工程摩擦學(xué)8表面工程

2023/12/1工程摩擦學(xué)根底

FundamentalofEngineeringTribology2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.1外表工程簡(jiǎn)介外表工程是經(jīng)外表預(yù)處理后，通過(guò)外表涂覆、外表改性或多種外表技術(shù)復(fù)合處理，改變金屬外表或非金屬外表的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況，以獲得所需要的外表性能的系統(tǒng)工程。1995-SurfaceEngineering.功能薄層厚度一般從幾十微米到幾毫米，僅占工件整體厚度的幾百分之一到幾十分之一；但卻使工件具有了比基體材料更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫性能。此外，外表工程的費(fèi)用低廉，一般只占產(chǎn)品價(jià)格的5％-10％．卻可以大幅度地提高產(chǎn)品的性能及附加值，從而獲得更高的利潤(rùn)。采用外表工程措施的平均效益高達(dá)5-20倍以上。英國(guó)科技開(kāi)發(fā)中心的調(diào)查報(bào)告說(shuō)明：英國(guó)主要依靠外表工程而獲得產(chǎn)值超過(guò)50-200億英鎊。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.1外表工程簡(jiǎn)介外表工程中的各種外表技術(shù)分為兩大類(lèi)型：其一是外表改性，其二是外表涂層。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

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8.2表面改性外表淬火主要用于各種齒輪、凸輪、曲軸脛、頂桿、閥門(mén)、套筒及軋輥等的外表改性.外表淬火主要是通過(guò)快速加熱與立即淬火冷卻相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即利用快速加熱使鋼件外表很快地到達(dá)淬火的溫度，而不待熱量傳至鋼件中心，即迅速予以冷卻，如此便可以只使表層被淬硬為馬氏體，而中心仍為未淬火組織.外表淬火用鋼的含碳量以wc=0.40％-0.50％為宜。如果提高含碳量，那么會(huì)增加淬硬層脆性，降低心部塑性和韌性，并增加淬火開(kāi)裂傾向.2023/12/18.SurfaceEnginTribology

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1)感應(yīng)加熱外表淬火(1)感應(yīng)加熱時(shí)，鋼的加熱速度極大.(2)隱晶馬氏體,具有比普通淬火稍高的硬度(高2—3HRC)和較低的脆性，并具有較高的疲勞強(qiáng)度。(3)不易氧化和脫碳，變形也小.(4)淬硬層深度易于控制.2023/12/18.SurfaceEnginTribology

1)感應(yīng)加熱外表淬火形狀復(fù)雜的零件感應(yīng)器不易制造2023/12/18.SurfaceEnginTribology

2)火焰加熱外表淬火火餡加熱外表淬火的淬硬層深度一般為2-6mm，假設(shè)要獲得更深的淬硬層，往往會(huì)引起零件外表嚴(yán)重的過(guò)熱，且易產(chǎn)生淬火裂紋。材料常用中碳鋼如35、45鋼以及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr、65Mn等.2023/12/18.SurfaceEnginTribology

3)激光外表淬火指碳鋼或合金綱在室溫下經(jīng)激光輻照．表層被迅速加熱至奧氏體化溫度以上，在激光停止輻照后，快速自冷淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法。采用球墨鑄鐵制造的汽車(chē)曲軸，其圓弧處經(jīng)外表淬火后，硬度可升高到55—62HBC，耐磨性與疲勞強(qiáng)度也大為提高；采用鋼或鑄鐵制造的凸輪、齒輪、活塞環(huán)、缸套、模具等，經(jīng)激光外表淬火后，大大提高外表硬度與耐磨性。(1)硬度升高(2)改善疲勞性能(3)提高耐磨性能(4)外表剩余壓應(yīng)力2023/12/18.SurfaceEnginTribology

4)電子束外表淬火電子束外表淬火處理與激光外表淬火相似，只是能量的來(lái)源和功率密度不同。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理1)概述化學(xué)熱處理是利用固態(tài)擴(kuò)散使其他元素滲入工作外表的一種熱處理工藝，所以又稱(chēng)擴(kuò)散熱處理。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理1)概述2023/12/18.SurfaceEnginTribology

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8.2.2化學(xué)熱處理2)化學(xué)熱處理的根本過(guò)程(1)滲劑中的反響(2)滲劑中的擴(kuò)散(3)相界面反響(4)金屬工件中的擴(kuò)散(5)金屬中的反響2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理3)金屬擴(kuò)滲金屬擴(kuò)滲是金屬化學(xué)熱處理中常用的一種方法，其根本原理和其他化學(xué)熱處理相似。滲硼、滲釩、滲鈦、滲鈮和滲鉻等.2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理3)金屬擴(kuò)滲目前，滲金屬的化學(xué)熱處理工藝，特別是多元共滲工藝，如碳、氮、硼三元共滲，巳在石油機(jī)械(如公錐、母錐)、冷作模具(如拉絲模、冷沖模等)領(lǐng)域顯示出較大的優(yōu)越性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，滲金屬方法將會(huì)有良好的開(kāi)展和應(yīng)用前景。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.2.2化學(xué)熱處理3)非金屬擴(kuò)滲非金屬擴(kuò)滲根據(jù)滲入元素的不同，可分為滲碳、滲氮(氮化)碳、氮共滲(氰化),滲硫等。目前生產(chǎn)中常用的化學(xué)熱處理工藝是滲碳、氮化、氰化。滲碳是為了增加鋼表層含碳量和一定的濃度梯度，將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入外表的工藝。主要用于汽車(chē)齒輪、活塞銷(xiāo)、套筒等。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層化學(xué)和電化學(xué)方法化學(xué)和電化學(xué)方法形成外表涂層的具體方法主要有電鍍和化學(xué)鍍兩種。1)電鍍用作耐磨減摩的鍍層主要有硬鉻、松孔鍍、Ni—SiC、Ni—石墨、Ni—PTFE復(fù)合鍍層等.由于鉻是摩擦系數(shù)最小的金屬之一,一般來(lái)講鍍鉻耐磨性能較好,硬鉻鍍層硬度通常在850—1100HV，而900HV左右的鉻鍍層耐磨性最好。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層化學(xué)和電化學(xué)方法1)電鍍電刷鍍是一項(xiàng)應(yīng)用較廣的外表強(qiáng)化和外表修復(fù)的電鍍技術(shù)。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層化學(xué)和電化學(xué)方法2)化學(xué)鍍含有鍍層金屬離子的溶液在復(fù)原劑的作用下，在有催化作用的工件外表上形成鍍層的方法，稱(chēng)為化學(xué)鍍?；瘜W(xué)鍍可用在金屬和絕緣體工件上，鎳、鈷、鈀、鉑、銅、金和某些合金鍍層都可用化學(xué)鍍獲得?；瘜W(xué)鍍層一般具有良好的耐蝕性、耐磨性、鉛焊性及其他特殊的電學(xué)或磁學(xué)等性能。不同成分的鍍層，其性能變化很大，因此在電子、石油、化工、航空航天、汽車(chē)、機(jī)械等工業(yè)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層8.3.2冶金熔合法1)堆焊堆焊是用焊接的方法在零件外表堆敷一層金屬的工藝過(guò)程.2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層8.3.2冶金熔合法1)堆焊2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層8.3.2冶金熔合法2)熱噴涂2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層8.3.2冶金熔合法2)熱噴涂2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層氣相沉積(Vapordeposition)1)物理氣相沉積(PVD)(1)真空蒸發(fā)鍍膜在真空室內(nèi)進(jìn)行加熱，使固態(tài)原材料蒸發(fā)汽化或升華．并凝結(jié)淀積到一定溫度的襯底的外表，形成薄膜．這就是真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)。(2)濺射鍍膜濺射是指利用氣體放電產(chǎn)生的正離子，在電場(chǎng)作用下加速成為高能離子，撞擊固體外表，進(jìn)行能量和動(dòng)量交換后，固體外表的原子或分子在轟擊下離開(kāi)外表。PVD工藝處理溫度低，在600℃以下對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度沒(méi)有影響；薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，更適合于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜類(lèi)刀具的涂層工藝，對(duì)環(huán)境沒(méi)有不利影響，符合目前綠色工業(yè)的開(kāi)展方向。目前PVD技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，涂層成分也由第一代的TiN開(kāi)展到了TiC，TiCN，ZrN，CrN，MoS2，TiALN，TiAlCN，TiN-AlN，CNx等多種多元復(fù)合涂層，且由于納米級(jí)涂層的出現(xiàn)，使得PVD涂層刀具質(zhì)量又有了新的突破，這種薄膜涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好，并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，在進(jìn)行高精度加工時(shí)，其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。1)PVD〔PhysicalVaporizingdeposition〕2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層氣相沉積(Vapordeposition)3)物理氣相沉積(PVD)(3)離子鍍離子鍍是將真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的技術(shù)，是“輝光放電中的蒸發(fā)法〞．即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，將膜層材料蒸發(fā)，一局部物質(zhì)被離子化，一局部變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性離子。(4)分子束外延(MBE)分子束外延是在真空蒸發(fā)技術(shù)根底上改進(jìn)而來(lái)的。在超高真空下，將各組成元素的分子束流，以一個(gè)個(gè)分子的形式噴射到襯底外表，在適當(dāng)?shù)囊r底溫度等條件下外延沉積。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層氣相沉積(Vapordeposition)(4)分子束外延(MBE)2023/12/18.SurfaceEnginTribology

8.3外表涂層氣相沉積(Vapordeposition)2)化學(xué)氣相沉積(CVD)化學(xué)氣相沉積是指利用流經(jīng)襯底外表的氣態(tài)物料的化學(xué)反響，生成固態(tài)物質(zhì)，在襯底外表形成薄膜的方法。設(shè)備、操作簡(jiǎn)單;適用于金屬、非金屬及合金等多種膜的制備；薄膜粘附性好；反響所需原材料易獲得；可進(jìn)行可控雜質(zhì)摻雜；輻射損傷低，可獲得平滑的沉積外表．且易實(shí)現(xiàn)外延；可在常壓和低真鄉(xiāng)下進(jìn)行。溫度相對(duì)較高,反響氣體業(yè)揮發(fā)性氣體常有毒,對(duì)襯底的掩模操作困難；沉積速率較低。

CVD技術(shù)自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來(lái)，在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具上得到了極為廣泛的應(yīng)用。在CVD工藝中，可實(shí)現(xiàn)TiC,TiN,TiCN,TiBN,TiB2,Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層，該涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，薄膜厚度可達(dá)7-9μm,相對(duì)而言，CVD涂層具有更好的耐磨性。

CVD工藝的缺陷：一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度的下降；二是薄膜內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用中易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生；三是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會(huì)造成工業(yè)污染，對(duì)環(huán)境影響較大，與目前所提倡的綠色工業(yè)相抵觸。

2)CVD-ChemicalVaporizing

Deposition8.SurfaceEnginTribology

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8.3外表涂層氣相沉積(Vapordeposition)2)化學(xué)氣相沉積(CVD)

是以含C/N的有機(jī)物乙腈(CH3CN)為主要反響氣體和TiCl4,H2,N2在700℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反響，生成TiCN的一種新方法，可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層，涂層厚度可達(dá)8~10μm。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨損性、抗熱振性及韌性，并可通過(guò)HT-CVD〔高溫化學(xué)氣相沉積〕工藝技術(shù)在表層沉積上Al2O3,TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤(rùn)滑性能好的材料。CVD工藝〔包括MT-CVD〕主要用于硬質(zhì)合金車(chē)削類(lèi)刀具的外表涂層，其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。因此，在干式切削加工中，CVD涂層技術(shù)仍占有極其重要的地位。2)-1MT-CVD〔中溫化學(xué)氣相沉積〕8.SurfaceEnginTribology

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8.3外表涂層離子束注入離子束注入是指把所需要元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進(jìn)行加速，進(jìn)而轟擊零部件外表，使離子注入一定深度的表層，從而改變材料外表層的物理化學(xué)和機(jī)械性能的真空處理工藝技術(shù).1)離子注入的根本過(guò)程(1)注入離子與基體原子的原子核發(fā)生彈件碰撞、使基體產(chǎn)生離子大角度散射或受到輻射損傷，此過(guò)程稱(chēng)為核碰撞.(2)注入離子與基體內(nèi)的電子發(fā)生非彈性碰撞，使原子失去或獲得電子而發(fā)生電離或產(chǎn)生x射線，此過(guò)程稱(chēng)為電子碰撞。注入離子在上述屢次碰撞過(guò)程后，耗盡白身能量而停止運(yùn)動(dòng)．保存在基體表層中。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

離子束注入

2)提高材料機(jī)械性能的根本原理(1)損傷強(qiáng)化-在一系列的碰撞過(guò)程中，外表的原子排列受到強(qiáng)烈損傷，由長(zhǎng)程有序變?yōu)槎坛逃行颍踔潦咕w轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷А２⑶?，離子注入所產(chǎn)生的大量空位集結(jié)在位錯(cuò)周?chē)瑢?duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用，從而表層得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。(2)間隙固溶強(qiáng)化-一些非金屬元素如N、C、B，它們的原于半徑小于1A，接近于晶格的某些間隙(如面心立方的八面體間隙或體心立方的四面體間隙)的尺寸,它們?cè)诮饘俚木Ц裰刑幱陂g隙位置，使晶格產(chǎn)生畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高外表層的強(qiáng)度和硬度。2023/12/18.SurfaceEnginTribology

離子束注入

2)提高材料機(jī)械性能的根本原理