光洁度高 膜厚均匀 膜厚容易控制 既可制几百微米的厚膜 也很容易制备数十纳米的极薄膜 镀膜材料和基体材料的范围广泛 几乎不受限制 可制纯金属膜 成分复杂的合金膜 也可在沉积过程中通入反应气体 如氧 氮等 制备化合物膜 如三氧化二铝 Al 2O 3 氮化铝 AlN 氮化钛 TiN 二硫化钼 MoS 2 等膜 沉积速度较快 不足之处是PVD法形成的沉积层较薄 且与工件表面的结合力较小 镀层的均匀性较差 设备的造价较高 操作维护的技术要求也较高 镀膜前可在真空室中对基体表面进行离子轰击清洗 以增强镀层与基体的结合强 度 5 6 3等离子化学气相沉积 PCVD 表5 3PVD法 CVD法及PCVD法的特性与应用比较 5 7其他表面处理技术 5 7 1热喷涂5 7 2喷丸强化5 7 3激光表面强化处理 5 7 1热喷涂 1 火焰粉末喷涂2 电弧喷涂3 等离子喷涂 5 7 1热喷涂 图5 13热喷涂技术原理示意图 5 7 1热喷涂 图5 14涂层的形成过程 1 火焰粉末喷涂 图5 15火焰粉末喷涂示意图 2 电弧喷涂 图5 16电弧喷涂示意图 3 等离子喷涂 图5 17等离子喷涂示意图 1 适应性广热喷涂可在各种基体上制备各种材质的涂层 3 等离子喷涂 2 基体温度低一般在30 200 之间 因此变形小 热影响区浅 3 操作灵活可喷涂各种规格和形状的物体 特别适合于大面积涂层 并可在野外作业 4 涂层厚度范围宽从几十微米到几毫米的涂层都能制备 且容易控制 喷涂效率高 成本低 喷涂时生产效率为每小时数公斤到数十公斤 5 7 2喷丸强化 延长构件寿命 使疲劳强度提高20 70 在寿命等同的条件下增加承载能力 允许减小工件的尺寸和质量 减少对精加工的需求 降低成本 在使用高强度钢时 不必担心出现缺口敏感性 能够用于对疲劳性有损害的工艺过程 例如放电加工 电解加工以及镀硬铬等过程 铸铁弹丸碳质量分数wC为2 75 3 60 硬度约为58 65HRC 5 7 2喷丸强化 钢弹丸当前使用的钢弹丸一般是将wC为0 7 的弹簧钢丝 或不锈钢丝 切制成段 经磨圆加工制成 直径为d 0 4 1 2mm 玻璃弹丸其应用是在近十几年发展起来的 已在国防工业中获得应用 5 7 3激光表面强化处理 1 激光相变硬化2 激光熔化 凝固处理 熔凝处理 3 激光表面合金化 实验目的 实验设备及材料 实验步骤4 实验报告内容5 实验注意事项 实验目的 实验设备及材料 实验步骤4 实验报告内容5 注意事项 1 激光相变硬化 激光相变硬化热处理是将规律的强激光束照射到工件表面 迅速将工件表面温度提高到奥氏体转变温度以上 熔点以下的范围之内 通过激光束的快速移动 被加热的部位与工件内部进行快速的热交换 使工件表面的冷却速度极快来实现马氏体的转变 得到极细的马氏体结构组织 由于激光相变硬化是采用快速加热与快速冷却的工作方式 它在工件表面上产生的压应力可以达到750MPa以上 从而增强了材料的疲劳强度 一些用传统热处理不易处理或效果不佳的材料 如铸铁 低碳钢等 均可采用激光相变硬化的方式进行热处理 并且效果良好 在相同的激光强化条件下 激光强化层的显微硬度和厚度取决于钢的含碳量 随着含碳量的增加 激光强化层的厚度和硬度有所增加 各种材料经激光相变硬化处理后 可以得到晶粒非常细小的表层组织 它不但有良好的强度 硬度 而且在许多情况下不发生脆性破坏 使材料表面性能得到改善 耐磨性显著提高 而且因为相变硬化层体积膨胀受到基体限制 故而表层产生数百兆帕的残留压应力 提高了材料的疲劳强度 2 激光熔化 凝固处理 熔凝处理 激光熔化 凝固处理是利用高能量密度的激光束对金属表层进行熔融和激冷处理 使金属表层形成一层液体金属的激冷组织 但并不改变表层的化学成分 由于表层金属的加热和冷却都异常迅速 故所得的组织非常细小 若通过外部介质使表层熔液冷却速度达到 WTBZ 10 6 s WTBZ 则可抑制结晶过程的进行而凝固成非晶态 称为激光熔化 非晶态处理 又称激光上釉 熔凝处理可以用来改善材料表面的耐磨性 疲劳强度和耐蚀性 某些合金钢在高速冷却结晶后 可以提高碳化物弥散度 改善合金元素及碳化物分布 因而表面硬度和热稳定性都有提高 可延长模具的寿命 如Cr12莱氏体钢和4Cr5MoSiV钢表面熔化 然后超高速冷却 形成很细的铸态组织 使合金元素和碳化物分布更均匀 提高了表面硬度 3 激光表面合金化 激光表面合金化是一种既改变材料表面的物理状态 又改变其化学成分的激光表面强化技术 这种表面处理工艺先是采用电镀 涂覆粉末 填加粉末等方法把所需要的合金元素涂敷到金属表面 然后在激光束的照射下 使其与基体表面的一薄层快速熔化 通过控制熔化深度来改善表面组织与性能 激光表面合金化处理仅在熔化区的薄层内有成分的改变及组织性能的变化 热效应也只发生在1 2mm的范围内 因此对基体材料的影响很小 工件变形小 工件合金化层性能稳定 与基体结合强度远高于CVD和PVD 这种处理方法过程简单 效率高 可以通过表面合金化处理替代合金而节省大量贵重稀有元素 在技术上和经济上有重要意义 4 实验报告内容 本次实验目的 实验材料与实验内容 实验步骤 分析加热温度与钢种 wC 对硬化层深度的影响并加以讨论 分别绘制出45钢和T12钢硬度分布曲线并加以讨论 6 实验结论 4 实验报告内容 本次实验目的 实验材料与实验内容 发蓝工艺的基本原理 实验基本步骤和注意事项 分析发蓝温度与时间对表面质量的影响