表面改性技術(shù)培訓(xùn)課件-文庫吧

【正文】 6及 M7C3 所組成；涂層 厚度為 1mm；稀釋度為 7%；涂層合金最高 硬度為 。 應(yīng)用范圍： a)軸件修復(fù)； b)新產(chǎn)品，以提高使用壽命。 激光表面處理工藝 3．有色金屬激光涂履 激光表面涂覆可以從根本上改善工件的表面 性能，很少受基體材料的限制。這對(duì)于表面耐 磨、耐蝕和抗疲勞性都很差的鋁合金來說尤為 重要。但是，有色金屬特別是鋁合金表面實(shí)現(xiàn) 激光涂覆比鋼鐵材料困難得多。鋁合金與涂覆 材料的熔點(diǎn)相差很大，而且鋁合金表面存在高 熔點(diǎn)、高表面張力、高致密度的 Al2O3氧化膜， 所以，涂層易脫落、開裂、產(chǎn)生氣孔或與鋁合 金混合生成新合金，難以獲得合格的涂層。 激光表面處理工藝 3．有色金屬激光涂履 研究表明，避免涂層開裂的簡單方法是工件 預(yù)熱。一般鋁合金預(yù)熱溫度為 300℃ ～ 500℃ ； 鈦合金預(yù)熱溫度為 400℃ ～ 700℃ 。國內(nèi)對(duì) ZL101鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁進(jìn)行激光涂覆硅 粉和 MoS2，獲得 ～ ， 其硬度可達(dá)基體的 。鋁合金的激光熔覆 已在國外獲得應(yīng)用。 激光表面處理工藝 5. 激光表面沖擊硬化： 以 高功率密度的脈沖激光在極短的時(shí)間內(nèi)照射金屬表面，使表面金屬劇烈氣化，產(chǎn)生了強(qiáng)的機(jī)械沖擊波和應(yīng)力波，使材料表面硬化。 激光表面處理工藝 激光沖擊硬化是正在開發(fā)的一種材料表面改性技術(shù)，它不僅可以大大提高材料的強(qiáng)度和硬度，而且能有效提高鋼、鋁、鈦等合金的抗疲勞性能。 由于沖擊波持續(xù)的時(shí)間短，因而產(chǎn)生的變形很小， 適于處理成品零件。如果用激光沖擊硬化處理齒輪和 軸承等精加工的工作面，就可以阻止處理部位裂紋的 擴(kuò)展。 因此，激光沖擊硬化對(duì)提高材料的安全性、可靠性 和使用壽命具有重要意義。 各種材料經(jīng)過激光表面改性處理以后，可以得到硬 度很高、晶粒和組織很細(xì)的強(qiáng)化層，它與基體的結(jié)合 屬于緊密的冶金結(jié)合。 雖然在大多數(shù)情況下不經(jīng)回火而直接裝配使用，卻 并不表現(xiàn)出脆性，具有優(yōu)良的性能。 激光表面處理工藝 用激光沖擊波對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的緊固件進(jìn)行 處理，其緊固件的高頻疲勞壽命，處理后比 處理前要延長 100倍，這對(duì)提高飛機(jī)的性能起 著決定性的作用。另外，用激光照射鋁合金 表面，由于沖擊硬化，鋁合金構(gòu)件的疲勞壽 命和焊縫強(qiáng)度得到顯著改善。 激光表面處理工藝 各種材料經(jīng)過激光表面改性處理以后，可 以得到硬度很高、晶粒和組織很細(xì)的強(qiáng)化 層，它與基體的結(jié)合屬于緊密的冶金結(jié)合。 雖然在大多數(shù)情況下不經(jīng)回火而直接裝配使 用，卻并不表現(xiàn)出脆性，具有優(yōu)良的性能。 激光表面改性對(duì)性能的影響 一、力學(xué)性能 1．硬度 比感應(yīng)熱處理的硬度略高 T12鋼： 1050HV T8鋼： 980HV 45鋼： 780HV， W19Cr4V高速鋼： 1000～ 1100HV。 原因：馬氏體產(chǎn)生變形，馬氏體的細(xì)化、殘 余奧氏體的數(shù)量減少和存在碳化物等因素有 關(guān)。 激光表面改性對(duì)性能的影響 2．疲勞性能 對(duì) 15MnVN， 25CrMnSi等低含碳量的鋼進(jìn) 行激光相變強(qiáng)化 ， 疲勞壽命有較大幅度的提 高。 3．耐磨性能 利用各種激光表面強(qiáng)化方法對(duì)鋼進(jìn)行強(qiáng) 化，提高耐磨性能的效果是很顯著的。 灰口鑄鐵、球墨鑄鐵等材料，經(jīng)過激光表 面強(qiáng)化以后，提高耐磨性的效果也是顯著 的。 激光表面改性對(duì)性能的影響 二、殘余應(yīng)力 對(duì)鋼進(jìn)行激光表面強(qiáng)化以后，能夠造成表 面殘余壓應(yīng)力，到一定深度后，殘余應(yīng)力的 性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。例如，對(duì) 42CrMo鋼用 152W激光互搭掃描后，表面殘余壓應(yīng)力可達(dá) ～ ，到 拉應(yīng)力，達(dá)到 ～ 。表面殘 余壓應(yīng)力的存在，有利于提高鋼的疲勞強(qiáng) 度，推遲鋼鐵零件在工作過程中裂紋的萌生 和發(fā)展。 激光表面改性對(duì)性能的影響 激光電鍍：激光可以提高金屬的沉積速度，同等面積可使金屬的電沉積速度提高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 溫度升高，攪拌作用！ 激光表面處理工藝 激光氣相沉積 激光氣相沉積是以激光束作為熱源在金 屬表面形成金屬膜，通過控制激光的工藝 參數(shù)可精確控制膜的形成。目前已用這種 方法進(jìn)行了形成鎳、鋁、鉻等金屬膜的試 驗(yàn)，所形成的膜非常潔凈。用激光氣相沉 積可以在低級(jí)材料上涂覆與基體完全不同 的具有各種功能的金屬或陶瓷，這種方法 節(jié)省資源效果明顯，受到人們的關(guān)注。 激光表面處理工藝 激光化學(xué)氣相沉積 是將激光照射至 TiCl4＋ H2＋ CO2， 或 TiCl4＋ CH4的混合氣體中 ， 由于 激光的熱分解作用 ， 在基體上沉積出 TiO2或 TiC膜層 。 激光化學(xué)氣相沉積法是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) 的一種新型激光技術(shù) ， 采取此法可進(jìn)行 空間選 擇的光輻射 ， 在照射區(qū)成膜 ， 只需一道工序就 可同時(shí)進(jìn)行成 膜和圖案的制作 ， 使器件滿足用 戶的要求 ， 這是半導(dǎo)體工業(yè)的一次性革命開 拓 ， 利用此法可制作金屬 、 半導(dǎo)體 、 電介質(zhì)等 薄膜。 激光表面處理工藝 激光物理氣相沉積 是利用激光照射并使陶 瓷材料瞬間蒸發(fā)，然后沉積到基體材料表面 上，以形成各種陶瓷層，例如， TiN、 WC、 SiN BN、 SiAlON陶瓷層等。 這種方法可以實(shí)現(xiàn)高性能和小型化的機(jī)械 零件（如軸承、滑動(dòng)零件）高精度和高壽命 的要求，陶瓷層的耐磨性和自潤滑性能優(yōu) 良。 激光表面處理工藝 電子束表面改性技術(shù)與激光技術(shù)一樣， 都是近年來迅速發(fā)展起來的表面處理新 技術(shù)，它具有節(jié)約能源、防止環(huán)境污染、 提高生產(chǎn)率和提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已在 各發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。 第六章 表面改性新技術(shù) 電子束是一束集中的高速電子。 它的速度取決于加速電壓的高低，可達(dá)到 光速的 2／ 3左右。 具有高的功率和功率密度的電子束撞擊材 料表面，可使能量沉積在材料的亞表層區(qū) 域，并可形成亞穩(wěn)金屬合金。 可在幾分之一秒甚至千分之一秒把金屬材 料由室溫加熱至奧氏體轉(zhuǎn)變溫度或熔化溫度。 第六章 表面改性新技術(shù) （ 1）電子束淬火處理在真空中進(jìn)行，減少了 氧化、氮化的影響，可得到純凈、質(zhì)量很好 的表面處理層。 （ 2）電子束加熱能量的轉(zhuǎn)換率為 80%～ 90%，能量利用率非常高。并且可以局部淬火 和表面合金化，避免了整體加熱，所以應(yīng)用電 子束可以大大節(jié)約能源，屬節(jié)能型表面改性 法。 第六章 表面改性新技術(shù) （ 3）電子束淬火時(shí)靠金屬基體自行冷卻淬 火介質(zhì)，一般也不需要特別的冷卻裝置。 （ 4）由于能量集中、熱作用點(diǎn)小，在加熱 時(shí)形成的熱應(yīng)力小；由于硬化層淺，組織 應(yīng)力也小，所以零件變形小。 （ 5）在進(jìn)行表面合金化時(shí)，能在極短的 時(shí)間內(nèi)達(dá)到一般滲金屬幾小時(shí)或幾十小時(shí) 的滲層效果。 第六章 表面改性新技術(shù) （ 6）電子束加熱可以用于各種鋼種和鑄 鐵的表面硬化以及表面合金化，也適用形 狀復(fù)雜的零件的處理，所以用途較為廣 泛。 （ 7）電子束功率等參數(shù)可以控制，因此， 表面改性的位置、深度等工藝和性能指標(biāo) 也能嚴(yán)格控制。 第六章 表面改性新技術(shù) 一、電子束表面相變強(qiáng)化 在加熱時(shí)，電子束以很高的速度轟擊金屬 表面，電子與金屬材料中的原子相碰撞，給 原子以能量，使金屬表面溫度迅速升高。由 于電子束能量密度高，作用于金屬表面的能 量集中，故而溫度梯度很大，當(dāng)表面達(dá)到相 變點(diǎn)以上溫度時(shí)，基體金屬仍保持冷態(tài)。 實(shí)現(xiàn)金屬表面 “自淬火” 。 第六章 表面改性新技術(shù) 一、電子束表面相變強(qiáng)化 獲得一種超細(xì)晶粒組織。這是電子束快速 加熱的最大特點(diǎn)。 淬硬層組織的致密性很好，有較高的耐腐 蝕性能。 第六章 表面改性新技術(shù) 二、電子束表面合金化 將具有特殊性能的合金元素粉末涂覆在金 屬表面上，然后用電子束加熱熔化，或在電 子束作用的同時(shí)加入所需合金粉末使其熔融 在工件表面上，使零件表面形成一層很薄的 具有良好性能的合金表面層，從而使金屬表 面能獲得很好的耐磨、耐腐蝕及耐熱的性 能。 第六章 表面改性新技術(shù) 二、電子束表面合金化 用電子束快速加熱進(jìn)行表面合金化處理， 盡管時(shí)間很短，但仍完成了液體金屬的混合 和合金元素的擴(kuò)散并重新分布的過程，從而 獲得了滿意的表面合金化結(jié)構(gòu)與硬度。 第六章 表面改性新技術(shù) 三、電子束表面非晶化 電子束表面非晶化處理與激光表面非晶化 處理相似，只是所用的熱源不同而已。利用 聚焦的電子束所特有的高功率密度以及作用 時(shí)間短等特點(diǎn)，可在表面的下層受熱最小的 情況下，使材料的表面熔化形成小液池，這 樣便能獲得極快的冷卻速度。 第六章 表面改性新技術(shù) 三、電子束表面非晶化 如在表層熔化 ，可獲得 106℃ ／ S的冷卻速度。由于快速凝固細(xì)化顯 微組織，可獲得致密性極好的非晶態(tài)層，這 種非晶態(tài)組織具有很高抗腐蝕與抗疲勞的性 能。 第六章 表面改性新技術(shù) 四、電子束表面重熔 利用電子束轟擊工件表面使表面產(chǎn)生局部 熔化并快速凝固，從而細(xì)化組織，達(dá)到硬度 和韌性的最佳配合。 對(duì)某些合金，電子束重熔可使各組成相間 的化學(xué)元素重新分布，降低某些元素的顯微 偏析程度，改善工件表面的性能。 第六章 表面改性新技術(shù) 四、電子束表面重熔 目前，電子束重熔主要用于工模具的表面 處理上，以便在保持或改善工模具韌性的同 時(shí)，提高工模具的表面強(qiáng)度、耐磨性和熱穩(wěn) 定性。 第六章 表面改性新技術(shù) 五、電子束表面熔覆 利用電子束熔覆處理技術(shù)時(shí)，向熔化區(qū)添 加合金元素，在材料表面產(chǎn)生一些覆蓋層， 像一些薄的銀箔、金箔等薄片、金屬絲或者 像電沉積層一樣，在熔化區(qū)可得到所希望的 化學(xué)成分的覆蓋層。 第六章 表面改性新技術(shù) 電子束表面改性技術(shù)的應(yīng)用 從當(dāng)前電子束表面熱改性技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 來看 ， 基本上仍是以鋼和鑄鐵的電子束淬火為 主。 例如在汽車用的轉(zhuǎn)缸式發(fā)動(dòng)機(jī)中振動(dòng)最厲害 的頂部密封件的制造，就采用了電子束熔融處 理技術(shù)。 第六章 表面改性新技術(shù) 電子束表面改性技術(shù)的應(yīng)用 該密封件是有貝氏體組織的鑄鐵材料 ， 不僅要求具有一定的強(qiáng)度和韌性 ， 還要使其側(cè)面 和端面具有抗磨性 ， 因?yàn)樗ぷ鲿r(shí)其密封面是在 鍍硬鉻的次擺線面上滑動(dòng) 。 把這個(gè)密封面用電子 束熔化約 3mm深 ， 由于速冷 ， 可得到比任何鑄件 都細(xì)的滲碳體組織。 第六章 表面改性新技術(shù) 電子束表面改性技術(shù)的應(yīng)用 電子束表面淬火的工件主要有 Ｖ型零件 ，如滑 槽的凸緣，導(dǎo)軌的軌道底板，機(jī)床緊固裝置上的 導(dǎo)向平面和臺(tái)板等； 周邊要進(jìn)行淬硬的 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部件 ，例如套筒、 轉(zhuǎn)動(dòng)軸、心軸等；錐形外表面或內(nèi)表面要淬硬的 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部件，例如閥門、錐齒輪等； 第六章 表面改性新技術(shù) 電子束表面改性技術(shù)的應(yīng)用 幾何形狀和 外觀規(guī)則或不規(guī)則的特殊零件 ，如 凸輪盤、連接元件、正齒輪圈等； 端面淬火的 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱件 ，如導(dǎo)向圈和推力環(huán) 等；工具或其它零件，如沖壓沖頭、擠壓模塊、 鍛造模塊、葉片、刀片等。 第六章 表面改性新技術(shù) 第六章 表面改性新技術(shù) 材料表面熱擴(kuò)滲處理是將工件放入一定的 活性介質(zhì) 中，使 金屬元素或非金屬元素 擴(kuò)散到 工件表層中，改變表層 化學(xué)成分 ，可得到一 擴(kuò) 散合金層 ，有時(shí)表面上還會(huì) 形成化合物層 ，從 而獲得所需的組織和性能。該技術(shù)的突出特點(diǎn) 是表面強(qiáng)化層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散的作 用，滲層與金屬基體的結(jié)合是 冶金結(jié)合 ，它 們之間無明顯的分界面，它們的成分、組織和 性能是逐漸變化的。 第六章 表面改性新技術(shù) 按 接觸介質(zhì) 劃分有 固體法 、 液體法 、 氣體法和 等離子法 。 按滲入元素的種類進(jìn)行分類，滲碳、滲氮、如滲硼、氮碳共滲、硼鋁共滲等。 1．固體法 1）粉末法 粉末法是固體法中最普通的方法，歷史最為悠久，至今世界各國仍以此法應(yīng)用最多。 第六章 表面改性新技術(shù) 這種方法的早期應(yīng)用是把工件埋入裝有 滲層 金屬粉末 的容器里進(jìn)行加熱擴(kuò)散，但由于燒結(jié) 使得表面難以清理，后來便進(jìn)行了改進(jìn)，在粉 末中加入了防粘結(jié)粉末（如 Al2O3）和活化劑 （助滲劑）。活化劑一般為鹵化物，如 NH