第八章复合表面处理.ppt

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1、1,过去的10多年中，在表面工程的研究领域 取得了长足的进展，主要表现在以下几个方 面： （1）传统工艺的优化 （比如，电镀及化学 镀、表面堆焊、热喷涂及化学热处理）； （2）现代技术的工业化应用（比如，CVD及 PVD、等离子化学热处理、等离子喷涂及离 子注入）； （3）新型混合工艺的出现（比如，等离子浸 没离子注入及等离子源离子注入）；,第八章 材料复合表面处理技术,2,（4）新型表面涂层材料的涌现（比如，金刚石及类金刚石涂层）。 单一的表面处理工艺尽管能够改善工件的 耐磨性、耐腐蚀性及疲劳强度；但每一种表 面处理工艺均具有自身的优点及一定的局限 性，现代机械设备的发展对零、部件的使用 性

2、能提出了越来越高的要求，应用单一的表 面处理工艺已难以满足这些要求，在这种背 景之下，第二代表面处理工艺或称复合表面 处理工艺就应运而生了。,第八章 材料复合表面处理技术,3,复合表面处理就是同时使用两种或两种以上 的表面处理工艺以达到进一步强化表面性能目 的。目前已开发的一些复合表面处理如等离喷 涂与激光辐照复合、热喷涂与喷丸复合、化热 处理与电镀复合、激光淬火与化学热处理复合、 化学热处理与气相沉积复合等，已经取得良效 果，有的还收到意想不到的效果。如对渗硼进 行激光微熔处理，不仅能细化硼化物，获得小 的共晶，而且使表层组织致密，较大幅度提韧 性和耐磨性。,第八章 材料复合表面处理技术,4

3、,复合表面处理技术的主要作用是： 改善摩擦学性能 使极小磨损率与较厚耐磨 层并存，增强复杂应力条件下的摩擦学性 能，从而提高材料的使用性能。 提高防腐蚀性能 提高材料表面的正电位， 减少疏松或孔隙，覆盖住材料表面的微观粗 糙度，避免表面与基体之间产生类柱状晶组 织，使膜层厚度与耐蚀性之间达到最佳组 成，从而大幅度提高耐蚀性。,第八章 材料复合表面处理技术,5,增加表面装饰性 材料耐磨性和耐蚀性的有 机结合增加了材料表面层的持久性和多色泽 的组合，达到理想的装饰性效果。 改进施工工艺性 用作塑料金属化处理（表 面导电性处理）、印刷电路板制作，油漆底 层等，增强表面处理层的附着性和工艺效果 （如导

4、电性好，结合强度高，油漆表面光 泽，漆膜耐蚀性强等）。,第八章 材料复合表面处理技术,6,根据两种单一工艺之间的相互作用以及其 对复合涂层综合性能的相对贡献，复合表面 处理工艺大致可以分为两类： （1）两种单一工艺互补，综合性能由两者共 同产生； （2）一种工艺递补或增强另一种工艺，即作 为前处理或后处理工艺，其综合性能主要与 其中一种工艺有关。渗氮钢的PVD处理是第 一类工艺的典型代表；而喷涂涂层的电子束 表面重熔则是第二类工艺的典型代表。,第八章 材料复合表面处理技术,7,化学热处理薄膜复合工艺 在表面复合处理技术中，化学热处理工艺 主要是对工件进行气体氮化、离子氮化及氮 碳共渗。 1氮化

5、薄膜复合工艺 将氮化与薄膜技术结合起来对钢作表面处 理，可进一步改善材料的摩擦学性能，从而 提高其承载能力。,第八章 材料复合表面处理技术,8,化学热处理薄膜复合工艺 1氮化薄膜复合工艺 将氮化与薄膜技术结合起来对钢作表面处 理，可进一步改善材料的摩擦学性能，从而 提高其承载能力。由于氮化后的钢表面有较 深的硬化层（0.3mm），具有一定的硬度、 耐磨性和残余压应力，构成了TiN、CrN等超 硬薄膜的理想支承体，其承载能力远远超过 单一超硬薄膜或氮化物层。,第八章 材料复合表面处理技术,9,化学热处理薄膜复合工艺 1氮化薄膜复合工艺 同时，因为增加了硬化层的总厚度，减少 了从TiN、CrN表面

6、到钢基体之间的硬度梯 度，使得材料表面的耐腐蚀性、耐磨性、滚 动接触疲劳强度和TiN、CrN层的附着性能都 大为提高。,第八章 材料复合表面处理技术,10,化学热处理薄膜复合工艺 2. 离子氮化激光相变硬化 离子氮化和激光相变硬化是提高材料表面 耐磨性的十分实用而有效的两种表面处理技 术，将这两种技术相结合形成的离子氮化 激光相变硬化复合处理技术显示出良好的应 用发展前景。,第八章 材料复合表面处理技术,11,化学热处理薄膜复合工艺 2. 离子氮化激光相变硬化 对42CrMo钢进行的试验研究表明：复合处 理的表面硬度及硬化层深度分别为950HV及 0.46mm，远远高于单一离子氮化和单一激光

7、相变硬化的表面硬度及硬化层深度；其耐磨 性比单一离子氮化提高75%，比单一激光相 变硬化提高38%。,第八章 材料复合表面处理技术,12,化学热处理薄膜复合工艺 3. 氮碳共渗氧化/氧化抛光/复合工艺 氮碳共渗氧化/氧化/抛光复合工艺的处理 过程包括五个步骤： （1）工件在350左右预热，保温时间视 工件而定。 （2）在570进行氮碳共渗，保温时间一 般在30120分钟。,第八章 材料复合表面处理技术,13,化学热处理薄膜复合工艺 3. 氮碳共渗氧化/氧化抛光/复合工艺 （3）氮碳共渗后将工件立即移至380左右 的氧化性盐浴中直接保温20分钟左右。 （4）工件轻度机械抛光获得要求的表面粗糙 度

8、。 （5）再次在氧化性盐浴中浸渍20分钟左右。 氮碳共渗可使钢制零件表面形成一层15 20m的相化合物层；,第八章 材料复合表面处理技术,14,化学热处理薄膜复合工艺 3. 氮碳共渗氧化/抛光/氧化复合工艺 随后的氧化能够在试样表面形成一层Fe3O4 氧化膜，同时增加工件的尺寸稳定性；抛光 的目的是为了降低因氮碳共渗及氧化而产生 的表面粗糙度的增加；但抛光往往会使耐蚀 性下降，因而最后再进行一次氧化处理，以 便在工件表面形成一层均匀、致密、坚实的 Fe3O4薄膜。,第八章 材料复合表面处理技术,15,第八章 材料复合表面处理技术,实验结果则说明，在比较低的载荷下（400N）氮碳共渗及复合氮碳共

9、渗的耐磨性不如调质处理的45钢，其原因在于载荷比较低时，摩擦界面温升很小，润滑状态良好，因而，氮碳共渗及复合氮碳共渗均未显示出它们所固有的良好的减摩及耐磨特性。这一结果对正确选择氮碳共渗处理工艺具有一定的指导价值。,16,化学热处理薄膜复合工艺 3. 氮碳共渗氧化/抛光/氧化复合工艺 试验还表明，复合处理的45钢耐磨性也远 远超过镀硬铬、镀锌及化学镀镍。其中镀硬 铬件及镀锌件在磨损试验过程中很短时间内 便出现剥落，因此磨损十分严重。 复合工艺处理后的工件具有氮化及氧化二 层抗蚀性很好的渗层，因此该工艺具有很好 的耐蚀性。,第八章 材料复合表面处理技术,17,化学热处理薄膜复合工艺 3. 氮碳共

10、渗氧化/抛光/氧化复合工艺 氮碳共渗氧化/氧化/抛光复合工艺可以对 各种结构钢、工具钢、纯铁、铸铁、不锈钢 及粉末冶金件进行表面处理，用于替代渗碳 淬火、高频淬火、镀硬铬、镀锌、化学镀 镍、镀锌磷化涂MoS2等处理工艺，可广泛应 用于汽车、轻纺、石油、化工、农机、煤 矿、工程等机械以及工、模具等各种耐磨、 抗蚀、耐疲劳等零件。,第八章 材料复合表面处理技术,18,第八章 材料复合表面处理技术,19,第八章 材料复合表面处理技术,20,第八章 材料复合表面处理技术,21,第八章 材料复合表面处理技术,22,化学热处理薄膜复合工艺 4. 氮碳共渗化学镀镍 将氮碳共渗和化学镀镍两种工艺进行复 合，则

11、形成了一种低温渗镀复合强化新技 术。经渗镀复合强化的零件，其有效硬化层 深度增加，表面硬度比单一的共渗层高；因 表面化合物层疏松所造成的硬度和耐蚀性下 降得到了改善和提高；由于低于相变温度处 理，零件变形很小。,第八章 材料复合表面处理技术,23,化学热处理薄膜复合工艺 4. 氮碳共渗化学镀镍 零件有效硬化层深度增加提高了对载荷和 冲击的承受能力。对低温渗镀复合强化进行 试验研究表明：渗镀层分布均匀，镀层与渗 层结合良好，化合物层扩散层镀层的厚 度达0.350.45mm，表面显微硬度达750HV 左右。经渗镀复合强化的零件，有效硬化层 深度比单一的氮碳共渗增加近一倍，表面硬 度也比共渗表层高2

12、00HV左右。,第八章 材料复合表面处理技术,24,化学热处理薄膜复合工艺 4. 氮碳共渗化学镀镍 共渗后镀镍磷，通过活化和镍磷原子填 入，大大降低了化合物疏松程度对表面质量 的影响。盐雾试验表明，渗镀复合强化后的 零件表面耐蚀性优于单一的氮碳共渗。 生产应用表明：对于要尺寸精度高、表面 耐磨的钢铁零件，采用渗镀复合处理，解决 了零件变形问题，同时又增加了表面度和耐 磨性，提高了使用性能。,第八章 材料复合表面处理技术,25,7.1 化学热处理薄膜复合工艺 4. 氮碳共渗化学镀镍 对要求尺寸精度高、表面耐磨的钢铁零 件，采用渗镀复合强化处理，解决了零件变 形问题，同时又增加了表面硬度和耐磨性，

13、 提高了使用寿命，已经在生产上获得了应 用。,第八章 材料复合表面处理技术,26,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 1. 电镀薄膜复合工艺 它主要是满足材料更高的耐腐蚀性和特殊 工艺的要求。 PVD和CVD沉积层硬度高，耐磨性好，一 般正电位也较高，十分耐蚀。由于这类沉积 层通常仅几个微米厚，不足以覆盖基体表面 的粗糙度和其他一些缺陷，从而存在腐蚀的 隐患，最终导致局部腐蚀。,第八章 材料复合表面处理技术,27,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 1. 电镀薄膜复合工艺 另外，由于沉积层定向生长、形成的纤维 状沉积层结构所产生的晶界增大了电解液向 内的扩散速度，也使材料的整体耐蚀性下 降。若

14、要增加超硬沉积层厚度，形成致密无 缺陷的表面，就目前PVD、CVD技术而言还 难以实现，况且也不经济。,第八章 材料复合表面处理技术,28,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 1. 电镀薄膜复合工艺 相比之下，电镀技术却具有很高的沉积速 率，易于形成厚而平整的耐蚀沉积层，只是 无法达到PVD、CVD沉积层那么高的硬度和 耐磨性。因此，将二者结合起来能满足材料 某些特殊的耐磨性和耐蚀性要求。,第八章 材料复合表面处理技术,29,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 1. 电镀薄膜复合工艺 相比之下，电镀技术却具有很高的沉积速 率，易于形成厚而平整的耐蚀沉积层，只是无 法达到PVD、CVD沉积层那么

15、高的硬度和耐磨 性。因此，将二者结合起来能满足材料某些特 殊的耐磨性和耐蚀性要求。 复合处理层的耐腐蚀性明显高于单一电镀镍 层（它在相当小的腐蚀电流下就出现钝化现 象）。由于复合处理层与沉积金属之间有较好 的相容性，因而它的摩擦学性能十分理想。,第八章 材料复合表面处理技术,30,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 1. 电镀薄膜复合工艺 由于PVD沉积层的颜色可以从金黄色到黑 色逐渐变化（主要是 BB元素的氮化 物、碳化物或碳氮化物），电镀与之结合可 以用于耐蚀性和耐磨性要求极高的装饰性表 面。电镀镍镀铬，再经PVD沉积能消除镀 铬层网状裂纹对镀层光泽的不良影响，成为 一种较为经济的装饰镀工

16、艺。,第八章 材料复合表面处理技术,31,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 1. 电镀薄膜复合工艺 薄膜技术原则上可以沉积任何物质。因 此，它可以在一些难以电镀或无法电镀的材 料上沉积表面保护层，如在某些塑料表面沉 积金属膜，实现塑料金属化，也可沉积W、 Ti、TiN等膜层。然而，由于薄膜的沉积速率 不高，实现金属化后需再电镀使涂层增厚， 故这一复合处理技术已成为难镀材料表面处 理的一种手段。,第八章 材料复合表面处理技术,32,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 2. 电镀+化学热处理复合工艺 这种处理的主要目的是形成新的化合物结 构，提高工艺效果，改善摩擦学性能及耐蚀性 能。 现在，对这

17、类复合工艺的研究多集中在镀铬 层的化学热处理方面。镀铬层硬度高、用量 大、涉及面广，先前的研究方法主要是对镀铬 层进行液体氮化处理，继而对镀层进行辉光离 子氮化处理，最后再进行离子碳氮共渗处理。,第八章 材料复合表面处理技术,33,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 2. 电镀+化学热处理复合工艺 用弥散镀铬方法制取含有活性碳的弥散镀 铬层后，进行离子碳氮共渗复合处理，生成 具有特殊界面及硬度高、耐磨性好的表面， 也是一种有发展前景的新型表面强化技术。 研究表明，复合处理的表层硬度比镀铬、 离子氮化、离子氮碳共渗都高；,第八章 材料复合表面处理技术,34,7.2 镀覆与其它表面技术复合工艺 2

18、. 电镀+化学热处理复合工艺 弥散镀铬后离子氮碳共渗所生成的表层还具有较高的红硬性，400时高温显微硬度为7000MPa，而普通硬铬层仅为4000MPa；复合处理的表层耐磨性和边界润滑条件下的抗擦伤负荷也有明显提高。,第八章 材料复合表面处理技术,35,7.3 热喷涂与其它表面技术的复合工艺 1. 等离子喷涂重熔处理 等离子喷涂得到的覆盖层（涂层）的物理机械性能虽然高于其它喷涂方法，但却远低于堆焊所得到的机械性能。为了改善涂层的性质，将喷涂工艺与涂层的重熔处理相结合是一种十分有效的复合表面处理工艺。 涂层的重熔可以用等离子射流或激光束进行，这样既保证了局部加热，又不影响整个零件的处理。,第八章

19、 材料复合表面处理技术,36,7.3 热喷涂与其它表面技术的复合工艺 1. 等离子喷涂重熔处理 在涂层重熔时，熔化的一般只是其合金中最易熔化的成分，由于液相有助于扩散过程，熔化的结果大大提高了涂层和基体的结合强度，消除了孔隙，增加了机械强度。 例如，45钢基体上镍基合金重熔涂层的显微硬度可高达淬火硬度的510倍，因而耐磨性得以显著提高。重熔后涂层和基体表面的结合强度可提高810倍；由于涂层的硬度提高，其疲劳强度提高2025%。,第八章 材料复合表面处理技术,37,7.3 热喷涂与其它表面技术的复合工艺 1. 等离子喷涂重熔处理 这种工艺可以用来修复在大交变载荷和接 触应力条件下工作的零件，如凸

20、轮轴、曲轴 等。 2. 热喷涂氮化 热喷涂可使材料薄膜具有耐磨性、抗蚀 性、隔热性、导电及绝缘性等多种性能；但 热喷涂会产生各向异性，微观疏松等缺陷， 在较硬材料上喷涂时涂层结合力比较弱。,第八章 材料复合表面处理技术,38,7.3 热喷涂与其它表面技术的复合工艺 2. 热喷涂氮化 国外学者对热喷涂涂层进行了离子氮化和 气体氮化复合处理，在克服热喷涂涂层的上 述缺陷方面取得了一定的进展。 研究表明：如果热喷涂涂层中包含足够量 的溶解氮的元素（如Fe、Cr），则热喷涂 氮化工艺是完全可行的，而且会形成氮化 物。复合处理后的硬度比单一热喷涂有所提 高。,第八章 材料复合表面处理技术,39,7.3

21、热喷涂与其它表面技术的复合工艺 2. 热喷涂氮化 若采用热喷涂气体氮化复合工艺，则喷 涂层和层下基体都会产生氮化效果，从而使 硬度分布更为平缓，不仅提高了喷涂层和基 体的结合力，而且可以显著的改善耐磨性。,第八章 材料复合表面处理技术,40,7.4 多层薄膜复合工艺 多层膜复合工艺是利用镀覆和气相沉积等 技术在材料表面形成多层薄膜的方法。 大量研究表明，多层涂层能满足多种性能 要求，这是因为其具有如下优点： （1）可获得各个不同材料单层特性的综合特 性； （2）与底村更牢固地粘结；,第八章 材料复合表面处理技术,41,7.4 多层薄膜复合工艺 （3）多层涂层中多个平行于底村表面的界面 可有效地

22、拟制裂纹的产生和扩展，从而提高 涂层的硬度和韧性，并获得适当的硬度韧 性比和残余应力； （4）可获得高致密度的厚（10m）涂 层，满足切削刀具、磨粒磨损和冲蚀磨损等 工况下的使用要求；（5）多层膜具有“应力 阻挡”作用，可降低表面与次表面的最大应 力，从而具有较高的承载能力。,第八章 材料复合表面处理技术,42,7.4 多层薄膜复合工艺 目前，部分多层涂层产品已获得成功应 用，如以TiN为外层，由TiN、TiCN和Al2O3 交替组成的8层涂层及由 Al2O3/TiC/ TiN组成 的3层涂层都在不同切削工况下获得了成功应 用并已实现了商品化。但针对多层膜的基础 研究仍处于初级阶段。,第八章

23、材料复合表面处理技术,43,7.4 多层薄膜复合工艺 不同性能单层材料的排列组合种类繁多， 关于软一硬、硬一硬交替及不同重叠周期 （单层厚度及周期）的多层涂层都有报导， 但还未形成公认的理论和设计指南。 不过，目前在以下几方面已取得了共识： （1）一般多层膜均具有比单层膜更好的物理 力学和摩擦学性能，而且其效果远远超过了 Koehler多层强化模型所预料的效果；,第八章 材料复合表面处理技术,44,7.4 多层薄膜复合工艺 （2）按照Koehler模型，在多层强化涂层 中，较少层数的均质和非均质结构单层组成 的多层涂层比层数很多的超晶格（超模量） 多层涂层具有更优异的摩擦学特性，换言之 在性能

24、、组分和结构上具有梯度特征的多层 体系具有更优异的摩擦学特性；（3）最外 层、涂层总厚度及层数主要取决于工况条 件。,第八章 材料复合表面处理技术,45,7.4 多层薄膜复合工艺 作为一种新型的表面处理技术，表面复合 处理技术建立在许多新老表面技术基础之 上，是多学科交叉的技术，涉及到界面理论 和非平衡表面相变动力学等复杂问题，它综 合了单一表面处理技术的优点和功能，其应 用领域较广。,第八章 材料复合表面处理技术,46,7.4 多层薄膜复合工艺 目前，试验研究多，理论探讨少，但表面 复合技术在工程方面的应用已经起步，如装 饰性手柄NiPdNiTiN复合涂层、Cr12轴 瓦冲压模的Cr弥散层离子碳氮共渗复合处理 和塑料板复合镀铜工艺等都已经取得较好的 效果，若要推广应用，尚需进一步解决工艺 材料的适应性、可操作性及经济性等方面问 题。,第八章 材料复合表面处理技术,