01

 

 

 

表面工程概述

表面現(xiàn)象以及表面變化過(guò)程是自然界普遍存在的。工程上，幾乎所有的零部件都不可避免要與環(huán)境接觸，而與環(huán)境直接接觸的正是零部件的表面。表面在于環(huán)境相互作用地過(guò)程中，往往會(huì)發(fā)生腐蝕、磨損、氧化、浸蝕，從而引發(fā)零部件飆升發(fā)生破壞或失效，進(jìn)而引起零部件的破壞或失效。因此，表面是防止設(shè)備失效的第一道線。表面工程是經(jīng)表面預(yù)處理后，通過(guò)表面涂覆金屬或非金屬，以改善表面性能的系統(tǒng)工程。其目的是在物體表面獲得裝飾性、耐蝕、抗高溫氧化、減摩、耐磨性能及光、電、磁等多種表面特殊功能。在工程上，它針對(duì)產(chǎn)品典型服役條件，應(yīng)用表面加工、表面涂覆表面改性等單一或復(fù)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基體、界面及表面三者的優(yōu)化組合，獲得最佳表面性能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

02

金屬表面強(qiáng)化技術(shù)

表面形變強(qiáng)化

 

 

 

 

表面形變強(qiáng)化是通過(guò)機(jī)械手段（滾壓、噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成硬化層，形變硬化層深度可達(dá)0.15-1.5mm，表面形變強(qiáng)化的方法主要有：噴丸強(qiáng)化、表面滾壓技術(shù)、孔擠壓強(qiáng)化。壓縮過(guò)程中，形變硬化層中將產(chǎn)生以下兩種變化：

（1）從組織結(jié)構(gòu)上看，強(qiáng)化層內(nèi)位錯(cuò)的密度極高，晶格的畸變度大，在交變應(yīng)力的作用下，符號(hào)相反的位錯(cuò)相遇后會(huì)相互抵消，符號(hào)相同的位錯(cuò)將重新排列。此時(shí)，強(qiáng)化層內(nèi)位錯(cuò)密度雖有下降，但會(huì)逐漸形成更加細(xì)小的亞晶粒。

（2）從應(yīng)力狀態(tài)上看，由于表層與內(nèi)層的金屬變形程度不平衡，表層金屬向四周塑變延伸時(shí)，會(huì)受到內(nèi)層金屬的阻礙，在強(qiáng)化層內(nèi)形成了較高的宏觀殘余壓應(yīng)力。

 

 

 

 

 

1

  噴丸強(qiáng)化

 

 

 

 

噴丸強(qiáng)化，又稱受控噴丸強(qiáng)化，是將高速?gòu)椡枇鲊娚涞搅慵砻?，使零件表層發(fā)生塑性變形，從而形成一定厚度的強(qiáng)化層，由于零件表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)零件承受載荷時(shí)可以抵消一部分應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。噴丸強(qiáng)化如圖1所示。

 

圖1 噴丸強(qiáng)化過(guò)程示意圖

 

在室溫下利用高速噴射的細(xì)小硬質(zhì)彈丸打擊工件表面，使表面層在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生彈性、塑性變形，如圖2所示，并呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，因?yàn)楫?dāng)每顆鋼丸撞擊金屬零件上，宛如一個(gè)微型棒褪敲打表面，捶出小壓痕或凹陷。為形成凹陷，金屬表層必定會(huì)產(chǎn)生拉伸。表層下，壓縮的晶粒試圖將表面恢復(fù)到原來(lái)形狀，從而產(chǎn)生一個(gè)高度壓縮力作用下的半球，無(wú)數(shù)凹陷重疊形成均勻的殘余壓應(yīng)力層，從而提高表面疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕的能力。

圖2 噴丸表面得塑性變形

 

噴丸也可以用來(lái)清除厚度不小于2mm或不要求保持準(zhǔn)確尺寸及輪廓的中型、大型金屬制品以及鑄鍛件上的氧化皮、鐵銹、型砂及舊漆膜，是表面涂（鍍）覆前的一種清理方法。噴丸強(qiáng)化是一個(gè)冷處理過(guò)程，它被廣泛用于提高長(zhǎng)期服役于高應(yīng)力工況下的金屬零件，如飛機(jī)引擎壓縮機(jī)葉片、機(jī)身結(jié)構(gòu)件、汽車傳動(dòng)系統(tǒng)零件等的抗疲勞屬性。

噴丸按射出彈丸的速度分為普通噴丸和超音速表面噴丸，超音速噴槍射出的彈丸速度為300~500m/s，并隨著零件的轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)零件表面的噴丸強(qiáng)化。

 

（1）噴丸強(qiáng)化的設(shè)備

按驅(qū)動(dòng)彈丸的方式，可將噴丸強(qiáng)化機(jī)分為機(jī)械離心噴丸機(jī)和氣動(dòng)噴丸機(jī)兩大類。此外噴丸機(jī)又有干噴和濕噴之分，干噴式噴丸機(jī)工作條件差，濕噴式噴丸機(jī)是將彈丸混合成懸浮狀，然后噴出彈丸，因此工作條件有所改善。

 

①機(jī)械式離心噴丸機(jī)彈丸在高速旋轉(zhuǎn)的葉片和葉輪離心力的作用下被加速拋出。該型噴丸機(jī)噴丸功率小，制造成本高，主要用于噴丸強(qiáng)度高、品種少、批量大、形狀簡(jiǎn)單、尺寸較大的工件，如圖3所示。

1-葉輪；2-葉輪轉(zhuǎn)向；3-接觸葉片前的彈丸；

4-彈丸輸送管；5-漏斗；6-壓縮空氣；7-噴射管；

8-90°彎曲噴管；9-彈丸

圖3 機(jī)械離心式噴丸機(jī)

 

②氣動(dòng)離心噴丸機(jī)以壓縮空氣為驅(qū)動(dòng)力，將彈丸加速到較高速度后，隨后彈丸撞擊工件的受噴表面。該型噴丸機(jī)可通過(guò)控制氣壓來(lái)控制噴丸強(qiáng)度，操作靈活，一臺(tái)機(jī)器可噴多個(gè)零件，適用于噴丸強(qiáng)度低、品種多、批量小、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件，但功耗大、生產(chǎn)效率低，如圖4所示。

1-零件；2-閥門；3-空氣過(guò)濾器；4-管道；

5-噴嘴；6-導(dǎo)丸管；7-儲(chǔ)丸箱；8-排塵管；9-轉(zhuǎn)換口

圖4 氣動(dòng)離心式噴丸機(jī)

 

（2）彈丸的種類

鋼絲線切割丸：常用鋼絲直徑d=0.4~1.2mm，硬度以45~50HRC為最佳，組織最好是回火M或者B。

鑄鋼丸：彈丸尺寸為0.2~1.5mm，經(jīng)退火處理，硬度為30~57HRC，易碎,耗量大，但價(jià)格便宜。鑄鋼丸的品質(zhì)與含碳量有關(guān)，一般含碳量在0.85%~1.2%，錳含量在0.65% ~ 1.2%。

玻璃彈丸：含60%的SiO?，硬度為46~50HRC，脆性大，適用于零件硬度低于彈丸的硬度的場(chǎng)合。

陶瓷彈丸：彈丸硬度高，但脆性大，噴丸后可獲得較高的殘余壓應(yīng)力。

液態(tài)噴丸：包括SiO?顆粒和Al?O?顆粒。噴丸時(shí)用水混合SiO?顆粒，利用壓縮空氣濺射。

 

 

 

 

2

 表面滾壓技術(shù)

 

 

 

 

表面滾壓技術(shù)是在一定壓力作用下，滾球或輥軸對(duì)被加工零件表面進(jìn)行滾壓或擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強(qiáng)化層的工藝過(guò)程，如圖5所示。

圖5 表面滾壓強(qiáng)化示意圖

 

表面滾壓技術(shù)的表面改性層深度可達(dá)到5mm以上，僅適用于一些形狀簡(jiǎn)單的平板類零件、軸類零件和溝槽類零件等，對(duì)形狀復(fù)雜的零件表面無(wú)法應(yīng)用。表面滾壓技術(shù)具有很多無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如表面滾壓技術(shù)僅改變了材料的物理狀態(tài)，并未改變材料的化學(xué)成分；表面滾壓技術(shù)采用的工具和工藝比較簡(jiǎn)單，加工效率高；滾壓滾壓技術(shù)是一種無(wú)切削加工工藝，在加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢屑、廢液，對(duì)環(huán)境的污染少，符合“綠色制造”的發(fā)展理念。此外，表面滾壓技術(shù)可消除零件表面因切削加工引起的拉應(yīng)力，并使零件表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，殘余的壓應(yīng)力既可以使裂紋尖端閉合又可以抑制裂紋尖端的擴(kuò)展，從而進(jìn)一步提高零件的疲勞壽命，該技術(shù)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

 

（1）作用機(jī)理

①微觀組織機(jī)理。經(jīng)過(guò)切削加工之后，金屬的表面都?xì)埩粲械毒叩那邢骱圹E，在微觀下觀察可以看見(jiàn)金屬的表面呈現(xiàn)出凹凸不平之狀。滾壓加工是一種壓力光整加工，在滾刀的作用下金屬表面會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形。根據(jù)工程材料的相關(guān)理論，金屬發(fā)生塑性變形的基本方式是滑移，即晶體沿某一晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生相對(duì)滑移。在外力的作用下，晶體不斷滑移，晶粒在變形過(guò)程中逐步由軟取向轉(zhuǎn)動(dòng)到硬取向，晶粒之間互相約束，阻礙晶粒的變形。由于工業(yè)所用金屬多為多晶體，故金屬能承受較大的塑性變形而不會(huì)被破壞。金屬內(nèi)部晶粒的不斷滑移會(huì)使得晶粒的位錯(cuò)密度增加、晶格發(fā)生畸變，符號(hào)相反的位錯(cuò)相互抵消，符號(hào)相同的位錯(cuò)則重新排列行成更加微小的亞晶粒。晶粒越細(xì)小，位錯(cuò)密度越高，產(chǎn)生的變形分散就越多，因而不易產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，使得滾壓后的金屬材料的屈服強(qiáng)度和疲勞性能得到顯著提高。

 

②表面質(zhì)量機(jī)理。金屬表面質(zhì)量的好壞常用表面粗糙度來(lái)衡量，表面粗糙是造成應(yīng)力集中的主要因素之一，粗糙的表面易形成尖端切口，造成應(yīng)力集中，而疲勞源則往往出現(xiàn)在應(yīng)力集中處，在交變應(yīng)力的作用下，應(yīng)力集中促使疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展。表面越粗糙、尖端切口越尖銳，應(yīng)力集中就越嚴(yán)重。滾壓強(qiáng)化就是利用滾輪對(duì)工件表面的滾壓作用，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)，填入到原始?xì)埩舻牡桶疾ü戎?，從而降低工件表面的粗糙度，消除殘留刀痕，減少應(yīng)力集中，進(jìn)而提高工件的疲勞壽命。

 

③殘余壓應(yīng)力機(jī)理。早在20世紀(jì)30年代人們就發(fā)現(xiàn)，讓零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力可以延長(zhǎng)工件的疲勞壽命。金屬材料表面的裂紋擴(kuò)展的條件是外加交變載荷達(dá)到某一界限（即應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到材料本身的臨界應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)）。而滾壓則可以減少表面原有的微觀裂紋，還可以產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高零件的疲勞壽命。

 

（2）影響滾壓效果的工藝參數(shù)

影響表面滾壓效果的工藝參數(shù)主要有：滾壓力、滾壓次數(shù)和滾壓速度等。滾壓力即為滾輪壓到工件表面上的力，其對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度有很大的影響，但目前對(duì)其研究還不夠成熟，沒(méi)有數(shù)學(xué)公式能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出最佳滾壓力。最佳滾壓力還與零件本身強(qiáng)度、零件尺寸、滾輪直徑等因素有關(guān)，生產(chǎn)中則是通過(guò)工藝試驗(yàn)來(lái)確定最佳滾壓力；滾壓次數(shù)即為滾輪壓過(guò)工件同一位置的次數(shù)，它對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度有很大影響，次數(shù)較少時(shí)，工件表面未能達(dá)到應(yīng)有的塑性變形，次數(shù)較多時(shí)，工件會(huì)產(chǎn)生接觸疲勞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使表面脫落；滾壓速度即為滾壓加工時(shí)工件的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度影響不大，但影響滾壓加工的效率，若轉(zhuǎn)速過(guò)高，則會(huì)引起較大的塑性變形，轉(zhuǎn)速過(guò)慢又會(huì)降低生產(chǎn)效率。在生產(chǎn)中需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定合適的滾壓速度。

 

（3）孔擠壓強(qiáng)化

孔擠壓強(qiáng)化是利用特定的工模具（棒、襯套、開(kāi)合模具等）對(duì)工件的孔壁或周邊進(jìn)行連續(xù)、緩慢、均勻的擠壓，使其形成一定厚度的塑性變形層，達(dá)到提高表面疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力的一種表面強(qiáng)化工藝。

常采用的工藝方法：棒擠壓、襯套擠壓、壓印模擠壓、旋壓擠壓，如圖6所示。

（a）1-液壓機(jī)；2-夾頭；3-擠壓棒；4-零件；5-底座

（b）1-零件；2-襯套；3-擠壓棒；4-拉拔槍

（c）1-液壓機(jī)；2-壓印模；3-零件；4-底座

（d）1-孔臂鉆；2-夾頭；3-擠壓頭；4-零件；5-底座

圖6 孔擠壓強(qiáng)化的工藝方法

 

孔擠壓強(qiáng)化主要針對(duì)內(nèi)孔有抗疲勞要求或其他方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工件，如飛機(jī)上的重要零件；壓印模擠壓適用于大型零件及蒙皮等關(guān)鍵承載件的強(qiáng)化；旋壓擠壓適用于起落架等大型零件的內(nèi)孔強(qiáng)化等。

 

 

 

 

等離子體擴(kuò)滲技術(shù)

 

 

 

 

等離子體是由大量的自由電子和離子組成且在整體上表現(xiàn)為近似電中性的電離氣體。等離子化學(xué)熱處理技術(shù)，又稱等離子體擴(kuò)滲技術(shù)(PDT)或粒子轟擊擴(kuò)滲技術(shù)，是利用低真空環(huán)境中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊工件表面，使金屬表面成分、組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生變化的工藝過(guò)程。

與普通氣體熱擴(kuò)滲技術(shù)相比，離子熱擴(kuò)滲具有如下特點(diǎn)：

(1)離子轟擊濺射將會(huì)去除工件表面的氧（鈍）化膜或雜質(zhì)，提高工件表面活性，使其易于吸附被滲元素，加快熱擴(kuò)滲速度；

(2)等離子體可激活反應(yīng)氣體，降低化學(xué)反應(yīng)溫度；

(3)可通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制熱擴(kuò)滲層的組織以及滲層的厚度；

(4)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種環(huán)境友好型的處理工藝。

 

等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體。極光、日光燈、電弧、碘鎢燈等屬于低溫等離子體，聚變、太陽(yáng)核心等屬于高溫等離子體。

低溫等離子體（也稱非平衡等離子體）中的重粒子溫度接近常溫，而電子溫度高達(dá)10³~10?K。

使氣體由絕緣體變成導(dǎo)體的現(xiàn)象稱為氣體放電。氣體放電的條件是：有一定的電場(chǎng)強(qiáng)度；氣體中存在帶電粒子。

在電場(chǎng)中，帶電粒子發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)。帶電粒子與氣體原子、帶電粒子與電極之間發(fā)生一系列的物化變化，即帶電粒子之間發(fā)生碰撞引起氣體激發(fā)和電離；碰撞使原子中的電子從正常能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，變成亞穩(wěn)態(tài)的受激原子；受激電子返回基態(tài)時(shí)，將能量以光子的形式釋放出來(lái)（輝光），若帶電粒子撞擊的能量較大，可能會(huì)將原子中的某個(gè)電子撞離原子（電離）。

 

 

 

 

1

  離子滲氮的機(jī)理

 

 

 

 

（1）Kolbel離子濺射滲氮模型

高能氮離子轟擊陰極使Fe原子濺射出陰極表面，Fe原子與N原子結(jié)合形成FeN,并重新沉積在工件表面（背散射），處于亞穩(wěn)態(tài)的FeN按FeN→Fe?-?N→Fe?N的順序依次分解，分解出的活性N原子滲入鋼的表面或近表面，同時(shí)鋼表面從外到內(nèi)形成由Fe?-?N（ε相）和Fe?N（γ’相）的滲氮層。如圖7所示。

圖7 Kolbel離子濺射滲氮模型

 

（2）新的離子滲氮模型

新的直流離子滲氮模型如圖8所示，離子滲氮裝置如圖9所示。

圖8 新的直流離子滲氮模型

 

1-直流電源；2-真空室；3-工件；4-溫控儀；

5-真空計(jì)；6-真空泵；7-流量計(jì)；8-供氣系統(tǒng)

圖9 離子滲氮裝置示意圖

 

 

 

 

2

  離子滲氮工藝過(guò)程

 

 

 

 

(1)將清洗好的工件放入離子滲氮爐內(nèi)，抽真空至1Pa左右；

(2)通入少量含氮?dú)怏w，接通直流高壓電源，使氣體產(chǎn)生輝光并放電；

(3)濺射、凈化被處理工件表面；

(4調(diào)整氣壓和電壓，將工件加熱到所需要的處理溫度，開(kāi)始滲氮；

(5)保溫一定時(shí)間，達(dá)到滲氮層要求的厚度；

(6)斷電、工件在真空中冷至200℃以下，出爐滲氮后的工件表面呈銀灰色。

 

 

 

 

3

  離子滲氮的組織類型及影響因素

 

 

 

 

在小于590℃（共析溫度）的溫度環(huán)境下進(jìn)行滲氮，隨著氮?jiǎng)莸脑黾?，滲氮層的組織自外向內(nèi)依次為：ε→ε+γ’→γ’+擴(kuò)散層→α擴(kuò)散層，如圖10所示。

圖10 38CrMoAl鋼滲氮后表面組織形貌（560℃×5h）

 

影響離子滲氮層的主要因素如下：

(1)滲氮溫度：隨溫度升高，滲層厚度增加。當(dāng)溫度＜550℃,γ’相比例隨溫度提高而增加；當(dāng)溫度＞550℃后，ε相比例隨溫度提高而增加。

(2)滲氮時(shí)間：滲氮初期（<30min）滲速遠(yuǎn)大于氣體滲氮速度，隨時(shí)間延長(zhǎng)，滲速減慢，逐漸接近氣體滲氮速度。

(3)滲氮?dú)怏w：常用的有氨、氮?dú)?/span>+氫氣等。

(4)滲氮?dú)鈮?、電壓和電流密度：氣壓越大，滲氮層越厚；放電功率越大，滲氮層越厚；電流密度越大，滲氮層越厚。

 

 

 

 

4

  離子滲氮層的性能

 

 

 

 

評(píng)價(jià)離子滲氮層的性能的指標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)硬度：滲氮層的硬度取決于滲氮溫度、鋼中合金元素種類和鋼種。

(2)疲勞強(qiáng)度：滲氮可以提高工件的疲勞強(qiáng)度，并隨擴(kuò)散層厚度的增加而提高。

(3)韌性：滲氮層中，僅有擴(kuò)散層的部分韌性最好，有單相化合物層（ε相或γ’相）的次之，γ’+ε相混合相的最差。

(4)耐磨性：與其他滲氮方法相比，離子滲氮對(duì)滾動(dòng)摩擦的耐磨性最好。

 

常用鋼種的離子滲氮工藝見(jiàn)表1。

 

表1 常用鋼種的離子滲氮工藝

 

 

 

 

激光表面處理技術(shù)

 

 

 

 

激光表面處理技術(shù)是指利用激光束特有的性能特點(diǎn)，對(duì)材料表面進(jìn)行處理并形成一定厚度的處理層，可以顯著改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等性能，是一種高效且成熟的表面處理技術(shù)。

 

 

 

 

1

  特點(diǎn)

 

 

 

 

(1)激光束處理后，材料表面的化學(xué)均勻性很高，晶粒細(xì)小，因而表面硬度高，耐磨性好，在不損失韌性的情況下獲得了高的表面性能。

(2)輸入熱量少，熱變形小。

(3)能量密度高，加工時(shí)間短。

(4)處理部位可以任意選擇，如深孔、溝槽等特殊部位均可采用激光進(jìn)行處理。

(5)工藝過(guò)程無(wú)需真空，無(wú)化學(xué)污染。

(6)激光處理過(guò)程中，表層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而存在殘余壓應(yīng)力，提高了其疲勞強(qiáng)度。

 

 

 

 

2

  激光表面處理設(shè)備

 

 

 

 

激光表面處理設(shè)備包括：激光器、功率計(jì)、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、工作臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)和軟件編程系統(tǒng)。

 

 

 

 

3

  激光表面處理技術(shù)的原理及特點(diǎn)

 

 

 

 

激光是一種相位一致、波長(zhǎng)一定、方向性極強(qiáng)的電磁波，激光束是由一系列反射鏡和透鏡來(lái)控制，所以激光束可以聚焦成直徑很小的光束（直徑只有0.1mm)，從而可以獲得極高的功率密度(10?~10?W/cm²)。按激光強(qiáng)度和輻射時(shí)間可將激光與金屬之間的互相作用分吸收光束、能量傳遞、金屬組織的改變和激光作用的冷卻等階段。

激光表面處理技術(shù)是采用大功率密度的激光束，以非接觸性的方式加熱材料表面，依靠材料表面自身的導(dǎo)熱性達(dá)到冷卻的目的，從而實(shí)現(xiàn)其表面強(qiáng)化的工藝方法。它在材料加工中的如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能量傳遞方便，可以對(duì)被處理工件表面進(jìn)行有選擇性的局部強(qiáng)化；

(2)能量作用集中，加工時(shí)間短，熱影響區(qū)小，激光處理后，工件變形小；

(3)能夠處理表面形狀復(fù)雜的工件，且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；

(4)改性效果比普通方法更顯著，速度快，效率高，成本低；

(5)通常只能處理一些薄板金屬，不適宜處理較厚的板材。

 

 

 

 

4

  激光表面處理后的組織類型

 

 

 

 

由于激光加熱速率極快，相變過(guò)程是在很大的過(guò)熱度下進(jìn)行的，所以晶核的形核率很大。因加熱時(shí)間短，碳原子的擴(kuò)散及晶粒的長(zhǎng)大均受到限制，所以得到的奧氏體晶粒較小。冷卻速率也比使用任何淬火劑都快，因而易得到隱針或細(xì)針馬氏體組織。通過(guò)對(duì)組織類型的觀察，可將激光束處理后的鋼表面進(jìn)行區(qū)分，低碳鋼可分為兩層：外層是完全淬火區(qū)，組織是隱針馬氏體；內(nèi)層是不完全淬火區(qū)，保留有鐵素體。中碳鋼可分為四層：外層是白亮的隱針馬氏體，硬度達(dá)800HV，比一般淬火硬度高出100以上；第二層是隱針馬氏體加少量屈氏體，硬度稍低；第三層是隱針馬氏體加網(wǎng)狀屈氏體，再加少量鐵素體；第四層是隱針馬氏體和完整的鐵素體網(wǎng)。高碳鋼也可分為兩層：外層是隱針馬氏體；內(nèi)層是隱針馬氏體加未溶碳化物。鑄鐵大致可分為三層：表層是熔化一凝固所得的樹(shù)枝狀結(jié)晶，此區(qū)隨掃描速度的增大而減?。坏诙邮请[針馬氏體加少量殘留的石墨及磷共晶組織；第三層是較低溫度下形成的馬氏體。

 

 

 

 

5

  激光表面處理技術(shù)的分類

 

 

 

 

（1）激光相變硬化

激光相變硬化又稱激光淬火，是指以高能密度的激光束照射工件表面，使得需要硬化的部位瞬間吸收大量光能，并將其立即轉(zhuǎn)化為熱能，從而使激光作用區(qū)的溫度急劇上升，組織類型迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，經(jīng)快速冷卻后，獲得極細(xì)小馬氏體和其他組織，其特點(diǎn)如下：

①材料表面可高速加熱和高速自冷。加熱速度可達(dá)10?~10?℃/s，冷卻速度可10?℃/s，這就有利于提高掃描速度及生產(chǎn)效率。

②激光淬火處理后的工件表面硬度高，一般來(lái)說(shuō)比常規(guī)淬火硬度高5%~20%，處理結(jié)束后可獲得極細(xì)的硬化層組織。

③由于激光加熱速度快，因而熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力及變形小。一般認(rèn)為激光淬火處理幾乎不產(chǎn)生變形，而且相變硬化可以使表面產(chǎn)生大于4000MPa的壓應(yīng)力，有助于提高零件的疲勞強(qiáng)度；但厚度小于5mm的零件其變形仍不可忽視。

④可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件以及不能用其他常規(guī)方法處理的零件進(jìn)行局部硬化處理，如具有溝槽的零件。

⑤激光淬火工藝周期短，生產(chǎn)效率高，工藝過(guò)程易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，可納入生產(chǎn)流水線。

⑥激光淬火依靠自身的導(dǎo)熱性，由表及里的傳導(dǎo)自冷，無(wú)需冷卻介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)

污染。

 

（2）激光表面熔敷激光表面熔敷是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，當(dāng)光束移開(kāi)后自冷卻的一種表面強(qiáng)化方法。其特點(diǎn)如下：

①冷卻速度快（高達(dá)10?℃/s），組織具有快速凝固的典型特征；

②熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈冶金結(jié)合；

③粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制，特別是低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金；

④能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價(jià)格比；

⑤光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷；

⑥工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

 

 

（3）激光表面合金化

激光表面合金化是指在高能量激光束的照射下，使基體材料表面薄層與外加合金元素同時(shí)快速熔化、混合，形成厚度為10~1000μm的表面熔化層，熔化層在凝固時(shí)獲得的冷卻速度可達(dá)10?~10?℃/s，相當(dāng)于急冷淬火技術(shù)所能達(dá)到的冷卻速度，又由于熔化層液體內(nèi)存在著擴(kuò)散作用和表面張力效應(yīng)等物理現(xiàn)象，可使材料表面在很短時(shí)間(50μs~2ms)內(nèi)形成具有預(yù)定深度及化學(xué)成分的表面合金層。

激光表面合金化工藝的最大特點(diǎn)是僅在熔化區(qū)和很小的影響區(qū)內(nèi)發(fā)生成分、組織和性能的變化，對(duì)基體的熱效應(yīng)可減少到最低限度，引起的變形也極小。該種工藝既可滿足表面的使用需要，同時(shí)又不犧牲結(jié)構(gòu)的整體特性。

熔化深度由激光功率和照射時(shí)間來(lái)控制。在基體金屬表面可形成厚度為0.01~2mm的合金層。由于冷卻速度高，使偏析最小，并顯著細(xì)化晶粒。

 

（4）激光沖擊硬化

當(dāng)短脈沖（幾十納秒）、高峰值、高功率密度(＞10W/cm²)的激光束輻射金屬靶材時(shí)，金屬表面吸收層吸收激光能量并發(fā)生爆炸性地汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫（>10000K)、高壓（>1GPa）的等離子體，該等離子體受到約束層的約束時(shí)，將產(chǎn)生高強(qiáng)度壓力沖擊波，并作用于金屬表面，隨后向金屬內(nèi)部傳播。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過(guò)被處理材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料表層就產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，其內(nèi)部將殘留很大的壓應(yīng)力。這種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)就是激光沖擊強(qiáng)化，由于其強(qiáng)化原理類似噴丸，因此也稱作激光噴丸。

激光沖擊強(qiáng)化具有應(yīng)變影響層深，沖擊區(qū)域和壓力可控，對(duì)表面粗糙度影響小，易于自動(dòng)化等特點(diǎn)。與噴丸強(qiáng)化相比，激光沖擊處理獲得的殘余壓應(yīng)力層可達(dá)1mm，是噴丸強(qiáng)化的2~5倍。而擠壓、撞擊強(qiáng)化等強(qiáng)化技術(shù)只能對(duì)平面或規(guī)則回轉(zhuǎn)面進(jìn)行。另外，激光沖擊強(qiáng)化能很好地保持強(qiáng)化位置的表面粗糙度和尺寸精度。

 

（5）激光表面非晶化

激光表面非晶化是利用激光熔池所具有的超高速冷卻條件，使某些成分的合金表面形成具有特殊性能的非晶層。與其他非晶化方法比較，激光非晶化可以在工件表面大面積地形成非晶層，而且形成非晶的成分也可擴(kuò)大。

 

 

 

 

電子束表面處理技術(shù)

 

 

 

 

利用高能電子束轟擊材料表面，使其溫度升高并發(fā)生成分、組織結(jié)構(gòu)的變化，從而達(dá)到所需性能的工藝方法，稱為電子束表面處理。它是以電場(chǎng)中高速移動(dòng)的電子作為載能體，電子束的能量密度最高可達(dá)10?W/cm²。電子束表面處理的特點(diǎn)是：由于電子束具有更高的能量密度，所以加熱的尺寸范圍和深度更大；設(shè)備投資較低，操作較簡(jiǎn)單（無(wú)須像激光束處理那樣在處理前進(jìn)行“黑化”）；因需真空條件，故零件的尺寸受到限制。

 

 

 

 

 

1

  電子束表面處理技術(shù)的原理

 

 

 

 

電子束就是高能電子流，這些電子是由陰極燈絲產(chǎn)生。帶負(fù)電荷的電子束高速飛向高電位正極的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)加速器加速，又通過(guò)電磁透鏡聚焦，電子束的功率得到提高，再經(jīng)二次聚焦，其能量密度高度集中，并以極高的速度沖向工件表面極小的面積上，電子束攜帶的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為熱能，所以材料表面的被沖擊部分在幾分之一微秒內(nèi)，溫度將會(huì)升至幾千攝氏度，使材料瞬間熔化甚至氣化。

 

 

 

 

 

2

  電子束表面處理技術(shù)的設(shè)備

 

 

 

 

電子束表面處理技術(shù)的設(shè)備由以下五個(gè)系統(tǒng)組成：

①電子槍系統(tǒng)發(fā)射高速電子流；

②真空系統(tǒng)保證系統(tǒng)所需的真空度；

③控制系統(tǒng)控制電子束的大小、形狀、和方向；

④電流系統(tǒng)供給高低壓穩(wěn)壓電流；

⑤傳動(dòng)系統(tǒng)控制工作臺(tái)移動(dòng)。

 

 

 

 

3

  電子束表面處理技術(shù)的特點(diǎn)

 

 

 

 

①將工件置于真空室中加熱，沒(méi)有氧化、脫碳，表面相變強(qiáng)化無(wú)需冷卻介質(zhì)，依靠基體自身的冷卻行為，可實(shí)現(xiàn)“綠色表面強(qiáng)化”。

②電子束的能量轉(zhuǎn)換率約為80%~90%，能量集中，熱效率高，可實(shí)現(xiàn)局部相變強(qiáng)化和表面合金化。

③由于熱量集中，熱作用點(diǎn)小，在加熱時(shí)形成的熱應(yīng)力小，又由于硬化層淺，組織應(yīng)力小，表面相變強(qiáng)化畸變小。

④電子束表面處理設(shè)備一次性投入比激光少（約為激光的1/3)，電子束使用成本也只有激光的一半。

⑤設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電子束靠磁偏轉(zhuǎn)動(dòng)、掃描，不需要工件轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)和光傳輸機(jī)構(gòu)。

⑥電子束表面處理的適用范圍寬，可適用于各種鋼材、鑄鐵和其他材料的表面處理，而且也適用于形狀復(fù)雜的零件。

⑦電子束易激發(fā)X射線，使用過(guò)程中應(yīng)注意保護(hù)。

 

 

 

 

 

4

  電子束表面處理技術(shù)的分類

 

 

 

 

電子束表面處理技術(shù)的分類如圖11所示。

圖11 電子束表面處理技術(shù)的分類

 

（1）電子束表面相變強(qiáng)化

對(duì)于有馬氏體相變過(guò)程的金屬，其工藝過(guò)程的關(guān)鍵是參數(shù)控制：電子束斑平均功率密度在10?~10?W/cm²，加熱速度為10³~10?℃/s，冷卻速度可達(dá)10?~10?℃/s。

電子束快速熔凝造成過(guò)飽和固溶強(qiáng)化，并形成超細(xì)馬氏體，硬度增大，表面呈殘余壓應(yīng)力，從而提高了材料的耐磨性。

 

（2）電子束表面重熔處理

電子束重熔可使合金的化學(xué)元素重新分布，降低某些元素的顯微偏析程度，從而改善工件表面的性能。由于電子束重熔是在真空條件下進(jìn)行的，有利于防止表面的氧化，因此電子束重熔處理特別適用于化學(xué)活性高的鎂合金、鋁合金等的表面處理。

 

（3）電子束表面合金化

一般選擇W、Ti、B、Mo等元素及其碳化物作為合金元素提高材料耐磨性；選擇Ni、Cr等元素可提高材料的抗腐蝕性能；而適當(dāng)添加Co、Ni、Si等元素能改善合金化效果。

 

（4）電子束表面非晶化處理

將電子束的平均功率密度提高到10?~10?W/cm²，作用時(shí)間縮短至10-?s左右，使金屬在基體與熔化的表層之間產(chǎn)生很大的溫度梯度，在停止電子束照射后，金屬表面快速冷卻速率(10?~10?s-¹)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)制取非晶的冷卻速率(10³~10?s-¹)，所獲非晶的組織形態(tài)致密，抗疲勞及抗腐蝕性能優(yōu)良。

 

（5）電子束表面薄層退火

當(dāng)電子束作為表面薄層退火的熱源使用時(shí)，所需要的功率密度要較上述方法低很多，以此降低材料的冷卻速度。對(duì)于金屬材料，此法主要應(yīng)用于薄帶的表面處理。另外，電子束退火還成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體材料上。

 

 

 

 

 

5

  電子束表面強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

 

 

 

 

模具鋼經(jīng)電子束表面強(qiáng)化后，材料的最表層發(fā)生熔化，表面重熔層的厚度達(dá)到10μm左右，熔化造成其表層顯微硬度降低；表面碳化物顆粒溶解，基體固溶鉻和能量增加，造成過(guò)飽和固溶強(qiáng)化，并形成超細(xì)化馬氏體，試樣顯微硬度從955.2HK提高到1169HK，相對(duì)耐磨性提高了5.63倍、轟擊次數(shù)越多，影響區(qū)越深，顯微硬度提高幅度越大。

 

 

 

 

電火花表面處理技術(shù)

 

 

 

 

電火花表面處理技術(shù)的基本原理是儲(chǔ)能電源通過(guò)電極，以10-2000Hz的頻率在電極與零部件之間產(chǎn)生火花放電，并將作為電極的導(dǎo)電材料熔滲到工件表面，形成合金化表面強(qiáng)化層，改善工件表面的物理及化學(xué)性能。

電火花表面強(qiáng)化層的性能主要取決于基體材料本身和電極材料，通常用的電極材料有TiC、WC、ZrC、NbC、Cr?C?、硬質(zhì)合金等。

 

 

 

 

1

  電火花表面處理技術(shù)過(guò)程

 

 

 

 

圖12是電火花表面處理技術(shù)過(guò)程示意圖。當(dāng)電極與工件之間的距離較大時(shí)，電源經(jīng)電阻R對(duì)電容充電，電極在振動(dòng)器的帶動(dòng)下向工件靠近，如圖12(a)所示；當(dāng)電極與工件之間的間隙接近到某個(gè)距離時(shí)，間隙中的空氣在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下電離，產(chǎn)生火花放電，如圖12(b)所示；當(dāng)電極和工件在發(fā)生放電部分的金屬局部熔化甚至汽化時(shí)，電極繼續(xù)接近工件并與工件接觸，這時(shí)火花放電停止，在接觸點(diǎn)流過(guò)短路電流，使該處繼續(xù)加熱，由于電極以適當(dāng)壓力壓向工件，使熔化的材料相互粘接、擴(kuò)散而形成合金或者新的化合物，如圖12(c)所示；電極在振蕩器的作用下離開(kāi)工件，如圖12(d)所示。

圖12 電火花表面強(qiáng)化過(guò)程示意圖

 

（1）高溫高壓下的物理化學(xué)冶金過(guò)程。電火花放電所產(chǎn)生的高溫使電極材料和工件表面的基體材料局部熔化，氣體受熱膨脹產(chǎn)生的壓力以及稍后電極機(jī)械沖擊力的作用，使電極材料與基體材料熔合并發(fā)生物理和化學(xué)的相互作用，電離氣體元素如氮、氧等的作用，使基體表面產(chǎn)生特殊的合金。

（2）高溫?cái)U(kuò)散過(guò)程。擴(kuò)散過(guò)程既發(fā)生在熔化區(qū)內(nèi)，也發(fā)生在液-固相界上。由于擴(kuò)散時(shí)間非常短，液相元素向基體的擴(kuò)散量有限的，擴(kuò)散層很淺，但是基體與合金層也能達(dá)到較好的冶金結(jié)合。

（3）快速相變過(guò)程。由于熱影響區(qū)的急劇升溫和快速冷卻，使工件基體熔化區(qū)附近部位經(jīng)歷了一次奧氏體化和馬氏體化轉(zhuǎn)變，細(xì)化了晶粒，提高了硬度，并產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有利。

 

 

 

 

 

2

  電火花表面處理技術(shù)的特點(diǎn)

 

 

 

 

（1）優(yōu)點(diǎn)

①設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低；

②強(qiáng)化層與基體的結(jié)合非常牢固；

③工件內(nèi)部不升溫或者升溫很低，無(wú)組織和性能變化，工件不會(huì)退火和變形；

④能耗低，材料消耗少；

⑤對(duì)處理對(duì)象無(wú)大小限制，尤其適合大工件局部處理；

⑥表面強(qiáng)化效果顯著；

⑦可用來(lái)修復(fù)磨損超差的工件；

⑧操作簡(jiǎn)單，容易掌握。

 

（2）缺點(diǎn)

①表面強(qiáng)化層較淺，一般深度僅0.02~0.5mm；

②表面粗糙度不會(huì)很低；

③小孔、窄槽難處理，表層強(qiáng)化層均勻性連續(xù)性較差。

 

 

 

 

03

金屬表面改性技術(shù)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

01

電鍍

1

電鍍的定義及原理

 

 

 

 

電鍍是通過(guò)電解的方法在固體表面上獲得金屬沉積層的過(guò)程。其目的在于改變固體材料的表面特性，改善外觀，提高耐蝕性、抗磨性、減摩性能:制成特定成分和性能的金屬覆蓋層，提供特殊的電、磁、光、熱等表面特性和其他物理性能等。目前電鍍已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)械、交通、能源、航空、船舶、儀表行業(yè)以及輕工日用品的生產(chǎn)制造中。

電鍍?cè)恚簩⒋児ぜ椭绷麟娫吹呢?fù)極相連，將電鍍金屬和直流電源的正極相連，然后把它們一起放入盛有含欲鍍覆的金屬離子鹽溶液的鍍槽中，當(dāng)工件和電鍍金屬間通入直流電流時(shí)，鍍液中的金屬離子將移向陰極，在陰極金屬離子得到電子產(chǎn)生還原反應(yīng)，沉積在工件表面上。作為陽(yáng)極的電鍍金屬將逐漸溶解，不斷補(bǔ)充鍍液中的金屬離子，使電鍍繼續(xù)下去，電鍍?cè)砣鐖D13所示。

圖13 電鍍?cè)韴D

電鍍的目的：獲得不同于基體材料，且具有特殊性能的表面層，提高表面的耐腐蝕性及耐磨性。

鍍層厚度一般為幾微米到幾十微米。

電鍍的特點(diǎn)：電鍍工藝設(shè)備較簡(jiǎn)單，操作條件易于控制，鍍層材料廣泛，成本較低，因而在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，是材料表面處理的重要方法。

 

 

 

 

 

2

鍍層的分類

 

 

 

 

鍍層種類很多，按使用性能分類如下：

(1)防護(hù)性鍍層：電鍍金屬有鋅、鎘、錫及其合金，如鋅鎳、鋅鐵、鋅錫、鋅鈦、錫鎳等，主要用于鋼鐵件在大氣和其他環(huán)境中的防銹及防腐蝕。

(2)防護(hù)-裝飾性鍍層：這類鍍層除要求有較高的耐蝕性外，對(duì)表面裝飾性也有較高要求如汽車、摩托車、機(jī)床、日用品等表面電鍍銅鎳鉻、鎳鉻、雙層鎳鉻、三層鎳鉻和鎳鍍層上鍍仿金等。例如Cu-Ni-Cr鍍層等，既有裝飾性，亦有防護(hù)性。

(3)裝飾性鍍層：例如Au及Cu-Zn仿金鍍層、黑鉻、黑鎳鍍層等。

(4)耐磨和減磨鍍層：例如硬鉻鍍層、松孔鍍層、Ni-Sic鍍層，Ni-石墨鍍層、Ni-PTFE復(fù)合鍍層等。

(5)電性能鍍層：例如Au鍍層、Ag鍍層等，既有高的導(dǎo)電率，又可防氧化，可避免增加接觸電阻。

(6)磁性能鍍層：例如軟磁性能鍍層有Ni-Fe鍍層、Fe-Co鍍層；硬磁性能有Co-P鍍層、Co-Ni鍍層、Co-Ni-P鍍層等。

(7)可焊性鍍層：例如Sn-Pb鍍層、Cu鍍層、Sn鍍層、Ag鍍層等?？筛纳瓶珊感?，在電子工業(yè)中應(yīng)用廣泛。

(8)耐熱鍍層：例如Ni-W鍍層、Ni鍍層、Cr鍍層等，熔點(diǎn)高，耐高溫。

(9)修復(fù)用鍍層：一些造價(jià)較高的易磨損件，或加工超差件，采用電鍍修復(fù)尺寸，可節(jié)約成本，延長(zhǎng)使用壽命。例如可電鍍Ni、Cr、Fe層進(jìn)行修復(fù)。

若按鍍層與基體金屬之間的電化學(xué)性質(zhì)可將其分為：陽(yáng)極性鍍層和陰極性鍍層。當(dāng)鍍層相對(duì)于基體金屬的電位為負(fù)時(shí)，鍍層是陽(yáng)極，稱為陽(yáng)極性鍍層，如鋼上的鍍鋅層；當(dāng)鍍層相對(duì)于基體金屬的電位為正時(shí)，鍍層呈陰極，稱為陰極性鍍層，如鋼上的鍍鎳層、鍍錫層等。

若按鍍層的組合形式分，鍍層可分為：?jiǎn)螌渝儗?，?/span>Zn或Cu層；多層金屬鍍層，例如Cu-Sn/Cr鍍層、Cu/Ni/Cr鍍層等；復(fù)合鍍層，如Ni-Al?O?鍍層、Co-SiC鍍層等。

若按鍍層成分分類，可分為單一金屬鍍層、合金鍍層及復(fù)合鍍層。

 

 

 

 

3

電鍍的鍍前處理和鍍后處理

 

 

 

 

電鍍工藝過(guò)程一般包括鍍前預(yù)處理、電鍍及鍍后處理三個(gè)階段：

(1)鍍前預(yù)處理 

鍍前預(yù)處理是為了得到干凈的金屬表面，為最后獲得高質(zhì)量鍍層做準(zhǔn)備，主要進(jìn)行脫脂、去銹蝕、去灰塵等工作。步驟如下:

1)使表面粗糙度達(dá)到一定要求，可通過(guò)表面磨光、拋光等工藝方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2)去油脫脂可采用溶劑溶解以及化學(xué)、電化學(xué)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3)除銹?？捎脵C(jī)械、酸洗以及電化學(xué)方法除銹。

4)活化處理。一般在弱酸中浸蝕一定時(shí)間進(jìn)行鍍前活化處理

(2)鍍后處理

1)鈍化處理。鈍化處理是指在特定的溶液中進(jìn)行化學(xué)處理，在鍍層上形成堅(jiān)實(shí)細(xì)密穩(wěn)定性高的薄膜表面的處理方法。鈍化使鍍層耐蝕性大大提高，并增加表面光澤和提高抗污染能力。這種方法用途很廣，鍍鋅、鍍銅及鍍銀等后，都可進(jìn)行鈍化處理。2)除氫處理。有些金屬如鋅，在電沉積過(guò)程中，除自身沉積外，還會(huì)析出，這部分氫滲入鍍層中，使鍍件產(chǎn)生脆性，甚至斷裂，所以鍍后應(yīng)進(jìn)行除氫處理，防止氫脆。

 

 

 

 

 

4

電鍍?nèi)芤旱幕窘M成

 

 

 

 

主鹽沉積金屬的鹽類主要有：?jiǎn)嘻}，如硫酸銅、硫酸鎳等；絡(luò)鹽，如鋅酸鈉、氰鋅酸鈉等。

配合劑與沉積金屬離子形成配合物，其主要作用是改變鍍液的電化學(xué)性質(zhì)和控制金屬離子沉積的電極過(guò)程，配合劑是鍍液的重要成分，對(duì)鍍層質(zhì)量有很大影響。常用配合劑有氰化物、氫氧化物、焦磷酸鹽、酒石酸鹽、氨三乙酸、檸檬酸等。

導(dǎo)電鹽其作用是提高鍍液的導(dǎo)電能力，降低槽端電壓提高工藝電流密度。例如鍍鎳液中加入Na?SO?。導(dǎo)電鹽不參加電極反應(yīng)，酸或堿類也可作為導(dǎo)電物質(zhì)。

緩沖劑在弱酸或弱堿性鍍液中，pH值是重要的工藝參量。加入緩沖劑，使鍍液具有自行調(diào)節(jié)pH值能力，以便在施鍍過(guò)程中保持pH值穩(wěn)定。緩沖劑要有足夠量才能有效控制酸堿平衡，一般加入30~40g/L，例如氯化鉀鍍鋅溶液中的硼酸。

陽(yáng)極活化劑在電鍍過(guò)程中金屬離子被不斷消耗，多數(shù)鍍液依靠可溶性陽(yáng)極來(lái)補(bǔ)充，從而使金屬的陰極析出量與陽(yáng)極溶解量相等，保持鍍液成分平衡。加入活性劑能維持陽(yáng)極活性狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生鈍化，保持正常溶解反應(yīng)。例如鍍鎳液中必須加入Cl^-，以防止鎳陽(yáng)極鈍化。

表1 鍍鉻液配方及工藝條件

表2 鍍鎳液的配方及工藝條件

特殊添加劑為改善鍍液性能和提高鍍層質(zhì)量，常需加入某種特殊添加劑。其加入量較少，一般只有幾克每升，但效果顯著。這類添加劑種類繁多，按其作用可分為：

(1)光亮劑—可提高鍍層的光亮度。

(2)晶粒細(xì)化劑—能改變鍍層的結(jié)晶狀況，細(xì)化晶粒，使鍍層致密。例如鋅酸鹽鍍鋅液中，添加環(huán)氧氯丙烷與胺類的縮合物之類的添加劑，鍍層就可從海綿狀變?yōu)橹旅芏饬痢?/span>

(3)整平劑—可改善鍍液微觀分散能力，使基體顯微粗糙表面變平整。

(4)潤(rùn)濕劑—可以降低金屬與溶液的界面張力，使鍍層與基體更好地附著，減少針孔。

(5)應(yīng)力消除劑—可降低鍍層應(yīng)力。

(6)鍍層硬化劑—可提高鍍層硬度。

(7)掩蔽劑—可消除微量雜質(zhì)的影響。

 

 

 

 

 

5

電鍍過(guò)程的基本步驟

 

 

 

 

電鍍過(guò)程的基本步驟包括：液相傳質(zhì)、電化學(xué)還原、電結(jié)晶。

 

 

 

 

 

6

影響電鍍質(zhì)量的因素

 

 

 

 

(1)鍍液：主鹽溶度、配離子、附加鹽；pH值；析氫；電流參數(shù)：電流密度、電流波形；添加劑；溫度；攪拌；基體金屬：性質(zhì)、表面加工狀態(tài)；前處理。

(2)電鍍方式：掛鍍。不能從水溶液中單獨(dú)電鍍的W、Mo、Ti、V等金屬可與鐵族元素(Fe,Co,Ni)共沉積形成合金；從而獲得單一金屬得不到的外觀。

(3)沉積合金的條件：

①兩種金屬中至少有一種金屬能從其鹽的水溶液中沉積出來(lái)。

②共沉積的兩種金屬的沉積電位必須十分接近。

 

 

 

 

 

02

化學(xué)鍍

 

 

 

 

化學(xué)鍍是指在沒(méi)有外電流通過(guò)的情況下，利用化學(xué)方法使溶液中的金屬離子還原為金屬，并沉積在基體表面，形成鍍層的一種表面加工方法。

化學(xué)鍍時(shí)，還原金屬離子所需的電子是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接在溶液中產(chǎn)生。完成過(guò)程有以下三種方式。

 

 

 

 

1

置換沉積

 

 

 

 

利用被鍍金屬M?（如Fe）比沉積金屬M?（如Cu）的電位更負(fù)，將沉積金屬離子從溶液中置換在工件表面上，工程中稱這種方式為浸鍍。當(dāng)金屬M?完全被金屬M?覆蓋時(shí)，則沉積停止，所以鍍層很薄。鐵浸鍍銅，銅浸汞，鋁鍍鋅就是這種置換沉積。浸鍍難以獲得實(shí)用性鍍層，常作為其他鍍種的輔助工藝。

 

 

 

 

 

2

接觸沉積

 

 

 

 

除了被鍍金屬M?和沉積金屬M?外，還有第三種金屬M?。在含有M?離子的溶液中，將M?-M?兩金屬連接，電子從電位高的M?流向電位低的M?，使M?還原沉積在M?上。當(dāng)接觸金屬M?也完全被M?覆蓋后，沉積停止。在沒(méi)有自催化性的功能材料上進(jìn)行化學(xué)鍍鎳時(shí)，常用接觸沉積引發(fā)鎳沉積起鍍。

 

 

 

 

 

3

還原沉積

 

 

 

 

由還原劑被氧化而釋放的自由電子，將金屬離子還原為金屬原子的過(guò)程稱為還原沉積。

其反應(yīng)方程式如下：

還原劑氧化

Rⁿ⁺ → 2^e- + R^{(n + 2)+}

 

金屬離子還原

M²⁺ + 2^e- → M

 

工程上所講的化學(xué)鍍也主要是指這種還原沉積化學(xué)鍍。

 

化學(xué)鍍的條件是以下幾個(gè)方面：

(1)鍍液中還原劑的還原電位要顯著低于沉積金屬的電位，使金屬有可能在基材上被還原而沉積出來(lái)。

(2)配好的鍍液不產(chǎn)生自發(fā)分解，當(dāng)與催化表面接觸時(shí)，才發(fā)生金屬沉積過(guò)程。

(3)調(diào)節(jié)溶液的pH值、溫度時(shí)，可以控制金屬的還原速率，從而調(diào)節(jié)鍍覆速率。

(4)被還原析出的金屬也具有催化活性，這樣氧化還原沉積過(guò)程才能持續(xù)進(jìn)行，鍍層才能連續(xù)增厚。

(5)反應(yīng)生成物不妨礙鍍覆過(guò)程的正常進(jìn)行，即溶液有足夠的使用壽命。

化學(xué)鍍鍍覆的金屬及合金種類較多，如Ni-P、Ni-B、Cu、Ag、Pd、Sn、In、Pt、Cr及多種Co基合金等，但應(yīng)用最廣的是化學(xué)鍍鎳和化學(xué)鍍銅?；瘜W(xué)鍍層一般具有良好的耐蝕性、耐磨性、釬焊性及其他特殊的電學(xué)或磁學(xué)等性能，所以該種表面處理工藝能很好的完善材料的表面性能。

 

 

 

 

 

03

熱噴涂技術(shù)、熱噴焊技術(shù)

 

 

 

 

熱噴涂技術(shù)、熱噴焊技術(shù)都是利用熱能（如氧-乙炔火焰、電弧、等離子火焰等）將具有特殊性能的涂層材料熔化后涂敷在工件上形成涂層的技術(shù)。具有可以制備比較厚的涂層(0.1~10mm)的特點(diǎn)，主要應(yīng)用在制造復(fù)合層零件修復(fù)。

 

 

 

 

 

1

熱噴涂技術(shù)

 

 

 

 

(1)熱噴涂技術(shù)原理與特點(diǎn)

采用各種熱源使涂層材料加熱熔化或半熔化，然后用高速氣體使涂層材料分散細(xì)化并高速撞擊到基體表面，從而形成涂層的工藝過(guò)程，如圖14所示。

圖14 熱噴涂的基本過(guò)程示意圖

 

熱噴涂過(guò)程主要包括：噴涂材料的熔化；噴涂材料的霧化；噴涂材料的飛行；粒子的沖擊、凝固。

 

(2) 涂層材料

熱噴涂對(duì)涂層材料有一定的要求，需滿足的條件：有較寬的液相區(qū)，在噴涂溫度下不易分解或揮發(fā)；熱穩(wěn)定性好；使用性能好；潤(rùn)濕性好；固態(tài)流動(dòng)性好（粉末）；熱膨脹系數(shù)合適。涂層材料按照噴涂材料的形狀可分為線材和粉末。

 

(3) 熱噴涂涂層的結(jié)合機(jī)理

①機(jī)械結(jié)合：熔融態(tài)的粒子撞擊到基材表面后鋪展成扁平狀的液態(tài)薄層，嵌合在起伏不平的表面，并形成機(jī)械結(jié)合。

②冶金結(jié)合：涂層與基體表面出現(xiàn)擴(kuò)散和焊合，稱為冶金結(jié)合。

③物理結(jié)合：當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的熔融粒子撞擊基體表面后，若界面兩側(cè)的距離在原子晶格常數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，粒子之間依靠范德華力結(jié)合在一起。

 

(4) 涂層的形成過(guò)程

①噴涂材料被加熱到熔融狀態(tài)；

②噴涂材料被霧化成微小熔滴并高速撞擊基體表面，撞擊基體的顆粒動(dòng)能越大和沖擊變形越大，形成的涂層結(jié)合越好；

③熔融的高速粒子在沖擊基材表面后發(fā)生變形，冷凝后形成涂層。

涂層的形成過(guò)程如圖15所示。

圖15 涂層形成過(guò)程示意圖

 

涂層結(jié)構(gòu)是由大小不一的扁平顆粒、未熔化的球形顆粒、夾雜和孔隙組成?？紫洞嬖诘脑颍何慈刍w粒的低沖擊動(dòng)能；噴涂角度不同時(shí)造成的遮蔽效應(yīng)；凝固收縮和應(yīng)力釋放效應(yīng)。適當(dāng)?shù)目紫犊梢詢?chǔ)存潤(rùn)滑劑、提高涂層的隔熱性能、減小內(nèi)應(yīng)力以及提高涂層的抗熱震性等，但是過(guò)多的孔隙將會(huì)破壞涂層的耐腐蝕性能、增加涂層表面的粗糙度，從而降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度、硬度、耐磨性，所以在涂層的制備過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制孔隙的數(shù)量。

 

 

 

 

 

2

熱噴焊技術(shù)

 

 

 

 

(1)熱噴焊技術(shù)的原理及特點(diǎn)

熱噴焊技術(shù)是采用熱源將涂層材料在基體表面重新熔化或部分熔化，并凝結(jié)于基體表面，形成與基體具有冶金結(jié)合的表面層的一種表面冶金強(qiáng)化方法，也稱為熔結(jié)。相比于其他表面處理工藝，熱噴焊所得的組織致密，冶金缺陷很少，與基體結(jié)合強(qiáng)度高，但是所用材料的選擇范圍窄，基材的變形比熱噴涂大得多，熱噴焊層的成分與原始成分有一定差別等局限性。

 

(2)熱噴焊技術(shù)的分類熱噴焊技術(shù)主要有火焰噴焊、等離子噴焊等。

①火焰噴焊：先在基體表面噴粉，再對(duì)涂層用火焰直接加熱，使涂層在基體表面重新熔化，基體的表面完全潤(rùn)濕，界面有相互的元素?cái)U(kuò)散，形成牢固的冶金結(jié)合。

火焰噴焊特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單；工藝簡(jiǎn)單；涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高；涂層的耐沖蝕磨損性能好。

②等離子噴焊：以等離子弧作為熱源加熱基體，使其表面形成熔池，同時(shí)將噴焊粉末材料送入等離子弧中，粉末在弧柱中得到預(yù)熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)，被焰流噴射至熔池后，充分熔化并排出氣體和熔渣，噴槍移開(kāi)后合金熔池凝固，最終形成噴焊層。

等離子噴焊的特點(diǎn)：生產(chǎn)效率高；可噴焊難熔材料、稀釋率低、工藝穩(wěn)定性好、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、噴焊層平整光滑、成分及組織均勻，涂層厚度更大且試驗(yàn)過(guò)程可精確控制。

 

(3)熱噴焊技術(shù)與熱噴涂技術(shù)的區(qū)別

①工件表面溫度：噴涂時(shí)工件表面溫度＜250℃；噴焊要＞900℃。

②結(jié)合狀態(tài)：噴涂層以機(jī)械結(jié)合為主；噴焊層是冶金結(jié)合。

③粉末材料：噴焊用自熔性合金粉末，噴涂粉末不受限制。

④涂層結(jié)構(gòu)：噴涂層有孔隙，噴焊層均勻致密無(wú)孔隙。

⑤承載能力：噴焊層可承受沖擊載荷和較高的接觸應(yīng)力。

⑥稀釋率：噴焊層的稀釋率約5%~10%,噴涂層的稀釋率幾乎為零。

 

 

 

 

 

04

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)

 

 

 

 

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)就是通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)手段，使金屬表面形成穩(wěn)定的化合物膜層的工藝過(guò)程。

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)，主要用于工件的防腐和表面裝飾，也可用于提高工件的耐磨性能等方面。它是利用某種金屬與某種特定的腐蝕液相接觸，在一定條件下兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由于濃差極化作用和陰、陽(yáng)極極化作用等，在金屬表面上形成一層附著力良好的、難溶的腐蝕生成物膜層。這些膜層，能保護(hù)基體金屬不受水和其他腐蝕介質(zhì)的影響，也能提高對(duì)有機(jī)涂膜的附著性和耐老化性。在生產(chǎn)中，采用的轉(zhuǎn)化膜技術(shù)主要有和磷化處理和氧化處理。

 

 

 

 

 

1

磷化處理

 

 

 

 

磷化是將鋼鐵材料放入磷酸鹽的溶液中，獲得一層不溶于水的磷酸鹽膜的工藝過(guò)程。

鋼鐵材料磷化處理工藝過(guò)程如下：化學(xué)除油→熱水洗→冷水洗→磷化處理→冷水洗→磷化后處理→冷水洗→去離子水洗→干燥。

磷化膜由磷酸鐵、磷化錳、磷酸鋅等組成，呈灰白或灰黑色的結(jié)晶。膜與基體金屬結(jié)合非常牢固，并具有較高的電阻率。與氧化膜相比，磷化膜有較高的抗腐蝕性，特別是在大氣、油質(zhì)和苯介質(zhì)中均有很好耐腐蝕性，但在酸、堿、氨水、海水及水蒸氣中的耐腐蝕性較差。

磷化處理的主要方法為浸漬法、噴淋法和浸噴組合法。根據(jù)溶液溫度不同，磷化又分為室溫磷化、中溫磷化和高溫磷化。

浸漬法適用于高溫、中溫和低溫磷化工藝，可處理任何形狀的工件，并可獲得不同厚度的磷化膜，且設(shè)備簡(jiǎn)單，質(zhì)量穩(wěn)定。厚磷化膜主要用于工件的防腐處理和增強(qiáng)表面的減摩性。噴淋法適用于中溫和低溫磷化工藝，可以處理面積大的工件，如汽車殼體、電冰箱、洗衣機(jī)等大型工件作為油漆底層和冷變形加工等。這種方法處理時(shí)間短，成膜速度快，但只能獲得較薄和中等厚度的磷化膜。

 

 

 

 

 

2

氧化處理

 

 

 

 

(1)鋼鐵的氧化處理

鋼鐵的氧化處理也稱發(fā)藍(lán)，是將鋼鐵工件放入某些氧化性溶液中，使其表面形成厚度約為0.5~1.5μm致密而牢固的Fe₃O₄薄膜的工藝方法。發(fā)藍(lán)通常不影響零件的精密度，常用于工具、儀器的裝飾防護(hù)。它能提高工件表面的抗腐蝕能力，有利于消除工件的殘余應(yīng)力，減少變形，還能使表面光澤美觀。氧化處理以堿性法應(yīng)用最多。

鋼鐵的氧化處理所用溶液成分和工藝條件，可根據(jù)工件材料和性能要求確定。常用溶液由為500g/L的氫氧化鈉、200g/L的亞硝酸鈉和余量水組成，在溶液溫度為140℃左右時(shí)處理6~9min。

 

(2)鋁及鋁合金的氧化處理

①陽(yáng)極氧化法

陽(yáng)極氧化法是將工件置于電解液中，然后通電，得到硬度高、吸附力強(qiáng)的氧化膜的方法。常用的電解液有濃度為15％~20％的硫酸、3％~10％的鉻酸、2％~10%的草酸。陽(yáng)極氧化膜可用熱水煮，使氧化膜變成含水氧化鋁，因體積膨脹而封閉。也可用重鉻酸鉀溶液處理而封閉，以阻止腐蝕性溶液通過(guò)氧化膜結(jié)晶間隙腐蝕基體。

②化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是將工件放入弱堿或弱酸的溶液中，獲得與基體鋁結(jié)合牢固的氧化膜的方法。主要用于提高工件的抗腐蝕性和耐磨性，也用于鋁及鋁合金的表面裝飾，如建筑用的防銹鋁，標(biāo)牌的裝飾膜等。

 

 

 

 

 

05

氣相沉積技術(shù)

 

 

 

 

氣相沉積技術(shù)是指將含有沉積元素的氣相物質(zhì)，通過(guò)物理或化學(xué)的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術(shù)。根據(jù)沉積過(guò)程的原理不同，氣相沉積技術(shù)可分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩大類。

 

 

 

 

 

1

物理氣相沉積

 

 

 

 

物理氣相沉積(PVD)是指在真空條件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過(guò)氣相過(guò)程，在材料表面沉積一層薄膜的技術(shù)。物理沉積技術(shù)主要包括真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍3種基本方法。

真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。根據(jù)蒸鍍材料熔點(diǎn)的不同，其加熱方式有電阻加熱、電子束加熱、激光加熱等多種。真空蒸鍍的特點(diǎn)是設(shè)備、工藝及操作簡(jiǎn)單，但因汽化粒子動(dòng)能低，鍍層與基體結(jié)合力較弱，鍍層較疏松，因而耐沖擊、耐磨損性能不高。

濺射鍍是在真空下通過(guò)輝光放電來(lái)電離氬氣，產(chǎn)生的氬離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊陰極，被濺射下來(lái)的粒子沉積到工件表面成膜的方法；其優(yōu)點(diǎn)是氣化粒子動(dòng)能大、適用材料廣泛（包括基體材料和鍍膜材料）、均鍍能力好，但沉積速度慢、設(shè)備昂貴。

離子鍍是在真空下利用氣體放電技術(shù)，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時(shí)產(chǎn)生的大量高能中性粒子一起沉積到工件表面成膜的方法。其特點(diǎn)是鍍層質(zhì)量高、附著力強(qiáng)、均鍍能力好、沉積速度快，但存在設(shè)備復(fù)雜、昂貴等缺點(diǎn)。

物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡(jiǎn)單、省材料、無(wú)污染；獲得的膜層膜基附著力強(qiáng)、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點(diǎn)。已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、電子、光學(xué)和輕工業(yè)等領(lǐng)域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、光學(xué)、磁性、壓電、滑潤(rùn)超導(dǎo)等薄膜。

 

 

 

 

 

2

化學(xué)氣相沉積

 

 

 

 

化學(xué)氣相沉積(CVD)是指在一定溫度下，混合氣體與基體表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。

化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)是：沉積物種類多，可分為沉積金屬、半導(dǎo)體元素、碳化物、氮化物、硼化物等；并能在較大范圍內(nèi)控制膜的組成及晶型；能均勻涂敷幾何形狀復(fù)雜的零件；沉積速度快，膜層致密，與基體結(jié)合牢固；易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

由于化學(xué)氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學(xué)、光學(xué)等特殊性能，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域。