【正文】 熔覆材料體系：基材為 38CrMoAl，涂層材料為 Ni60B+25vol.%WC復(fù)合熔覆粉末。 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。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(guò)程中裂紋的萌生 和發(fā)展。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) 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。 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(lái)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）。 第六章 表面改性新技術(shù) 由圖 FeB相圖可知，在 α、 γ相中溶解硼 的能力極微，在 1149℃ 時(shí)， γ相中具有最大溶 硼量為 %，而溶碳量大于 2%，氮的溶解 度更大。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼工藝方法 (1) 固體滲硼 1) 粉末滲硼 適當(dāng)調(diào)整滲硼劑的成分可獲得耐磨而又不脫 落的 FeB相表面層。試 驗(yàn)表明，滲硼試樣的耐磨性能比其它任何處理 （如滲碳、碳氮共滲等）的都高。 （ 1）滲鉻的方法 1）固體粉末滲鉻 目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的方法。氣體滲鉻的介質(zhì)多為鉻的 氟化物、氯化物。例如，滲鉻高碳鋼的耐磨性比 GCr15鋼還高幾倍，與滲硼層耐磨性相近。電泳沉積鋁的溶液是由鋁粉 （ 10?m）、無(wú)水乙醇和三氯化鋁組成的，配 比時(shí)按每升乙醇含鋁粉 50g、三氯化鋁的 5～ 8 g配制。滲層最外層的微孔組 織可儲(chǔ)存潤(rùn)滑油、降低摩擦系數(shù)，次層硬度較 高，因而耐磨性尤其抗粘著、咬合性能顯著提 高。 第六章 表面改性新技術(shù) （ Sulphnitrocarburizing） (1) 硫氮碳共滲方法 3) 鹽浴法 鹽浴硫氮碳共滲是在鹽浴氮碳共滲的基礎(chǔ)上 發(fā)展起來(lái)的，滲劑以鹽浴氮碳共滲滲劑為基 礎(chǔ)，加入適量滲硫劑。共滲溫 度為 800℃ 以上， 1050℃ 以下，時(shí)間為 4～ 6h。 經(jīng)共滲處理的鎳基合金 Nimonic75在 1025℃ ～ 1090℃ 保溫 100小時(shí)后的氧化增重僅 為未處理 1/8～ 1/24。 第六章 表面改性新技術(shù) TD（ Toyota Diffusion）法擴(kuò)散滲入處理 耐磨性 以 20CrMnTi鋼（固體滲硼后直接淬火）為配對(duì)材 料，在加磨料及不加磨料兩種情況下，用 MM200磨 損試驗(yàn)機(jī)研究了 Cr12鋼淬火 +低溫回火及 TD處理的 磨損量。 第六章 表面改性新技術(shù) TD（ Toyota Diffusion）法擴(kuò)散滲入處理 TD法的特點(diǎn)及應(yīng)用 目前， TD處理主要應(yīng)用于模具工業(yè)之中。 第六章 表面改性新技術(shù) 等離子體擴(kuò)散滲入方法 （ Plasma Nitrizing） (1) 離子氮化機(jī)理 普通氣體氮化僅靠氮的分解提供活性氮原子，而 離子氮化是由多種方式提供氮原子。 （ c）強(qiáng)韌性 只有擴(kuò)散層時(shí)韌性最好，單相 γ’氮化 物層時(shí)次之，單相 ε氮化層最差。純擴(kuò)散層主要用于不能增加脆性 的模具鋼、耐磨合金等工件，用于不銹鋼可使其耐 蝕性降低的程度最??；通過(guò)控制有關(guān)工藝參數(shù)可以 獲得希望的氮化層。 第六章 表面改性新技術(shù) 等離子體擴(kuò)散滲入方法 （ 3）由于離子的轟擊作用，可以去除氧化膜和鈍化膜，對(duì)于那些易氧化或鈍化的金屬，如不銹鋼等特別適合。 （ 3）工件因長(zhǎng)期工作而使碳化物層磨完時(shí)可以多次 重新處理。 典型的 NbC涂層組織細(xì)小、致密，無(wú)疏松、夾雜 等缺陷，在顯微鏡下呈白色，基體金屬與碳化物層 之間有清晰的界面。 常用的鉻鋁共滲劑由鉻鐵粉（或鉻粉）、鋁 鐵粉（或鋁粉）及活化劑組成。 第六章 表面改性新技術(shù) （ Sulphnitrocarburizing） (2) 硫氮碳共滲層的組織與性能 一層韌而硬度較低的硫化物層，使摩擦接觸表 面具有良好的磨合性，同時(shí)該層的微孔中可儲(chǔ)存 潤(rùn)滑油，加之硫化物本身干摩擦系數(shù)較低，所以 其減摩性、抗膠合性、接觸疲勞強(qiáng)度均優(yōu)于一般 的氣體氮碳共滲；此外，由于硫的滲入，改變了 Fe2～ 3(N,C) 及 Fe4(N,C)的分布狀態(tài)，減小了滲 層脆性和剝落傾向；但硫氮碳共滲層的抗磨料磨 損能力比氣體氮碳共滲要差一些。 缺點(diǎn)：質(zhì)量不易控制，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)條件 差，目前已應(yīng)用不多。 把滲鋁鋼和熱鍍鋅鋼在不同的 pH值溶液下 的耐腐蝕性進(jìn)行比較后知，在 pH值 2～ 9范圍 內(nèi)，前者的耐蝕性要好得多。 第六章 表面改性新技術(shù) （ Aluminizing， Calorizing） (1) 滲鋁的方法 4）氣體滲鋁法 氣體滲鋁是在密封的貫通式爐或井式爐中進(jìn) 行的。奧氏作耐熱鋼、鎳基和鈷基 合金材料滲鉻后，抗高溫氧化性能可顯著提 高。膏 劑由滲鉻源、熔劑和粘結(jié)劑配成。這一表面層被稱為滲 層或擴(kuò)散滲層。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼工藝方法 (2) 液體滲硼 2）非電解鹽浴滲硼是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的 一種方法，該法是在硼砂和硼酸的混合熔鹽中 加入滲硼劑（如 B4C）進(jìn)行滲硼。 1) 粉末滲硼 粉末滲硼是將工件埋入含硼粉末中裝箱密 封，并在箱式或井式電爐中加熱保溫。 硼原子半徑為 ，與過(guò)渡元素原子半徑 之比大都大于 ，因而，硼與過(guò)渡族元素形 成的化合物，具有遠(yuǎn)比正常的間隙相要復(fù)雜得 多的晶體結(jié)構(gòu)，如 FeB、 Fe2B、 TiB ZrB2 等，硬度極大，熱穩(wěn)定性好，幾乎比相應(yīng)的碳 化物、氮化物的硬度和熱穩(wěn)定性都要高。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(wú)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) 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。 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。 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。國(guó)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 。但所有這些方法都不能令人滿意。 （ 1）鐵基系 在某些情況下，鋼中加入 Cr， Ni， Mo等貴重元素不是為了提高整體強(qiáng)度，而是為了防止環(huán)境對(duì)表面的損傷，此時(shí)采用表面合金化可使成本大大降低。輥面上需使用程控鉆床打出 個(gè) 。 激光表面處理工藝 應(yīng)用實(shí)例 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸激光相變硬化 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是制冷機(jī)的關(guān)鍵部件，現(xiàn)多采用球墨鑄鐵制備而成，其主要失效形式是軸頸發(fā)生嚴(yán)重磨損。 激光照射到材料表面 表層材料受熱升溫 激光作用后冷卻 激光被吸收變?yōu)闊崮? 固態(tài)相變 /熔化 /蒸發(fā) 加熱速度快： 105109℃ /S 自冷速度高： ＞ 104 ℃ /S 輸入功率小，工件變形小 可局部加熱 精確控制：線加工 自動(dòng)化 但反射率高、轉(zhuǎn)換率低、設(shè)備昂貴、不能大面積 激光束表面處理技術(shù) ?激光與材料：反射與吸收；吸收通過(guò)大量傳導(dǎo)電子的帶間躍遷實(shí)現(xiàn)。 為提高活塞環(huán)耐磨性延長(zhǎng)其使用壽命 ， 對(duì)由42CrMo鋼制備的活塞環(huán)溝內(nèi)側(cè)進(jìn)行了激光 相變硬化處理。美國(guó)阿爾科公司利用這種方法處理灰鑄鐵的凸輪軸等零件，表面形成萊氏體組織，硬度為 52～ 54HRC?？色@得理想合金或亞穩(wěn)態(tài)合金。 激光表面處理工藝 1．激光包覆 英國(guó)已采用計(jì)算機(jī)控制的激光包覆工藝取代手工氬弧堆焊工藝，在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上包覆鈷基合金，可得到無(wú)氣孔、無(wú)裂紋的高性能包覆層，工效提高 11倍，成本降低 80%，鈷基合金的消耗量減少 50%。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(kāi)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。 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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)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(guó)家得到廣泛應(yīng)用。 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。 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。等離子體是利用低真空下氣體輝光放 電獲得的，因?yàn)殡x子活性比原子高，加上電場(chǎng) 的作用，因此滲速較高，質(zhì)量較好。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼工藝方法 (1) 固體滲硼 填充劑： 滲硼介質(zhì)的分散劑和載體，一般由 惰性物質(zhì)組成。電解時(shí)浸在熔融硼砂中的工件作 陰極，容器或石墨棒為陽(yáng)極進(jìn)行電解滲硼。近年來(lái)，滲硼還逐漸 擴(kuò)大到硬質(zhì)合金、有色金屬和難熔金屬，例如難 熔屬的滲硼已經(jīng)在宇航設(shè)備中獲得應(yīng)用。這種方法 大大縮短了工藝周期，并保持零件心部性能不 變。工件經(jīng)滲鉻后可在 800℃ 以上較長(zhǎng)時(shí)間使用，在 900℃ 仍有一定的抗氧 化能力。該處理不 僅改善了噴鋁層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度，還提 高了噴鋁層的密度。 第六章 表面改性新技術(shù) （ Aluminizing， Calorizing） (2) 滲鋁層的性能 2）耐腐蝕性 滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕最有效的 手段之一。 第六章 表面改性新技術(shù) （ Sulphnitrocarburizing） (1) 硫氮碳共滲方法 1) 粉末法 粉末滲劑：由 FeS、 K4Fe(CN)6及石墨、木炭 等組成。工 藝一般取 500～ 650℃ （ 1～ 4） h。 第六章 表面改性新技術(shù) 含硼共滲 (3) 硼釩共滲 粉末硼釩共滲滲劑的典型成分有： 5%B4C ＋ 5%～ 8%V2O5＋ 2%～ 3%KBF4＋ %～ 1%NH4Cl， SiC為余量，在 920～ 960℃ 保溫 3～ 4h。 例如欲涂 NbC時(shí)，加入 FeNb的合金粉末或 Nb2O5粉末，將含碳較高的鋼件浸入此鹽浴中，在 800～ 1200℃ 保溫 1～ 10h，便得到了碳化物鍍覆表 面覆層。也可以在工件局部 被覆碳化物層。 第六章 表面改性新技術(shù) 等離子體擴(kuò)散滲入方法 用等離子體方法進(jìn)行滲鍍有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）由于離子對(duì)表面的轟擊可使表面高度活化，加 之離子和隨離子一起沖擊表面的活性原子都易被表 面吸收，因而滲鍍速度快。 第六章 表面改性新技術(shù) 等離子體擴(kuò)散滲入方法 （ Plasma Nitrizing） (2) 離子氮化層的典型組織 γ’化合物韌性較好，強(qiáng)度較高，單相的 γ’化合物組 織主要用于承受較大動(dòng)力載荷又要求耐磨的工作條 件。 第六章 表面改性新技術(shù) 等離子體擴(kuò)散滲入方法 （ Plasma Nitrizing） (4) 離子氮化與其它氮化方法的比較 （ c）用輝光放電直接加熱工件表面，無(wú)需輔助加熱 設(shè)備，方便、節(jié)能，又可獲得均勻的加熱溫度。 第六章 表面改性新技術(shù) 等離子體擴(kuò)散滲入方法 （ Plasma Nitrizing） (1) 離子氮化機(jī)理 FeN受到高溫作用和離子的轟擊會(huì)按照 FeN→Fe 2N→Fe 3N→Fe 4N的順序分解為低價(jià)氮化 鐵，同時(shí)析出原子氮。 第六章 表面改性新技術(shù) TD（ Toyota Diffusion）法擴(kuò)散滲入處理 TD法的特點(diǎn)及應(yīng)用 此外， TD處理法也在切割、切削加工工具以及機(jī) 械零件上得到了應(yīng)用。 VC、