工程材料第5章

1、第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理第第5 5章章 金屬材料表面改性處理金屬材料表面改性處理 表面改性處理指改變零件的表面質量或表面狀態(tài)，表面改性處理指改變零件的表面質量或表面狀態(tài)，使其達到耐磨、耐蝕、美觀及精度要求的工藝。使其達到耐磨、耐蝕、美觀及精度要求的工藝。 主要目的：提高零件的表面質量，減少其磨損和腐主要目的：提高零件的表面質量，減少其磨損和腐蝕，發(fā)揮零件材料的潛力，提高表面裝飾效果。蝕，發(fā)揮零件材料的潛力，提高表面裝飾效果。 近年來，金屬材料表面處理新技術得到了迅速發(fā)展，近年來，金屬材料表面處理新技術得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出許多新的工藝方法，這里只介紹主要的幾種。開發(fā)出

2、許多新的工藝方法，這里只介紹主要的幾種。一、一、 概述概述第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理5.1 轉化膜處理轉化膜處理轉化膜處理是將工件浸入某些溶液中，在一定條件轉化膜處理是將工件浸入某些溶液中，在一定條件下使其表面產生一層致密的保護膜，提高工件防腐下使其表面產生一層致密的保護膜，提高工件防腐蝕的能力，增加裝飾作用。蝕的能力，增加裝飾作用。一、氧化處理一、氧化處理2.鋁的氧化處理鋁的氧化處理分為化學氧化法和電化學氧化法分為化學氧化法和電化學氧化法1.鋼的氧化處理鋼的氧化處理是將鋼件在空氣、水蒸氣或化學藥物中加熱是將鋼件在空氣、水蒸氣或化學藥物中加熱到適當溫度，使其表面形成一層

3、藍色或黑色氧化膜，到適當溫度，使其表面形成一層藍色或黑色氧化膜，以改善鋼的耐蝕性和外觀。又叫發(fā)藍處理。以改善鋼的耐蝕性和外觀。又叫發(fā)藍處理。第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理二、磷化處理二、磷化處理把鋼件浸入磷酸鹽為主的溶液中，使其表面沉積，形把鋼件浸入磷酸鹽為主的溶液中，使其表面沉積，形成不溶于水的結晶型磷酸鹽轉化膜的過程。成不溶于水的結晶型磷酸鹽轉化膜的過程。第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理5.2 電鍍電鍍電鍍是在電解液中使零件表面鍍上一層金屬薄層，起電鍍是在電解液中使零件表面鍍上一層金屬薄層，起到保護和裝飾作用，有時也可用到零件的部分修復。到保護和裝飾作

4、用，有時也可用到零件的部分修復。電鍍的作用：電鍍的作用：1.修復磨損零件、增大零件尺寸修復磨損零件、增大零件尺寸2.覆蓋耐磨性鍍層，提高耐磨性覆蓋耐磨性鍍層，提高耐磨性3.提高零件的耐腐蝕性提高零件的耐腐蝕性4.提高零件表面美觀裝飾性提高零件表面美觀裝飾性5.特殊用途。特殊用途。第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理5.3 5.3 離子沉積離子沉積 氣相沉積技術是指將含有沉積元素的氣相物質，通氣相沉積技術是指將含有沉積元素的氣相物質，通過物理或化學的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種過物理或化學的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術。新型鍍膜技術。物理氣相沉積物理氣相沉積Ti

5、Al靶靶根據(jù)沉積過程的原理不根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術可分同，氣相沉積技術可分為為 化學氣相沉積化學氣相沉積(CVD) 和物理氣相沉積和物理氣相沉積(PVD) 兩大類。兩大類。第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理1、化學氣相沉積、化學氣相沉積(CVD) (1)CVD法的一般原理：法的一般原理：是指在一定溫度下，混合是指在一定溫度下，混合氣體與基體氣體與基體表面相互作用表面相互作用而在基體表面形成金屬或而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法?；衔锉∧さ姆椒?。CVD設備設備第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理經經CVD處理的模具處理的模具經經CVD處理處理的

6、活塞環(huán)的活塞環(huán)(2) CVD法的特點：法的特點：由于化學氣相沉積膜由于化學氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電耐蝕性、耐熱性及電學、光學等特殊性能，學、光學等特殊性能，已被廣泛用于機械制已被廣泛用于機械制造、航空航天等工業(yè)造、航空航天等工業(yè)領域。領域。第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理2、物理氣相沉積（、物理氣相沉積（PVD） 物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜

7、的技術。面沉積一層薄膜的技術。l物理沉積技術主要包物理沉積技術主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍三種基本方法。離子鍍三種基本方法。磁控濺射鍍膜設備磁控濺射鍍膜設備第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理 真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。成薄膜的方法。真空蒸鍍真空蒸鍍TiN活塞環(huán)活塞環(huán)真空蒸鍍真空蒸鍍Al膜的塑料制品膜的塑料制品第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理 濺射鍍是在真空下通過濺射鍍是在真空下通過輝光放電來電離氬氣，氬輝光放電來電離氬氣，氬離子在電場作用下加速轟

8、離子在電場作用下加速轟擊陰極，濺射下來的粒子擊陰極，濺射下來的粒子沉積到工件表面成膜的方沉積到工件表面成膜的方法法。濺射鍍示意圖濺射鍍示意圖磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍磁控濺射鍍AlAl的塑料制品的塑料制品第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理 離子鍍是在真空下利用氣體放電技術，將蒸發(fā)的原離子鍍是在真空下利用氣體放電技術，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時產生的大量高能中性粒子部分電離成離子，與同時產生的大量高能中性粒子一起沉積到工件表面成膜的方法。子一起沉積到工件表面成膜的方法。多弧離子鍍膜機多弧離子鍍膜機第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理 物理氣相沉積

9、具有適用的基體材料和膜層材料廣物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。 廣泛用于機械、航空航天、電子、光學和輕工業(yè)等廣泛用于機械、航空航天、電子、光學和輕工業(yè)等離子鍍產品離子鍍產品領域制備耐磨、領域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導耐蝕、耐熱、導電、絕緣、光學、電、絕緣、光學、磁性、壓電、滑磁性、壓電、滑潤、超導等薄膜。潤、超導等薄膜。 第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理 將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高

10、壓氣將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為熱噴涂。熱噴涂。1.1.熱噴涂方法分為：熱噴涂方法分為：氣體燃燒火焰、氣體放電氣體燃燒火焰、氣體放電的電弧、電熱熱源、爆炸的電弧、電熱熱源、爆炸熱源和激光束熱源。熱源和激光束熱源。等離子熱噴涂等離子熱噴涂5.4 熱噴涂熱噴涂第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理2、熱噴涂技術特點、熱噴涂技術特點 工藝靈活：熱噴涂的對象小到工藝靈活：熱噴涂的對象小到10mm的內孔的內孔, 大到鐵塔、橋梁大到鐵塔、橋梁,可整體噴涂，也可局部噴涂可整體噴涂，也可局部噴涂

11、 基體及噴涂材料廣泛：基體可以基體及噴涂材料廣泛：基體可以是金屬和非金屬，涂層材料可以是是金屬和非金屬，涂層材料可以是金屬、合金及塑料、陶瓷等金屬、合金及塑料、陶瓷等l涂層可控涂層可控: 從幾十從幾十 m到幾到幾mml生產效率高生產效率高l工件變形?。夯w材料溫度不超過工件變形小：基體材料溫度不超過250(冷工藝冷工藝)渦輪葉片的熱障涂層渦輪葉片的熱障涂層(熱噴涂層熱噴涂層)第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理3、常用熱噴涂技術、常用熱噴涂技術 火焰噴涂火焰噴涂: 多用氧多用氧 乙炔火焰作為熱源。乙炔火焰作為熱源。 電弧噴涂電弧噴涂: 絲狀噴絲狀噴涂材料作為自耗電極、電涂材料作為

12、自耗電極、電弧作為熱源的噴涂方法弧作為熱源的噴涂方法 等離子噴涂等離子噴涂: 是一是一種利用等離子弧作為熱源種利用等離子弧作為熱源進行噴涂的方法。進行噴涂的方法。 火焰熱噴涂火焰熱噴涂電弧熱噴涂電弧熱噴涂等離子噴涂等離子噴涂第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理 (1) (1) 涂層是層狀結構涂層是層狀結構 (2) (2) 涂層中有應力涂層中有應力 (3) (3) 涂層有著不均勻的涂層有著不均勻的 化學應力化學應力 (4) (4) 涂層的多孔性涂層的多孔性 4、涂層的結構特點、涂層的結構特點熱噴涂層組織熱噴涂層組織 (1) (1) 純金屬及其合金純金屬及其合金 (2) (2) 陶瓷

13、材料陶瓷材料 (3) (3) 復合材料復合材料5. 5. 熱噴涂材料熱噴涂材料第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理6. 6. 熱噴涂工藝熱噴涂工藝 (1) (1) 待噴涂工件表面預處理待噴涂工件表面預處理 (2) (2) 預熱預熱 (3) (3) 噴涂噴涂 (4) (4) 噴后處理噴后處理熱噴涂熱噴涂第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理5.5 激光束表面改性技術激光束表面改性技術 激光束能量密度高激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短時間內將工，可在短時間內將工件表面快速加熱或融化件表面快速加熱或融化, 而心部溫度基本不變而心部溫度基本不變; 當激當激光輻射停

14、止后，由光輻射停止后，由于散熱速度快，又于散熱速度快，又會產生會產生“自激冷自激冷”。CO2激光器激光器第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理1. 激光淬火（激光相變硬化）激光淬火（激光相變硬化） 激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高1520%）、耐磨、耐）、耐磨、耐疲勞，變形極小，表面光亮。疲勞，變形極小，表面光亮。 已廣泛用于發(fā)動機缸套、滾動軸承圈、機床導軌、冷作模具已廣泛用于發(fā)動機缸套、滾動軸承圈、機床導軌、冷作模具等。等。激光表面淬火件激光表面淬火件激光表激光表面淬火面淬火激光表面改性技術主要應用于以下幾方面激光表面改性技術主要應用于以下幾方

15、面:第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理 2. 激光熔覆激光熔覆 預先用鍍膜或噴涂等技術把所要求的合金元素涂敷到預先用鍍膜或噴涂等技術把所要求的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜與基工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜與基激光合金化熱剪斷刀激光合金化熱剪斷刀體材料表層融合在一起并迅體材料表層融合在一起并迅速凝固，從而形成成分與結速凝固，從而形成成分與結構均不同于基體的、具有特構均不同于基體的、具有特殊性能的合金化表層。殊性能的合金化表層。也稱激光熔化淬火也稱激光熔化淬火第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理 電子束表面改性技術電子束表面改性

16、技術是以在電場中高速移動是以在電場中高速移動的電子作為載能體的電子作為載能體,電子電子束的能量密度最高可達束的能量密度最高可達109W/cm2。 除所使用的熱源不同除所使用的熱源不同 外，電子束表面改性技術與激光束表面改性技術的外，電子束表面改性技術與激光束表面改性技術的 原理和工藝基本類似。原理和工藝基本類似。l凡激光束可進行的處理，電子束也都可進行。凡激光束可進行的處理，電子束也都可進行。電子束表面改性裝置電子束表面改性裝置第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理5.7離子注入表面改性技術離子注入表面改性技術1. 離子注入原理：在真空下，將注入元素離子在幾萬至離子注入原理：在真空

17、下，將注入元素離子在幾萬至幾十萬電子伏特電場作用下高速注入材料表面，使材料幾十萬電子伏特電場作用下高速注入材料表面，使材料表面層的物理、化學和機械性能發(fā)生變化的方法。表面層的物理、化學和機械性能發(fā)生變化的方法。離子注入航空液壓泵配流盤離子注入航空液壓泵配流盤離子注入設備離子注入設備第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理2. 離子注入的特點是：離子注入的特點是： 可注入任何元素，不受固溶度和熱平衡的限制；可注入任何元素，不受固溶度和熱平衡的限制； 注入溫度可控，不氧化、不變形；注入溫度可控，不氧化、不變形； 注入層厚度可控，注入元素分布均勻；注入層厚度可控，注入元素分布均勻；l注入層與基體結合注入層與基體結合牢固，無明顯界面；牢固，無明顯界面；l可同時注入多種元可同時注入多種元素，也可獲得兩層或素，也可獲得兩層或兩層以上性能不同的兩層以上性能不同的復合層。復合層。離子注入機離子注入機第第5章金屬材料表面改性處理章金屬材料表面改性處理5.9 表面著色、染色表面著色、染色金屬的著色指通過化學或電化學等處理方法，使金金屬的著色指通過化學或電化學等處理方