表面改性技术综述.doc

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1、表面改性技术综述表面改性是指采用某种工艺和手段使材料获得与其基体材料的组织结构性能不同的一 种技术。材料经过改性处理之后，既能发挥材料基体 的力学性能，又能使材料表面获得各 种特殊性能，如耐磨，耐腐蚀，耐高温，合适的射线吸收等。金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和 人们日常生活中都有着广泛的用途 , 其种类繁多。除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技 术外 , 近些年还快速发展了激光、电子和离子等高能束表面处理技术。今后 , 随着物理学、 材料学等相关学科的迅速发展 , 还将不断涌现出新的表面改性技术。 尤其是复合表面技术的 发展 , 有可能获得意想不到的

2、效果。金属表面改性技术的飞速发展和不断创新 , 将进一步推 动其在工农业生产中的应用 , 带来显著的经济效益。传统的表面改性技术有： 表面形变强化、 表面热处理、表面化学热处理、离子束表面扩 渗处理、高能束表面处理、离子注入表面改性等。1、喷丸强化喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法 , 是将弹丸在很高速度 下撞击受喷工件表面而完成的。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校正、 喷丸强化等方面。喷丸强化又称受控喷丸 , 不同于一般的喷丸工艺 , 要求喷丸过程中严格控 制工艺参数 , 使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场 , 从而大幅 度提高疲劳

3、强度和抗应力腐蚀能力。实施喷丸时 , 弹丸由专用的喷丸机籍助压缩空气、高压 水流或叶轮 , 高速射向零件受喷部位。常用弹丸有球形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制成的弹丸。喷丸强化的效果用喷丸强度来表示 , 与弹丸种类和形状、碰撞速度和密度、 喷射方位和距离、喷丸时间等因素有关。表面喷丸提高金属材料疲劳强度的机理比较复杂 , 涉及到塑性变形层（通常为011018mm厚）的组织结构变化（如位错密度、亚晶粒尺寸）和 残余应力的变化。因此 , 只有合理控制表面变形层内的变化 , 才可能获得预期的喷丸强化效 果。早在 20 世纪 20 年代 , 喷丸强化就应用于汽车工业。目前已成为机械制造等工业部门 的

4、一种重要的表面技术 , 应用广泛。涉及的材料除普通钢外,还有高强度钢和各种有色金属 ;涉及的零件类型有弹簧、轴、齿轮、连杆、叶片、涡轮盘和飞机起落架组成件等。2、传统表面热处理改性 传统的表面热处理技术可分为表面淬火和化学热处理两大类。 它主要用来提高钢件的强 度、硬度、耐磨性和疲劳极限。在机械设备中 , 许多零件 （如齿轮轴、活塞销、曲轴等 ） 是在 冲击载荷及表面磨损条件下工作的。 这类零件表面应具有高的硬度和耐磨性 , 而心部应具有 足够的塑性和韧性。因此 , 为满足其使用性能要求 , 应进行表面热处理。 表面淬火表面淬火是把零件的表层迅速加热到淬火温度后快冷 , 使零件表面层获得淬火马

5、氏体 而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。 表面淬火的目的是使零件获得高硬度的表层 , 以 提高工件的耐磨性和疲劳性能 , 而心部仍具有较好的韧性。其设备简单、方法简便 , 广泛用 于钢铁零件。根据加热方法的不同 , 可分之为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。火焰 加热表面淬火的淬透层一般为 2 -6m m 。其特点是设备简单 , 但加热温度高及淬硬层不易控 制, 淬火质量不稳定 , 使用上有局限性。 感应加热表面淬火的特点是 : 加热速度快 , 零件变形 小, 生产效率高 , 淬火后表面能获得优良的机械性能 ; 淬透层易控制 , 淬火操作易实现机械 化。但设备较贵 , 形状复杂零件的感应

6、器不易制造 , 不宜单件生产。 化学热处理化学热处理是将金属零件放在某种介质中加热、保温、冷却 , 使介质中的某些元素渗入零件表面，从而改变零件表层成分、组织和性能的热处理方法。与其他热处理相比，化学热处理不仅改变了金属的组织 ，还改变了表面层的化学成分。根据渗入元素的不同，可将化学热处理分为三类（如表1所示）。其中，应用最广泛的是非金属和金属元素渗入的化学热处 理。渗碳是向材料表面渗入碳原子的过程。钢件渗碳后经淬火，回火处理，可提高零件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部具有高的韧性。渗碳主要用作齿轮、活塞销等零件。渗 氮是向材料表面渗入氮原子的过程。钢件渗氮的目的是提高零件表面的硬度、耐磨

7、性、耐蚀性及疲劳强度。零件经渗氮后不再需进行其它热处理。渗氮层具有比渗碳层更高的硬度、 耐磨性和耐蚀性。由于渗氮温度低，所以处理前后零件的变形小。通常，将零件表面渗入铬、 铝等金属元素的方法，也称为表面合金化。同渗碳相比，渗金属一般需要更高的温度和更长 的保温时间，渗层厚度也远比渗碳层薄得多。因为渗入金属原子在钢中进行的是置换扩散，需要更大的激活能。化学热处理原则上可应用于一切金属材料，而化学介质又无限多样，它在改善材料性能方面存在巨大的可能性。目前，主要将化学热处理用来改善钢铁零件的表面性能，如钢表面的渗碳、渗氮及碳氮共渗、渗铬、渗铝等。而在有色金属材料中，化学热处理应用较少。点1化学热处理

8、的类别粮耦淺入元索分类非金属元索c.职6轨瓯等多无妙：C+N> O+M、Q + C+N金属兀葉单元段Ah G.型* Zh專彩兀屋：真1+Sl Al + Cr. Al+V Al + Cr+S根据袴入冗索对.伴表面 性能的柞用分类提扁渗匚强度及耐磨性f如降碳氮、硼、魏、锐等）提崗抗輒化、耐高温性能（如幡铝、滾恪等）提高抗咬合、抗擦伤怦能（如搐氮，灌硫、确化等）提高抗嗚蚀件能（如膨粗、蠢雀*穆舁等）根摇介质的物理状态分类樹法3、高能束热处理表面改性随着激光束、电子束、离子束等先进的材料表面加热和冷却手段的广泛应用，激光处理、离子注入等强化金属材料表面层的新技术不断涌现，从而诞生了激光表面淬火、

9、离子注入强化等先进高能束表面改性技术。高能束热处理的热源通常是指激光、电子束、离子束、太阳能和同步辐射等。它们共同的特征是：作用在材料表面上的功率密度高（ 103W/cm2），为非接触式加热，加热、冷却速度快，热作用区小，可根据需要选择。其定向作用在金属表面，使材料表层产生物理、化学或相结构变化，从而达到金属表面改性的目的。近10年来，高能束热处理技术在工业中的应用发展迅速，特别是激光束热处理技术，在汽车、冶金、纺织、机械、电子等工业中获 得了很多成功例证。激光表面改性金属材料的激光表面改性技术是70年代中期发展起来的一项高新技术。激光具有高辐射亮度、高方向性和高单色性三大特点，可实现材料表面

10、的快速加热和冷却。其热影响区的范围很窄，几乎不影响周围基体的组织。若将激光束作用在金属表面上，控制合适的工艺参数，可显著改善其表面性能，如提高金属表面硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和耐高温等性能。目前激光热处理在金属材料中得到了大量应用。除表面淬火外，已经应用或正在开发的还有激光表面非晶化、涂覆、合金化和脉冲硬化等等。近年来，把其它金属表面涂层技术和激光相结合进行的表面改性 , 也获得了成功。 激光表面淬火是目前应用最成功的激光表面热 处理技术。它是利用高功率密度激光束（功率密度103105W/ cm2）扫描金属材料表面，材料表面吸收光束能量而迅速升温到相变点以上 , 然后移开激光束 , 热量从材

11、料表面向内部传 导发散而迅速冷却（冷却速度可达到104 C / s）,从而实现快速自冷的淬火方式。激光表面淬火硬化层较浅 ， 通常为 013 016mm 。采用 4 5kW 的大功率激光器 ， 能使硬化层的深度达 3mm 。由于激光加热速度特别快 , 工件表层的相变是在很大过冷度下进行的 , 因而得到不均 匀的奥氏体细晶粒 , 冷却后转变成隐晶或细针马氏体。激光淬火比常规淬火的表面硬度高 15 %20 %以上 , 可显著提高钢的耐磨性。另外 , 表面淬硬层造成较大的压力 , 有助于其疲 劳强度的提高。 由于激光聚焦深度大 , 在离焦点 75mm 范围内的能量密度基本相同 , 所以激 光淬火处理

12、对工件尺寸及表面平整度没有严格的要求 , 能对形状复杂件 （例如有拐角、沟槽、 盲孔的零件 ） 进行处理 ; 激光淬火变形非常小 , 甚至难以检查出来 , 处理后的零件可直接送 装配线 ; 另外, 激光加热速度极快，表面无须保护 ; 同时工艺操作简单 , 也便于实现自动化。 由于具有以上一系列优点 , 激光表面淬火发展十分迅速 , 其在机械制造生产中的应用将不断 拓展。Q电子束表面改性电子束改性技术是近 30 年发展起来的局部表面改性技术。 电子束也是一种高能密度的 热源 , 当它作用于金属表面时 , 可根据工件改性的要求 , 调整电子束束斑直径、功率密度、 脉冲时间、作用形式等参数 , 使其

13、组织、性能按照人们需要的方向改变。电子束表面改性可分为 : 电子束表面淬火、表面晶粒细化改性、表面合金化改性、表面 涂覆和非晶化改性等。早期 , 电子束技术主要用于薄钢带、细钢丝的电子束退火改性和冲击 淬火等。目前美国已经有比较完善的电子束加热退火炉 , 用于处理钛、铌、铝、钽及核反应 堆的金属材料。 世界工业发达国家都先后开展了电子束改性的应用工作。如美国的 Sciaky 公司在电子束焊接设备的基础上 , 专门开发了用于电子束表面改性的设备。我国电子束表面改性实验始于 1979 年, 但比激光表面改性技术的发展要缓慢得多 , 其原因在于电子束改性设 备、工艺的工业应用尚需系统化。电子束表面改

14、性特别适用于处理易氧化的金属、 贵金属以及半导体材料 , 因为它需要在 真空条件下进行 , 污染小 , 材料不易氧化。可任意选择淬火部位进行加热 , 其能量密度高达 105W/ cm2 , 热影响区极小 ; 由于作用时间短 , 材料变形小 , 可实现高精度、 高速度、 无惯性 控制。主要缺点在于 :真空条件下处理 , 不利于大型件和流水线操作 , 灵活性和适应性差 , 生 产效率低 ; 易产生放射线 , 有害健康 , 需加防护措施。 离子注入表面改性采用离子注入技术作为金属表面强化的研究始于 70 年代初 , 并已取得了可喜的成就。 离子注入是根据被处理材料表面所需要的性能 , 选择适当种类的

15、原子 , 使其在真空电场中离 子化 , 并在高压下加速注入到材料表层。离子注入将引起材料表层成分和结构发生变化 , 以及原子环境和电子组态等微观状态 的扰动 ,因此导致材料的各种物理、化学或力学性能的变化。离子注入一般在常温或低温下进行。 整个过程均在真空中完成 , 因而表面处理中无氧化 和脱碳现象。可以向金属或合金表面注入任何需要的元素,不论它们本来是否互溶。离子注入的浓度可以很大 , 不受溶解度的限制 , 且与扩散系统无关。离子注入后 , 测不出工件的尺 寸变化 , 能保持原来的尺寸精度和表面粗糙度。在某些情况下 , 由于溅射效应 , 工件的表面 粗糙度还会有一定程度的改善。 其注入层和基体不存在的明显的界面 , 注入离子深度由离子 具有的能量决定 , 易实现自动化操作 ; 且无废物处理 , 清洁、安全可靠。目前离子注入工艺 已应用于许多工业部门 , 尤其是工、模具制造业 , 效果突出。若将离子注入繁杂多变而易控 的工艺条件与各种后处理相结合 , 有可能产生许多意想不到的效果 , 更是为材料性能的挖掘 提供了广阔的天地。