【正文】 面改性研究的熱點(diǎn)。激光包覆適用于易磨損、腐蝕和受沖擊的零件，無論是在包覆展質(zhì)量還是在工藝性和經(jīng)濟(jì)性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的堆焊和熱噴涂工藝，其工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。激光包覆具有粘結(jié)牢靠，包覆層厚度容易控制，操作簡(jiǎn)單和加工周期短等優(yōu)點(diǎn)。另外，在制造電接觸器時(shí)，用激光包覆工藝取代化學(xué)涂覆工藝，在銅基體上包覆銀層，可大大提高生產(chǎn)率和降低成本消耗。但所有這些方法都不能令人滿意。這會(huì)導(dǎo)致高溫時(shí)由于內(nèi)部硫化、剝落、機(jī)械應(yīng)變降低、坑蝕、滲鹽和滲氧而使涂層早期變質(zhì)和破壞。 激光表面處理工藝 應(yīng)用實(shí)例： 寬帶激光熔覆 NiWC復(fù)合涂層 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。 激光表面處理工藝 應(yīng)用實(shí)例： 寬帶激光熔覆 NiWC復(fù)合涂層 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。 激光表面處理工藝 應(yīng)用實(shí)例： 寬帶激光熔覆 NiWC復(fù)合涂層 效果：復(fù)合涂層熔覆區(qū)主要是由 g Ni、 WC、 W2C、 M23C6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 。 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。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。 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(jiǎn)單方法是工件 預(yù)熱。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 。 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。 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。 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。 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。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。 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。 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)。 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。 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。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。 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。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。 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(rùn)滑性能優(yōu) 良。 第六章 表面改性新技術(shù) 電子束是一束集中的高速電子。 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。 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。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。 （ 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?。挥捎谟不瘜訙\，組織 應(yīng)力也小，所以零件變形小。 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。 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。 實(shí)現(xiàn)金屬表面 “自淬火” 。這是電子束快速 加熱的最大特點(diǎn)。 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) 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。 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) 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。 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) 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。 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) 。 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。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。 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。 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）。 粉末法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，適用 于形狀復(fù)雜的工件的滲鍍；缺點(diǎn)是效率低，尺 寸受限制，溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，基體金屬的強(qiáng)度 有一定降低。 優(yōu)點(diǎn) :傳熱性好 ， 滲速快 ， 滲層質(zhì)量高 ,有利 于機(jī)械化和自動(dòng)化 ； 缺點(diǎn) :流化床設(shè)備裝置 成本極高 ，運(yùn)轉(zhuǎn) 費(fèi)用 大 ，因此這種方法尚未推廣使用。 第六章 表面改性新技術(shù) 3．氣體法 氣滲首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能 產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的溫度，然后把含有滲入金屬鹵 化物（ MCl2）的氫氣通入，氣體和表面接觸 時(shí)，工件表面的金屬和氫本身與 MCl2發(fā)生反 應(yīng)。 第六章 表面改性新技術(shù) 4．等離子法 等離子法是利用物質(zhì)的第四態(tài) — 等離子體進(jìn) 行滲鍍。但是該法 除離子氮化已經(jīng)成熟，包括滲碳在內(nèi)的離子滲 金屬尚在開發(fā)之中。 硼原子半徑為 ，與過渡元素原子半徑 之比大都大于 ，因而，硼與過渡族元素形 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。此外，微量的硼還 能增加鋼的淬透性。 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。 硼在 α－ Fe中只能以置換固溶體的形式存 在，而在 γ－ Fe中既可以置換固溶體的形式存 在，又可以間隙固溶體的形式存在。 滲硼工藝方法 滲硼的方法有固體法、液體法和氣體法。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼工藝方法 (1) 固體滲硼 滲劑： 供硼劑、活化劑、填充劑組成。 活化劑： 提高滲劑的活性，理想的活化劑不 僅可降低滲劑成本，而且可提高滲速，增加滲 層深度，改善滲層組織性能。 三方面的作用： 1）使復(fù)合滲劑均勻分布其中，以便工件和滲 劑均勻接觸，使?jié)B劑保持適當(dāng)?shù)臐舛?，保證 滲層的均勻性； 2）產(chǎn)生或保持還原氣氛，以保持滲硼件表面 的活性； 3）防止?jié)B劑的燒結(jié)，提高滲劑的松散性。 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。 生產(chǎn)上常用的滲硼劑多由硼鐵、碳化硼、無水 硼砂和適量的氧化鋁及鹵化物組成。 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。 2) 膏劑滲硼 在粉末滲硼劑的基礎(chǔ)上加入一定量的粘結(jié) 劑，形成膏狀滲劑，然后涂在工件表面進(jìn)行滲 硼，膏劑滲硼尤其適合大件局部處理。常用的粘結(jié)劑有甲基 纖維素、水解硅酸乙酯、松香酒精、可溶性淀 粉、水玻璃加漿糊等。該法滲層均勻致 密，表面質(zhì)量好。 1）電解鹽浴滲硼是日本豐田汽車公司和美國(guó) 通用電器公司以及前蘇聯(lián)的一些工廠在生產(chǎn)上已 經(jīng)采用的方法。電解 滲硼速度快、滲劑便宜。 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。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼層的組織與性能 滲硼層具有如下性能： （ 1）高硬度和耐磨性。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。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼層的組織與性能 （ 2）高的紅硬性。 （ 3）良好的耐腐蝕性和抗氧化性。例如 45鋼滲 硼后在鹽酸、硫酸水溶液中的耐腐蝕性比滲硼 前提高 5～ 14倍。 目前，滲硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蝕 性方面，例如鉆井用的泥漿泵零件，滾壓模具、 熱鍛模具及某些工夾具等。 第六章 表面改性新技術(shù) 滲硼的應(yīng)用 滲硼還可用于印刷機(jī)凸輪、止推板、各種活 塞、離合器軸、壓鑄機(jī)料筒與噴嘴、軋鋼機(jī)導(dǎo) 輥、油封滑動(dòng)軸、塊規(guī)、閘閥和各種拔絲模 等。這一表面層被稱為滲 層或擴(kuò)散滲層。 滲層具有不同于基體金屬的成分和組織，因而可 以使零件表面獲得特殊的性能，如抗高溫氧化、 耐腐蝕、耐磨損等性能。 （ 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。滲劑一般由金 屬鉻粉（或鉻鐵粉）、適量的 Al2O3（或 SiO2） 和鹵化銨配成。 固體粉末滲鉻工藝雖然簡(jiǎn)單，但由于其加熱 溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)、滲層薄、鉻耗量大，因 此限制