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文檔簡介

1,過去的10多年中,在表面工程的研究領域 取得了長足的進展,主要表現(xiàn)在以下幾個方 面: (1)傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化 (比如,電鍍及化學 鍍、表面堆焊、熱噴涂及化學熱處理); (2)現(xiàn)代技術的工業(yè)化應用(比如,CVD及 PVD、等離子化學熱處理、等離子噴涂及離 子注入); (3)新型混合工藝的出現(xiàn)(比如,等離子浸 沒離子注入及等離子源離子注入);,第八章 材料復合表面處理技術,2,(4)新型表面涂層材料的涌現(xiàn)(比如,金剛石及類金剛石涂層)。 單一的表面處理工藝盡管能夠改善工件的 耐磨性、耐腐蝕性及疲勞強度;但每一種表 面處理工藝均具有自身的優(yōu)點及一定的局限 性,現(xiàn)代機械設備的發(fā)展對零、部件的使用 性能提出了越來越高的要求,應用單一的表 面處理工藝已難以滿足這些要求,在這種背 景之下,第二代表面處理工藝或稱復合表面 處理工藝就應運而生了。,第八章 材料復合表面處理技術,3,復合表面處理就是同時使用兩種或兩種以上 的表面處理工藝以達到進一步強化表面性能目 的。目前已開發(fā)的一些復合表面處理如等離噴 涂與激光輻照復合、熱噴涂與噴丸復合、化熱 處理與電鍍復合、激光淬火與化學熱處理復合、 化學熱處理與氣相沉積復合等,已經取得良效 果,有的還收到意想不到的效果。如對滲硼進 行激光微熔處理,不僅能細化硼化物,獲得小 的共晶,而且使表層組織致密,較大幅度提韌 性和耐磨性。,第八章 材料復合表面處理技術,4,復合表面處理技術的主要作用是: 改善摩擦學性能 使極小磨損率與較厚耐磨 層并存,增強復雜應力條件下的摩擦學性 能,從而提高材料的使用性能。 提高防腐蝕性能 提高材料表面的正電位, 減少疏松或孔隙,覆蓋住材料表面的微觀粗 糙度,避免表面與基體之間產生類柱狀晶組 織,使膜層厚度與耐蝕性之間達到最佳組 成,從而大幅度提高耐蝕性。,第八章 材料復合表面處理技術,5,增加表面裝飾性 材料耐磨性和耐蝕性的有 機結合增加了材料表面層的持久性和多色澤 的組合,達到理想的裝飾性效果。 改進施工工藝性 用作塑料金屬化處理(表 面導電性處理)、印刷電路板制作,油漆底 層等,增強表面處理層的附著性和工藝效果 (如導電性好,結合強度高,油漆表面光 澤,漆膜耐蝕性強等)。,第八章 材料復合表面處理技術,6,根據(jù)兩種單一工藝之間的相互作用以及其 對復合涂層綜合性能的相對貢獻,復合表面 處理工藝大致可以分為兩類: (1)兩種單一工藝互補,綜合性能由兩者共 同產生; (2)一種工藝遞補或增強另一種工藝,即作 為前處理或后處理工藝,其綜合性能主要與 其中一種工藝有關。滲氮鋼的PVD處理是第 一類工藝的典型代表;而噴涂涂層的電子束 表面重熔則是第二類工藝的典型代表。,第八章 材料復合表面處理技術,7,化學熱處理薄膜復合工藝 在表面復合處理技術中,化學熱處理工藝 主要是對工件進行氣體氮化、離子氮化及氮 碳共滲。 1氮化薄膜復合工藝 將氮化與薄膜技術結合起來對鋼作表面處 理,可進一步改善材料的摩擦學性能,從而 提高其承載能力。,第八章 材料復合表面處理技術,8,化學熱處理薄膜復合工藝 1氮化薄膜復合工藝 將氮化與薄膜技術結合起來對鋼作表面處 理,可進一步改善材料的摩擦學性能,從而 提高其承載能力。由于氮化后的鋼表面有較 深的硬化層(0.3mm),具有一定的硬度、 耐磨性和殘余壓應力,構成了TiN、CrN等超 硬薄膜的理想支承體,其承載能力遠遠超過 單一超硬薄膜或氮化物層。,第八章 材料復合表面處理技術,9,化學熱處理薄膜復合工藝 1氮化薄膜復合工藝 同時,因為增加了硬化層的總厚度,減少 了從TiN、CrN表面到鋼基體之間的硬度梯 度,使得材料表面的耐腐蝕性、耐磨性、滾 動接觸疲勞強度和TiN、CrN層的附著性能都 大為提高。,第八章 材料復合表面處理技術,10,化學熱處理薄膜復合工藝 2. 離子氮化激光相變硬化 離子氮化和激光相變硬化是提高材料表面 耐磨性的十分實用而有效的兩種表面處理技 術,將這兩種技術相結合形成的離子氮化 激光相變硬化復合處理技術顯示出良好的應 用發(fā)展前景。,第八章 材料復合表面處理技術,11,化學熱處理薄膜復合工藝 2. 離子氮化激光相變硬化 對42CrMo鋼進行的試驗研究表明:復合處 理的表面硬度及硬化層深度分別為950HV及 0.46mm,遠遠高于單一離子氮化和單一激光 相變硬化的表面硬度及硬化層深度;其耐磨 性比單一離子氮化提高75%,比單一激光相 變硬化提高38%。,第八章 材料復合表面處理技術,12,化學熱處理薄膜復合工藝 3. 氮碳共滲氧化/氧化拋光/復合工藝 氮碳共滲氧化/氧化/拋光復合工藝的處理 過程包括五個步驟: (1)工件在350左右預熱,保溫時間視 工件而定。 (2)在570進行氮碳共滲,保溫時間一 般在30120分鐘。,第八章 材料復合表面處理技術,13,化學熱處理薄膜復合工藝 3. 氮碳共滲氧化/氧化拋光/復合工藝 (3)氮碳共滲后將工件立即移至380左右 的氧化性鹽浴中直接保溫20分鐘左右。 (4)工件輕度機械拋光獲得要求的表面粗糙 度。 (5)再次在氧化性鹽浴中浸漬20分鐘左右。 氮碳共滲可使鋼制零件表面形成一層15 20m的相化合物層;,第八章 材料復合表面處理技術,14,化學熱處理薄膜復合工藝 3. 氮碳共滲氧化/拋光/氧化復合工藝 隨后的氧化能夠在試樣表面形成一層Fe3O4 氧化膜,同時增加工件的尺寸穩(wěn)定性;拋光 的目的是為了降低因氮碳共滲及氧化而產生 的表面粗糙度的增加;但拋光往往會使耐蝕 性下降,因而最后再進行一次氧化處理,以 便在工件表面形成一層均勻、致密、堅實的 Fe3O4薄膜。,第八章 材料復合表面處理技術,15,第八章 材料復合表面處理技術,實驗結果則說明,在比較低的載荷下(400N)氮碳共滲及復合氮碳共滲的耐磨性不如調質處理的45鋼,其原因在于載荷比較低時,摩擦界面溫升很小,潤滑狀態(tài)良好,因而,氮碳共滲及復合氮碳共滲均未顯示出它們所固有的良好的減摩及耐磨特性。這一結果對正確選擇氮碳共滲處理工藝具有一定的指導價值。,16,化學熱處理薄膜復合工藝 3. 氮碳共滲氧化/拋光/氧化復合工藝 試驗還表明,復合處理的45鋼耐磨性也遠 遠超過鍍硬鉻、鍍鋅及化學鍍鎳。其中鍍硬 鉻件及鍍鋅件在磨損試驗過程中很短時間內 便出現(xiàn)剝落,因此磨損十分嚴重。 復合工藝處理后的工件具有氮化及氧化二 層抗蝕性很好的滲層,因此該工藝具有很好 的耐蝕性。,第八章 材料復合表面處理技術,17,化學熱處理薄膜復合工藝 3. 氮碳共滲氧化/拋光/氧化復合工藝 氮碳共滲氧化/氧化/拋光復合工藝可以對 各種結構鋼、工具鋼、純鐵、鑄鐵、不銹鋼 及粉末冶金件進行表面處理,用于替代滲碳 淬火、高頻淬火、鍍硬鉻、鍍鋅、化學鍍 鎳、鍍鋅磷化涂MoS2等處理工藝,可廣泛應 用于汽車、輕紡、石油、化工、農機、煤 礦、工程等機械以及工、模具等各種耐磨、 抗蝕、耐疲勞等零件。,第八章 材料復合表面處理技術,18,第八章 材料復合表面處理技術,19,第八章 材料復合表面處理技術,20,第八章 材料復合表面處理技術,21,第八章 材料復合表面處理技術,22,化學熱處理薄膜復合工藝 4. 氮碳共滲化學鍍鎳 將氮碳共滲和化學鍍鎳兩種工藝進行復 合,則形成了一種低溫滲鍍復合強化新技 術。經滲鍍復合強化的零件,其有效硬化層 深度增加,表面硬度比單一的共滲層高;因 表面化合物層疏松所造成的硬度和耐蝕性下 降得到了改善和提高;由于低于相變溫度處 理,零件變形很小。,第八章 材料復合表面處理技術,23,化學熱處理薄膜復合工藝 4. 氮碳共滲化學鍍鎳 零件有效硬化層深度增加提高了對載荷和 沖擊的承受能力。對低溫滲鍍復合強化進行 試驗研究表明:滲鍍層分布均勻,鍍層與滲 層結合良好,化合物層擴散層鍍層的厚 度達0.350.45mm,表面顯微硬度達750HV 左右。經滲鍍復合強化的零件,有效硬化層 深度比單一的氮碳共滲增加近一倍,表面硬 度也比共滲表層高200HV左右。,第八章 材料復合表面處理技術,24,化學熱處理薄膜復合工藝 4. 氮碳共滲化學鍍鎳 共滲后鍍鎳磷,通過活化和鎳磷原子填 入,大大降低了化合物疏松程度對表面質量 的影響。鹽霧試驗表明,滲鍍復合強化后的 零件表面耐蝕性優(yōu)于單一的氮碳共滲。 生產應用表明:對于要尺寸精度高、表面 耐磨的鋼鐵零件,采用滲鍍復合處理,解決 了零件變形問題,同時又增加了表面度和耐 磨性,提高了使用性能。,第八章 材料復合表面處理技術,25,7.1 化學熱處理薄膜復合工藝 4. 氮碳共滲化學鍍鎳 對要求尺寸精度高、表面耐磨的鋼鐵零 件,采用滲鍍復合強化處理,解決了零件變 形問題,同時又增加了表面硬度和耐磨性, 提高了使用壽命,已經在生產上獲得了應 用。,第八章 材料復合表面處理技術,26,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 1. 電鍍薄膜復合工藝 它主要是滿足材料更高的耐腐蝕性和特殊 工藝的要求。 PVD和CVD沉積層硬度高,耐磨性好,一 般正電位也較高,十分耐蝕。由于這類沉積 層通常僅幾個微米厚,不足以覆蓋基體表面 的粗糙度和其他一些缺陷,從而存在腐蝕的 隱患,最終導致局部腐蝕。,第八章 材料復合表面處理技術,27,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 1. 電鍍薄膜復合工藝 另外,由于沉積層定向生長、形成的纖維 狀沉積層結構所產生的晶界增大了電解液向 內的擴散速度,也使材料的整體耐蝕性下 降。若要增加超硬沉積層厚度,形成致密無 缺陷的表面,就目前PVD、CVD技術而言還 難以實現(xiàn),況且也不經濟。,第八章 材料復合表面處理技術,28,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 1. 電鍍薄膜復合工藝 相比之下,電鍍技術卻具有很高的沉積速 率,易于形成厚而平整的耐蝕沉積層,只是 無法達到PVD、CVD沉積層那么高的硬度和 耐磨性。因此,將二者結合起來能滿足材料 某些特殊的耐磨性和耐蝕性要求。,第八章 材料復合表面處理技術,29,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 1. 電鍍薄膜復合工藝 相比之下,電鍍技術卻具有很高的沉積速 率,易于形成厚而平整的耐蝕沉積層,只是無 法達到PVD、CVD沉積層那么高的硬度和耐磨 性。因此,將二者結合起來能滿足材料某些特 殊的耐磨性和耐蝕性要求。 復合處理層的耐腐蝕性明顯高于單一電鍍鎳 層(它在相當小的腐蝕電流下就出現(xiàn)鈍化現(xiàn) 象)。由于復合處理層與沉積金屬之間有較好 的相容性,因而它的摩擦學性能十分理想。,第八章 材料復合表面處理技術,30,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 1. 電鍍薄膜復合工藝 由于PVD沉積層的顏色可以從金黃色到黑 色逐漸變化(主要是 BB元素的氮化 物、碳化物或碳氮化物),電鍍與之結合可 以用于耐蝕性和耐磨性要求極高的裝飾性表 面。電鍍鎳鍍鉻,再經PVD沉積能消除鍍 鉻層網狀裂紋對鍍層光澤的不良影響,成為 一種較為經濟的裝飾鍍工藝。,第八章 材料復合表面處理技術,31,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 1. 電鍍薄膜復合工藝 薄膜技術原則上可以沉積任何物質。因 此,它可以在一些難以電鍍或無法電鍍的材 料上沉積表面保護層,如在某些塑料表面沉 積金屬膜,實現(xiàn)塑料金屬化,也可沉積W、 Ti、TiN等膜層。然而,由于薄膜的沉積速率 不高,實現(xiàn)金屬化后需再電鍍使涂層增厚, 故這一復合處理技術已成為難鍍材料表面處 理的一種手段。,第八章 材料復合表面處理技術,32,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 2. 電鍍+化學熱處理復合工藝 這種處理的主要目的是形成新的化合物結 構,提高工藝效果,改善摩擦學性能及耐蝕性 能。 現(xiàn)在,對這類復合工藝的研究多集中在鍍鉻 層的化學熱處理方面。鍍鉻層硬度高、用量 大、涉及面廣,先前的研究方法主要是對鍍鉻 層進行液體氮化處理,繼而對鍍層進行輝光離 子氮化處理,最后再進行離子碳氮共滲處理。,第八章 材料復合表面處理技術,33,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 2. 電鍍+化學熱處理復合工藝 用彌散鍍鉻方法制取含有活性碳的彌散鍍 鉻層后,進行離子碳氮共滲復合處理,生成 具有特殊界面及硬度高、耐磨性好的表面, 也是一種有發(fā)展前景的新型表面強化技術。 研究表明,復合處理的表層硬度比鍍鉻、 離子氮化、離子氮碳共滲都高;,第八章 材料復合表面處理技術,34,7.2 鍍覆與其它表面技術復合工藝 2. 電鍍+化學熱處理復合工藝 彌散鍍鉻后離子氮碳共滲所生成的表層還具有較高的紅硬性,400時高溫顯微硬度為7000MPa,而普通硬鉻層僅為4000MPa;復合處理的表層耐磨性和邊界潤滑條件下的抗擦傷負荷也有明顯提高。,第八章 材料復合表面處理技術,35,7.3 熱噴涂與其它表面技術的復合工藝 1. 等離子噴涂重熔處理 等離子噴涂得到的覆蓋層(涂層)的物理機械性能雖然高于其它噴涂方法,但卻遠低于堆焊所得到的機械性能。為了改善涂層的性質,將噴涂工藝與涂層的重熔處理相結合是一種十分有效的復合表面處理工藝。 涂層的重熔可以用等離子射流或激光束進行,這樣既保證了局部加熱,又不影響整個零件的處理。,第八章 材料復合表面處理技術,36,7.3 熱噴涂與其它表面技術的復合工藝 1. 等離子噴涂重熔處理 在涂層重熔時,熔化的一般只是其合金中最易熔化的成分,由于液相有助于擴散過程,熔化的結果大大提高了涂層和基體的結合強度,消除了孔隙,增加了機械強度。 例如,45鋼基體上鎳基合金重熔涂層的顯微硬度可高達淬火硬度的510倍,因而耐磨性得以顯著提高。重熔后涂層和基體表面的結合強度可提高810倍;由于涂層的硬度提高,其疲勞強度提高2025%。,第八章 材料復合表面處理技術,37,7.3 熱噴涂與其它表面技術的復合工藝 1. 等離子噴涂重熔處理 這種工藝可以用來修復在大交變載荷和接 觸應力條件下工作的零件,如凸輪軸、曲軸 等。 2. 熱噴涂氮化 熱噴涂可使材料薄膜具有耐磨性、抗蝕 性、隔熱性、導電及絕緣性等多種性能;但 熱噴涂會產生各向異性,微觀疏松等缺陷, 在較硬材料上噴涂時涂層結合力比較弱。,第八章 材料復合表面處理技術,38,7.3 熱噴涂與其它表面技術的復合工藝 2. 熱噴涂氮化 國外學者對熱噴涂涂層進行了離子氮化和 氣體氮化復合處理,在克服熱噴涂涂層的上 述缺陷方面取得了一定的進展。 研究表明:如果熱噴涂涂層中包含足夠量 的溶解氮的元素(如Fe、Cr),則熱噴涂 氮化工藝是完全可行的,而且會形成氮化 物。復合處理后的硬度比單一熱噴涂有所提 高。,第八章 材料復合表面處理技術,39,7.3 熱噴涂與其它表面技術的復合工藝 2. 熱噴涂氮化 若采用熱噴涂氣體氮化復合工藝,則噴 涂層和層下基體都會產生氮化效果,從而使 硬度分布更為平緩,不僅提高了噴涂層和基 體的結合力,而且可以顯著的改善耐磨性。,第八章 材料復合表面處理技術,40,7.4 多層薄膜復合工藝 多層膜復合工藝是利用鍍覆和氣相沉積等 技術在材料表面形成多層薄膜的方法。 大量研究表明,多層涂層能滿足多種性能 要求,這是因為其具有如下優(yōu)點: (1)可獲得各個不同材料單層特性的綜合特 性; (2)與底村更牢固地粘結;,第八章 材料復合表面處理技術,41,7.4 多層薄膜復合工藝 (3)多層涂層中多個平行于底村表面的界面 可有效地擬制裂紋的產生和擴展,從而提高 涂層的硬度和韌性,并獲得適當?shù)挠捕软g 性比和殘余應力; (4)可獲得高致密度的厚(10m)涂 層,滿足切削刀具、磨粒磨損和沖蝕磨損等 工況下的使用要求;(5)多層膜具有“應力 阻擋”作用,可降低表面與次表面的最大應 力,從而具有較高的承載能力。,第八章 材料復合表面處理技術,42,7.4 多層薄膜復合工藝 目前,部分多層涂層產品已獲得成功應 用,如以TiN為外層,由TiN、TiCN和Al2O3 交替組成的8層涂層及由 Al2O3/TiC/ TiN組成 的3層涂層都在不同切削工況下獲得

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