表面處理和改性技術(shù)

表面處理與改性技術(shù)及其在制造行業(yè)中的應(yīng)用李從富汪致遠楊薈琦0前言表面工程是改善機械零件、電子電器元件等基質(zhì)材料表面性能的一門科學(xué)和技術(shù)。對于機械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及抗疲勞強度等力學(xué)性能，以保證現(xiàn)代機械在高速高溫高壓重載以及強腐蝕介質(zhì)工況下可靠而持久地運行。表面工程是現(xiàn)代制造業(yè)的重要組成部分，是維修與再制造的基本手段。表面工程技術(shù)可分為三類，即表面改性、表面處理和表面涂覆。表面改性技術(shù)通過對基體材料表面采用化學(xué)的、物理的方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)以提高機器零件或材料性能。它包括化學(xué)熱處理（滲氮、滲碳、滲金屬等）、表面涂層（低壓等離子噴涂、低壓電弧噴涂）、激光重熔復(fù)合等薄膜鍍層（物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等）和非金屬涂層技術(shù)等。這些用以強化零件或材料表面的技術(shù)，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等各種新的特性，使原來在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的零件，提高了可靠性、延長了使用壽命，具有很大的經(jīng)濟意義和推廣價值。表面處理技術(shù)不改變材料表面組織，包括各種表面淬火（感應(yīng)加熱、激光加熱、電子束加熱）、表面形變強化（如噴丸、滾壓）等。1表面改性技術(shù)堆焊技術(shù)堆焊是用焊接方法在機械零件表面堆敷一層具有一定性能材料的工藝過程。它不是為了連接零件，其目的在于使零件表面獲得具有耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的熔敷金屬層，或是為了恢復(fù)或增加零件的尺寸。堆焊除可顯著提高工件的使用壽命，節(jié)省制造及維修費用外，還可減少修理和更換零件的時間，減少停機、停產(chǎn)的損失，從而提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成奉。由于應(yīng)用堆焊能更合理地利用材料，從而可獲得優(yōu)異的綜合性能，對改進產(chǎn)品設(shè)計也有重大意義。故堆焊技術(shù)已在各行各業(yè)的機械制造與維修中得到廣泛的應(yīng)用。堆焊主要用于兩個方面：（1）制造新產(chǎn)品堆焊工藝可使零件表面改質(zhì)改性，以獲得所需要的特殊性能，即所謂表面強化。由于零件基材和表面堆焊層采用不同性能的材料，分別滿足了二者不同的技術(shù)要求，充分發(fā)揮了材料的潛力，從而大大減少了貴重金屬的消耗。（2）修復(fù)舊零件汽車、拖拉機、工程機械、軋輥、軸類、工模具等易損零件，均大量采用堆焊工藝修復(fù)。修復(fù)舊件的費用較低，而使用壽命往往比新件還高，如堆焊舊軋輥的費用是新軋輥的30％——50％，而軋制金屬量可比新軋輥提高3——5倍。因此，廣泛采用堆焊工藝修復(fù)舊件，對節(jié)約鋼材，節(jié)省資金，彌補配件短缺，提高經(jīng)濟效益等作用顯著。

常用的堆焊方法及工藝氧乙炔焰堆焊氧乙炔焰堆焊的特點：設(shè)備簡單，且可與氣焊氣割設(shè)備通用，價格低，移動方便，適合現(xiàn)場堆焊。幾乎所有形狀的堆焊材料都能使用。稀釋率低，熔化層深度可控制在0.1mm以下，較易保證堆焊層質(zhì)量。能見度大，可在很小的面積上進行堆焊(如汽車排氣閥)。能得到薄而光滑的堆焊層。用碳化鎢基堆焊時，還能控制碳化鎢顆粒的分布。由于碳化焰的滲碳作用，雖然會降低堆焊層的韌性，但可提高碳化物為主要抗磨相堆焊層的耐磨性。由于是手工操作，勞動強度大，熔敷速度低，對焊工的技術(shù)要求高。所以，氧乙炔焰堆焊主要用于表面要求光潔、質(zhì)量較高零件的堆焊，以及小批量或單件的中、小型工件與進行小面積的堆焊，在內(nèi)燃機閥門、油井鉆頭、犁鏵等農(nóng)用機械中得到廣泛應(yīng)用。凸輪軸堆焊修復(fù)，排氣閥堆焊修復(fù)手工電弧堆焊手工電弧堆焊的特點：設(shè)備簡單、便宜、輕便，通用性強，適合現(xiàn)場堆焊。通用的直流發(fā)電機、直流弧焊整流器、交流弧焊變壓器、逆變電源焊機均可使用。焊接過程是在焊工的直接觀察和操縱下進行的，靈活性大，在任何位置都能焊，即可達性較好。特別是對形狀不規(guī)則的零件及可達性差的部位的堆焊尤為合適，所以得到廣泛采用。電弧溫度高，熱量集中，故生產(chǎn)率較高，工件變形小。但熔深大些，稀釋率高，堆焊層硬度和耐磨性下降。所以為保證涂層性能，通常要堆焊2—3層。手工電弧堆焊主要用于小批量生產(chǎn)或修復(fù)已磨損的零件。1 2 34S 67B卜掉劑憶焊絲金電弧1 2 34S 67B卜掉劑憶焊絲金電弧$4-諸池金屬右熔渣金燼生產(chǎn)效率高。這是因為焊絲導(dǎo)電長度縮短，電流和電流密度提高，焊絲熔敷率大大提高，加上能機械化、自動化生產(chǎn)，因此其生產(chǎn)率比手工電弧焊高10倍左右。堆焊層質(zhì)量好。因為熔渣隔絕空氣的保護效果好。電弧區(qū)主要成分是co2,焊縫金屬中含氮量、含氧量大大降低，由于熔渣的保溫作用，使熔池存在時間較長，液態(tài)金屬與熔渣、氣體的冶金反應(yīng)比較充分；加上焊接參數(shù)可以通過自動調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定，致使堆焊層的化學(xué)成分和性能比較均勻，堆焊層表面平整，機械性能較好。由于焊劑中合金元素的過渡作用，可以根據(jù)堆焊零件的工況要求選用不同的焊絲和焊劑，以獲得合乎要求的堆焊金屬層。勞動條件好。除了減輕手工焊操作的勞動強度外，沒有弧光輻射對焊工的傷害，減少金屬的飛濺，有害氣體也少，從而改善了勞動條件。傳入工件的熱量比其它電弧堆焊方法來得多，因而稀釋率較高，常須堆焊2—3層，才能保證所需要的性能。由于依靠顆粒焊劑堆積形成保護條件，只適用于水平位置堆焊。對圓柱形和大平面工件的堆焊最適用。不適合堆焊小零件。埋弧自動堆焊主要用于大、中型零件表面的強化和修復(fù)，如軋輥、車輪輪緣、曲軸、化工容器和核反應(yīng)堆容器襯里等。其中鋼鐵工業(yè)中軋輥表面堆焊應(yīng)用最多。CO2氣體保護自動堆焊CO2氣體保護自動堆焊是50年代發(fā)展起來的一種新的焊接方法，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，很多地方已取代手工電弧焊，該技術(shù)在堆焊中也得到了很好的推廣應(yīng)用。堆焊過程巾，氣瓶中送出的CO2氣體以一定的壓力和流量，從焊槍的噴嘴中噴出，形成一股保護氣流，使熔池和電弧區(qū)與空氣隔離，防止空氣中的氧和氮等有害氣體侵入，以獲得性能良好的堆焊層。CO2氣體保護堆焊有以下特點：生產(chǎn)率高。由于焊接電流密度大，電弧熱量利用率高，所以熔敷速度快，焊后不需清渣，因此提高了生產(chǎn)率。成本低。二氧化碳氣體來源廣，價格低，電能消耗少，故成本可降低。堆焊層質(zhì)量好。由于CO2氣體的氧化作用，抑制了氫的有害作用。堆焊層含氫量低，抗裂性能好，焊層內(nèi)也不容易產(chǎn)生氣孔，抗銹能力較強，焊前對焊件和焊絲的表面清理要求較低。焊接變形和內(nèi)應(yīng)力小。由于電流密度大，加熱集中，焊件受熱面積小，同時CO2氣流有較強的冷卻作用，所以焊后變形和內(nèi)應(yīng)力均較小。操作簡便適應(yīng)性強。明弧堆焊便于觀察，有利于實現(xiàn)機械化、自動化堆焊。各種基材及鑄鐵件均可堆焊及焊補。自動堆焊采用短路過渡可進行全位置焊。但CO2氣體自動堆焊也存在不足之處：合金元素易燒損、飛濺大、表面成形較差。因CO2是氧化性氣體，合金元素燒損嚴重，必須采用Mn。Si合金鋼絲宋脫氧。不便調(diào)整堆焊層成分。CO2氣體保護自動堆焊，由焊絲成分決定堆焊金屬成分，故受焊絲材料成分的限制，不便于靈活調(diào)整堆焊層的化學(xué)成分。稀釋率高。由于CO2氣體保護自動焊電流密度大，熔深大，故稀釋率高，較難控制堆焊層的合金成分。CO2氣體自動堆焊可以用在由球墨鑄鐵制造的發(fā)動機曲軸，袖頸磨損后的堆焊修復(fù)。由于鑄鐵的可焊性差，堆焊時容易出現(xiàn)白口、氣孔和裂紋。山西省農(nóng)機研究所采用CO2氣體保護堆焊恢復(fù)尺寸，配以相應(yīng)的熱處理工藝，在修復(fù)發(fā)動機曲軸尤其是修復(fù)球墨鑄鐵曲軸方面取得了成功的經(jīng)驗。等離子弧堆焊

等離子弧堆焊是以聯(lián)合型等離子弧或轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，以焊絲或合金粉末作填充金屬的一種堆焊工藝。它的突出優(yōu)點是：等離子弧溫度很高，能順利地堆焊難熔材料和提高堆焊速度，熔深可調(diào)節(jié)，稀釋率最低可達5％左右。所以它是一種低稀釋率和高熔敷率的堆焊方法，還可采用多種滲合金方式進行堆焊。其缺點是：設(shè)備成本高，要求防護措施高，只有批量生產(chǎn)部門較為適合采用此工藝方法。振動電弧堆焊振動電弧堆焊是將工件夾持在專用機床上，以一定的速度旋轉(zhuǎn)，堆焊機頭沿工件軸向移動，焊絲一方面自動送進，同時以一定的頻率和振幅振動，再向堆焊區(qū)加入冷卻液，完成堆焊作業(yè)。1.2.7電渣堆焊電渣堆焊的熔敷率最高。板極電渣堆焊的熔敷率可達150kg/h,而且一次可以堆焊很大的厚度，因而稀釋率并不高。由十接頭嚴重過熱，所以堆焊后需進行熱處理。另外，堆焊層不能太薄(一般應(yīng)大于14一16mm)，否則不能建立穩(wěn)定的電渣過程。因此，電渣堆焊主要用于需要較厚的堆焊層零件，堆焊表面形狀比較簡單的大中型零件。電渣堆焊可采用實芯焊絲、管狀焊絲、板極等材料進行堆焊。1.3熱噴涂技術(shù)熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，噴射到基材表面上，形成各種性能要求的覆蓋層的一種表面加工技術(shù)。根據(jù)是否將覆蓋層重新熔化，可分為兩種工藝，分別稱之為“噴涂”和“噴焊”。熱噴涂技術(shù)在材料的表面防護和強化方面有以下特點：涂層材料范圍異常廣泛，幾乎包括所有固體材料，如金屬及其合金、塑料、陶瓷、金屬陶瓷及其復(fù)合材料等。選擇合適的工藝，幾乎可在任何固體材料上噴涂。既可以是金屬，也可以是非金屬。涂層厚度可在較大范圍內(nèi)變化。被噴工件的溫度可以控制。除火焰噴焊和等離子噴焊外，噴涂過程中工件的溫度可小于200C°,工件不會發(fā)生變形和組織變化。熱噴涂工藝靈活，適應(yīng)性強，不受工件尺寸的限制，既可以噴涂像鐵塔、鋼橋之類的大型結(jié)構(gòu)件,也可以噴涂很小的精密零件；既可在噴涂工件間進行,又可在野外現(xiàn)場施工。且生產(chǎn)效率較高,一般可達每小時幾公斤,有的方法甚至達到幾十公斤。它不僅能對材料表面進行防護和強化,還可對廢舊件進行修復(fù),且時間短,效果好,能比新件具有更高的性能和使用壽命。熱噴涂技術(shù),依照所采用的熱源和噴涂材料的種類,大致可分為：等離子噴涂和噴焊、火焰粉末噴涂和噴焊、火焰絲材噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂、脈沖放電絲材噴涂(也稱線爆噴涂)。氧乙炔焰噴涂氧乙炔焰噴涂是利用燃氣(乙炔)與助燃氣(氧氣)燃燒產(chǎn)生的熱量加熱粉末態(tài)噴涂材料，使其達到熔融或軟化狀態(tài)，借助焰流動能或噴射加速氣體，將粉末噴射到經(jīng)預(yù)處理的基體表面，形成涂層的工藝方法。主要應(yīng)用于機械零件磨損區(qū)的預(yù)防性保護和修復(fù)。在各種熱噴涂方法中，由于氧乙炔焰噴涂與噴焊具有操作簡便、施工靈活、易于掌握、投資少見效快的特點，所以被廣泛地應(yīng)用。氧乙炔焰噴涂根據(jù)噴涂材料的形狀可分為絲材噴涂、粉末噴涂和棒材噴涂(目前較少采用)。其中還有將粉末噴涂層熔化而衍生出來的噴焊工藝。電弧噴涂技術(shù)電弧噴涂是將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，利用其端部產(chǎn)生的電弧作熱源來熔化金屬絲材，用壓縮空氣進行霧化的熱噴涂方法。噴嘴端部成一定角度的連續(xù)送進的兩根金屬絲，分別接直流電源的正負極。在金屬絲端部短接的瞬間，由于高電流密度，使兩根金屬絲間產(chǎn)生電弧，將兩根絲材的端部同時熔化，由電弧發(fā)生點的背后噴射出的壓縮空氣，使熔化的金屬脫離并霧化成微粒。在高速氣流的作用下，噴射到制備好的基材表面上而形成噴涂層。電弧噴涂和絲材火焰噴涂相比有以下特點：熱效率高?；鹧鎳娡繒r，燃燒火焰產(chǎn)生的熱量大部分散失到大氣和冷卻系統(tǒng)中去了，熱能的利用率只有5％一15％。而電弧噴涂是用電直接轉(zhuǎn)化為熱來熔化金屬的，熱能利用率高達60％一70％。涂層結(jié)合強度高。在不需要提高工件表面溫度和不用貴重金屬打底的情況下，能獲得結(jié)合強度高于火焰絲材噴涂的涂層。生產(chǎn)效率高。電弧噴涂寸是兩根絲同時給進，所以噴涂效率高。噴涂成本低?；鹧鎳娡克牡娜細獾膬r格比耗電價格高得多。電弧噴涂的施工成本比火焰噴涂要降低30%以上?？梢岳脙筛煌愋偷慕饘俳z制備出“假合金”涂層，以獲得特殊的性能，如銅一鋼“假合金”涂層具有良好的耐磨、減磨和導(dǎo)熱性能。等離子噴涂等離子噴涂等離子噴涂與其它噴涂方法(氧乙炔焰噴涂、電弧噴涂)相比，它可以熔化一切難熔金屬和非金屬粉末，使工件表面獲得耐磨、耐腐蝕、耐高溫等不同的特性。由于它的噴涂效率高，涂層致密，與基材的結(jié)合強度高，對工件的熱輸入量極小等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)和尖端科學(xué)技術(shù)中被廣泛采用。等離子噴涂是利用等離子焰流作為熱源，將噴涂材料通過等離子焰流加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，并隨同等離子焰流，以高速噴射并沉積在經(jīng)過粗化的潔凈基材表面上，經(jīng)淬冷凝固后，在基材表面形成噴涂層。等離子噴涂具有以下特點：可噴材料極為廣泛由于等離子噴涂時的焰流溫度很高，熱量集中，它能熔化一切高熔點和高硬度的材料。這是其它噴涂方法所不能實現(xiàn)的。涂層致密，結(jié)合強度高因為等離子噴涂能使粉末獲得較大的動能，且粉末溫度又高，所以，噴涂獲得的涂層致密度高，一般在90％一98％之間。結(jié)合強度可達65—70MPa。對工件的熱影響小等離子噴涂時，對工件的熱輸入量小，噴涂后基材金相組織不發(fā)生變化，工件幾乎不產(chǎn)生變形。效率高等離子噴涂時，生產(chǎn)效率高。采用高能等離子噴涂設(shè)備時，粉末的沉積速率可達8噸/ho對人體危害較大由于高溫、高速的等離子焰流產(chǎn)生劇烈的噪聲和很強的光輻射及有害氣體、金屬蒸氣和粉塵，對人體有極大的危害，所以，要采取相應(yīng)的措施，加強勞動保護，充分注意操作人員的保健。1.3.4爆炸噴涂爆炸噴涂是將一定比例的乙炔氣和氧氣的混合氣以及噴涂粉末同時送入爆炸噴槍，用火花塞點火，使可燃混合氣爆炸，利用產(chǎn)生的熱能和沖擊波使粉末加熱并加速，使高溫高速的粉末噴射到事先處理好的基材表面上形成涂層。當混合氣送入水冷式噴槍的燃燒室寸，與同時引入的噴涂粉末混合，通過火花塞點火瞬間引爆，槍管內(nèi)的溫度突然上升到3300C。以上，氣體燃燒的速度超過音速的十倍，使粉末以500—800m/s的高速噴射到工件表面。噴涂頻率可達4—8次/s,一次噴涂范圍半徑約為25mm,厚度約為0.0061mm。根據(jù)涂層要求的厚度可以反復(fù)進行。對于經(jīng)常處于海洋性氣候的港口機械和常處于海水腐蝕的船體、甲板、發(fā)射天線等的表面噴涂鋁、鋅或其合金作為陽極保護涂層，可作為長效防腐涂層應(yīng)用，比涂刷油漆的使用壽命可提高數(shù)倍，一般二三十年不需要維護，具有廣泛的應(yīng)用前景。對高速公路護欄、城市立交橋橋體及照明高桿以及鋼結(jié)構(gòu)大橋等噴涂鋁或鋅涂層進行長效防腐，也在一些沿海城市及主要交通樞紐中應(yīng)用，預(yù)計將會有更好的前景。汽車發(fā)動機曲軸軸頸部位，有時會因缺少潤滑油或軸瓦與軸的間隙不當或因潤滑油中混入雜質(zhì)而出現(xiàn)磨損過量和拉傷。如果主軸軸頸與主軸瓦之間潤滑不良，軸頸與瓦出現(xiàn)“抱死”現(xiàn)象，也會使缸體上主軸瓦座孔損壞。采用氧乙炔火焰粉末噴涂方法修復(fù)，不僅能防止工件變形，而且修復(fù)后工件的性能安全能滿足工況的使用要求。應(yīng)用實例有：曲軸的修復(fù)用鎳包鋁或鋁包鎳粘結(jié)底層材料打底，用Ni320粉末作工作層材料，嚴格按工序進行操作。修復(fù)后，由于涂層的多孔性，潤滑油會吸附在涂層內(nèi)，使?jié)櫥阅艿玫礁纳?。?jīng)裝車運行2萬km后檢測，噴涂過的軸頸磨損量只是其它未噴涂軸頸的1/3—1/2。為了防止出現(xiàn)涂層過熱和應(yīng)力過大，噴涂時要嚴格控制工藝參數(shù)，工件小或涂層厚時，應(yīng)間歇噴涂，以保證涂層的質(zhì)量可靠耐用。缸體主軸承座孔的修復(fù)缸體主軸承座孔修復(fù)，可用鎳包鋁打底，然后噴涂Ni180或Cu150工作層粉末。噴涂前注意對不需噴涂部位進行遮蔽。由于缸體是鑄鐵件，需多次除油，才能將滲入基材中的油除盡。由于噴涂部位是內(nèi)孔表面，且分為兩個半圓，在噴涂前處理時要對邊緣進行特殊處理，防止涂層從邊緣處翹起或剝落。涂層的鏜削加工直接影響到涂層的光潔度和軸承孔的尺寸精度。應(yīng)選用較小的切削量，刀具的幾何角度應(yīng)使涂層受的切削力和切削熱量盡可能低。經(jīng)過修復(fù)的缸體完全能滿足工況的使用要求?？梢哉f此種工藝是解決缸體主軸承孔磨損的最佳尺寸。除上述兩種零件外，還可對連桿瓦孔座、凸輪軸、半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、各種軸承孔等多種零件進行修復(fù)。經(jīng)在國產(chǎn)、進口各種型號汽車上應(yīng)用效果很好。1.4電刷鍍電刷鍍是應(yīng)用電化學(xué)沉積的原理，在能導(dǎo)電的工件表面的選定部位，快速沉積金屬鍍層的新技術(shù)。主要用于修復(fù)工件的尺寸和幾何精度，強化工件表面提高使用壽命，改善工件表面的理化性能完成相關(guān)的工藝過程。電刷鍍設(shè)備包括專用電源、專用鍍液、鍍具、各種輔具和輔助材料。電刷鍍時，直流電源的負極通過電纜線與工作連接，正極通過電纜線與鍍具(導(dǎo)電柄和陽極的組合體)連接。鍍具

前端的陽極包裹棉套，與工件表面輕輕接觸，鍍液不斷地添加到陽極和工件表面之間，在電場作用下，鍍液中的金屬離子定向遷移到工件表面，在工件表面上獲得電子，還原成金屬原子。還原的金屬原子在工件表面上形成鍍層。電刷鍍是電鍍技術(shù)的一種特殊形式。電刷鍍時被鍍工件不需要進入鍍槽，包裹棉套的陽極必須與工件表面接觸以便形成局部“槽”。陽極的面積通常都小刁：被鍍表面，為此陽極和工件表面必須相對運動才能在被選定的整個表面上沉積鍍層。為了提高生產(chǎn)率，必須使用很大的電流密度。概而言之，陽極(通過包套)與工件表面接觸、陽極和選定的局部表面相對運動、使用很大的(一敞力槽鍍的5—10倍)電流密度是電刷鍍技術(shù)的三個基本特點。電刷鍍技術(shù)的應(yīng)用，概括講有三個方面：對新制工件的表面進行強化處理，使表面具有指定的技術(shù)性能；對使用后產(chǎn)生磨損和腐蝕的或加工失誤的工件進行修復(fù)，恢復(fù)尺寸和幾何精度，同時使工件表面具有指定的技術(shù)性能；改善工件表面的理化性能，滿足特殊要求，如改善釬焊性、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、光學(xué)性能、耐蝕性、耐氧化性能等等。電刷鍍技術(shù)已廣泛應(yīng)用在各種機床和設(shè)備，鐵路機車車輛，汽車及運輸設(shè)備，發(fā)電機、電動機和電力設(shè)備，船舶和軍艦，礦山、煤礦、冶金，石油、勘探設(shè)備，紡織、印染、造紙和印刷設(shè)備，模具和量具，電子和電器工業(yè)，飛機和航天工業(yè)，坦克、農(nóng)機和工程機械，文物、裝飾和防腐等領(lǐng)域。1.5激光熔覆2—STS蹬舊』一詬型方向6~xft2—STS蹬舊』一詬型方向6~xft丁一粉未輸世ft熔覆層晶粒細小，結(jié)構(gòu)致密，因而硬度一般較高，耐磨、耐蝕等性能也更為優(yōu)異熔覆層稀釋率低。由于激光作用時間短，基體的熔化量小，對熔覆層的沖淡率低(一般僅為5%?8%)。因此可在熔覆層較薄的情況下，獲得所要求的成分與性能，節(jié)約昂貴的覆層材料。激光熔覆熱影響區(qū)小，工件變形小，熔覆成品率高。激光熔覆過程易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，鍍層質(zhì)量穩(wěn)定。如在熔覆過程中熔覆厚度可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，這在其它工藝中是難以實現(xiàn)的。能進行非接觸式的局部處理，易于實現(xiàn)不規(guī)則的零件加工離子注入離子注入，是將某種元素的原子在真空中進行電離，并在高電壓作用下將離子加速注入到固體材料的表面，以改變這種材料的物理、化學(xué)及力學(xué)性能的一種離子強化新技術(shù)。其主要特點是：利用高能離子流將異類原子直接注入到工件的表層中進行合金化；注入的原子種類不受任何常規(guī)合金化、熱力學(xué)條件的限制，從而獲得超常的固溶強化、沉淀強化的效果。離子注入的特點：某些金屬材料經(jīng)

離子注入表面改性后，可在不改變基本性能的情況下使其耐磨、耐蝕和抗氧化提高1000倍；可獲得其他方法不能得到的新合金相且與基體結(jié)合牢固，無明顯界面和脫落現(xiàn)象，從而解決了許多涂層技術(shù)中存在的粘附問題和熱膨脹系數(shù)不匹配問題；其處理溫度一般在室溫附近且在真空中進行，不氧化不變形，因而可作為零件精加工后的最終熱處理工藝，這是許多表面改性技術(shù)無法比擬的；可控性和重復(fù)性好，通過可控掃描機構(gòu)，不僅可實現(xiàn)較大的面積上的均勻強化，還可以實現(xiàn)很小范圍內(nèi)的局部改性且其他部分不變。1.7氣相沉積技術(shù)氣相沉積是利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)過程在工件表面形成具有特殊性能的金屬或化合物涂層，是一種使工件性能優(yōu)化的新工藝。不同的服役條件的工件表面可分別沉積Si、Ni、Ta或TiC、TiN等覆蓋層，獲得良好的耐熱、耐腐蝕、耐磨等方面的性能。根據(jù)成膜的機理不同，可分為化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。近年來，隨著氣相沉積技術(shù)的發(fā)展，又將等離子技術(shù)引入化學(xué)氣相沉積，出現(xiàn)了等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)在固態(tài)工件表面進行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物，從而強化表面的一種工藝過程。有以下三個要點：所有涂層的反應(yīng)均是吸熱反應(yīng)，即必須通過外熱源獲取能量，反應(yīng)才能得以進行。涂層的形成同樣遵循核生成和核長大的規(guī)律。涂層的界面反應(yīng)是通過氣相的化學(xué)反應(yīng)完成的。經(jīng)數(shù)小時處理后，表面可形成一定厚度的沉積層。反應(yīng)中生成的沉積物(固體)便沉積在工件表面，根據(jù)費克定律，沉積物可以向內(nèi)部擴散，零件中的金屬原子也可向外擴散，在界面上反應(yīng)，進行冶金結(jié)合。工業(yè)生產(chǎn)上，已用化學(xué)氣相沉積的方法，將硬質(zhì)合金刀具、高碳高鉻冷作鋼、空冷硬化鋼、油淬工具鋼、熱作鋼及合金鋼等材料制造的工件的性能大大優(yōu)化。等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)由于化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)溫度較高，因此在處理中會給工件帶來一系列的疵病，從而應(yīng)用范圍受到限制。因此國內(nèi)外的專家學(xué)者致力于降低沉積溫度的研究。其一著眼于選擇反應(yīng)的氣體，如用金屬羰基化合物Ni(CO)4和W(CO)6可在600°C以下沉積金屬和金屬的碳化物。其二選用新的能源，如用光和激光進行化學(xué)激發(fā)，用等離子體激發(fā)化學(xué)氣相沉積中反應(yīng)物的分子，當激活能超過相應(yīng)的熱激活能時，在低溫下就能發(fā)生非平衡成膜反應(yīng)，從而形成了等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)。物理氣相沉積(CVD)物理氣相沉積是通過蒸發(fā)、電離或濺射等過程產(chǎn)生金屬粒子，這些金屬粒子在工件表面形成金屬涂層或與反應(yīng)氣反應(yīng)形成化合物涂層，從而強化工件表面的工藝。物理氣相沉積主要是通過三種途徑實現(xiàn)反應(yīng)物與金屬界面的界面反應(yīng)的，

即金屬蒸發(fā)產(chǎn)生金屬粒子，通過等離子體使金屬離解產(chǎn)生金屬粒子，通過濺射產(chǎn)生金屬粒子。所生成的金屬粒子在電場的作用下轟擊工件表面，并沉積在工件的表面，通過擴散與基體形成冶金結(jié)合的界面。物理氣相沉積有以下的特點。涂覆材料選擇的自由度大，金屬、合金、金屬間化合物、陶瓷等均可?；w材料的溫度從高到低可自由選擇，涂層的組織結(jié)構(gòu)可以控制?？梢缘玫礁呒兌鹊耐繉?。能夠得到密合性好的涂層?？梢缘玫脚c加工后的表面同等精密度的表面，成膜后不必對表面再進行加工。無公害。1.8表面熱處理1.8.1表面滲碳滲碳熱處理是機械制造業(yè)的重要加工工藝，隨著機械裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，對滲碳滲氮熱處理的機械零件大型化需求，使得對大型機械零件滲碳滲氮的硬化層深度要求越來越深，內(nèi)在質(zhì)量的要求也越來越高。表面滲碳是現(xiàn)今提高機械零件使用壽命的主要熱處理工藝手段之一,在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用。十幾年來,傳統(tǒng)的滲碳工藝得到了不斷的改進與完善,工藝方法及控制理念上又有了新的突破。從而使?jié)B碳的經(jīng)濟性、精確性、一致性及工藝的可靠性等方面都上了一個新臺階。超級滲碳樁電紅外儀系饒加熱系統(tǒng)圖I滲碳設(shè)備完整的精密控制系統(tǒng)「供叩熱電偶熱電禺打?qū)彊C彳記錄儀超級滲碳工藝是將原料氣和空氣直接通入爐內(nèi),在爐內(nèi)裂解生成滲碳氣氛。其原料氣通入量是固定的,通過調(diào)節(jié)空氣的加入量來調(diào)節(jié)爐內(nèi)的碳勢,也就是說當爐內(nèi)的碳勢高于設(shè)定值時,將增加空氣的加入量反之當爐內(nèi)的碳勢低于設(shè)定值時將減少空氣的加入量。與氮一甲醇、滴注式等其他直生式氣氛相比,可以說超級滲碳是一種特殊的直生式氣氛。目前樁電紅外儀系饒加熱系統(tǒng)圖I滲碳設(shè)備完整的精密控制系統(tǒng)「供叩熱電偶熱電禺打?qū)彊C彳記錄儀圖1超級潑碳(Supercarb)原理圖與其他工藝相比，超級滲碳具有以下主要優(yōu)點：無需氣氛發(fā)生器，制氮機等配套設(shè)備，投資少，減少因配套設(shè)備故障而造成的停爐，氣氛調(diào)節(jié)快，滲碳速度快，氣氛在爐內(nèi)生成，活性好，氣氛活性好,滲碳能力強,快速的高活性碳轉(zhuǎn)移促進了整個爐料的滲層均勻，性節(jié)約原料氣可達，內(nèi)氧化傾向小。超級滲碳工藝開始在多用爐上得到了廣泛的應(yīng)用,目前己拓展到轉(zhuǎn)底滬、網(wǎng)帶爐及推盤爐上。這幾種爐型在國內(nèi)均有應(yīng)用實例,都獲得了令人滿意的效果。值得注意的是,超級滲碳氣氛要求爐子具有較好的氣氛循環(huán)系統(tǒng),以便于原料氣充分的裂解。乙炔低壓滲碳技術(shù)由于可控氣氛滲碳的熱輻射影響以及廢氣的排放,致使該工藝過程無法與機械加工過程結(jié)合到一起。這與當今的集成制造技術(shù)理念相差甚遠。幾十年來,人們一直在尋求一種替代常規(guī)氣體滲碳的工藝方法。上個世紀六十年代后期,真空滲碳技術(shù)得以開發(fā),并在七十、八十年代于某些領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。在這一時期,低壓滲碳所采用的滲碳介質(zhì)一般為丙烷、乙烯等。但由于以下技術(shù)問題沒有得到解決，使得低壓滲碳工藝未能得到廣泛的適用?？梢哉f在多年的時間里,低壓滲碳一直處于研發(fā)和試生產(chǎn)階段,沒有形成工業(yè)化生產(chǎn)。其主要問題是：炭黑問題，這是該工藝的致命缺點。因為沉積工件表面的炭黑會造成零件表面的滲層不均勻，如滲碳后油淬，又會導(dǎo)致淬火油的污染及冷卻的不均勻性，炭黑沉積到加熱體電極表面，會造成短路，損壞電極，炭黑沉積到爐室內(nèi)造成爐膛的污染。滲層均勻性問題,為了減少炭黑的形成,勢必要降低壓力或減少氣體的通入量,這樣又帶來了滲層均勻性差的問題。這對小零件密集裝料時尤為突出。工藝程序的制定、過程的控制及重復(fù)性的問題。但是由于低壓滲碳較常規(guī)氣體滲碳有諸多優(yōu)點，如滲層均勻性好、滲速快、可實現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀零件甚至盲孔的滲碳、可實現(xiàn)高溫滲碳、無內(nèi)氧化等。因此幾十年來熱處理界的專家們一直在不懈地努力，以尋求解決這些問題方案。直到上個世紀九十年代中期,易普森公司開發(fā)出用乙炔進行低壓滲碳的工藝,使低壓滲碳技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。以上問題得到了徹底的解決。

(3)高溫氣體滲碳對深層滲碳2-5毫米，一般都是采用井式滲碳爐。因其滲碳周期長,耗費人力

及能源,人們一直尋求解決辦法。眾所周知,提高溫度是提高滲碳速度的最有效辦

法。但由于設(shè)備的限制。一般滲碳溫度都在980°C以內(nèi)。下圖表示的是滲碳速度:EEEtest:EEEtest:NHj'NDiffusionI， (NH3)(JVHj)NHj—?NHj'NDiffusionI， (NH3)(JVHj)NHj—?(NH<fNH氣相剩余 H；圖I樓氮過程示意圖裂解產(chǎn)物的交互層氮化物溫度(°C)圖7滲碳速度與溫度的關(guān)系超級滲碳工藝經(jīng)過20幾年的應(yīng)用與完善,現(xiàn)己在多種爐型上得到應(yīng)用。因其氣源簡單、經(jīng)濟、滲碳效果好、投資少,所以是一種值得廣泛推廣的工藝。乙炔低壓滲碳解決了困擾低壓滲碳廣泛應(yīng)用多年的炭黑問題,使低壓滲碳技術(shù)上了一個新臺階,渴望低壓滲碳工藝能夠得到更廣泛的應(yīng)用。高溫滲碳工藝大大縮短了工藝時間,效益顯著。對深層滲碳(如工業(yè)齒輪等)是值得考慮的一項工藝。1.8.1表面滲氮滲氮是一個熱化學(xué)擴散過程;是根據(jù)NH3和材料表面的反應(yīng)過程來進行的,關(guān)于反應(yīng)的實際過程和由此產(chǎn)生的物質(zhì)傳輸可通過動力學(xué)來說明。NH3通入爐內(nèi)加熱后得到NH3、N2+H2、NH,其中未裂解的NH3和裂解的產(chǎn)物N2+H2與鐵不發(fā)生氮化反應(yīng),一部份NH3所形成的氨根NH與鐵反應(yīng)被吸收在鐵表面形成a-Fe層,隨著形成濃度梯度,氮向內(nèi)部擴散,當超過a-Fe的溶解度后,氮繼續(xù)聚集在材料表面,由生成的Y-和e-相形成氮化合物層(俗稱白層)繼續(xù)增厚,氮進一步向內(nèi)部擴散形成擴散層。通過這個過程可以增加金屬表面氮原子或者氮和碳原子的濃度,可以提高工件表面硬度的;滲層組成為擴散層和白亮層；一定厚度的滲層。1.8.2滲金屬金屬表面保護防腐蝕技術(shù)在防腐蝕領(lǐng)域起著十分重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展,對金屬材料表面性能的要求越來越高,原來滲人單一元素所得的滲層已不能完全滿足要求,因而國內(nèi)外陸續(xù)發(fā)展了二種或多種元素的共滲層。多元元素共滲不但能充分發(fā)揮單一元素的各自優(yōu)點,彌補其缺點,而且還可以賦予金屬材料表面以新的更好的性能。碳鋼表面共滲金屬的特點和方法滲金屬就是采用加熱擴散的方法,使一種或多種金屬滲人工件表面,形成表面合金層,所形成的表面合金層通常稱為滲層或擴散滲層。滲金屬和電鍍，噴鍍，化學(xué)鍍等一樣,都是在金屬材料表面制備金屬層的方法，滲層與基材之間結(jié)合為冶金結(jié)合,因此滲金屬比電鍍，化學(xué)鍍等方法所形成的鍍層更牢固,不易脫落,是其它鍍覆方法難以媲美的。滲金屬的方法按熱處理時所用滲人元素介質(zhì)的物理狀態(tài)可分為:固體滲，液體滲和氣體滲三種。根據(jù)所滲元素,滲金屬法又可分為單元滲和多元共滲滲入一種元素的稱為單元滲;同時或順序滲入兩種或兩種以上的元素的擴散過程,達到所要求的表面合金層,稱為二元或多元共滲。目前,應(yīng)用較多的單元滲有:滲鋁，滲鉻，滲鈦，滲硅，滲硼等;二元共滲有:鋁鉻共滲，鋁鈦共滲，鋁硅共滲，硼鋁共滲，鉻硼共滲等，多元共滲的研究方法大多數(shù)采用的是固體粉末包滲法川。根據(jù)滲入金屬的不同,可以在同一種材料的表面獲得不同的組織和性能,使材料表面具有優(yōu)良的耐高溫氧化，耐磨損，耐腐蝕等性能。在共滲技術(shù)中即使采用性能優(yōu)異的貴重稀有元素,也不會顯著提高成本,具有較高的技術(shù)經(jīng)濟價值。共滲鋼的應(yīng)用范圍：材料在使用環(huán)境中的腐蝕將關(guān)系到設(shè)備和裝置的可靠性以及使用壽命。石油化工設(shè)備用材的選擇,首先要保證設(shè)備在預(yù)定的使用期內(nèi)的安全性,即材料不僅要適應(yīng)設(shè)計和操作條件,還要能抵抗運行或非運行情況下所可能發(fā)生的一切破壞。因此必須根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境來考慮共滲鋼的選用問題。鋁鉬滲鋼的耐蝕性能要優(yōu)于滲鋁鋼,它在煉油廠高溫環(huán)烷酸介質(zhì)，高溫硫化物介質(zhì)的腐蝕環(huán)境或高溫氧化滲碳的場合均可使用，可用于常減壓裝置，催化裂化裝置，污水汽提裝置，加氫脫硫裝置，延遲焦化裝置等的塔內(nèi)各種填料，支撐梁，塔板，換熱器，爐管，吹灰管管線，葉輪，熱電偶保護管，緊固件等。鋁鉬滲鋼在低溫部位的應(yīng)用必需經(jīng)過試驗,由試驗結(jié)果確定是否采用滲鋁鋼。鋁鈦共滲鋼主要適用于煉油廠的濕硫化氫腐蝕部位,但若介質(zhì)中氯離子質(zhì)量濃度過高,會遭到腐蝕。在其它腐蝕環(huán)境中的腐蝕性能,還有待進一步的研究和探討。2表面處理技術(shù)表面淬火的方法主要有以下幾種：感應(yīng)加熱表面淬火；火焰加熱表面淬火；其他表面淬火方法。2.1感應(yīng)加熱表面淬火利用感應(yīng)電流對工件產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面局部加熱，繼而快速冷卻，以獲得馬氏體組織的工藝?？煞譃楦哳l淬火、中頻淬火、和微感應(yīng)淬火三類。感應(yīng)加熱表面淬火工藝：根據(jù)零件尺寸及硬化層深度的要求，合理選擇設(shè)備。a設(shè)備頻率的選擇;b比功率的選擇。淬火加熱溫度和方式的選擇。冷卻方式的選擇。(4)回火工藝。2.2火焰加熱表面淬火用一種火焰在一個工件表面上若干尺寸范圍內(nèi)加熱，使其奧氏體化并淬火的工藝。火焰淬火必須供給表面的能量大于自表面?zhèn)鹘o心部及散失的能量，以便達到所謂“蓄熱效應(yīng)”才有可能實現(xiàn)表面淬火。火焰加熱表面淬火的優(yōu)點是：(1)設(shè)備簡單、使用方便、成本低。(2)不受工件體積大小的限制，可靈活移動使用。淬火后表面清潔，無氧化、脫碳現(xiàn)象，變形小。缺點是：(1)表面容易過熱。(2)較難得到小于2mm的淬硬層深度，只適用于火焰噴射方便的表層上。所采用的混合氣體有爆炸危險。2.3其他表面淬火方法。2.3.1電解液加熱表面淬火將工件放入盛有5-15%碳酸鈉水