材料表面耐磨處理技術(shù)課件

第五章:材料表面耐磨處理技術(shù)5.1材料的耐磨性5.2表面處理技術(shù)5.3表面化學(xué)熱處理5.4氣相沉積技術(shù)第五章:材料表面耐磨處理技術(shù)5.1材料的耐磨性材料表面耐磨處理技術(shù)為了提高金屬材料的耐磨性，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用各種表面處理技術(shù)。表面處理技術(shù)是利用各種物理的、化學(xué)的或機(jī)械的工藝方法提高表面的耐磨抗蝕性能，延長(zhǎng)零部件的使用壽命。表面處理技術(shù)種類繁多，用途廣泛，本章主要介紹提高表面耐磨性的處理技術(shù)。材料表面耐磨處理技術(shù)為了提高金屬材料的耐磨性，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)5.1材料的耐磨性材料的耐磨性是指在一定摩擦條件下某種材料抵抗磨損的能力。由于材料的磨損性能不是材料的固有特性，而是與磨損過(guò)程相關(guān)因素（如載荷、溫度、速度等）、材料特性等因素有關(guān)的系統(tǒng)特性。因此評(píng)價(jià)材料的耐磨性不能脫離材料的工作條件。下面介紹一些常見(jiàn)的耐磨材料。5.1材料的耐磨性材料的耐磨性是指在一定摩擦條件下某種材料1、耐磨鑄鋼耐磨鑄鋼主要是低合金鋼和高錳鋼，在具有一定的耐磨性同時(shí)還具有高的強(qiáng)度與韌性，適合制作沖擊負(fù)荷下工作的耐磨件。低合金耐磨鑄鋼的合金成份總量在5%以下，主要合金元素為：錳、硅、鉻、鉬、鎳等，合金的主要作用是提高鋼的淬透性和淬硬性。1、耐磨鑄鋼耐磨鑄鋼主要是低合金鋼和高錳鋼，在具有一定的耐磨高錳鋼的鑄態(tài)組織為奧氏體加碳化物，熱處理后，成為單相奧氏體組織，具有高的耐沖擊性能和加工硬化能力。加工硬化后表面硬度可達(dá)HB500以上。高錳鋼廣泛應(yīng)用于制造礦山、建材、冶金等的機(jī)械耐磨件。高錳鋼中含碳量增加可以提高強(qiáng)度和耐磨性，但含碳量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性明顯下降；錳可以增加奧氏體的穩(wěn)定性，但過(guò)高會(huì)形成錳的碳化物，熱處理困難，一般錳含量控制在10%左右。高錳鋼的鑄態(tài)組織為奧氏體加碳化物，熱處理后，成為單相奧氏體2、耐磨鑄鐵灰鐵或球鐵中的石墨是良好的潤(rùn)滑劑，可以減輕摩擦磨損；而白口鐵中的碳化物硬度高，具有高的抗磨粒磨損能力。因此鑄鐵根據(jù)其組織不同而具有應(yīng)對(duì)不同磨損條件的耐磨性，在工程中廣泛應(yīng)用。以下介紹幾種耐磨鑄鐵。高磷合金鑄鐵通常加入鉻、鉬、錳、鎳等合金元素，磷的含量在（0.4~0.6）%之間。磷共晶以網(wǎng)狀分布，形成堅(jiān)硬的骨架，具有好的耐磨性；而合金的作用主要是細(xì)化組織、提高硬度，改善機(jī)械性能。2、耐磨鑄鐵灰鐵或球鐵中的石墨是良好的潤(rùn)滑劑，可以減輕摩擦磨普通白口鐵的金相組織為網(wǎng)狀滲碳體和硬度較低的珠光體基體，有較高的抗磨料磨損性能，成本低，但韌性差、整體硬度不高。高鉻鑄鐵是在鑄鐵中加入大量鉻使得白口鐵中的M3C型碳化物變成M7C3型碳化物，這種合金很硬（HV1300~1800），具有很好的耐磨性。普通白口鐵的金相組織為網(wǎng)狀滲碳體和硬度較低的珠光體基體，有3、硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是由難熔金屬的碳化物，如碳化鎢、碳化鈦等以鐵族金屬鈷或鎳等作粘結(jié)劑，用粉末冶金的方法制成的合金材料。硬質(zhì)合金具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕及耐高溫等一系列優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于金屬加工工具及鉆探工具等領(lǐng)域，如切削刀具、地質(zhì)鉆探工具等。3、硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是由難熔金屬的碳化物，如碳化鎢、碳化鈦等4、陶瓷材料陶瓷材料主要有以含有二氧化硅的天然硅酸鹽礦物作為原料制造出來(lái)的普通陶瓷和結(jié)構(gòu)比較致密、純度高、具有特殊機(jī)械物理性能的結(jié)構(gòu)陶瓷。而作為耐磨材料的陶瓷材料主要是結(jié)構(gòu)陶瓷，它是由金屬或半金屬原子與非金屬原子以離子鍵或共價(jià)鍵形式相結(jié)合而成的化合物，具有很強(qiáng)的結(jié)合力，高硬度和高的化學(xué)穩(wěn)定性。陶瓷材料具有高的抗腐蝕能力、好的高溫穩(wěn)定及低的摩擦系數(shù)及好的耐磨性，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)材料、滾動(dòng)軸承材料、閥門(mén)零件、切削刀具等。4、陶瓷材料陶瓷材料主要有以含有二氧化硅的天然硅酸鹽礦物作為5.2表面處理技術(shù)表面處理技術(shù)的主要目的是利用各種物理、化學(xué)或機(jī)械工藝過(guò)程改變基材表面狀態(tài)、化學(xué)成份、組織結(jié)構(gòu)或形成表面覆層，優(yōu)化材料表面，達(dá)到提高表面耐磨性。表面工藝方法主要有下列幾類：5.2表面處理技術(shù)表面處理技術(shù)的主要目的是利用各種物理、化a，電化學(xué)方法：利用電極反應(yīng)，在基體上形成鍍覆層，如電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化等。b，化學(xué)方法：利用化學(xué)物質(zhì)的相互作用，在基體表面形成鍍覆層，如化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化等。c，熱加工法：利用高溫條件下材料熔融或熱擴(kuò)散，在基體表面形成鍍、滲層，如熱浸，表面合金化等。a，電化學(xué)方法：利用電極反應(yīng)，在基體上形成鍍覆層，如電鍍、化d，高真空法：利用材料在高真空下氣化或受激離子化而形成表面鍍覆層，如真空蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍等。e，其他物理方法：如機(jī)械鍍、涂裝、激光表面加工等。下面具體介紹工程中表面常用的工藝方法和用途。d，高真空法：利用材料在高真空下氣化或受激離子化而形成表面鍍表面化學(xué)預(yù)處理：溶劑清洗，堿洗，堿蝕，酸洗，酸蝕，乳化液清洗，化學(xué)拋光，電解清洗等。主要用于清潔表面，滿足表面光亮、粗化或其它要求。表面機(jī)械精整：噴砂、噴丸、磨光、拋光、滾光等。主要是清除表面雜質(zhì)，表面均一及粗化，表面強(qiáng)化。表面化學(xué)預(yù)處理：溶劑清洗，堿洗，堿蝕，酸洗，酸蝕，乳化液清洗熱加工相變硬化：火焰加熱硬化、激光淬火、電子束硬化等。用于提高表面硬度與耐磨性，不改變基體表面的化學(xué)成份。熱化學(xué)表面改性：滲碳、滲氮、滲硫、激光表面合金化等。提高表面的耐磨、耐蝕、耐熱及抗疲勞性能。熱加工相變硬化：火焰加熱硬化、激光淬火、電子束硬化等。用于提化學(xué)法鍍覆：化學(xué)鍍，溶膠-凝膠法，磷化、鋼鐵氧化（發(fā)蘭）等。主要用于改善表面耐磨性及裝飾性。電鍍：常規(guī)單金屬鍍，復(fù)合電鍍，脈沖電鍍，高速電鍍，激光電鍍，刷鍍等。用于制備特殊功能的金屬鍍層，提高耐磨性及裝飾性。化學(xué)法鍍覆：化學(xué)鍍，溶膠-凝膠法，磷化、鋼鐵氧化（發(fā)蘭）等。電鑄：電鑄鎳，電鑄銅等。進(jìn)行金屬零件的尺寸修復(fù)。陽(yáng)極氧化：鋁及鋁合金氧極氧化，鎂及鎂合金氧極氧化，鈦及鈦合金氧極氧化等。制備特殊表面膜，提高表面耐磨性及裝飾性。有機(jī)涂裝：浸涂，淋涂，電泳涂裝，靜電涂裝，噴涂等。用于制備有機(jī)表面涂層，提高耐磨性。電鑄：電鑄鎳，電鑄銅等。進(jìn)行金屬零件的尺寸修復(fù)。熱噴涂：火焰噴涂，電弧噴涂，等離子噴涂，粉末等離子堆焊等。制備耐蝕、耐磨、減摩、隔熱、導(dǎo)電、絕緣等多種功能涂層。物理氣相沉積：蒸發(fā)鍍，濺射鍍，離子鍍等。制備耐磨、耐蝕、減摩、隔熱、導(dǎo)電、絕緣等多種功能薄膜。熱噴涂：火焰噴涂，電弧噴涂，等離子噴涂，粉末等離子堆焊等。制化學(xué)氣相沉積：常壓化學(xué)氣相沉積，低壓化學(xué)氣相沉積，激光化學(xué)氣相沉積，等離子化學(xué)氣相沉積等。制備耐磨、抗氧化、抗腐蝕固態(tài)薄膜，適用于復(fù)雜零件、難熔金屬、陶瓷等基體材料。離子注入表面改性：氮離子注入，等離子源離子注入，離子輔助鍍膜等。用于制備金屬刀具、模具表面耐磨硬化層。復(fù)合處理：噴—滲，鍍—滲，鍍、噴—有機(jī)涂裝，噴—激光重熔，表面強(qiáng)化—固體潤(rùn)滑膜等多種薄膜復(fù)合處理。制備高性能多功能的表面復(fù)合涂層?；瘜W(xué)氣相沉積：常壓化學(xué)氣相沉積，低壓化學(xué)氣相沉積，激光化學(xué)氣當(dāng)今世界表面技術(shù)得以迅速發(fā)展，其主要原因是：a，表面技術(shù)使材料“物盡其用”，是節(jié)約資源和能源的重要途徑。因?yàn)椴牧系哪p、腐蝕和疲勞都發(fā)生在表面，表面工程技術(shù)提供的保護(hù)層避免了整體改善材料，顯著地節(jié)約了原材料和能源。當(dāng)今世界表面技術(shù)得以迅速發(fā)展，其主要原因是：b，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。表面技術(shù)獲得的表面層可以獲得整體材料很難，甚至無(wú)法得到的特殊組分和結(jié)構(gòu)（如超細(xì)晶粒、非晶態(tài)、超飽和固溶體、多層結(jié)構(gòu)等），從而獲得遠(yuǎn)非一般整體材料可比的性能，大大改善產(chǎn)品的質(zhì)量；由于表面層很薄，涂層用材很少，在提高耐磨性的同時(shí)不會(huì)顯著增加成本。b，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。表面技術(shù)獲得的表面層可以獲得c，提高零件在特殊工況下的使用壽命。隨高新技術(shù)的不斷發(fā)展，零部件的工況向高溫、高速、重載、超低溫等極端條件發(fā)展，對(duì)材料的要求越來(lái)越高，零部件材料可以通過(guò)表面技術(shù)處理后適應(yīng)上述特殊工況。c，提高零件在特殊工況下的使用壽命。隨高新技術(shù)的不斷發(fā)展，零d，表面技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)。制造業(yè)追求的目標(biāo)是精確、省料、節(jié)能，而諸多的表面技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的特點(diǎn)，對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)和工藝支持，因此表面技術(shù)被認(rèn)為是機(jī)械制造傳統(tǒng)技術(shù)中最富生命力的工程技術(shù)。d，表面技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)。制造業(yè)追求的目標(biāo)是精確、省料、節(jié)e，表面技術(shù)是設(shè)備技術(shù)改造與維修的有效手段。表面技術(shù)可以對(duì)表面損傷的零部件進(jìn)行改造和修復(fù)，大大延長(zhǎng)了零部件的使用壽命和節(jié)省了開(kāi)支，日益成為工業(yè)企業(yè)挖潛增效的重要途徑。表面技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的地位與作用。e，表面技術(shù)是設(shè)備技術(shù)改造與維修的有效手段。表面技術(shù)可以對(duì)表5.3表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理是工程中常用增強(qiáng)表面耐磨性的工藝，主要是滲碳、滲氮、滲硼等表面硬化技術(shù)；滲硫、氧化等表面潤(rùn)滑技術(shù)。5.3表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理是工程中常用增強(qiáng)表面耐磨1、滲碳滲碳是鋼材表面強(qiáng)化的主要工藝，其實(shí)質(zhì)是增加鋼表面的碳濃度，提高表面硬度而增強(qiáng)表面耐磨性。將鋼材工件置于滲碳介質(zhì)中（氣體、固體或液體），加熱至9000C以上，保持一定時(shí)間，使?jié)B碳介質(zhì)分解產(chǎn)生的活性碳原子吸附在鋼表面層上，一般滲碳層中的碳濃度可到0.8%~1.1%，滲碳層的厚度取決于滲碳溫度與時(shí)間，滲碳層硬度的顯著提高將增強(qiáng)表面的耐磨性。一般滲碳層的厚度應(yīng)視工件的服役條件、尺寸大小而定。1、滲碳滲碳是鋼材表面強(qiáng)化的主要工藝，其實(shí)質(zhì)是增加鋼表面的碳一般滲碳鋼材主要是一些低碳鋼和低碳合金鋼，滲碳之后表層碳濃度從0.2%左右增加到1.0%，使鋼材表面層的組織與性能發(fā)生很大變化。使原來(lái)鋼中的亞共析組織變?yōu)楣参黾斑^(guò)共析等硬度更高的組織，抗磨損能力增加。一般滲碳鋼材主要是一些低碳鋼和低碳合金鋼，滲碳之后表層碳濃度2、滲氮滲氮又稱為氮化，是在工件表面形成各種氮化物。滲氮過(guò)程多在500~6000C之間進(jìn)行，對(duì)鋼材而言這個(gè)溫度范圍得到的是相組織。滲氮引起的工件變形小，但周期長(zhǎng)，一般氣體滲氮需要50小時(shí)以上。滲氮方法主要有氣體軟氮化、氨氣中滲氮、鹽浴軟氮化、離子氮化等。滲氮可以使工件表面硬度提高到HV1000以上，有較好的耐磨性和抗疲勞特性，同時(shí)還具有一定的耐蝕性和耐熱性。2、滲氮滲氮又稱為氮化，是在工件表面形成各種氮化物。滲氮過(guò)程3、滲硼滲硼層具有高硬度（HV1500~2000）、高耐磨性、好的抗蝕性和耐熱性，是提高工件表面耐磨性的有效方法。滲硼層中的FeB硬度高，但脆性大，特別是在FeB與Fe2B二相組成的滲硼層容易在兩相交界處產(chǎn)生裂紋，因此現(xiàn)在滲硼工藝都力求形成Fe2B單相的滲硼層。滲硼介質(zhì)有固體（粉末混合劑）、液體、氣體等多種。滲硼層中不溶碳，因此滲硼材料含碳量相對(duì)要低，形成的滲硼層中的碳要向內(nèi)擴(kuò)散。合金中的W（鎢）、V（釩）、Cr（鉻）等元素有阻礙滲硼作用，因此含上述元素量大的鋼材也不宜滲硼。3、滲硼滲硼層具有高硬度（HV1500~2000）、高耐磨性4、滲硫人們最早發(fā)現(xiàn)在潤(rùn)滑油中加入硫后可以明顯減輕摩擦表面的接觸疲勞磨損，研究發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)闈?rùn)滑油中的硫可以在摩擦過(guò)程中同表面形成一層薄的化學(xué)反應(yīng)膜，降低了金屬表面接觸處的粘著效應(yīng)。4、滲硫人們最早發(fā)現(xiàn)在潤(rùn)滑油中加入硫后可以明顯減輕摩擦表面的實(shí)際工業(yè)中一般采用低溫電解滲硫方法，該工藝的特點(diǎn)是溫度低（150~2000C），時(shí)間短，無(wú)公害。常用的溶鹽電解液基本成份是硫氰鹽，工件接陽(yáng)極，電壓為2~3V，電流密度為2~3A/cm2，可以處理碳鋼、合金鋼、鑄鐵等各種零件。電解滲硫?qū)邮且环N灰黑色層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有很低的摩擦系數(shù)?？梢杂行p輕摩擦磨損。實(shí)際工業(yè)中一般采用低溫電解滲硫方法，該工藝的特點(diǎn)是溫度低（1材料表面耐磨處理技術(shù)課件5.4氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)是指氣相物質(zhì)析出固相并沉積在基材表面的一種表面鍍膜技術(shù)。沉積方法主要有真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、離子鍍膜、化學(xué)氣相沉積等多種。氣相沉積技術(shù)可以分為化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）兩大類。化學(xué)氣相沉積是利用氣相化學(xué)反應(yīng)在基材表面上成核、長(zhǎng)大和成膜；而物理氣相沉積是用加熱或放電等物理方法促使固體蒸發(fā)后凝結(jié)在基材表面上成膜。近年來(lái)發(fā)展了CVD和PVD技術(shù)相互滲透的新型氣相沉積技術(shù)，如等離子化學(xué)氣相沉積（PCVD）技術(shù)。氣相沉積技術(shù)工藝先進(jìn)、鍍層致密均勻，能有效提高材料表面的耐磨性能。5.4氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)是指氣相物質(zhì)析出固相并沉積在1、物理氣相沉積物理氣相沉積有真空蒸鍍、離子鍍膜和濺射鍍膜三類，其基本過(guò)程是加熱蒸發(fā)或高能束轟擊靶材等方式產(chǎn)生氣相鍍料，氣相鍍料在真空中向待鍍的基材上沉積形成覆蓋層。物理氣相沉積主要特點(diǎn)為：1、物理氣相沉積物理氣相沉積有真空蒸鍍、離子鍍膜和濺射鍍膜三a，蒸發(fā)或?yàn)R射的原子或分子被解離和加速，具有較高的能量，可以得到致密的，結(jié)合性能良好的覆蓋層。b，溫度較低，不會(huì)產(chǎn)生退火軟化；同時(shí)工件變形小。一般不需再進(jìn)行加工處理。c，依靠離子濺射效應(yīng)，使工件表面凈化，并在整個(gè)沉積過(guò)程中均能保持清潔。d，在金屬陶瓷、玻璃、塑料等表面都可沉積；加工處理過(guò)程無(wú)公害。a，蒸發(fā)或?yàn)R射的原子或分子被解離和加速，具有較高的能量，可以真空蒸鍍是真空技術(shù)中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的。其設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝容易掌握，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。真空蒸發(fā)鍍膜是在真空中把鍍膜材料加熱熔化后蒸發(fā)，使大量蒸發(fā)的原子、分子凝結(jié)在被鍍件基體表面上形成鍍膜。適當(dāng)對(duì)基體加熱可以有效提高鍍膜的粘附力。真空蒸鍍是真空技術(shù)中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的。其設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝容濺射鍍膜是在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶材表面，通過(guò)帶板有幾十電子伏動(dòng)能的粒子轟擊靶材，將靶材激發(fā)為氣態(tài)，并使其沉積在基體表面形成薄膜。濺射鍍膜可以大面積快速沉積，鍍膜密度高，附著性能好，特別是對(duì)靶材的限制少，近年來(lái)該技術(shù)應(yīng)用廣泛。濺射鍍膜是在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶材表面，通過(guò)帶板有幾離子鍍膜是在真空中，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，在離子轟擊作用同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基體上。離子鍍膜除了兼有真空蒸鍍和濺射鍍膜外，還具有沉積速度快、膜層附著力強(qiáng)、可鍍材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)。離子鍍膜是在真空中，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，2、化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積是一種化學(xué)氣相生長(zhǎng)法，把含有薄膜元素的化合物、單質(zhì)氣體供給基體，借氣相作用在基體材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并形成要求的覆蓋薄膜?；瘜W(xué)氣相沉積主要有四個(gè)階段：反應(yīng)氣體向基體表面擴(kuò)散；反應(yīng)氣體吸附于基體表面；在基體表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；在基體表面上產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物脫離表面，留下的反應(yīng)產(chǎn)物形成覆蓋層。化學(xué)氣相沉積的主要特點(diǎn)為：2、化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積是一種化學(xué)氣相生長(zhǎng)法，把含有薄膜a，可以在常壓或低壓下進(jìn)行沉積。b，由于是在高溫下進(jìn)行沉積，覆蓋層與基體的結(jié)合力高，但變形量大，沉積后一般需要進(jìn)行熱處理。c，容易控制覆蓋層的致密度和純度，可獲得梯度覆蓋層或混合覆蓋層。d，利用沉積參數(shù)可控制覆蓋層的化學(xué)成份、形貌、晶體結(jié)構(gòu)和晶向等，可獲得多種金屬、合金、陶瓷或化合物覆蓋層。a，可以在常壓或低壓下進(jìn)行沉積?；瘜W(xué)氣相沉積的工藝主要有常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積、激光化學(xué)氣相沉積等方法，其裝置由反應(yīng)器及加熱爐、原料及攜帶原料的氣源、反應(yīng)激活能源的供給及氣體排放系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)等組成。影響化學(xué)氣相沉積覆蓋層的主要因素有：反應(yīng)氣體分壓的影響。它是決定覆蓋層質(zhì)量的重要因素，影響固相的成核、生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)與組份；沉積溫度與時(shí)間的影響；系統(tǒng)壓力與氣體總流量的影響。系統(tǒng)壓力低、沉積速度慢、覆蓋層均勻，但時(shí)間長(zhǎng)；基體材料的影響?；w材料與覆蓋層材料性能相匹配，覆蓋層的粘附力高?；瘜W(xué)氣相沉積的工藝主要有常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積、3、等離子化學(xué)氣相沉積等離子化學(xué)氣相沉積是將等離子體技術(shù)引入化學(xué)氣相沉積，形成覆蓋層的方法。它是利用輝光放電的物理作用來(lái)激活化學(xué)氣相反應(yīng)，在基材上形成穩(wěn)定的固體覆蓋層，有四個(gè)主要的過(guò)程：低壓氣體產(chǎn)生輝光放電的媒介，產(chǎn)生等離子體；等離子體輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程；反應(yīng)的氣相物質(zhì)被激活；基材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積形成覆蓋層。等離子化學(xué)氣相沉積有下列主要特點(diǎn)：3、等離子化學(xué)氣相沉積等離子化學(xué)氣相沉積是將等離子體技術(shù)引入a，反應(yīng)物中氣體分子激活成活性離子，降低反應(yīng)需要的溫度。b，反應(yīng)物在基材表面的擴(kuò)散加速，提高了沉積速度。c，提高基材表面清凈效果，濺射掉結(jié)合不牢的粒子，增加覆蓋層與基材的結(jié)合力。d，反應(yīng)物中的原子、分子、粒子和電子之間的碰撞、散射，使覆蓋層厚度均勻性好。a，反應(yīng)物中氣體分子激活成活性離子，降低反應(yīng)需要的溫度。等離子化學(xué)氣相沉積促進(jìn)反應(yīng)的能量來(lái)自于等離子體激活，產(chǎn)生等離子體的方法可以用直流高壓、高頻、高頻直流等電源，激活源的頻率有幾百千赫、幾兆赫，等離子激發(fā)活比普通的化學(xué)氣相沉積的熱激活更有效，與基體的結(jié)合強(qiáng)度更高。等離子化學(xué)氣相沉積促進(jìn)反應(yīng)的能量來(lái)自于等離子體激活，產(chǎn)生等離第五章:材料表面耐磨處理技術(shù)5.1材料的耐磨性5.2表面處理技術(shù)5.3表面化學(xué)熱處理5.4氣相沉積技術(shù)第五章:材料表面耐磨處理技術(shù)5.1材料的耐磨性材料表面耐磨處理技術(shù)為了提高金屬材料的耐磨性，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用各種表面處理技術(shù)。表面處理技術(shù)是利用各種物理的、化學(xué)的或機(jī)械的工藝方法提高表面的耐磨抗蝕性能，延長(zhǎng)零部件的使用壽命。表面處理技術(shù)種類繁多，用途廣泛，本章主要介紹提高表面耐磨性的處理技術(shù)。材料表面耐磨處理技術(shù)為了提高金屬材料的耐磨性，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)5.1材料的耐磨性材料的耐磨性是指在一定摩擦條件下某種材料抵抗磨損的能力。由于材料的磨損性能不是材料的固有特性，而是與磨損過(guò)程相關(guān)因素（如載荷、溫度、速度等）、材料特性等因素有關(guān)的系統(tǒng)特性。因此評(píng)價(jià)材料的耐磨性不能脫離材料的工作條件。下面介紹一些常見(jiàn)的耐磨材料。5.1材料的耐磨性材料的耐磨性是指在一定摩擦條件下某種材料1、耐磨鑄鋼耐磨鑄鋼主要是低合金鋼和高錳鋼，在具有一定的耐磨性同時(shí)還具有高的強(qiáng)度與韌性，適合制作沖擊負(fù)荷下工作的耐磨件。低合金耐磨鑄鋼的合金成份總量在5%以下，主要合金元素為：錳、硅、鉻、鉬、鎳等，合金的主要作用是提高鋼的淬透性和淬硬性。1、耐磨鑄鋼耐磨鑄鋼主要是低合金鋼和高錳鋼，在具有一定的耐磨高錳鋼的鑄態(tài)組織為奧氏體加碳化物，熱處理后，成為單相奧氏體組織，具有高的耐沖擊性能和加工硬化能力。加工硬化后表面硬度可達(dá)HB500以上。高錳鋼廣泛應(yīng)用于制造礦山、建材、冶金等的機(jī)械耐磨件。高錳鋼中含碳量增加可以提高強(qiáng)度和耐磨性，但含碳量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性明顯下降；錳可以增加奧氏體的穩(wěn)定性，但過(guò)高會(huì)形成錳的碳化物，熱處理困難，一般錳含量控制在10%左右。高錳鋼的鑄態(tài)組織為奧氏體加碳化物，熱處理后，成為單相奧氏體2、耐磨鑄鐵灰鐵或球鐵中的石墨是良好的潤(rùn)滑劑，可以減輕摩擦磨損；而白口鐵中的碳化物硬度高，具有高的抗磨粒磨損能力。因此鑄鐵根據(jù)其組織不同而具有應(yīng)對(duì)不同磨損條件的耐磨性，在工程中廣泛應(yīng)用。以下介紹幾種耐磨鑄鐵。高磷合金鑄鐵通常加入鉻、鉬、錳、鎳等合金元素，磷的含量在（0.4~0.6）%之間。磷共晶以網(wǎng)狀分布，形成堅(jiān)硬的骨架，具有好的耐磨性；而合金的作用主要是細(xì)化組織、提高硬度，改善機(jī)械性能。2、耐磨鑄鐵灰鐵或球鐵中的石墨是良好的潤(rùn)滑劑，可以減輕摩擦磨普通白口鐵的金相組織為網(wǎng)狀滲碳體和硬度較低的珠光體基體，有較高的抗磨料磨損性能，成本低，但韌性差、整體硬度不高。高鉻鑄鐵是在鑄鐵中加入大量鉻使得白口鐵中的M3C型碳化物變成M7C3型碳化物，這種合金很硬（HV1300~1800），具有很好的耐磨性。普通白口鐵的金相組織為網(wǎng)狀滲碳體和硬度較低的珠光體基體，有3、硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是由難熔金屬的碳化物，如碳化鎢、碳化鈦等以鐵族金屬鈷或鎳等作粘結(jié)劑，用粉末冶金的方法制成的合金材料。硬質(zhì)合金具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕及耐高溫等一系列優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于金屬加工工具及鉆探工具等領(lǐng)域，如切削刀具、地質(zhì)鉆探工具等。3、硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是由難熔金屬的碳化物，如碳化鎢、碳化鈦等4、陶瓷材料陶瓷材料主要有以含有二氧化硅的天然硅酸鹽礦物作為原料制造出來(lái)的普通陶瓷和結(jié)構(gòu)比較致密、純度高、具有特殊機(jī)械物理性能的結(jié)構(gòu)陶瓷。而作為耐磨材料的陶瓷材料主要是結(jié)構(gòu)陶瓷，它是由金屬或半金屬原子與非金屬原子以離子鍵或共價(jià)鍵形式相結(jié)合而成的化合物，具有很強(qiáng)的結(jié)合力，高硬度和高的化學(xué)穩(wěn)定性。陶瓷材料具有高的抗腐蝕能力、好的高溫穩(wěn)定及低的摩擦系數(shù)及好的耐磨性，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)材料、滾動(dòng)軸承材料、閥門(mén)零件、切削刀具等。4、陶瓷材料陶瓷材料主要有以含有二氧化硅的天然硅酸鹽礦物作為5.2表面處理技術(shù)表面處理技術(shù)的主要目的是利用各種物理、化學(xué)或機(jī)械工藝過(guò)程改變基材表面狀態(tài)、化學(xué)成份、組織結(jié)構(gòu)或形成表面覆層，優(yōu)化材料表面，達(dá)到提高表面耐磨性。表面工藝方法主要有下列幾類：5.2表面處理技術(shù)表面處理技術(shù)的主要目的是利用各種物理、化a，電化學(xué)方法：利用電極反應(yīng)，在基體上形成鍍覆層，如電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化等。b，化學(xué)方法：利用化學(xué)物質(zhì)的相互作用，在基體表面形成鍍覆層，如化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化等。c，熱加工法：利用高溫條件下材料熔融或熱擴(kuò)散，在基體表面形成鍍、滲層，如熱浸，表面合金化等。a，電化學(xué)方法：利用電極反應(yīng)，在基體上形成鍍覆層，如電鍍、化d，高真空法：利用材料在高真空下氣化或受激離子化而形成表面鍍覆層，如真空蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍等。e，其他物理方法：如機(jī)械鍍、涂裝、激光表面加工等。下面具體介紹工程中表面常用的工藝方法和用途。d，高真空法：利用材料在高真空下氣化或受激離子化而形成表面鍍表面化學(xué)預(yù)處理：溶劑清洗，堿洗，堿蝕，酸洗，酸蝕，乳化液清洗，化學(xué)拋光，電解清洗等。主要用于清潔表面，滿足表面光亮、粗化或其它要求。表面機(jī)械精整：噴砂、噴丸、磨光、拋光、滾光等。主要是清除表面雜質(zhì)，表面均一及粗化，表面強(qiáng)化。表面化學(xué)預(yù)處理：溶劑清洗，堿洗，堿蝕，酸洗，酸蝕，乳化液清洗熱加工相變硬化：火焰加熱硬化、激光淬火、電子束硬化等。用于提高表面硬度與耐磨性，不改變基體表面的化學(xué)成份。熱化學(xué)表面改性：滲碳、滲氮、滲硫、激光表面合金化等。提高表面的耐磨、耐蝕、耐熱及抗疲勞性能。熱加工相變硬化：火焰加熱硬化、激光淬火、電子束硬化等。用于提化學(xué)法鍍覆：化學(xué)鍍，溶膠-凝膠法，磷化、鋼鐵氧化（發(fā)蘭）等。主要用于改善表面耐磨性及裝飾性。電鍍：常規(guī)單金屬鍍，復(fù)合電鍍，脈沖電鍍，高速電鍍，激光電鍍，刷鍍等。用于制備特殊功能的金屬鍍層，提高耐磨性及裝飾性?；瘜W(xué)法鍍覆：化學(xué)鍍，溶膠-凝膠法，磷化、鋼鐵氧化（發(fā)蘭）等。電鑄：電鑄鎳，電鑄銅等。進(jìn)行金屬零件的尺寸修復(fù)。陽(yáng)極氧化：鋁及鋁合金氧極氧化，鎂及鎂合金氧極氧化，鈦及鈦合金氧極氧化等。制備特殊表面膜，提高表面耐磨性及裝飾性。有機(jī)涂裝：浸涂，淋涂，電泳涂裝，靜電涂裝，噴涂等。用于制備有機(jī)表面涂層，提高耐磨性。電鑄：電鑄鎳，電鑄銅等。進(jìn)行金屬零件的尺寸修復(fù)。熱噴涂：火焰噴涂，電弧噴涂，等離子噴涂，粉末等離子堆焊等。制備耐蝕、耐磨、減摩、隔熱、導(dǎo)電、絕緣等多種功能涂層。物理氣相沉積：蒸發(fā)鍍，濺射鍍，離子鍍等。制備耐磨、耐蝕、減摩、隔熱、導(dǎo)電、絕緣等多種功能薄膜。熱噴涂：火焰噴涂，電弧噴涂，等離子噴涂，粉末等離子堆焊等。制化學(xué)氣相沉積：常壓化學(xué)氣相沉積，低壓化學(xué)氣相沉積，激光化學(xué)氣相沉積，等離子化學(xué)氣相沉積等。制備耐磨、抗氧化、抗腐蝕固態(tài)薄膜，適用于復(fù)雜零件、難熔金屬、陶瓷等基體材料。離子注入表面改性：氮離子注入，等離子源離子注入，離子輔助鍍膜等。用于制備金屬刀具、模具表面耐磨硬化層。復(fù)合處理：噴—滲，鍍—滲，鍍、噴—有機(jī)涂裝，噴—激光重熔，表面強(qiáng)化—固體潤(rùn)滑膜等多種薄膜復(fù)合處理。制備高性能多功能的表面復(fù)合涂層?；瘜W(xué)氣相沉積：常壓化學(xué)氣相沉積，低壓化學(xué)氣相沉積，激光化學(xué)氣當(dāng)今世界表面技術(shù)得以迅速發(fā)展，其主要原因是：a，表面技術(shù)使材料“物盡其用”，是節(jié)約資源和能源的重要途徑。因?yàn)椴牧系哪p、腐蝕和疲勞都發(fā)生在表面，表面工程技術(shù)提供的保護(hù)層避免了整體改善材料，顯著地節(jié)約了原材料和能源。當(dāng)今世界表面技術(shù)得以迅速發(fā)展，其主要原因是：b，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。表面技術(shù)獲得的表面層可以獲得整體材料很難，甚至無(wú)法得到的特殊組分和結(jié)構(gòu)（如超細(xì)晶粒、非晶態(tài)、超飽和固溶體、多層結(jié)構(gòu)等），從而獲得遠(yuǎn)非一般整體材料可比的性能，大大改善產(chǎn)品的質(zhì)量；由于表面層很薄，涂層用材很少，在提高耐磨性的同時(shí)不會(huì)顯著增加成本。b，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。表面技術(shù)獲得的表面層可以獲得c，提高零件在特殊工況下的使用壽命。隨高新技術(shù)的不斷發(fā)展，零部件的工況向高溫、高速、重載、超低溫等極端條件發(fā)展，對(duì)材料的要求越來(lái)越高，零部件材料可以通過(guò)表面技術(shù)處理后適應(yīng)上述特殊工況。c，提高零件在特殊工況下的使用壽命。隨高新技術(shù)的不斷發(fā)展，零d，表面技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)。制造業(yè)追求的目標(biāo)是精確、省料、節(jié)能，而諸多的表面技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的特點(diǎn)，對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)和工藝支持，因此表面技術(shù)被認(rèn)為是機(jī)械制造傳統(tǒng)技術(shù)中最富生命力的工程技術(shù)。d，表面技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)。制造業(yè)追求的目標(biāo)是精確、省料、節(jié)e，表面技術(shù)是設(shè)備技術(shù)改造與維修的有效手段。表面技術(shù)可以對(duì)表面損傷的零部件進(jìn)行改造和修復(fù)，大大延長(zhǎng)了零部件的使用壽命和節(jié)省了開(kāi)支，日益成為工業(yè)企業(yè)挖潛增效的重要途徑。表面技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的地位與作用。e，表面技術(shù)是設(shè)備技術(shù)改造與維修的有效手段。表面技術(shù)可以對(duì)表5.3表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理是工程中常用增強(qiáng)表面耐磨性的工藝，主要是滲碳、滲氮、滲硼等表面硬化技術(shù)；滲硫、氧化等表面潤(rùn)滑技術(shù)。5.3表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理是工程中常用增強(qiáng)表面耐磨1、滲碳滲碳是鋼材表面強(qiáng)化的主要工藝，其實(shí)質(zhì)是增加鋼表面的碳濃度，提高表面硬度而增強(qiáng)表面耐磨性。將鋼材工件置于滲碳介質(zhì)中（氣體、固體或液體），加熱至9000C以上，保持一定時(shí)間，使?jié)B碳介質(zhì)分解產(chǎn)生的活性碳原子吸附在鋼表面層上，一般滲碳層中的碳濃度可到0.8%~1.1%，滲碳層的厚度取決于滲碳溫度與時(shí)間，滲碳層硬度的顯著提高將增強(qiáng)表面的耐磨性。一般滲碳層的厚度應(yīng)視工件的服役條件、尺寸大小而定。1、滲碳滲碳是鋼材表面強(qiáng)化的主要工藝，其實(shí)質(zhì)是增加鋼表面的碳一般滲碳鋼材主要是一些低碳鋼和低碳合金鋼，滲碳之后表層碳濃度從0.2%左右增加到1.0%，使鋼材表面層的組織與性能發(fā)生很大變化。使原來(lái)鋼中的亞共析組織變?yōu)楣参黾斑^(guò)共析等硬度更高的組織，抗磨損能力增加。一般滲碳鋼材主要是一些低碳鋼和低碳合金鋼，滲碳之后表層碳濃度2、滲氮滲氮又稱為氮化，是在工件表面形成各種氮化物。滲氮過(guò)程多在500~6000C之間進(jìn)行，對(duì)鋼材而言這個(gè)溫度范圍得到的是相組織。滲氮引起的工件變形小，但周期長(zhǎng)，一般氣體滲氮需要50小時(shí)以上。滲氮方法主要有氣體軟氮化、氨氣中滲氮、鹽浴軟氮化、離子氮化等。滲氮可以使工件表面硬度提高到HV1000以上，有較好的耐磨性和抗疲勞特性，同時(shí)還具有一定的耐蝕性和耐熱性。2、滲氮滲氮又稱為氮化，是在工件表面形成各種氮化物。滲氮過(guò)程3、滲硼滲硼層具有高硬度（HV1500~2000）、高耐磨性、好的抗蝕性和耐熱性，是提高工件表面耐磨性的有效方法。滲硼層中的FeB硬度高，但脆性大，特別是在FeB與Fe2B二相組成的滲硼層容易在兩相交界處產(chǎn)生裂紋，因此現(xiàn)在滲硼工藝都力求形成Fe2B單相的滲硼層。滲硼介質(zhì)有固體（粉末混合劑）、液體、氣體等多種。滲硼層中不溶碳，因此滲硼材料含碳量相對(duì)要低，形成的滲硼層中的碳要向內(nèi)擴(kuò)散。合金中的W（鎢）、V（釩）、Cr（鉻）等元素有阻礙滲硼作用，因此含上述元素量大的鋼材也不宜滲硼。3、滲硼滲硼層具有高硬度（HV1500~2000）、高耐磨性4、滲硫人們最早發(fā)現(xiàn)在潤(rùn)滑油中加入硫后可以明顯減輕摩擦表面的接觸疲勞磨損，研究發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)闈?rùn)滑油中的硫可以在摩擦過(guò)程中同表面形成一層薄的化學(xué)反應(yīng)膜，降低了金屬表面接觸處的粘著效應(yīng)。4、滲硫人們最早發(fā)現(xiàn)在潤(rùn)滑油中加入硫后可以明顯減輕摩擦表面的實(shí)際工業(yè)中一般采用低溫電解滲硫方法，該工藝的特點(diǎn)是溫度低（150~2000C），時(shí)間短，無(wú)公害。常用的溶鹽電解液基本成份是硫氰鹽，工件接陽(yáng)極，電壓為2~3V，電流密度為2~3A/cm2，可以處理碳鋼、合金鋼、鑄鐵等各種零件。電解滲硫?qū)邮且环N灰黑色層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有很低的摩擦系數(shù)。可以有效減輕摩擦磨損。實(shí)際工業(yè)中一般采用低溫電解滲硫方法，該工藝的特點(diǎn)是溫度低（1材料表面耐磨處理技術(shù)課件5.4氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)是指氣相物質(zhì)析出固相并沉積在基材表面的一種表面鍍膜技術(shù)。沉積方法主要有真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、離子鍍膜、化學(xué)氣相沉積等多種。氣相沉積技術(shù)可以分為化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）兩大類?；瘜W(xué)氣相沉積是利用氣相化學(xué)反應(yīng)在基材表面上成核、長(zhǎng)大和成膜；而物理氣相沉積是用加熱或放電等物理方法促使固體蒸發(fā)后凝結(jié)在基材表面上成膜。近年來(lái)發(fā)展了CVD和PVD技術(shù)相互滲透的新型氣相沉積技術(shù)，如等離子化學(xué)氣相沉積（PCVD）技術(shù)。氣相沉積技術(shù)工藝先進(jìn)、鍍層致密均勻，能有效提高材料表面的耐磨性能。5.4氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)是指氣相物質(zhì)析出固相并沉積在1、物理氣相沉積物理氣相沉積有真空蒸鍍、離子鍍膜和濺射鍍膜三類，其基本過(guò)程是加熱蒸發(fā)或高能束轟擊靶材等方式產(chǎn)生氣相鍍料，氣相鍍料在真空中向待鍍的基材上沉積形成覆蓋層。物理氣相沉積主要特點(diǎn)為：1、物理氣相沉積物理氣相沉積有真空蒸鍍、離子鍍膜和濺射鍍膜三a，蒸發(fā)或?yàn)R射的原子或分子被解離和加速，具有較高的能量，可以得到致密的，結(jié)合性能良好的覆蓋層。b，溫度較低，不會(huì)產(chǎn)生退火軟化；同時(shí)工件變形小。一般不需再進(jìn)行加工處理。c，依靠離子濺射效應(yīng)，使工件表面凈化，并在整個(gè)沉積過(guò)程中均能保持清潔。d，在金屬陶瓷、玻璃、塑料等表面都可沉積；加工處理過(guò)程無(wú)公害。a，蒸發(fā)或?yàn)R射的原子或分子被解離和加速，具有較高的能量，可以真空蒸鍍是真空技術(shù)中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的。其設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝容易掌握，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。真空蒸發(fā)鍍膜是在真空中把鍍膜材料加熱熔化后蒸發(fā)，使大量蒸發(fā)的原子、分子凝結(jié)在被鍍件基體表面上形成鍍膜。適當(dāng)對(duì)基體加熱可以有效提高鍍膜的粘附力。真空蒸鍍是真空技術(shù)中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的。其