材料表面工程-第一讲.ppt

,材料表面工程,主讲教师：吕 祥 鸿西安石油大学材料科学与工程学院,2/120,一、绪论 二、表面热处理 三、表面形变强化技术,目 录,定义-表面工程技术是指为满足特定工程需要，使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。分类-1、表面热处理技术；2、表面形变强化技术；3、热扩渗；4、热喷涂；5、热喷焊和堆焊；6、电镀；7、化学镀；8、化学转化膜与着色技术；9、气相沉积技术；10、高能束表面处理。,一、绪 论,1.表面工程学的定义及内涵 大家知道,所有的物体都不可避免与环境相接触,而与环境真正接触的是物体的表面。如各种机械设备和仪器仪表，它们在使用过程中会发生：腐蚀-因为受到气、水及某些化学介质的作用；磨损-因相互之间相对运动而产生；氧化-因温度过高而发生；浸蚀-因接触高温金属熔体或其它熔体而被浸蚀，等等。所有这些都会首先使机件表面发生破坏或失效,进而引起整个机件的破坏或失效,因此,表面是防止设备失效的第一道防线。有资料统计,在各种机电产品的过早失效破坏中,约有70%是由腐蚀和磨损造成的。,一、绪 论,随着现代工业的迅猛发展,对机械工业产品提出了更高的要求。要求产品能在高参数(如高温,高压,高速)、高度自动化和恶劣的工况条件下长期稳定运转。这就必然对机件表面的耐磨、耐蚀等性能提出了更高的要求。为了满足这样的要求,在某些情况下我们可以选用贵金属或合金来制造整体设备及零件。有时虽然也可满足表面性能要求,但这往往会造成设备的成本成倍或成百倍的增加,降低了产品的竞争力。（例：H2S油气田广泛采用镍基合金，镍基合金是钢铁的几十倍甚至上百倍。）更何况在许多情况下也无法找到一种能够同时满足整体和表面要求的材料。（例：油气田用双相不锈钢（冷拔成型）满足耐蚀性满足不了强度要求，主要是由于温度升高，强度下降）。,一、绪 论,而表面技术则可以在不增加或不增加太多材料成本的同时使产品表面受到保护和强化,从而提高产品的使用寿命和可靠性,改善机械设备的性能、质量、增强产品的竞争能力,所以，研究和发展机械产品的表面保护和表面强化技术，对于推动高技术和新技术的发展,对于节约材料,节约能源等都具有重要意义。定义：表面工程技术是指为满足特定的工程需要，使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。,一、绪 论,表面工程技术的内涵应该包括如下几个方面：（1）表面改性技术；（提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性，或装饰零部件表面）（2）表面加工技术；（能够在材料表面加工或制作各种功能元器件的有关技术）（3）表面合成材料技术；（借助各种手段在材料表面合成新材料的技术）（4）表面加工三维合成技术；（将二维表面加工累积成三维零件的快速原型制造技术）（5）上述几个要点的组合或综合。,一、绪 论,2.表面工程技术的特点与意义（1）它主要作用在基体表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大；（2）采用表面涂（镀）、表面合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本；（3）表面工程技术可以兼有装饰和防护功能，在人们周围创造五彩缤纷的世界，推动产品的更新换代；,一、绪 论,（4）以化学气相沉积技术（chemical vapor deposition简称CVD)、物理气相沉积技术（physical vapor deposition简称PVD)、掩膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成电路、太阳能薄膜电池等元器件的基本技术；（5）计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维的表面处理技术发展成为三维零件制造技术，创造了全新的制造方法生长型制造法，不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高；,一、绪 论,（6）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法（金属基复合材料(MMC)Metal Matrix Composite及陶瓷基复合材料(CMC)Ceramic Matrix Composite的制备），如可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。,图11 纤维涂层法制备钛基复合材料,一、绪 论,图1-2 CVD、PVD法制备钛基复合材料,一、绪 论,3.表面工程技术的分类材料表面工程是一门新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。如：按作用原理可分为：原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。,一、绪 论,按表面强化层材料可分为：金属材料层；陶瓷材料层；高分子材料层。按工艺特点可分为：电镀，化学镀，热渗镀，热喷涂，堆焊，化学转化膜，涂装，表面彩色，气相沉积，“三束”改性，表面热处理，形变强化，衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。按表面改质的目的或性质可分为：表面耐磨和减磨技术，表面耐蚀抗氧化技术，表面强化（提高疲劳强度）技术，表面装饰技术，功能表面技术，表面修复技术。,一、绪 论,实际上，表面技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分：1）表面改性技术 表面改性技术主要赋予材料（或零部件、元器件）表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。表面组织转化技术；表面涂镀技术；表面合金化和掺杂技术。,一、绪 论,2）表面微细加工技术 表面微细加工技术主要指在材料表面（不大于100m）区域内进行各种形状或尺寸的精密、微细加工，使其成为具有各种功能的元器件（或零部件）的技术。3）表面加工三维成型技术快速原型制造 表面加工三维成型技术主要指通过计算机控制，在材料表面不断实现特定形状的涂镀加工与堆积，形成三维零部件（或元器件）的快速原型制造技术。4）表面合成新材料技术 表面合成新材料技术主要指采用特定的表面工程技术，在材料表面合成常规工艺方法无法获得的新材料，或者利用材料的表面加工过程获得全新材料的工艺。,一、绪 论,16/120,一、绪论 二、表面热处理 三、表面形变强化技术,目 录,1.表面淬火技术的原理与特点2.表面淬火层的组织与性能3.分类,二、表面热处理,在表面工程技术中，不需要外加其他材料，主要依靠材料自身组织与结构转变来进行表面改性的工艺主要有两类：一类是表面淬火与退火技术，另一类就是表面形变强化技术。主要介绍表面淬火技术的基本原理和特点。1、铁碳合金相图,2、钢的普通热处理包括哪些工艺?,正火、退火、淬火和回火，统称“四把火”。,3、什么是调质？调质处理后钢的组织和性能怎样？,淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质。调质后的组织为回火索氏体，具有综合力学性能。,4、什么是钢的淬透性？,钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。,二、表面热处理,1 表面淬火技术的原理与特点原理采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程，称为表面淬火技术。不仅仅是钢铁，凡是能通过整体淬火强化的金属材料，都可以进行表面淬火。,原则上，碳的质量分数在0.351.20的中、高碳钢及基体相当于碳钢的普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁均可以实现表面淬火，但中碳钢与球墨铸铁最适合于表面淬火的材料。这是由于中碳调质钢经过预先热处理（正火或调质），再进行表面淬火，即可以保证心部有较高的综合力学性能，又使表面具有较高的硬度（50HRC）和耐磨性。,二、表面热处理,为解决工件不同厚度处表面硬化层不均匀，开发出低淬透性钢和限制淬透性钢。低淬透性钢是通过提高钢中碳的质量分数来提高钢的强度及耐磨性，同时严格控制钢中合金元素的含量以降低钢材的淬透性，表面淬火后，其硬化层可控制在1.52.5mm范围内。,限制淬透型钢则是在低淬透性钢基础上适当提高了增加淬透性元素，并加入钛（质量分数0.060.12），以阻碍奥氏体晶粒的长大。,二、表面热处理,特点表面淬火时加热与冷却速度很快,使得与普通淬火技术有较大区别，主要体现在：在相变温度、组织和性能上存在差异:加热速度快：使得Ac3与Accm相变温度大幅度提高;使奥氏体晶粒显著细化。加热速度很高时，甚至产生无扩散奥氏体相变。冷却速度快：使得表面淬火硬度比普通淬火后要高。,快速加热条件下渗碳体难以充分溶解，形成奥氏体成分也相当不均匀。不均匀的奥氏体实际上包含:未熔碳化物、高碳偏聚区(原珠光体区)和贫碳区(铁素体区)，在淬火过程中形成低碳马氏体区和高碳马氏体区，造成显微硬度不均匀。所以表面淬火处理常需要进行预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、细小地分布。,二、表面热处理,2.表面淬火层的组织与性能（1）表面淬火层的组织表面淬火后的金相组织与加热温度沿试样横截面分布有关.一般分为:淬硬区;过渡区;心部组织。,二、表面热处理,（2）表面淬硬层的性能正常情况下，表面淬火层硬度一般比普通淬火工艺高25HRC,淬火后工件耐磨性也比普通淬火要好。这主要是因为表面淬火冷却速度比常规淬火快得多，奥氏体晶粒的细化。此外，表面淬火还可在零件表面产生压应力，抑制裂纹的萌生和扩展过程，能大幅提高轴类零件疲劳强度，降低缺口敏感性。,二、表面热处理,（3）表面淬火分类依据表面淬火的热源不同，可分为:感应加热淬火火焰淬火激光淬火电子束淬火电阻加热表面淬火,二、表面热处理,感应加热淬火原理-集肤效应感应线圈通交流电，工件内产生感应电流，并在工件内自成回路，称为“涡流”。涡流的分布是不均匀的，表面电流密度最大，心部电流密度几乎为零。由于钢本身具有电阻，集中于工件表面的涡流，几秒种可使工件表面温度升至8001000，而心部温度仍接近室温，随即喷水(合金钢浸油)快速冷却后，达到表面淬火目的。,二、表面热处理,感应加热淬火加工工艺预先调质处理确定加热温度与加热方式选择比功率设计感应加热器确定冷却方式与冷却介质制定回火工艺参数,预先调质处理的目的是为感应加热淬火作好准备,同时也使工件在整个截面上具备良好的力学性能。,工件的加热温度对淬硬层性能影响很大。感应加热淬火时存在一最佳温度范围,所得到的强度与硬度可比普通淬火高23HRC。,比功率(单位面积上供给的电功率)高频淬火时，比功率对工件的淬火加热过程有重要的影响。当工件尺寸一定时，比功率越大，加热速度越快，工件表面能达到的温度越高；比功率太低将导致加热不足，加热层深度增大，过渡区增大。比功率的大小要综合考虑淬硬层深度和淬火区温度来确定。,二、表面热处理,加热方式同时加热:通电时工件需硬化的表面同时加热;连续加热:加热过程中感应器与工件的相对移动使工件表面逐渐加热。,同时加热,二、表面热处理,淬火介质 生产上一般为水，常采用喷射冷却法，通过调节喷射压力、温度与时间来控制冷速。淬火后进行回火 感应加热淬火后进行回火，回火温度一般较低，以使淬硬层保持有一定的残余应力。,二、表面热处理,表面感应加热淬火优缺点 是迄今为止国内外使用最为普遍的表面淬火技术,但存在如下局限性：与普通淬火相比，设备成本较高；感应加热时，容易使零件尖角棱边处过热，即导致“尖角效应”；对形状复杂零件而言，难以保证所有表面淬火后都能获得均匀的硬化层。,二、表面热处理,火焰加热表面淬火 原理-将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，在一定淬火介质中冷却的表面淬火方法。,二、表面热处理,火焰加热表面淬火工艺表面淬火常用火焰 乙炔氧火焰(最高温度3200)煤气氧火焰(最高温度2000),加热前热处理火焰加热前要对工件进行正火或调质处理。防止过烧和受热不足,如何控制工件表面温度、加热速度和深度 通过控制燃烧火焰温度，停留时间，火焰与工件相对位置、距离，以及二者相对运动速度来控制。,二、表面热处理,火焰加热表面淬火特点 火焰加热速度较慢,温度梯度较平缓，过渡区较宽;生产效率低;淬硬层均匀性较差，质量较难控制;主要用于单件小批量生产。,二、表面热处理,激光淬火 原理-以高能量激光束扫描工件表面，使工件表面快速加热到钢的临界点以上，利用工件基体的热传导实现自冷淬火，实现表面相变硬化。,激光加热速度极快(105106/s)，过热度大，来不及扩散均匀化，奥氏体内碳及合金浓度不均匀性增大;,随后的快冷(104/s)中不同微区内马氏体形成温度有很大差异，产生细小马氏体组织，同时残余奥氏体量增加，碳来不及扩散，使过冷奥氏体碳含量增加。,工件表层获得极细小板条M和孪晶M混合组织，位错密度极高，表层硬度提高显著，即使低碳钢也能提高硬度。,二、表面热处理,激光淬火工艺 激光加热表面淬火无需冷却介质，为自冷淬火;激光加热表面淬火最佳的原始组织是调质组织;表面需预先做“黑化”处理(如磷化、氧化、喷刷涂料、镀膜等)，以提高对激光束的吸收率，如磷化氧化喷刷涂料镀膜等;淬硬层深度由激光功率，光斑直径，扫描速度共同决定。,二、表面热处理,激光淬火特点硬化层深度为0.11mm，且硬度一致。即使表面磨去,新接触面硬度值并未下降，不会发生淬火层磨损后，磨损加剧的现象,耐磨性提高了50%，工件使用寿命提高几倍十几倍;淬火后零件变形极小，表面质量很高,特别适用于拐角、沟槽、盲孔底部及深孔内壁的热处理;设备投资大，生产成本较高。,二、表面热处理,激光表面熔凝技术 原理-激光束加热熔化基材表面,激光束移开后熔化层快速冷却凝固液相淬火法。,熔凝层组织为铸态组织:沿深度方向为熔凝层、相变硬化层、热影响区、基材。,激光熔凝处理后横截面组织示意图,二、表面热处理,激光表面熔凝应用激光熔凝特别适于灰口铸铁和球墨铸铁表面强化,因为熔凝时石墨与铁基体混合，形成高含碳白口铸铁，显微硬度可达10001100HV。,激光熔凝可以得到非晶层，大大提高表面耐磨性、耐蚀性。如激光快速熔凝Ni-P合金。,激光熔凝Ni基高温合金单晶体，可以得到细小等轴晶，改善表面的抗高温蠕变性能。,二、表面热处理,优点-可对无法通过相变硬化进行表面强化的材料进行处理。如铝合金。,激光冲击淬火技术 原理-采用高功率密度激光束(107W/cm2以上)在极短时间内(1ms)加热基材表面，使表面局部剧烈蒸发，产生高达105大气压压力，导致塑性变形，形成高密度位错、孪晶。,缺点-所需能量密度过高，加工成本太高，应用领域受到限制。,二、表面热处理,电子束淬火原理与激光淬火非常相似，也不需要淬火介质，工件对电子束的吸收率一般比激光束的吸收率要大得多，淬硬层深度也高于激光淬火。,电子束淬火原理-采用高能密度电子束对材料表面进行相变硬化。,电子束淬火必须在真空环境下进行，大大限制了其使用范围。现在已逐渐被激光淬火取代，很少运用。,二、表面热处理,电阻加热表面淬火 原理-在工件中通以低压大电流，利用工件表面或紧靠工件表面的周围介质中形成高电阻而产生的热效应将工件表面快速加热到相变温度之上并淬火的工艺方法。,根据焦耳楞次定律(Q=I2Rt)，利用钢丝本身的电阻效应，通过可控硅整流将交流电变为直流电。可移动小车上的铅槽接正极，轧机本身接负极，正负极之间的钢丝在低电压大电流的作用下被加热到轧制温度，通过轧机轧制得到所需的产品。,二、表面热处理,分类：电接触加热法，靠金属导体相互接触时形成的高接触电阻来加热；电解液加热表面淬火。特点：电阻加热表面淬火技术的共同特点是工艺简单，设备费用低，工件变形小。缺点是淬硬层薄，对形状复杂、尺寸很大的工件不宜采用。,二、表面热处理,42/120,一、绪论 二、表面热处理 三、表面形变强化技术,目 录,1.表面形变强化概述 2.喷丸强化工艺 3.滚压强化工艺,三、表面形变强化技术,1 表面形变强化概述定义-通过机械手段(滚压、内挤压和喷丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层(此形变硬化层的深度可达0.51.5mm)，从而使表面层硬度、强度提高。分类-主要有喷(抛)丸、滚压工艺。,三、表面形变强化技术,2.喷丸强化工艺原理-将高速弹丸流喷射到工件表面,使工件表层发生塑性变形,从而形成一定厚度强化层。,喷丸一方面使工件表面外形变化，同时产生大量孪晶和位错，使材料表面发生加工硬化。,工件表面强化层内存在残余压应力，当工件承受载荷时可以抵消一部分拉应力，从而降低工件表面缺口敏感性，提高疲劳强度。,三、表面形变强化技术,特点-操作简单；耗能少；效率高；适应面广。分类-机械喷丸；激光喷丸；高压水射流喷丸；微粒冲击；超声/高能喷丸,三、表面形变强化技术,（1）机械喷丸 分类-弹丸驱动方式分为叶轮式和压缩空气式两大类。,弹丸选择-使用的弹丸有铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸。弹丸选择:综合考虑工件工艺要求，变形深度，残余应力值，表面粗糙度。,特点-机械喷丸应用广泛，但也存在局限:(a)受零件凹槽部位限制产生喷丸死角；(b)受表面粗糙度的限制；(c)受环境污染的限制。,三、表面形变强化技术,（2）激光喷丸 原理-短脉冲强激光作用于金属表面，吸收激光能量汽化形成等离子体而急剧爆炸，产生冲击波引起应力，当应力超过屈服强度时，金属表面发生塑变，并使表层下弹性变形难以恢复，产生残余压应力。,三、表面形变强化技术,特点-(a)光斑大小可调，可对狭小空间喷丸;(b)激光脉冲参数和作用区域可精确控制，残余压应力 大小、层深度精确可控;(c)形成的残余应力、层深度比机械喷丸更大;(d)零件表面形成的冲击坑浅;(e)适用范围广(碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、镍基高温合金)。,三、表面形变强化技术,（3）高压水射流喷丸 原理-将高压水射流喷射到零件表面，使零件表层产生塑变(冷作硬化层)，产生理想的组织结构和残余应力分布，提高疲劳强度。,也可在水射流中加入磨料(砂粒或玻璃弹丸)，磨料颗粒与水射流共同作用在材料表面，产生残余压应力层。,三、表面形变强化技术,分类-高压水射流可以是连续的，也可以是脉冲的。此外，还有高压空化水射流强化:工件和高压水喷嘴置于静态水中，高速水射流喷出时，与静态水发生剪切作用，在液流局部低压区产生空化气泡，气泡溃灭的冲击波和微射流，在金属表面引起微观塑变，形成残余压应力层。,特点-(a)容易对零件狭窄处、深凹槽表面进行强化；(b)受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强化效果；(c)无固体弹丸废弃物；(d)低噪声、无尘，有利于环保和操作者健康。,三、表面形变强化技术,（4）微粒冲击 近年日本研究出微粒冲击技术。微粒冲击采用的弹丸小，冲击速度快，硬度高。若要同时提高零件表面硬度、耐疲劳性、耐磨性并降低表面粗糙度，通常需先后进行喷丸强化、表面研磨和抛光处理。采用微粒冲击则可大大简化该处理工序。微粒冲击处理后工件表层硬度与普通喷丸处理的工件表面硬度相当，最大残余应力在表面下100m处。但微粒冲击明显降低了工件表面粗糙度，耐磨性显著提高。,三、表面形变强化技术,（5）超声/高能喷丸 对传统喷丸技术的改进，开发了超声/高能喷丸，实现了金属材料的表面纳米化，从而可显著提高材料的表面硬度。高能喷丸用高压空气喷射，可实现大于100 m/s的高速。,三、表面形变强化技术,3.滚压强化工艺原理-利用滚压工具(滚轮、滚球或滚轴)，对零件表面施加一定压力，使零件表层金属发生塑变，提高表面粗糙度和硬度，又称无屑加工。是一种无切削加工工艺，表面滚压可显著提高零件疲劳强度,降低缺口敏感性。,三、表面形变强化技术,工艺-表面滚压强化特别适用于形状简单的大零件，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处。,滚轮滚压加工可加工平面、圆柱面、台阶轴过渡圆角、凹槽等。滚压用滚轮数有1、2、3。单一滚轮只能用于具有足够刚度的工件；若工件较小，则需用2个或者3个滚轮同时进行滚压。,特点-表面粗糙度提高24级，耐磨性提高1.53倍，滚压后零件使用寿命长；操作方便；效率高；净洁无污染；应用范围宽。,三、表面形变强化技术,