表面改性技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,表面改性技术,概述,定义,：采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体表面材料的,组织结构、性能不同,的一种技术。,传统表面改性技术有,喷丸强化,、,表面热处理,、,化学热处理,；,优质清洁表面工程技术包括,等离子体,、,激光,、,电子束,、,高密度太阳能表面处理,和,离子注入表面改性,。,1.,等离子体表面处理,等离子体表面处理概述,等离子体：,是一种电离度超过,0.1%,的气体，由离子、电子、中性粒子（原子和分子）的组成。是一种物质能量极高的物质状态，被称为物质第四态。,等离子体表面处理概述,等离子体获得,高温下，利用粒子热运动、电子碰撞、高能粒子等产生；,低温下主要方法是气体放电。,分类,离子渗碳,离子渗氮,离子碳氮共渗,离子渗金属,离子渗氮,定义,：,在压力低于,10,5,Pa,的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。,离子渗氮的溅射和沉积理论,渗氮层的形成,：,反应阴极溅射。,详细过程,：真空炉中,稀薄气体在阴极、阳极间的直流高压下形成等离子体，,N,+,、,H,+,、,NH,3,+,等正离子轰击阴极工件表面，轰击的能量可加热阴极，工件发生二次电子发射，同时阴极溅射，从工件上打出,C,、,N,、,O,、,Fe,等。,Fe,与阴极附近活性氮原子形成,FeN,，由于背散射又沉积到阴极表面，,FeN,分解，,FeN-Fe,2,N-Fe,3,N-Fe,4,N,，分解出的氮原子大部分渗入工件表面内，一部分返回到离子区。示意图如下：,N,+,H,+,NH,3,+,材料表面,阴极,C,N,O,Fe,FeN,FeN,Fe,2,N,Fe,3,N,Fe,4,N,离子渗氮的作用,离子渗氮是应用广泛的一种化学热处理方法。离子渗氮,成本低,气氛可控,热效率高,。,离子渗氮形成的氮化层可以大大提高热作模具钢的,表面硬度和耐磨损性能,从而延长模具寿命,防止模具磨损失效。因此离子渗氮是热作模具钢常用的表面处理工艺,在工业上已经得到广泛的应用。,实验方法及装置,实验装置,：自制的活性屏离子渗氮实验装置,纯氮气氛下活性屏离子渗氮处理及其影响因素,N,2,-H,2,或,NH,3,N,2,活性屏离子渗氮,(ASPN),：,从活性屏上溅射下来的,Fe,x,N(x,23),粒子在等离子体空间物理吸附了氮,并沉积在工件表面。在一定的温度下,吸附了氮的粒子发生脱附,脱附出的活性氮原子渗入工件内部生成渗氮层。,1983,年,试验方法及装置,试样,：,15 mm15mm5mm,的,38CrMoAl,钢、,25mm25mm0.5mm,的,T2,纯铜片。,氮气,：,先经纯化处理以减小氮气中的含氧量及干燥氮气。,试验步骤：,1,、试样和铜片分别用丙酮、酒精清洗后装入炉内。,2,、将真空室抽至,2Pa,然后用氮气冲洗容器三遍,尽量减少容器中的残余空气及炉壁吸附的气体。,3,、实验分别在,600,、,800,、,1000,和,1200V,电压下进行,渗氮温度,540,渗氮时间,6h,。,金相组织,由图,2,所示的金相照片可知,38CrMoAl,钢在,600V,进行纯氮,ASPN,处理后观察不到明显的渗氮层,;,电压高于,800V,后才能形成明显的渗氮层,见图,2(b),、,(c),。,显微硬度分析,维氏硬度计试件允许最大高度：,130,毫米,放电电压在,600V,时几乎没有渗氮效果,在高于,800V,才有明显的渗氮硬化效果,而且渗氮层较深,与金相组织相对应。,粒子的表面形貌分析图,4(a),与图,4(b),粒子尺寸在数十至数百纳米范围内,但粒子形状不一样,图,4(b),中粒子形状更规则,呈正多边形。,铜片上沉积粒子的,X,射线衍射分析,1,、当处理电压为,600V,时,沉积的粒子是铁的氧化物,(Fe,3,O,4,),和少量的铁的氮化物,(-Fe,4,N,、,-Fe,3,N),。,当处理电压高于,800V,后,这些粒子则是铁的氮化物,(,少量,),和少量的氧化物,并且随着电压的升高,增多,和,Fe,3,O,4,减少。电压达到,1000V,时,粒子中几乎没有氧化物存在。,Fe3O4,？,由于离子渗氮是在低真空度下进行的,真空炉内残留少量空气,炉壁也吸附了少量水蒸气或空气。在离子渗氮处理过程中,600V,时活性氮少,O,被激活,Fe,原子优先与,O,结合形成铁的氧化物,炉内残余的氧起主导作用。,氮原子的产生,：,分两步，,N,2,N,2,+,+e(24.5eV),，,N,2,+,N,+,+N(49eV),。,1,、放电电压低于,600V,时,N,2,+,在一个平均自由程里所获得的电场能小于,49,eV,等离子空间活性氮很少,没有离子渗氮的氮源,所以渗氮效果甚微。,2,、放电电压高于,800V,时,N2+,在一个平均自由程里所获得的电场能为,75.22,eV,超过了,49,eV,可以通过碰撞裂解产生大量的活性氮原子。这些高能氮原子在活性屏附近与铁原子结合成,FexN,活性屏被氮化。,3,、从活性屏上溅射下来的,FexN,在向工件运输过程中吸附了大量的氮原子,当粒子沉积于试样表面后,吸附了的氮在一定的温度条件下开始脱附成为活性氮原子,脱附出的活性氮原子向工件内部渗入形成了渗氮层。,结论,(1),电压较低时,氧对活性屏离子渗氮处理有重要影响,铁主要与氧结合生成了大量的氧化铁而不能进行活性屏离子渗氮处理。,(2),放电电压高于,800V,后,铁与氮的结合能力较强时才主要生成氮化铁进行活性屏离子渗氮处理,并可获得良好的渗氮效果。,2.,激光表面处理,概述,目的,：,改变表面层的成分和显微结构，以提高表面性能，适应基体材料的需要,。,激光表面处理工艺包括：,激光相变硬化；,激光熔覆；,激光合金化；,激光非晶化；,激光冲击硬化等。,概述,设备,：,CO,2,激光器,激光与金属相互作用,光能,-,热能,-,熔点（,us,、,ns,、,ps,）,激光处理前表面预处理,激光波长 ，吸收率,磷化、黑化和涂覆红外能量吸收材料（如石墨、含炭黑的涂料等）,磷化工艺繁琐，黑化简单，激光吸收率高达,90%,。,激光表面合金化,概述,定义,：用镀膜或喷涂等技术把所需合金元素涂敷在金属表面，利用激光照射使敷层合金元素和基体表面薄层融化、混合，而形成新的表层，从而改善表层耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。,分类,根据工艺不同，激光表面合金化可分为：,激光粉末涂覆合金化,激光硬质粒子喷射合金化,激光气体合金化,铸造铝合金预置,Si,粉激光表面合金化研究,研究背景,1,、,A357,、,A319,等铝合金中,Si,的质量分数约为,6%,-A l,软相是该类合金中的主要组成相，在发动机组中作为摩擦副零件使用时存在硬度低、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤等缺陷,不能直接用于发动机气缸内壁等缺陷。,2,、为了提高铸造铝合金气缸的耐磨性,一种方法是在铸造铝合金气缸内表面内衬缸套，内衬缸套增加了缸体的重量，且铸铁缸套与铝合金热膨胀系数不同，在使用过程中也存在问题,;,另一种方法是采用铝硅合金气缸，以合金中的,Si,作为主要相。而铝硅合金有较好的耐磨性，但其铸造成本高，且合金中出现粗大的板条状,Si,相，使合金基体受到严重割裂，容易形成裂纹，破坏基体的连续性，显著降低合金的强度、韧性。,研究内容,低,Si,含量的,A357,合金为基，采用激光表面合金化技术，选用,Si,粉末作为合金化涂层材料，适当提高基体合金中的,Si,含量，制备高硅,Al,2,Si,合金涂层，研究了激光表面合金化涂层的组织和性能。,1,试验材料及方法,材料,：,基体材料为,A357,铸铝合金，主要化学成分,(,质量分数,%),为,7.63Si,、,0.54Mg,其余,Al,。试样尺寸为,70 mm 10 mm,的圆片。,表面预处理：,1,、首先采用,100,目到,400,目的砂纸将试样表面磨平；,2,采用,5wt%,的,NaOH,溶液浸泡,5 min,用以去除试样表面的油迹,破坏铝合金表面致密的,Al,2,O,3,氧化膜,并且可以起到黑化的作用,提高试样表面对激光光束的吸收率；,3,、用工业酒精和丙酮溶液清洗表面；,4,、将,Si,粉,(,纯度为,99.95%,粒度为,200,目,),用,4 wt%,的聚乙烯醇有机粘结剂调成糊状,然后均匀地涂刷到基板合金表面,涂刷厚度为,0.5 mm,左右。,1,试验材料及方法,激光器,：,激光器为,5 kW,的,CO,2,横流激光器,激光表面合金化所用激光功率为,3.5 kW,光斑直径,3.0 mm,扫描速度为,15 mm/s,搭接率,33%,。,试验结果及分析,涂层的表面形貌,金相试样沿涂层横向截取。图,1,是预置,Si,粉末激光表面合金化高硅,Al,2,Si,合金涂层的大面积搭接表面宏观照片。由图,1,可见,多道搭接获得的大面积激光表面合金化层表面比较平整、光滑,且表面无气孔、裂纹等缺陷,宏观表面质量较好。,样本横截面,Si,是与,Al,有共晶反应的合金元素,预置,Si,粉经激光照射熔化后,与基板上的,Al,宏观上形成了均匀的合金化层,其横截面组织如图,2,所示,可以看出,整个激光表面合金化层组织均匀、致密、无气孔、无裂纹,且与基体呈冶金结合。相对于原始基板合金,预置,Si,粉末激光表面合金化层组织较为细小,合金化层中,Si,含量约,20 wt%),。,激光表面合金化层的维氏硬度,1,、对比基体合金，涂层的维氏硬度有一定的提高，且沿涂层层深方向硬度分布相对比较均匀。,(VMHT30M,型显微硬度计对涂层的硬度分布进行测量,),原因：激光表面合金化的快速凝固效应,使得合金化涂层组织均匀细小、具有优异的强韧性配合,故整个涂层硬度分布比较均匀。激光表面合金化层中细小的未熔,Si,颗粒、细小的共晶相,增加了涂层的维氏硬度。激光表面合金化高硅,Al,2,Si,合金涂层能在一定程度上提高铝合金的硬度,进而为一定程度上提高铝合金的耐磨性奠定了基础。,激光表面合金化层的耐磨性,试验名称,：,室温油润滑磨损试验,设备,：在,SRV,型高温磨损试验机上进行,试验前准备及参数设置,润滑介质,：,L2AN22,机油,试样尺寸,：,24.0 mm 7.88 mm,对磨上试样,：直径,10.0 mm,硬度为,55 HRC,的,GCr15,钢球,法向载荷,20 N,微动频率,20 Hz,冲程,1.2mm,磨损时间为,10min,。,试样和标样,：选取合金涂层和未经激光处理的原始,A357,铸造铝合金作为试样和标样,体积磨损量测量,：用,Taly2surfsp2120,表面形貌测量仪测量试样及标样的体积磨损量。,结论,：与原始,A357,合金标样相比,激光表面合金化层的耐磨性能有较大的提高。这是由于激光表面合金化层中大量细小且圆整度好的未熔,Si,颗粒具有高硬度及高耐磨能力,且在摩擦磨损过程中不易脱落,从而使激光表面合金化层在磨损条件下表现出优异的耐磨性能。,