試述表面改性技術.doc

表面改性技術概述與應用表面工程是指通過對材料表面進行涂覆或改性，改變材料表面的形態(tài)、化學成分、組織結構和應力狀態(tài)等,以使表面獲得所需特殊性能的系統(tǒng)工程。它包括表面改性、表面處理、表面涂覆、復合表面技術和納米表面工程技術。而表面改性最為一種重要的表面工程技術通過改變基體材料成分，達到改善性能的目的，不附加膜層。表面改性的方法有很多，這里主要介紹電子束表面改性和等離子體表面處理。1 電子束表面改性高速運動的電子具有波的性質。當高速的電子照射到金屬表面時，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核和電子發(fā)生作用。電子與原子核彈性碰撞，能量的傳遞主要是通過電子束的電子與金屬表層電子碰撞而完成的。所傳遞的能量立即以熱的形式傳與金屬表層原子，從而使表層溫度迅速升高。圖1 電子束表面改性工作原理圖1.1 電子束表面相變強化處理用散焦方式的電子束轟擊金屬工件表面，控制加熱速度，使金屬表面加熱到相變點以上，隨后高速冷卻產生馬氏體等相變強化。此方法使用于碳鋼、中碳低合金鋼、鑄鐵等材料的表面強化處理。1.2 電子束表面重熔處理利用電子束轟擊工件表面使表面產生局部熔化并快速凝固，從而細化組織，達到硬度和韌性的最佳配和。對某些合金，電子束重熔可以使各組成相間重新分布，降低某些元素的顯微偏析程度，改善工件表面的性能。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，提高工模具的表面強度、耐磨性和熱穩(wěn)定性。由于電子束重熔是在真空條件下進行的，表面重熔時有利于去除表層的氣泡，因此可有效地提高鋁合金和鈦合金表面處理質量。1.3 電子束表面合金化處理先將具有特殊性能的合金粉末涂覆在金屬表面上，再用電子束轟擊加熱融化，或在電子束作用的同時加入所需合金粉末使其熔化在工件表面上，在工件表面上形成一層新的具有耐磨、耐蝕、耐熱等性能的合金表層。電子束表面合金化所需電子束功率密度約為相變強化的3倍以上，或增加電子束輻照時間，使基體表層的一定深度內發(fā)生熔化。1.4 電子束表面非晶化處理電子束表面非晶化處理與激光表面非晶化處理類似，只是所用的熱源不同而已。利用聚焦的電子束所特有的高功率密度以及作用時間短等特點，使工件表面在極短的時間內迅速熔化，而傳入基體內部的熱量幾乎為零，從而在基體和熔化的表層之間產生很大的溫度梯度，表層的冷卻速度很高。因此，這一層幾乎保留了熔化時液態(tài)金屬的均勻性，可直接使用，也可進一步處理以獲得所需性能。2 等離子體表面改性等離子體是一種電離度超過0.1%的氣體，是由離子、電子和中性粒子所組成的集合體。等離子體是一種能量較高的聚集狀態(tài)，被稱為物質的第四態(tài)。利用粒子熱運動、電子碰撞、電磁波能量法以及高能離子等方法可獲得等離子體。等離子體轟擊材料表面將發(fā)生一系列的物理、化學現象，包括中性原子或分子從表面分離出來的濺射現象，濺射出來的粒子與靠近表面等離子體中活性原子結合的產物吸附在表面的凝附現象、陰極表面二次電子的發(fā)射現象以及局部區(qū)域原子擴散和離子注入等現象。等離子體表面改性可以提高工件表面的力學性能，例如表面硬度增加、耐磨性提高、較好的熱穩(wěn)定性、更高的疲勞強度、良好的抗咬合性能和低的缺口敏感性。2.1 離子滲氮輝光離子滲氮又稱離子滲氮，是一種在壓力低于105 Pa的滲氮氣氛中，利用工件和陽極間稀薄含氮氣體產生輝光放電進行滲氮的工藝。這是一種普遍應用的成熟工藝技術，已用于結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼的滲氮，并由黑色金屬發(fā)展到有色金屬滲氮，特別在鈦合金滲氮中取得好的效果。圖2 離子滲氮示意圖離子滲氮的特點是滲氮速度快，尤其是淺層氮更為突出。例如滲氮層深度為0.3 mm-0.5mm 時，離子滲氮的時間僅為普通氣體滲氮的一半以下。這是因為其表面的活化加速了滲氮的過程。離子轟擊將金屬原子從試樣表面轟擊出來，使其成為活性原子，并且，由于高溫活化，C、N、O這類非金屬元素也會從金屬表面分離出來，使金屬表面氧化物和碳化物還原，同時也對表面產生了清洗的作用；提高表面氮濃度，加快氮向試樣內部擴散。試樣表面對轟擊出來的Fe和N結合形成的FeN吸附，提高試樣表面氮濃度，Fe還有對NH3分解出氮的催化作用，也提高氮濃度；陰極濺射產生表面脫碳，增加位錯密度等，加速了氮向內部擴散的速度。離子滲氮熱效率高，節(jié)約能源、氣源。離子滲氮可使用氨氣，壓力很低，用量極少，所以污染低，勞動條件好。離子滲氮可在低于400 下進行，工件畸變小。雖然離子滲氮有許多好處，但是設備較復雜，投資大，維修困難也成為阻礙其應用的瓶頸。2.2 離子滲碳、碳氮共滲離子滲碳（等離子滲碳）以及離子碳氮共滲，和離子滲氮相似，是在低壓下的滲碳或碳氮混合氣氛中，利用工件和陽極間產生輝光放電進行滲碳的同時滲碳氮的工藝。2.2.1 離子滲碳離子滲碳是目前滲碳領域較先進的工藝技術，是快速、優(yōu)質、低能耗及無污染的新工藝。離子滲碳原理與離子滲氮相似，工件滲碳所需活性碳原子或離子可以從熱分解反應或通過工作氣體電離獲得。離子滲碳具有高濃度滲碳、高滲層滲碳以及對于燒結件和不銹鋼等難滲碳件進行滲碳的能量。滲碳速度快，滲層碳濃度和深度容易控制，滲層致密性好。滲劑的滲碳效率高，滲碳件表面不產生脫碳層，無晶界氧化，表面清潔光亮，畸變小。處理后的工件耐磨性和疲勞強度比常規(guī)滲碳件高。圖3 離子滲碳裝置結構示意圖2.2.2 離子碳氮共滲基本原理和離子滲碳相似，只是通入的氣體含有氮原子。滲速比普通碳氮共滲快2-4倍。在一定設備條件下，可采用碳-氮復合離子滲。即“滲碳-滲氮”或“滲氮-滲碳”交替進行，以獲得滲層組織是碳化物+氮化物的復合層。這種復合滲工藝，不僅時間短，而且性能也好。2.2.3 離子滲金屬在低真空下，利用輝光放電即低溫等離子體轟擊的方法，可使工件表面滲入金屬元素。如滲鉬、鋁、硅、硼、鎢和鈦等。還可以進行多種元素的復合滲和表面合金化處理，以獲得更好的表面改性。3 總結表面改性的工藝手段除了以上介紹的兩種外還有激光表面處理、離子注入、