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第七章表面改性技术表面改性是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。表面改性处理目的：既能发挥基体材料的力学性能；又能使材料表面获得各种特殊性能如耐磨，耐腐蚀，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等。表面改性技术的作用：可以掩盖基体材料表面的缺陷；延长材料和构件的使用寿命；节约稀、贵材料；节约能源，改善环境；对各种高新技术的发展具有重要作用。一、表面形变强化原理表面形变强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。基本原理:通过机械手段(滚压、内挤压和喷丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达0.5mm—1.5mm。7.1金属表面形变强化在此形变硬化层中产生两种变化：1.在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；2.形成了高的宏观残余压应力。表面压应力防止裂纹在受压的表层萌生和扩展。在大多数材料中这两种机制并存。在软质材料情况下第一种机制占优势；在硬质材料的情况下第二种机制起主导作用。经喷丸和滚压后，金属表面产生的残余压应力的大小，不但与强化方法、工艺参数有关，还与材料的晶体类型、强度水平以及材料在单调拉伸时的硬化率有关。具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点的2-4倍。材料的硬化率越高，产生的残余压应力越大。此外，一些表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。二、表面形变强化的主要方法及应用(一)表面形变强化的主要方法表面形变强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。强化效果显著，成本低廉。常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺,尤以喷丸强化应用最为广泛。1．滚压目前，滚压强化用的滚轮、滚压力大小等尚无标准对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在表面产生约5mm深的残余压应力。表面滚压强化示意图2．内挤压内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。3．喷丸喷丸是国内外广泛应用的一种再结晶温度以下的表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件；可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀(孔蚀)能力。(二)喷丸表面形变强化工艺及应用1．喷丸材料(1)铸铁弹丸(2)铸钢弹丸(3)钢丝切割弹丸(4)玻璃弹丸(5)陶瓷弹丸(6)聚合塑料弹丸应当指出，强化用的弹丸与清理、成型、校形用的弹丸不同，必须是圆球形，不能有棱角毛刺，否则会损伤零件表面。一般来说，黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属如铝合金、镁台金、钛合金和不锈钢制件则需采用不锈钢九、玻璃丸和陶瓷丸。2．喷丸强化用的设备喷丸采用的专用设备，按驱动弹丸的方式可分为机械离心式喷丸机和气动式喷丸机两大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷式工作条件差，湿喷式是将弹丸混合在液态中成悬浮状，然后喷丸，因此工作条件有所改善。(1)机械离心式喷丸机机械离心式喷丸机又称叶轮式喷丸机或抛丸机。工作时，弹丸由高速旋转的叶片和叶轮离心力加速抛出。弹丸的速度取决于叶轮转速和弹丸的重量。3.表面形变强化的应用喷丸强化的应用实例(1)20CrMnTi圆辊渗碳淬火回火后进行喷丸处理，残余压应力为-880MPa，寿命从55万次提高到150-180万次。(2)液体火箭推进剂容器的钛制零部件未喷丸强化时，在40℃下使用14h就发生应力腐蚀破坏；容器内表面经玻璃珠喷丸强化后，在同样条件下试验30天还没有产生破坏。此外，喷丸和其他形变强化工艺在汽车工业中的变速箱齿轮、宇航飞行器的焊接齿轮、喷气发动机的铬镍铁合金(Inconel718)涡轮盘等制造中获得应用。表面热处理是指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。当工件表面层快速加热时，工件截面上的温度分布是不均匀的，工件表层温度高且由表及里逐渐降低。如果表面的温度超过相变点以上达到奥氏体状态时，随后的快冷可以获得马氏体组织，而心部仍保留原组织状态，从而得到硬化的表面层，即通过表面层的相变达到强化工件表面的目的7.2表面热处理表面淬火在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。表面热处理工艺包括：感应加热表面淬火火焰加热表面淬火接触电阻加热表面淬火浴炉加热表面淬火电解液加热表面淬火高密度能量的表面淬火表面保护热处理等火焰加热感应加热表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。轴的感应加热表面淬火1.表面淬火用材料⑴0.4-0.5%C的中碳钢。含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；⑵铸铁提高其表面耐磨性。机床导轨表面淬火齿轮2、预备热处理⑴工艺：对于结构钢为调质或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。⑵目的:①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织。回火索氏体索氏体3、表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200℃。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。4、表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。感应加热表面淬火感应淬火机床5、表面淬火常用加热方法⑴感应加热:利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。一、感应加热表面淬火(一)感应加热表面处理的基本原理生产中常用工艺是高频和中频感应加热淬火。近年来又发展了超音频、双频感应加热淬火工艺。1．感应加热的物理过程将工件放在感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并由于集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度Ac3或Accm之上，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表层获得马氏体。2．感应电流透入深度感应电流透入深度，即从电流密度最大的表面到电流值为表面的1/e(e＝2.718)处的距离，可用Δ表示。Δ的值(单位为m)可根据下式求出：式中，f为电流频率的值(Hz)3．硬化层深度硬化层深度总小于感应电流透入深度。这是由于工件内部传热能力较大所致。即频率越高，涡流分布越陡，接近电流透入深度处的电流强度越小，发出的热量也就比较小，又以很快的速度将部分热量传入工件内部，因此在电流透入深度处不一定达到奥氏体化温度，所以也不可能硬化。如果延长加热时间，实际硬化层深度可以有所增加。实际上，感应加热表面淬火硬化层深度取决于加热层深度、淬火加热温度、冷却速度和材料本身淬透性等因素。4．感应加热表面淬火后的组织和性能感应加热表面淬火获得的表面组织呈细小隐晶马氏体，碳化物呈弥散分布，表面硬度比普通淬火的高2HRC—3HRC，耐磨性也提高，这是因快速加热时在细小的奥氏体内有大量亚结构残留在马氏体中所致。喷水冷却时，这种差别会更大。表层因相变体积膨胀而产生压应力，降低缺口敏感性，大大提高疲劳强度。感应加热表面淬火工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳定。感应加热表面淬火加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化和自动化。(二)中、高频感应加热表面热处理感应加热是一种用途极广的热处理加热方法，可用于退火、正火、淬火、各种温度范围的回火以及各种化学热处理。选择功率密度要根据零件尺寸及其淬火条件而定。电流频率越低、零件直径越小及所要求的硬化层深度越小，则所选择的功率密度值应越大。高频淬火常用于零件直径较小、硬化层深度较浅的场合；中频淬火常用在大直径工件和硬化层深度较深的场合。二、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是应用氧一乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，随后淬火冷却的工艺。与感应加热表面淬火等方法相比，具有设备简单，操作灵活，适用钢种广泛，零件表面清洁、一般无氧化和脱碳、畸变小等优点。常用于大尺寸和重量大的工件，尤其适用于批量少品种多的零件或局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、轧辊和导轨等。但加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，混合气体不够安全，不易获得薄的表面淬火层。三、接触电阻加热表面淬火接触电阻加热表面淬火是利用触头(铜滚轮或碳棒)和工件间的接触电阻使工件表面加热，并依靠自身热传导来实现冷却淬火。这种方法设备简单，操作灵活，工件变形小，淬火后不需回火。接触电阻加热表面淬火能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄(0.15mm～0.30mm)，金相组织及硬度的均匀性都较差，目前多用于机床铸铁导轨的表面淬火，也用于汽缸套、曲轴、工模具等的淬火。四、高密度能量的表面淬火高密度能量包括激光、电子束、等离子体和电火花等。一、概述(一)金属表面化学热处理过程金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。基本工艺过程是：首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解(包括活性组分向工件表面扩散以及界面反应产物向介质内部扩散)井释放出欲渗入元素的活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。7.3金属表面化学热处理(二)金属表面化学热处理的目的(1)提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。渗氮可使金属表面硬度达到950HV-1200HV；渗硼可使金属表面硬度达到1400HV—2000HV等，因而工件表面具有极高的耐磨性。(2)提高材料疲劳强度如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变使体积发生变化，导致表层产生很大的残余压应力，从而提高疲劳强度。(3)使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。(4)提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗铝等。(三)化学热处理渗层的基本组织类型(1)形成单相固溶体如渗碳层中的α铁素体相等。(2)形成化合物如渗氮层中的ε相(Fe2-3N)，渗硼层中Fe2B等。(3)化学热处理后，一般可同时存在固溶体、化合物的多相渗层。(四)化学热处理后的性能化学热处理后的金属表层、过渡层与心部在成分、组织和性能上有很大差别。强化效果不仅与各层的性能有关，而且还与各层之间的相互联系有关。如渗碳的表面层碳含量及其分布，渗碳层深度和组织等均可影响材料渗碳后的性能。(五)化学热处理种类根据渗入元素的介质所处状态不同，化学热处理可分以下几类：(1)固体法：包括粉末填充法、膏剂涂覆法、电热旋流法，覆盖层(电镀层、喷镀层等)扩散法等。(2)液体法：包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。(3)气体法：包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。(4)等离子法。二、渗碳、渗氮、碳氮共渗渗碳、渗氮、碳氮共渗等可提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度，在工业中有十分广泛的应用。(一)渗碳、碳氮共渗1．结构钢的渗碳结构钢经渗碳后，能使零件工作表面获得高的硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。2．高合金钢的渗碳目前高合金钢(主要是一些高铬钢、工具钢等)的渗碳越来越受到重视。工具钢经渗碳后，其表面具有高强度、高耐磨性和高热硬性。与传统的模具钢制造的下具相比，寿命可得到提高。3．碳氮共渗液体碳氮共渗以往称氰化。碳氮共渗比渗碳温度低(700℃～880℃)，变形小、且由于氮的渗入提高了渗碳速度和耐磨性。常用的渗碳方法有三种：(1)气体渗碳气体渗碳是目前生产中应用最为广泛的一种渗碳方法，它是在含碳的气体介质中通过调节气体渗碳气氛来实现渗碳目的的。工业上一般有井式炉滴注式渗碳和贯通式气体渗碳两种。(2)盐浴渗碳液体渗碳是将被处理的零件浸入盐浴渗碳剂中，通过加热使渗碳剂分解出活性的碳原子来进行渗碳。(3)固体渗碳固体渗碳是一种传统的渗碳方