材料表面與界面(3-1)

1、材料的表面與界面材料的表面與界面Surfaces and Interfaces Surfaces and Interfaces in Materialsin Materials第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍 定義：用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面，可得到一擴(kuò)散合金層，定義：用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面，可得到一擴(kuò)散合金層， 同時表面上還會殘留一層很薄的覆層同時表面上還會殘留一層很薄的覆層熱滲鍍。熱滲鍍。特點：（特點：（1）靠熱擴(kuò)散形成表面強(qiáng)化層，結(jié)合力很強(qiáng)。

2、）靠熱擴(kuò)散形成表面強(qiáng)化層，結(jié)合力很強(qiáng)。 （2）熱滲鍍材料的選擇范圍很寬。）熱滲鍍材料的選擇范圍很寬。作用：滲入不同元素，可得到不同的表面組織和表面性能，作用：滲入不同元素，可得到不同的表面組織和表面性能， 包括耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性、耐高溫氧化性。包括耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性、耐高溫氧化性。分類：（分類：（1）粉末包滲法）粉末包滲法 （2）液滲法）液滲法 （3）氣滲法：）氣滲法： （4）離子轟擊滲鍍法：）離子轟擊滲鍍法： （5）復(fù)合滲）復(fù)合滲 3.1.1 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍方法的特點與分方法的特點與分類類 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1 金屬表面金屬表面熱熱滲

3、滲鍍鍍 熱滲鍍方法的基本過程為：熱滲鍍方法的基本過程為：介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物。介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物。反應(yīng)物擴(kuò)散到金屬表面反應(yīng)物擴(kuò)散到金屬表面外擴(kuò)散。外擴(kuò)散。反應(yīng)物粒子被金屬表面吸附，發(fā)生界面反應(yīng)。反應(yīng)物粒子被金屬表面吸附，發(fā)生界面反應(yīng)。界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子被金屬表面吸附并向內(nèi)部擴(kuò)散界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子被金屬表面吸附并向內(nèi)部擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散。內(nèi)擴(kuò)散。以上四步中：第和步速度較快，不會成為控制步驟，第和步哪一步能成為控制步以上四步中：第和步速度較快，不會成為控制步驟，第和步哪一步能成為控制步驟，可根據(jù)滲層深度（驟，可根據(jù)滲層深度（x）與時間（）與時間

4、（t）的關(guān)系來判定。）的關(guān)系來判定。如果如果x 與與t之間為拋物線關(guān)系，則擴(kuò)散阻力較大，第步為控制步驟。如果之間為拋物線關(guān)系，則擴(kuò)散阻力較大，第步為控制步驟。如果x 與與t關(guān)系為線關(guān)系為線性，則內(nèi)擴(kuò)散速度較快，第步為控制步驟。性，則內(nèi)擴(kuò)散速度較快，第步為控制步驟。 一般來說，過程初期金屬表面滲劑濃度較低，界面反應(yīng)（第步）為控制步驟，到一定一般來說，過程初期金屬表面滲劑濃度較低，界面反應(yīng)（第步）為控制步驟，到一定程度滲劑元素在金屬表面濃度達(dá)一定值，內(nèi)擴(kuò)散成為控制步驟。程度滲劑元素在金屬表面濃度達(dá)一定值，內(nèi)擴(kuò)散成為控制步驟。 3.1.2 金屬表面熱滲鍍方法的原理金屬表面熱滲鍍方法的原理 第第3章章

5、 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍 滲層是基體金屬和溶入元素原子混合或化合組成的薄層合金，滲層的形成需要如下條件：滲層是基體金屬和溶入元素原子混合或化合組成的薄層合金，滲層的形成需要如下條件：（1）滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。）滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。 影響固溶體或金屬間化合物形成的重要因素有：影響固溶體或金屬間化合物形成的重要因素有： 原子相對大小原子相對大小, 原子間的化學(xué)親合力原子間的化學(xué)親合力, 點陣類型。點陣類型。（2）滲入元素與基體之間必須保持緊密接觸，或者說滲入元素可以在界面處被吸附。）滲入元素

6、與基體之間必須保持緊密接觸，或者說滲入元素可以在界面處被吸附。（3）必須保持一定的溫度，使原子獲得足夠的擴(kuò)散動力。）必須保持一定的溫度，使原子獲得足夠的擴(kuò)散動力。（4）生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件，滲劑活性原子一般是依靠化）生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件，滲劑活性原子一般是依靠化 學(xué)反應(yīng)來提供的。學(xué)反應(yīng)來提供的。 以氣固滲劑為例，假定采用金屬氯化物為滲劑氣體可有以下三種化學(xué)反應(yīng)：以氣固滲劑為例，假定采用金屬氯化物為滲劑氣體可有以下三種化學(xué)反應(yīng)： 置換反應(yīng)：置換反應(yīng)：A MCl2(氣氣) ACl2M 還原反應(yīng)：還原反應(yīng)：MCl2(氣氣) H2 2HClM 分解反

7、應(yīng)：分解反應(yīng)：MCl2(氣氣) Cl2M3.1.3 金屬表面熱滲鍍滲層形成條件金屬表面熱滲鍍滲層形成條件 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍 （1）滲層的形成）滲層的形成 滲層形成的過程為：吸附滲層形成的過程為：吸附 界面反應(yīng)界面反應(yīng) 內(nèi)擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散 滲層滲層 （2）滲層的組織特點）滲層的組織特點(a)有無限固溶體相圖的滲層組織有無限固溶體相圖的滲層組織滲層組織為單相二元固溶體組織，由表到里濃度逐漸變化。滲層組織為單相二元固溶體組織，由表到里濃度逐漸變化。(b)有限固溶體相圖的滲層組織有限固溶體相圖的滲層組織(c)有限固溶體有限固溶體并有中間化合物

8、形成的滲層組織并有中間化合物形成的滲層組織3.1.4 金屬表面熱滲鍍滲層組織特點金屬表面熱滲鍍滲層組織特點 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍 鋼鐵表面熱浸鍍鋅的基本過程為：鋼鐵表面熱浸鍍鋅的基本過程為：鐵表面與液態(tài)鋅潤濕并發(fā)生相互溶解形成鐵表面與液態(tài)鋅潤濕并發(fā)生相互溶解形成FeZn合金層，合金層，合金層中鋅原子向鐵基體中擴(kuò)散形成鐵鋅固溶體和化合物，合金層中鋅原子向鐵基體中擴(kuò)散形成鐵鋅固溶體和化合物，合金表面包絡(luò)一薄層鋅。合金表面包絡(luò)一薄層鋅。 熱鍍鋅層的組織特點熱鍍鋅層的組織特點:鋼鐵表面熱鍍鋅方法：鋼鐵表面熱鍍鋅方法：預(yù)處預(yù)處理（清理（清潔潔

9、作用）作用） 溶溶劑處劑處理（去除工件表面理（去除工件表面鐵鹽鐵鹽、 、鐵銹鐵銹） ） 鍍鋅鍍鋅（注意控制溫度和取出工件的速度）（注意控制溫度和取出工件的速度）鋅鋅熔點：熔點：419.5。 。鋼鐵鋼鐵工件工件鍍鋅鍍鋅最佳溫度：最佳溫度：620?；摇；诣T鐵鑄鐵工件最佳溫度：工件最佳溫度：540。 。 純鋅層的主要作用：提高塑性，保護(hù)內(nèi)部不被腐蝕。純鋅層的主要作用：提高塑性，保護(hù)內(nèi)部不被腐蝕。 鋼鐵表面熱鍍鋅的性能特點：防腐鋼鐵表面熱鍍鋅的性能特點：防腐鋼鐵表面熱鍍鋅方法的應(yīng)用：螺母、螺栓、彈簧、鋼管、鋼板、鋼絲。鋼鐵表面熱鍍鋅方法的應(yīng)用：螺母、螺栓、彈簧、鋼管、鋼板、鋼絲。 3.1.5 金屬表面

10、熱滲鍍方法的實際應(yīng)用金屬表面熱滲鍍方法的實際應(yīng)用 （1）熱浸鍍鋅）熱浸鍍鋅 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍 鋼中含鋼中含8%Al時，表面可形成致密氧化膜，提高抗氧化和抗腐蝕性能，但時，表面可形成致密氧化膜，提高抗氧化和抗腐蝕性能，但8%Al會使鋼變得很會使鋼變得很脆，滲鋁可解決之。脆，滲鋁可解決之。鋼鐵表面熱滲鍍鋁方法：熱浸鋁、固體粉末滲鋁、噴鍍滲鋁法、料漿滲鋁法、氣體滲鋁法等。鋼鐵表面熱滲鍍鋁方法：熱浸鋁、固體粉末滲鋁、噴鍍滲鋁法、料漿滲鋁法、氣體滲鋁法等。熱浸鋁：熱浸鋁：定義：把預(yù)處理過的工件浸入液鋁中保溫，一定時間取出，工件表面將浸上一

11、層鋁。定義：把預(yù)處理過的工件浸入液鋁中保溫，一定時間取出，工件表面將浸上一層鋁。過程：過程：Fe與液鋁接觸與液鋁接觸反應(yīng)生成反應(yīng)生成FeAl3擴(kuò)散，擴(kuò)散，F(xiàn)eAl3加厚加厚生成生成Fe2Al5組織特點：組織特點：鋼鐵表面熱滲鍍鋁滲鋁層性能：抗氧化提高，耐腐蝕性能提高。鋼鐵表面熱滲鍍鋁滲鋁層性能：抗氧化提高，耐腐蝕性能提高。鋼鐵表面熱滲鍍鋁應(yīng)用：耐熱耐蝕部件。鋼鐵表面熱滲鍍鋁應(yīng)用：耐熱耐蝕部件。3.1.5 金屬表面熱滲鍍方法的實際應(yīng)用金屬表面熱滲鍍方法的實際應(yīng)用 （2）熱滲鍍鋁）熱滲鍍鋁 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍 固體滲鉻：固體滲鉻： 工

12、件埋入工件埋入Cr粉，氧化鋁粉及鹵化物粉中加熱保溫，使工件表面產(chǎn)生活性粉，氧化鋁粉及鹵化物粉中加熱保溫，使工件表面產(chǎn)生活性Cr，滲入基體中。，滲入基體中。以以NH4Cl為例：為例：NH4ClNH3HCl, 2NH3N23H2, Cr2HClCrCl2H2CrCl2MMCl2Cr, H2CrCl22HClCr優(yōu)優(yōu)點點:工工藝簡單藝簡單。 。 缺點：加缺點：加熱熱溫度高、保溫溫度高、保溫時間長時間長、滲、滲層層薄、薄、鉻鉻耗大。耗大。氣體滲鉻：氣體滲鉻： 在密封電爐中通入滲鉻氣氛（鹵化鉻），在工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成在密封電爐中通入滲鉻氣氛（鹵化鉻），在工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Cr滲入工件表面。滲

13、入工件表面?；蛟跔t內(nèi)放置或在爐內(nèi)放置Cr或或CrFe粉，通入粉，通入Cl2和和H2。優(yōu)點：無粉塵危害、滲速快、質(zhì)量好。優(yōu)點：無粉塵危害、滲速快、質(zhì)量好。 缺點：氫氣易爆炸、氯氣有毒。缺點：氫氣易爆炸、氯氣有毒。滲鉻層組織：滲鉻層組織：表面為表面為Cr與與C的化合物，其次為的化合物，其次為Cr在在Fe中的固溶體，最大溶解度為中的固溶體，最大溶解度為12%。滲鉻層性能：耐腐蝕、抗氧化、耐磨。滲鉻層性能：耐腐蝕、抗氧化、耐磨。應(yīng)用：代替不銹鋼和耐熱鋼制造機(jī)械和工具。應(yīng)用：代替不銹鋼和耐熱鋼制造機(jī)械和工具。 3.1.6 滲金屬滲金屬 （1）滲鉻）滲鉻第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1

14、 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍 固體滲硼固體滲硼:（B，F(xiàn)e-B，B4C）Al2O3NH4Cl形成活性硼元素，滲入工件表面，形成形成活性硼元素，滲入工件表面，形成Fe2B表面層。表面層。氣體滲硼氣體滲硼:氣體為氣體為BCl3H2反應(yīng)為：反應(yīng)為：2BCl32B3Cl2 2BCl33H22B6HCl BCl3FeFeCl3B液體滲硼液體滲硼: Na2B4O76B4C28B6CONa2O B4CMCl24BCl2MC滲硼層組織滲硼層組織: FeB層層很脆，很脆，F(xiàn)e2B性能性能較較好，好，應(yīng)應(yīng)使其增厚。使其增厚。性能：優(yōu)異的耐磨性，較好的耐蝕性（性能：優(yōu)異的耐磨性，較好的耐蝕性（10%H2NO4），

15、一定的耐熱性。），一定的耐熱性。應(yīng)用：主要用于耐磨件應(yīng)用：主要用于耐磨件 3.1.6 滲金屬滲金屬 （2）滲硼）滲硼第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.1 金屬表面金屬表面熱熱滲滲鍍鍍 （3）滲釩：表面生成）滲釩：表面生成CV，使耐磨性能提高很多。，使耐磨性能提高很多。（4）滲鈦：表面可以有）滲鈦：表面可以有TiC、TiFe、TiFe2、Ti2Fe，提高耐氧化性。，提高耐氧化性。（5）滲鉬：表面可由）滲鉬：表面可由Fe3Mo2金屬間化合物和金屬間化合物和C-Mo化合物組成，提高耐磨性?；衔锝M成，提高耐磨性。（6）滲鈹：可提高高溫氧化、耐高溫腐蝕性能等）滲鈹：可提高高溫氧化、耐高

16、溫腐蝕性能等 3.1.6 滲金屬滲金屬 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.2 金屬表面熱噴涂金屬表面熱噴涂 （1）分類）分類 液態(tài)法：用坩堝熔化金屬，再用高壓氣體把金屬噴射出去。液態(tài)法：用坩堝熔化金屬，再用高壓氣體把金屬噴射出去。 燃?xì)夥ǎ夯鹧婢€材噴涂法，火焰粉末噴涂法。燃?xì)夥ǎ夯鹧婢€材噴涂法，火焰粉末噴涂法。 氣體放電法：等離子噴涂法。氣體放電法：等離子噴涂法。（2）技術(shù)特點）技術(shù)特點 1 取材廣泛取材廣泛 2 可用于各種基體可用于各種基體 3 基體保持較低溫度基體保持較低溫度 4 工效高，比電鍍快工效高，比電鍍快 5 工件大小不受限制，可進(jìn)行局部噴涂，工件或整體均可工件大小

17、不受限制，可進(jìn)行局部噴涂，工件或整體均可 6 涂層厚度易控制涂層厚度易控制 7 滿足各種性能需要：耐磨、耐蝕、高溫氧化、隔熱、高溫強(qiáng)度、密封、減磨（潤滑）、滿足各種性能需要：耐磨、耐蝕、高溫氧化、隔熱、高溫強(qiáng)度、密封、減磨（潤滑）、耐輻射、導(dǎo)電、絕緣等。耐輻射、導(dǎo)電、絕緣等。3.2.1 金屬表面熱噴涂方法的分類與特點金屬表面熱噴涂方法的分類與特點 利用專用設(shè)備將固體材料熔化并加速噴射到工件表面形成一種特制薄層，提高工件表面利用專用設(shè)備將固體材料熔化并加速噴射到工件表面形成一種特制薄層，提高工件表面性能。性能。 60年代以來得到迅速發(fā)展。金屬表面熱噴涂方法的發(fā)展與很多學(xué)科相關(guān)：材料年代以來得到迅

18、速發(fā)展。金屬表面熱噴涂方法的發(fā)展與很多學(xué)科相關(guān)：材料學(xué)、材料物理與化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理學(xué)。學(xué)、材料物理與化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理學(xué)。 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.2 金屬表面熱噴涂金屬表面熱噴涂 以粉末噴涂為例：以粉末噴涂為例：粒子流特點：加熱粒子流特點：加熱 加速加速 形成粒子流形成粒子流 撞擊基體撞擊基體 冷卻凝固冷卻凝固 形成涂層形成涂層 3.2.2 金屬表面熱噴涂方法的原理金屬表面熱噴涂方法的原理 溫度，速度材料種類粒子大小能源種類噴槍構(gòu)造送粉方式?jīng)Q定粒子狀態(tài)粒子狀態(tài)材料參數(shù)材料參數(shù)環(huán)境因素環(huán)境因素微粉的熔點（與粒度有關(guān)）比體型材料的熔點低

19、。由于粉末粒度不均，噴涂火焰不微粉的熔點（與粒度有關(guān)）比體型材料的熔點低。由于粉末粒度不均，噴涂火焰不均，所以粉末被加熱的程度不同。均，所以粉末被加熱的程度不同。 第第3章章 金屬表面處理方法金屬表面處理方法 3.2 金屬表面熱噴涂金屬表面熱噴涂 熔化的液滴在高速氣流中進(jìn)一步變小、霧化。用熔化的液滴在高速氣流中進(jìn)一步變小、霧化。用Web準(zhǔn)數(shù)（準(zhǔn)數(shù)（We）表示被霧化的難易程度。）表示被霧化的難易程度。We=gd（Vc-Ve）/式中：式中：g：氣體密度；：氣體密度；d：液滴直徑；：液滴直徑；Vc：氣體流速；：氣體流速；Ve：液滴流速；：液滴流速；：液體表面能。：液體表面能。 通常，通常，We =

20、610。液體粘度增大，。液體粘度增大，We 提高，不易霧化。提高，不易霧化。相對速度（相對速度（Vc-Ve）是霧化的動力。使某液滴霧化所需最小相對速度與以下因素有關(guān)：）是霧化的動力。使某液滴霧化所需最小相對速度與以下因素有關(guān)：（a）We（與粒度有關(guān)）和（與粒度有關(guān)）和提高，（提高，（Vc-Ve）提高。）提高。（b）g和和d提高，（提高，（Vc-Ve）下降。）下降。 霧化粒子冷卻到凝固需要的時間霧化粒子冷卻到凝固需要的時間t1與下列因素有關(guān)：與下列因素有關(guān)：（a）d、粒子粒子、T粒子粒子 ( 成正比成正比)（b） 、Tm （成反比）（成反比）結(jié)晶需要時間結(jié)晶需要時間t2與下列因素有關(guān)：與下列因素

21、有關(guān)：（a）與結(jié)晶熱成正比）與結(jié)晶熱成正比（b）與粒子表面積成反比）與粒子表面積成反比t1+t2為為粒子從冷卻到凝固的粒子從冷卻到凝固的時間時間。 。t1+t2很短，很短，對對基體基體熱熱影響范影響范圍圍很小。一般很小。一般熱熱影響區(qū)不超影響區(qū)不超過過幾十幾十m小于臨界尺寸（小于臨界尺寸（dmin）的粒子會被吹到工件上的氣體卷走，而無法到達(dá)工件表面。）的粒子會被吹到工件上的氣體卷走，而無法到達(dá)工件表面。臨界尺寸與距離（臨界尺寸與距離（l）成正比，與粒子速度和密度成反比。）成正比，與粒子速度和密度成反比。 3.2.2 金屬表面熱噴涂方法的原理金屬表面熱噴涂方法的原理 第第3章章 金屬表面處理方法

22、金屬表面處理方法 3.2 金屬表面熱噴涂金屬表面熱噴涂 （1）涂層的形成）涂層的形成粒子與基體碰撞產(chǎn)生變形，粒子熱量被冷基體帶走，粒子在變形中凝固，形成盤狀組織。粒子與基體碰撞產(chǎn)生變形，粒子熱量被冷基體帶走，粒子在變形中凝固，形成盤狀組織。由于沖擊，圓盤往往破碎，如軟化基體（如預(yù)熱）、破碎可減弱。由于沖擊，圓盤往往破碎，如軟化基體（如預(yù)熱）、破碎可減弱。脈沖壓力脈沖壓力P與以下因素有關(guān)：質(zhì)點速度、液體密度、質(zhì)點剛性系數(shù)。與以下因素有關(guān)：質(zhì)點速度、液體密度、質(zhì)點剛性系數(shù)。 3.2.3 金屬表面熱噴涂涂層的形成與結(jié)合強(qiáng)度金屬表面熱噴涂涂層的形成與結(jié)合強(qiáng)度 （2）粒子與基體結(jié)合強(qiáng)度）粒子與基體結(jié)合強(qiáng)度機(jī)械結(jié)合：機(jī)械結(jié)合：與基體毛化程度有關(guān)與基體毛