材料表面與界面(3-1)

材料的表面與界面

SurfacesandInterfaces

inMaterials第3章金屬表面處理方法

第3章金屬表面處理方法

3.1金屬表面熱滲鍍定義：用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面，可得到一擴(kuò)散合金層，同時(shí)表面上還會(huì)殘留一層很薄的覆層—熱滲鍍。特點(diǎn)：（1）靠熱擴(kuò)散形成表面強(qiáng)化層，結(jié)合力很強(qiáng)。（2）熱滲鍍材料的選擇范圍很寬。作用：滲入不同元素，可得到不同的表面組織和表面性能，包括耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性、耐高溫氧化性。分類：（1）粉末包滲法（2）液滲法（3）氣滲法：（4）離子轟擊滲鍍法：（5）復(fù)合滲

3.1.1金屬表面熱滲鍍方法的特點(diǎn)與分類第3章金屬表面處理方法

3.1金屬表面熱滲鍍熱滲鍍方法的基本過(guò)程為：①介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物。②反應(yīng)物擴(kuò)散到金屬表面—外擴(kuò)散。③反應(yīng)物粒子被金屬表面吸附，發(fā)生界面反應(yīng)。④界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子被金屬表面吸附并向內(nèi)部擴(kuò)散—內(nèi)擴(kuò)散。以上四步中：第①和②步速度較快，不會(huì)成為控制步驟，第③和④步哪一步能成為控制步驟，可根據(jù)滲層深度（x）與時(shí)間（t）的關(guān)系來(lái)判定。如果x與t之間為拋物線關(guān)系，則擴(kuò)散阻力較大，第④步為控制步驟。如果x與t關(guān)系為線性，則內(nèi)擴(kuò)散速度較快，第③步為控制步驟。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)程初期金屬表面滲劑濃度較低，界面反應(yīng)（第③步）為控制步驟，到一定程度滲劑元素在金屬表面濃度達(dá)一定值，內(nèi)擴(kuò)散成為控制步驟。

3.1.2金屬表面熱滲鍍方法的原理

第3章金屬表面處理方法

3.1金屬表面熱滲鍍滲層是基體金屬和溶入元素原子混合或化合組成的薄層合金，滲層的形成需要如下條件：（1）滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。影響固溶體或金屬間化合物形成的重要因素有：原子相對(duì)大小,原子間的化學(xué)親合力,點(diǎn)陣類型。（2）滲入元素與基體之間必須保持緊密接觸，或者說(shuō)滲入元素可以在界面處被吸附。（3）必須保持一定的溫度，使原子獲得足夠的擴(kuò)散動(dòng)力。（4）生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件，滲劑活性原子一般是依靠化學(xué)反應(yīng)來(lái)提供的。以氣固滲劑為例，假定采用金屬氯化物為滲劑氣體可有以下三種化學(xué)反應(yīng)：

置換反應(yīng)：A＋MCl2(氣)→ACl2＋[M]還原反應(yīng)：MCl2(氣)＋H2→2HCl＋[M]分解反應(yīng)：MCl2(氣)→Cl2＋[M]3.1.3金屬表面熱滲鍍滲層形成條件

第3章金屬表面處理方法

3.1金屬表面熱滲鍍（1）滲層的形成滲層形成的過(guò)程為：吸附→界面反應(yīng)→內(nèi)擴(kuò)散→滲層

（2）滲層的組織特點(diǎn)(a)有無(wú)限固溶體相圖的滲層組織滲層組織為單相二元固溶體組織，由表到里濃度逐漸變化。(b)有限固溶體相圖的滲層組織(c)有限固溶體并有中間化合物形成的滲層組織3.1.4金屬表面熱滲鍍滲層組織特點(diǎn)

第3章金屬表面處理方法

3.1金屬表面熱滲鍍鋼鐵表面熱浸鍍鋅的基本過(guò)程為：鐵表面與液態(tài)鋅潤(rùn)濕并發(fā)生相互溶解形成Fe—Zn合金層，合金層中鋅原子向鐵基體中擴(kuò)散形成鐵鋅固溶體和化合物，合金表面包絡(luò)一薄層鋅。

熱鍍鋅層的組織特點(diǎn):鋼鐵表面熱鍍鋅方法：預(yù)處理（清潔作用）↓溶劑處理（去除工件表面鐵鹽、鐵銹）↓鍍鋅（注意控制溫度和取出工件的速度）鋅熔點(diǎn)：419.5℃。鋼鐵工件鍍鋅最佳溫度：620℃。灰鑄鐵工件最佳溫度：540℃。純鋅層的主要作用：提高塑性，保護(hù)內(nèi)部不被腐蝕。鋼鐵表面熱鍍鋅的性能特點(diǎn)：防腐鋼鐵表面熱鍍鋅方法的應(yīng)用：螺母、螺栓、彈簧、鋼管、鋼板、鋼絲。

3.1.5金屬表面熱滲鍍方法的實(shí)際應(yīng)用

（1）熱浸鍍鋅

第3章金屬表面處理方法

3.1金屬表面熱滲鍍鋼中含8%Al時(shí)，表面可形成致密氧化膜，提高抗氧化和抗腐蝕性能，但8%Al會(huì)使鋼變得很脆，滲鋁可解決之。鋼鐵表面熱滲鍍鋁方法：熱浸鋁、固體粉末滲鋁、噴鍍滲鋁法、料漿滲鋁法、氣體滲鋁法等。熱浸鋁：定義：把預(yù)處理過(guò)的工件浸入液鋁中保溫，一定時(shí)間取出，工件表面將浸上一層鋁。過(guò)程：Fe與液鋁接觸→反應(yīng)生成FeAl3→擴(kuò)散，F(xiàn)eAl3加厚→生成Fe2Al5組織特點(diǎn)：鋼鐵表面熱滲鍍鋁滲鋁層性能：抗氧化提高，耐腐蝕性能提高。鋼鐵表面熱滲鍍鋁應(yīng)用：耐熱耐蝕部件。3.1.5金屬表面熱滲鍍方法的實(shí)際應(yīng)用

（2）熱滲鍍鋁

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3.1金屬表面熱滲鍍固體滲鉻：工件埋入Cr粉，氧化鋁粉及鹵化物粉中加熱保溫，使工件表面產(chǎn)生活性[Cr]，滲入基體中。以NH4Cl為例：NH4Cl→NH3＋HCl,2NH3→N2＋3H2,Cr＋2HCl→CrCl2＋H2CrCl2＋M→MCl2＋[Cr],H2＋CrCl2→2HCl＋[Cr]優(yōu)點(diǎn):工藝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)、滲層薄、鉻耗大。氣體滲鉻：

在密封電爐中通入滲鉻氣氛（鹵化鉻），在工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成[Cr]滲入工件表面?；蛟跔t內(nèi)放置Cr或Cr―Fe粉，通入Cl2和H2。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)粉塵危害、滲速快、質(zhì)量好。缺點(diǎn)：氫氣易爆炸、氯氣有毒。滲鉻層組織：表面為Cr與C的化合物，其次為Cr在Fe中的固溶體，最大溶解度為12%。

滲鉻層性能：耐腐蝕、抗氧化、耐磨。應(yīng)用：代替不銹鋼和耐熱鋼制造機(jī)械和工具。

3.1.6滲金屬

（1）滲鉻第3章金屬表面處理方法

3.1金屬表面熱滲鍍固體滲硼:（B，F(xiàn)e-B，B4C）＋Al2O3＋NH4Cl形成活性硼元素，滲入工件表面，形成Fe2B表面層。氣體滲硼:氣體為BCl3＋H2反應(yīng)為：2BCl3→2[B]＋3Cl22BCl3＋3H2→2[B]＋6HClBCl3＋Fe→FeCl3＋[B]液體滲硼:Na2B4O7＋6B4C→28B＋6CO＋Na2OB4C＋MCl2→4B＋Cl2＋MC滲硼層組織:

FeB層很脆，F(xiàn)e2B性能較好，應(yīng)使其增厚。性能：優(yōu)異的耐磨性，較好的耐蝕性（10%H2NO4），一定的耐熱性。應(yīng)用：主要用于耐磨件

3.1.6滲金屬

（2）滲硼第3章金屬表面處理方法

3.1金屬表面熱滲鍍（3）滲釩：表面生成CV，使耐磨性能提高很多。（4）滲鈦：表面可以有TiC、TiFe、TiFe2、Ti2Fe，提高耐氧化性。（5）滲鉬：表面可由Fe3Mo2金屬間化合物和C-Mo化合物組成，提高耐磨性。（6）滲鈹：可提高高溫氧化、耐高溫腐蝕性能等

3.1.6滲金屬

第3章金屬表面處理方法

3.2金屬表面熱噴涂

（1）分類液態(tài)法：用坩堝熔化金屬，再用高壓氣體把金屬噴射出去。燃?xì)夥ǎ夯鹧婢€材噴涂法，火焰粉末噴涂法。氣體放電法：等離子噴涂法。（2）技術(shù)特點(diǎn)

1取材廣泛

2可用于各種基體

3基體保持較低溫度

4工效高，比電鍍快

5工件大小不受限制，可進(jìn)行局部噴涂，工件或整體均可

6涂層厚度易控制

7滿足各種性能需要：耐磨、耐蝕、高溫氧化、隔熱、高溫強(qiáng)度、密封、減磨（潤(rùn)滑）、耐輻射、導(dǎo)電、絕緣等。3.2.1金屬表面熱噴涂方法的分類與特點(diǎn)

利用專用設(shè)備將固體材料熔化并加速噴射到工件表面形成一種特制薄層，提高工件表面性能。60年代以來(lái)得到迅速發(fā)展。金屬表面熱噴涂方法的發(fā)展與很多學(xué)科相關(guān)：材料學(xué)、材料物理與化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理學(xué)。

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3.2金屬表面熱噴涂

以粉末噴涂為例：粒子流特點(diǎn)：加熱加速形成粒子流撞擊基體冷卻凝固形成涂層

3.2.2金屬表面熱噴涂方法的原理

溫度，速度材料種類粒子大小能源種類噴槍構(gòu)造送粉方式?jīng)Q定粒子狀態(tài)材料參數(shù)環(huán)境因素微粉的熔點(diǎn)（與粒度有關(guān)）比體型材料的熔點(diǎn)低。由于粉末粒度不均，噴涂火焰不均，所以粉末被加熱的程度不同。

第3章金屬表面處理方法

3.2金屬表面熱噴涂

熔化的液滴在高速氣流中進(jìn)一步變小、霧化。用Web準(zhǔn)數(shù)（We）表示被霧化的難易程度。We=ρgd（Vc-Ve）/σ式中：ρg：氣體密度；d：液滴直徑；Vc：氣體流速；Ve：液滴流速；σ：液體表面能。通常，We=6～10。液體粘度增大，We提高，不易霧化。相對(duì)速度（Vc-Ve）是霧化的動(dòng)力。使某液滴霧化所需最小相對(duì)速度與以下因素有關(guān)：（a）We（與粒度有關(guān)）和σ提高，（Vc-Ve）提高。（b）ρg和d提高，（Vc-Ve）下降。霧化粒子冷卻到凝固需要的時(shí)間t1與下列因素有關(guān)：（a）d、ρ粒子、T粒子

(成正比)（b）σ、Tm（成反比）結(jié)晶需要時(shí)間t2與下列因素有關(guān)：（a）與結(jié)晶熱成正比（b）與粒子表面積成反比t1+t2為粒子從冷卻到凝固的時(shí)間。t1+t2很短，對(duì)基體熱影響范圍很小。一般熱影響區(qū)不超過(guò)幾十μm小于臨界尺寸（dmin）的粒子會(huì)被吹到工件上的氣體卷走，而無(wú)法到達(dá)工件表面。臨界尺寸與距離（l）成正比，與粒子速度和密度成反比。

3.2.2金屬表面熱噴涂方法的原理

第3章金屬表面處理方法

3.2金屬表面熱噴涂

（1）涂層的形成粒子與基體碰撞產(chǎn)生變形，粒子熱量被冷基體帶走，粒子在變形中凝固，形成盤(pán)狀組織。由于沖擊，圓盤(pán)往往破碎，如軟化基體（如預(yù)熱）、破碎可減弱。脈沖壓力P與以下因素有關(guān)：質(zhì)點(diǎn)速度、液體密度、質(zhì)點(diǎn)剛性系數(shù)。

3.2.3金屬表面熱噴涂涂層的形成與結(jié)合強(qiáng)度

（2）粒子與基體結(jié)合強(qiáng)度機(jī)械結(jié)合：與基體毛化程度有關(guān)——毛化處理，與粒子與基體潤(rùn)濕性關(guān)系很大。化學(xué)結(jié)合：動(dòng)力：基體預(yù)熱噴涂粉末高的熔化潛熱粉末自身發(fā)生放熱反應(yīng)（Al/Ni）條件：基體表面充分活化，不能有氧化膜。作用：對(duì)溶解度極低的涂層可實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合?；w預(yù)熱最低溫度與體系有關(guān)。氧化物陶瓷粒子比較穩(wěn)定，預(yù)熱溫度較高。陶瓷涂層殘余應(yīng)力較高，結(jié)合強(qiáng)度低于金屬涂層粒