材料表面強(qiáng)化技術(shù)及應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　作為古老又新穎的學(xué)科，表面強(qiáng)化技術(shù)為致力于改善材料表面化學(xué)性質(zhì)、組織機(jī)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)的性質(zhì)，在人們生活中被廣泛應(yīng)用。通過摻雜、擴(kuò)散、離子注入、化學(xué)沉積、電鍍以及電子束等技術(shù)改變材料表面性質(zhì)的研究，使得我們能得到更多表面性質(zhì)優(yōu)良的金屬，使金屬得到叫高的抗腐蝕、抗耐磨性，使工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品使用范圍更廣[1]。這樣，我們能得到更好

2、的表面性質(zhì)金屬及非金屬，節(jié)約了人類資源，保護(hù)和改善了我們的生活環(huán)境。材料表面強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)在制造業(yè)最偉大的創(chuàng)造。</p><p>　　追溯至春秋晚期，我國已應(yīng)用銅器熱鍍錫和鎏金技術(shù)，從工業(yè)革命開始到最近50年，材料表面強(qiáng)化技術(shù)得到飛速發(fā)展。本文吸取現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對表面技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，取其精華，去其糟粕，進(jìn)行綜合陳述及比較。雖然創(chuàng)新很少，但對現(xiàn)有技術(shù)的歸納比較在一定程度上更好的促進(jìn)了表面技術(shù)的發(fā)展和

3、研究。本論文重點(diǎn)研究現(xiàn)有的表面強(qiáng)化技術(shù)以及這些技術(shù)的應(yīng)用，意在歸納總結(jié)，學(xué)習(xí)傳承。使得我們能更好的學(xué)習(xí)和了解這些先進(jìn)的表面技術(shù)，為我們以后的研發(fā)和應(yīng)用做好鋪墊。</p><p>　　表面強(qiáng)化技術(shù)是表面工程的一個分支，是工程科學(xué)技術(shù)中一個涉及學(xué)科廣泛、活力很強(qiáng)、成果突出并與生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合的領(lǐng)域，它滲透到航空航天、信息技術(shù)、新材料技術(shù)以及先進(jìn)制造技術(shù)等前沿技術(shù)的各個方面。從高科技產(chǎn)品到人們?nèi)粘Ｉ疃茧x不開材料表面強(qiáng)

4、化技術(shù)。離子束、激光束、電子束、微波及超高真空技術(shù)的開發(fā)，引起了表面工程技術(shù)研究和應(yīng)用的熱潮，并成為了世界最關(guān)鍵的技術(shù)之一[2]。本文對材料表面強(qiáng)化技術(shù)及應(yīng)用的研究進(jìn)行了探討。</p><p>　　1 表面強(qiáng)化技術(shù)概述</p><p>　　1.1表面強(qiáng)化技術(shù)概述</p><p>　　表面工程是一個既古老又新穎的學(xué)科，人們使用表面工程技術(shù)已有悠久的歷史。追溯到幾千年前

5、，我國早在春秋戰(zhàn)國時期就已經(jīng)開始應(yīng)用鋼的淬火、銅器熱鍍錫、鎏金及油漆等古老技術(shù)[3]。但是，表面工程的迅速發(fā)展還是從19世紀(jì)工業(yè)革命開始，20世紀(jì)80年代成為世界上10大關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)入20世紀(jì)90年代發(fā)展勢頭出現(xiàn)工程研究的熱潮，幾乎涉及了工業(yè)的各個領(lǐng)域，表面工程技術(shù)仍是將是主導(dǎo)21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。</p><p>　　表面工程是經(jīng)表面欲處理后，通過表面涂覆、表面改性或表面復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面

6、的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、形態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)等，以獲得所需要表面性能的系統(tǒng)工程。它是近代技術(shù)與經(jīng)典表面工藝相結(jié)合而繁衍、發(fā)展起來的，有著堅實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，具有明顯的交叉、邊緣學(xué)科的性質(zhì)和極強(qiáng)的實(shí)用性。</p><p>　　1.2 表面技術(shù)的概念及意義</p><p>　　表面工程指利用各種物理的、化學(xué)的或機(jī)械的工藝規(guī)程使零件表面獲得特殊的材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，以提高產(chǎn)品質(zhì)量的工程。它概括了“表面

7、處理”、“表面加工”、“表面涂層”、“表面改性”等內(nèi)容。表面強(qiáng)化技術(shù)是表面工程的核心內(nèi)容，是決定硬化層的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵技術(shù)[4]。表面強(qiáng)化技術(shù)主要通過各種工藝來增強(qiáng)材料的表面強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性和物理性能等綜合機(jī)械性能。應(yīng)用各種表面強(qiáng)化技術(shù)可以充分發(fā)揮材料的潛力、節(jié)約能源川；制備特殊的表面強(qiáng)化層；提高經(jīng)濟(jì)效益。20世紀(jì)60～70年代由于電子束、離子束和激光束進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)入表面處理領(lǐng)域，各國開始進(jìn)行開發(fā)性研究，使表面

8、處理技術(shù)有突破性進(jìn)展。到90年代形成了新的系統(tǒng)的表面工程技術(shù)，出現(xiàn)了表面工程學(xué)，極大地推動了各行各業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各行業(yè)的進(jìn)步又加速了表面工程技術(shù)本身的發(fā)展。</p><p><b>　　分段 </b></p><p>　　2 表面形變強(qiáng)化工藝分類</p><p>　　主要是利用機(jī)械方法使金屬表面層發(fā)生塑性變形，從而形成高強(qiáng)度硬化層，常見的強(qiáng)

9、化工藝有噴丸、滾壓和冷擠壓強(qiáng)化。表面形變強(qiáng)化方法簡單，但對耐磨性影響比較小，因此得到廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　2.1表面機(jī)械強(qiáng)化</b></p><p>　　表面機(jī)械強(qiáng)化主要分為滾壓強(qiáng)化、噴丸強(qiáng)化、拋丸強(qiáng)化和內(nèi)擠壓強(qiáng)化。其中主要以滾壓和噴丸強(qiáng)化為主。下面就這幾種主要機(jī)械強(qiáng)化工藝的原理及應(yīng)用進(jìn)行簡單介紹。</p><p><b

10、>　　2.1.1噴丸強(qiáng)化</b></p><p>　　噴丸強(qiáng)化是廣泛使用的一種在再結(jié)晶溫度以下的表面強(qiáng)化方法, 它可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動磨損和耐蝕點(diǎn)( 孔蝕) 能力, 具有操作簡單、耗能少、效率高及適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn), 是金屬材料表面改性的有效方法。噴丸強(qiáng)化是利用大量高速運(yùn)動的珠丸打擊零件表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力[5]。噴丸強(qiáng)化的效果與噴丸參數(shù)（丸子的速度

11、和在零件上散布密度等）、零件材質(zhì)和表面狀態(tài)有關(guān)。對于材料強(qiáng)度高、零件表面應(yīng)力集中、表面粗糙或有表面缺陷的零件，噴丸強(qiáng)化都有顯著的效果。</p><p>　　(1)噴丸強(qiáng)化工藝的工作原理</p><p>　　噴丸強(qiáng)化是一種嚴(yán)格控制的冷加工表面強(qiáng)化處理工藝。 其工作原理是: 利用球形彈丸高速撞擊金屬工件表面, 使之產(chǎn)生屈服, 形成殘余壓縮應(yīng)力層。形成壓縮應(yīng)力層的目的是為了預(yù)防工件疲勞破壞, 把

12、易產(chǎn)生疲勞破壞裂紋部位的抗應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力, 從而有效地控制裂紋的擴(kuò)展。</p><p>　　(2)噴丸強(qiáng)化的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1908年，美國制造出了激冷鋼丸，金屬彈丸的出現(xiàn)不僅使噴砂工藝獲得迅速了發(fā)展，而且導(dǎo)致了金屬表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)的產(chǎn)生。1929 年, 在美國由Zimmerli 等人首先將噴丸強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用在彈簧的表面強(qiáng)化，取得了良好的效果。20世紀(jì)40年代，人們發(fā)現(xiàn)了噴丸處

13、理可在金屬材料表面上產(chǎn)生一種壓縮應(yīng)力層, 可以起到強(qiáng)化金屬材料、阻止裂紋在受壓區(qū)擴(kuò)展的作用。到了60年代，此工藝逐步應(yīng)用于機(jī)械零件的強(qiáng)化處理上。70年代后期，該工藝已被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，并獲得了較大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，如機(jī)車用變速器齒輪、發(fā)動機(jī)及其他齒輪均采用了噴丸強(qiáng)化工藝，大幅度提高了抗疲勞強(qiáng)度。進(jìn)入80年代以后，噴丸處理技術(shù)在大多數(shù)工業(yè)部門，如飛機(jī)制造、鐵道機(jī)車車輛、化工、石油開發(fā)、塑料模具、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)部門等方面推廣應(yīng)用，到了90

14、年代，其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，如電鍍前進(jìn)行噴丸處理可防止鍍層裂紋的發(fā)生。最近幾年，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展和需求，人們對這種操作簡單、效果顯著的表面處理技術(shù)給予了極大的關(guān)注, 開發(fā)了多種新工藝。</p><p>　　(3)噴丸強(qiáng)化的發(fā)展趨勢</p><p>　　伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品零件表面的性能要求越來越高，改善材料表面性能，延長零件使用壽命，節(jié)約資源，提高生產(chǎn)力以及減少環(huán)境污

15、染已成為表面工程技術(shù)新的挑戰(zhàn)[6]。作為表面工程技術(shù)分支的噴丸強(qiáng)化技術(shù)面對這些機(jī)遇和挑戰(zhàn)，將在加強(qiáng)理論研究的基礎(chǔ)上發(fā)展新技術(shù)、新方法、新工藝、新設(shè)備和設(shè)備控制技術(shù)。其主要研究方向是: 理論研究，即研究各種單一噴丸和復(fù)合噴丸的強(qiáng)化機(jī)理、噴丸提高零部件疲勞和接觸疲勞強(qiáng)度的機(jī)制、噴丸過程力的作用形式及對表面( 變形層厚度、粗糙度等) 的影響，噴丸參數(shù)( 彈丸材質(zhì)、硬度、直徑等) 對噴丸強(qiáng)度的影響，噴丸使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后材料的穩(wěn)定性及耐

16、磨性等；研究噴丸工藝和其他強(qiáng)化工藝方法的有機(jī)結(jié)合；加大開發(fā)新型、高效、低耗的噴丸設(shè)備和彈丸屬性對噴丸強(qiáng)化效果的影響；著力解決傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化工藝由于表面粗糙度、綠色噴丸等方面存在的問題。</p><p><b>　　2.1.2滾壓強(qiáng)化</b></p><p>　　滾壓強(qiáng)化工藝是一種無切削加工的工藝，表面滾壓可以顯著地提高零件的疲勞強(qiáng)度, 并且降低缺口敏感性。</p&

17、gt;<p><b>　　(1)滾壓強(qiáng)化原理</b></p><p>　　利用特制的滾壓工具，對零件表面施加一定壓力，使零件表面層的金屬發(fā)生塑性變形，從而提高表面的粗糙度和硬度，這種方法就叫滾壓，又稱無屑加工。表面滾壓特別適用于形狀簡單的大零件,尤其是尺寸突然變化的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中處，如火車軸的軸徑等。表面滾壓處理后，其疲勞壽命都有了顯著提高。滾輪滾壓加工可以加工圓柱形或錐形的外

18、表面和內(nèi)表面以及曲線旋轉(zhuǎn)體的外表面、平面、端面、凹槽和臺階軸的過渡圓角。滾壓用的滾輪數(shù)目有1 、2 、3。若剛度工件較小,則需用2個或者3個滾輪在相對的方向上同時進(jìn)行滾壓，以免工件發(fā)生彎曲變形。</p><p>　　(2)滾壓強(qiáng)化的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　滾壓強(qiáng)化技術(shù)是在1929年由德國人提出的，1933年在美國鐵路上開始應(yīng)用滾壓方法，1938年前蘇聯(lián)將此技術(shù)應(yīng)用于機(jī)車車軸軸頸。19

19、50年美國在軍用、民用飛機(jī)上大量應(yīng)用孔擠壓技術(shù)，提高干涉配合鉚接、干涉配合螺接；1970年國內(nèi)航空部門開始將冷擠壓工藝應(yīng)用于飛機(jī)制造及維修中。目前主要的滾壓加工工具有硬質(zhì)合金滾輪式滾壓工具、滾柱式滾壓工具、硬質(zhì)合金YZ 型深孔滾壓工具、圓錐滾柱深孔滾壓工具和滾珠式滾壓工具。 通過滾壓可以提高表面粗糙度2～4 級, 耐磨性比磨削后提高1.5～3 倍, 可以修正提高形狀誤差和表面粗糙度, 而且滾壓過程操作方便、效率高、干凈無污染。 其具有應(yīng)

20、用范圍廣泛，滾壓后的零件使用壽命長等特點(diǎn)，適用于對粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面上。這種方法主要應(yīng)用在大型軸類、套筒類零件內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)表面的加工，滾壓螺釘、螺栓等零件的螺紋以及滾壓小模數(shù)齒輪和滾花等，并取得了顯著成果, 很好的提高了經(jīng)濟(jì)效益，如天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所的唐琦等人通過對370Q 型汽油機(jī)、376Q 型柴油機(jī)進(jìn)行的曲軸負(fù)荷分析、強(qiáng)度估算及彎曲疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究表明, 與未滾壓曲軸相比較, 經(jīng)圓角滾壓的曲軸疲勞強(qiáng)度增加了</

21、p><p>　　(3)滾壓強(qiáng)化的發(fā)展趨勢</p><p>　　為獲得特定的材料表面晶粒度、變形層厚度,應(yīng)采用多大的滾壓力、滾壓速度以及滾壓次數(shù)，目前沒有這方面有指導(dǎo)意義的詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或公式。目前的滾壓技術(shù)一般只適用于回轉(zhuǎn)體類和平面類零件，所以應(yīng)完善滾壓技術(shù)使得能適應(yīng)零件形式的多樣性, 提高其使用范圍[7]。一般傳統(tǒng)的滾壓技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)大變形，即使施加了比正常情況下高出幾倍的壓力，達(dá)3000N

22、甚至更高，也不能消除車削留下來的刀痕。目前國內(nèi)企業(yè)采用曲軸滾壓工藝強(qiáng)化技術(shù)較低，一般只能提高強(qiáng)度30%～50% ,當(dāng)需要大幅度提高強(qiáng)度時，還需有更好滾壓強(qiáng)化工藝。</p><p>　　2.1.3內(nèi)擠壓強(qiáng)化</p><p>　　孔擠壓是一種使孔的內(nèi)表面獲得形變強(qiáng)化的工藝措施，效果明顯。由于其高的強(qiáng)化效果以及簡單的操作方法，使其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。下面對孔擠壓強(qiáng)化的原理及其發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析

23、討論。</p><p>　　(1)內(nèi)擠壓強(qiáng)化原理</p><p>　　孔擠壓是利用棒、襯套、模具等特殊工具，對零件孔或周邊連續(xù)、緩慢、均勻地擠壓,形成塑性變形的硬化層。塑性變形層內(nèi)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起形變強(qiáng)化，并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，降低了孔壁粗糙度，提高了材料疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕能力。</p><p>　　(2)內(nèi)擠壓強(qiáng)化的發(fā)展?fàn)顩r</p><p&g

24、t;　　由于孔擠壓強(qiáng)化效率高、效果好、方法簡單,被廣泛使用于高強(qiáng)度鋼,合金結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金等零件。被擠壓孔的形狀主要是圓孔、橢圓孔、長圓孔、臺階孔、埋頭窩孔和開口孔。目前主要應(yīng)用于以下幾種類型:擠壓棒擠壓強(qiáng)化，孔壁上涂干膜潤滑劑，施加力的方式為拉擠或推擠，適用于大型零部件裝配和維修；襯套擠壓強(qiáng)化，孔內(nèi)裝有襯套，擠壓棒用拉擠或推擠方式通過襯套孔，適用于各類零部件的裝配和修理；壓印模擠壓強(qiáng)化，在圓孔或長圓孔周圍用壓印模擠壓

25、出同心溝槽，適用于大型零部件及蒙皮關(guān)鍵承力部位的孔壓??；旋轉(zhuǎn)擠壓強(qiáng)化，使用有一定過盈量，經(jīng)向鑲有圓柱體的擠壓頭，旋轉(zhuǎn)通過被擠壓的孔，適用于起落架大直徑管件和孔。由于內(nèi)擠壓特殊的高效而簡單的強(qiáng)化工藝，使得內(nèi)擠壓強(qiáng)化工藝得到了一系列廣泛的應(yīng)用，并也取得了良好的效果。由于內(nèi)擠壓特殊的工藝性，要求一定要均勻、緩慢、連續(xù)地擠壓孔，不允許有沖擊和暫停的現(xiàn)象。</p><p>　　2.2 表面熱處理強(qiáng)化</p>

26、<p><b>　　2.2.1 滲碳 </b></p><p>　　為增加鋼件表面的碳含量和形成一定的碳濃度梯度，將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。滲碳是將鋼件加熱到奧氏體狀態(tài)，進(jìn)行碳滲入及擴(kuò)散，隨后淬火并低溫回火。其目的是改善表層及心部組織，提高表面硬度和耐磨性，增加抗疲勞強(qiáng)度[1]。幾種常見的滲碳方法、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍見下表：</p&g

27、t;<p>　　表2.1 常見滲碳方法的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍</p><p>　　Tab.2.1 Characteristics and application areas of common carburizing method </p><p>　　(1)滲碳的化學(xué)反應(yīng)：鋼滲碳一般在900～950℃間進(jìn)行，滲碳劑的種類多，滲碳的化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜。對于鋼件氣體滲碳，無論采用哪種滲碳劑

28、，其主要滲碳?xì)夥盏慕M分為CO和CH4。CO的滲碳能力較弱，而CH4滲碳能力較強(qiáng)，產(chǎn)生活性C原子的反應(yīng)，可選擇下列四個獨(dú)立反應(yīng)方程表示，即</p><p>　　2CO=CO2+[C] CH4=2H2+[C] CO+H2=H2O+[C] CO=（1/2）O2+[C]</p><p>　　滲碳過程可歸納為三個過程：</p><p>　?、贍t內(nèi)滲碳介質(zhì)化學(xué)

29、反應(yīng)，產(chǎn)生CO，CH4等滲碳組分。</p><p>　　②滲碳組分向鋼表面擴(kuò)散被吸附，并與鋼件反應(yīng)，產(chǎn)生活性炭原子滲入鋼件表面，反應(yīng)產(chǎn)物H2、CO2和 H2O 、O2等離開表面。</p><p>　?、厶荚酉皲摷?nèi)部擴(kuò)散，形成碳濃度梯度分布的滲碳層。</p><p>　　滲碳過程中，碳原子被吸附反應(yīng)的機(jī)理，目前有兩種解釋，一種是先形成Fe3C 薄層，又瞬息分解使碳

30、碳溶入到奧氏體中；另一種解釋是碳原子直接溶解于奧氏體中，達(dá)到飽和時，才形成Fe3C。后一種解釋被多數(shù)人接受，因?yàn)樾纬苫衔颋e3C是以改變鐵的晶格方式進(jìn)行，需要更大的能量，因此碳原子溶入固溶體應(yīng)在形成Fe3C之選。但這并不排除鋼中如有強(qiáng)碳化物形成元素時，碳與合金元素直接形成碳化物的可能性。</p><p>　　(2)滲碳過程相關(guān)的重要參量</p><p>　?、偬紕軨p。碳勢是指表征含碳?xì)?/p>

31、氛在一定溫度下，改變鋼件表面碳含量的能力的參數(shù)。通常可用低碳鋼箔（厚度<0.1mm）在含碳?xì)夥罩械钠胶夂剂縼肀硎尽?lt;/p><p>　?、阡撝刑蓟疃萢C。鋼在滲碳過程中奧氏體中碳的飽和蒸汽壓（pc）與相同溫度下石墨標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的飽和蒸汽壓之比稱為鋼中碳的活度。它的物理意義是奧氏體中有效濃度。與氣氛碳勢（Cp）和鋼件表面實(shí)際碳含量（Cs）之間的差值（Cp-Cs）之比為碳的傳遞系數(shù)（β），它表征滲碳?xì)?固相界面反應(yīng)

32、速度的常數(shù)，也稱為碳的傳遞系數(shù)。碳傳遞系數(shù)與滲碳溫度，滲碳介質(zhì)及氣氛組分等有關(guān)。</p><p>　?、厶嫉臄U(kuò)散系數(shù)。表征擴(kuò)散過程速度的一個重要參量是擴(kuò)散系數(shù)D。它的物理意義是，在單位時間內(nèi)，單位面積上，單位濃度坡度情況下通過的物理數(shù)量（g），它的量綱是：cm/s或cm/d。影響擴(kuò)散系數(shù)最主要的滲碳溫度，如不考慮鋼中碳與合金元素含量的影響，擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T（K）的關(guān)系可近似表達(dá)為D=D0e。滲碳溫度為800～1

33、000℃時，碳在奧氏體中擴(kuò)散系數(shù)可用下式近似計算。</p><p>　　2.2.2 碳氮共滲</p><p>　　在一定溫度下將碳和氮同時（以碳為主）滲入處于奧氏體狀態(tài)的鋼件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。碳氮共滲按處理溫度不同，可分為低溫碳氮共滲（＜780℃）、中溫碳氮共滲（780～880℃）和高溫碳氮共滲（＞880℃），一般按鋼件和工件服役條件等進(jìn)行選擇。</p>&l

34、t;p>　　碳氮共滲與滲碳相比，有以下特點(diǎn)：</p><p>　　(1)氮原子滲入降低了滲層的臨界點(diǎn)A1和A3溫度，故可在較低的溫度下進(jìn)行碳氮 共滲。工件不易過熱，通常共滲后就可直接淬火，工件畸變量減小。</p><p>　　(2)氮使TTT曲線右移，提高了淬透性，允許在較緩和的冷卻介質(zhì)中淬火。</p><p>　　(3)氮降低了馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms，因此滲層

35、中殘留奧氏體比較多。</p><p>　　(4)碳氮原子的同時滲入，增加大碳的擴(kuò)散系數(shù)，加快了碳原子的擴(kuò)散速度。因而碳氮共滲的滲速較快，縮短了工藝周期。</p><p>　　(5)碳氮共滲層的硬度，耐磨性與耐回火性及疲勞強(qiáng)度比滲碳層稍高，但其共滲層較淺，承載能力不及滲碳。</p><p>　　2.2.3 滲金屬及滲硼、滲硅</p><p>

36、　　鋼及合金工件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，使金屬元素擴(kuò)散滲入表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲金屬，又稱表面合金化。它是使鋼的表面層合金化，以使工件表面具有某些合金鋼、特殊鋼的特性，如耐熱、耐磨、抗氧化、耐腐蝕等。生產(chǎn)中常用的有滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硅等。 通俗的講就是使一種或多種金屬原子滲入金屬工件表層內(nèi)的化學(xué)熱處理工藝[8]。將金屬工件放在含有滲入金屬元素的滲劑中,加熱到一定溫度，保持適當(dāng)時間后,滲劑熱分解所產(chǎn)生的滲入金屬元素的活性原子便被吸附到工件

37、表面，并擴(kuò)散進(jìn)入工件表層，從而改變工件表層的化學(xué)成分、組織和性能。</p><p>　　滲金屬的方法主要有固體法（如粉末包裝法、膏劑涂滲法等）、液體法（如熔鹽浸漬法、熔鹽電解法、熱浸法等）和氣體法。金屬元素可單獨(dú)滲入，也可幾種共滲，還可與其他工藝（如電鍍、噴涂等）配合進(jìn)行復(fù)合滲。生產(chǎn)上應(yīng)用較多的滲金屬工藝有：滲鋁、滲鉻、滲鋅、鉻鋁共滲、鉻鋁硅共滲、鈷（鎳、鐵）鉻鋁釩共滲、鍍鉭后的鉻鋁共滲、 鍍鉑（鈷）滲鋁、滲層夾

38、嵌陶瓷、鋁-稀土共滲等。</p><p>　　滲硼能提高鋼鐵、非鐵金屬與合金的表面硬度、熱硬性、耐磨性、耐蝕性，改善抗高溫氧化性能，較廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。滲硼的方法有粉末法、粒狀法、膏劑法、熔鹽法和熔鹽電解法。鋼件滲硼后在硫酸、鹽酸、磷酸、堿等水溶液中的耐蝕性較好，但不耐硝酸，抗高溫氧化性能也有所提高，在600℃以下才有使用價值。滲硼比較廣泛用于易磨件、工模具、耐磨損腐蝕件等方面，成倍的提高零件使用壽命，而且可

39、用普通鋼滲硼代替高合金鋼。能提高合金件的耐磨性，有的用于火箭的零件。</p><p>　　滲硅主要用于低碳(C＜0.25％)、低硫(S＜0.04％)鋼。工件埋在碳化硅粉末中，加熱到930～980℃時導(dǎo)入氯氣，經(jīng)氣相反應(yīng)后可得125～250微米厚的脆性滲硅層。這種覆層具有耐磨、耐蝕性能，硬度高，還具有良好的抗擦傷性，用于泵軸、缸襯、閥門、傳送帶鏈的聯(lián)結(jié)件和洗瓶機(jī)的構(gòu)件。鈮、鉬、鉭、鎢等難熔金屬可作為航天器的短期有效

40、構(gòu)件材料，多采用硅化物層來減少它們在1650℃時的氧化。發(fā)展更有效的抗熱腐蝕的滲層，也在探索中。</p><p><b>　　2.3電火花強(qiáng)化</b></p><p>　　電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的基本原理是儲能電源通過電極以10～2000Hz的頻率在電極與零部件之間產(chǎn)生電火花放電，在電極與零部件接觸的部位即達(dá)到5000～10000℃的高溫，使該區(qū)域的局部材料熔化、氣化或等

41、離子體化，將電極材料高速過渡并擴(kuò)散到工作表面，形成冶金結(jié)合型牢固強(qiáng)化層[9]。研究表明，強(qiáng)化層主要由白亮層、擴(kuò)散區(qū)和熱影響區(qū)構(gòu)成，涂層組織較細(xì)密，具有較高的硬度及較好的耐高溫性、耐腐蝕性和耐磨性。</p><p>　　電火花表面強(qiáng)化技術(shù)能有效地改善零部件表面的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，包括硬度、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能等，與常規(guī)的表面強(qiáng)化工藝相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　(1)電火花強(qiáng)化是

42、在空氣中進(jìn)行，不需要特殊、復(fù)雜的處理裝置和設(shè)備。配套裝置簡單、靈活，投資和運(yùn)行費(fèi)用低，強(qiáng)化工藝環(huán)保。</p><p>　　(2)熱輸入量小，放電時間很短，放電端點(diǎn)的面積小，放電的熱作用只發(fā)生在零部件表面的微小區(qū)域內(nèi)，被強(qiáng)化零部件基體不產(chǎn)生退火或熱變形。</p><p>　　(3)不受零部件形狀限制，可以對平面或曲面形狀零部件強(qiáng)化；對需修復(fù)局部、有少量損傷、焊接性差以及淬火狀態(tài)工件的修復(fù)更具

43、優(yōu)勢。</p><p>　　(4)強(qiáng)化層是電極和零部件材料在放電時的瞬間高溫高壓條件下重新合金化形成的新合金層，結(jié)合非常牢固，不容易發(fā)生剝落。</p><p>　　(5)強(qiáng)化層厚度、表面粗糙度與脈沖電源的電氣參數(shù)以及強(qiáng)化時間等有關(guān)，控制相對簡單。電火花強(qiáng)化處理后可作為最終工序，加工余量少。</p><p>　　(6)電極材料來源廣，耗量小，容易實(shí)現(xiàn)異種材料強(qiáng)化層，同

44、時可以根據(jù)強(qiáng)化目的來選擇電極材料。</p><p>　　(7)對零部件能在線強(qiáng)化、修復(fù)，避免拆裝和運(yùn)輸，更好地適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的要求。強(qiáng)化部位不會產(chǎn)生銹蝕，并可在損壞的強(qiáng)化層上多次進(jìn)行強(qiáng)化處理。</p><p>　　2.4 激光表面處理</p><p>　　2.4.1 激光表面處理技術(shù)及其原理</p><p>　　激光表面處理是使用激光束進(jìn)行加熱

45、，使工件表面迅速熔化一定深度的薄層，同時采用真空蒸鍍、電鍍、離子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其與基體金屬充分融合，冷凝后在模具表面獲得厚度為10～1000μm具有特殊性能的合金層，冷卻速度相當(dāng)于激冷淬火。該工藝在電場作用下，在母材表面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓區(qū)，同時滲入離子態(tài)的金屬陶瓷材料，形成表面的冶金結(jié)合，而母材表面也同時發(fā)生瞬間相變，形成馬氏體和微細(xì)奧氏體組織。這種工藝不同于焊接，也不同于噴鍍或者元素滲入，應(yīng)該是介

46、于兩者之間的一種工藝。它很好地利用了金屬陶瓷材料的高耐磨、耐高溫、耐腐蝕的特性，而且工藝簡單，成本較低廉。</p><p>　　激光表面處理技術(shù)的原理即激光與材料的相互作用過程可分為幾個階段：</p><p>　　(1)光束輻射至工作表面，材料吸收光子的能量而轉(zhuǎn)換為熱能，表層溫度升高并向內(nèi)部傳熱。材料表層對激光能量的吸收，除了與激光功率密度、輻射時間有關(guān)外，還受激光束的模式、波長、材料的反

47、射率和吸收率等因素的影響。</p><p>　　(2)材料表層吸收激光能量時，溫度升高到相變點(diǎn)以上并發(fā)生固態(tài)相變，與此相對應(yīng)的加工工藝為激光表面淬火。金屬材料隨著溫度升高，對激光的吸收率也會逐漸增大。</p><p>　　(3)材料的溫度進(jìn)一步升高到熔點(diǎn)之上，材料熔化并形成熔池，涉及的主要工藝為激光熔凝、激光熔敷、激光表面合金化等。</p><p>　　(4)材料溫

48、度升高至汽化點(diǎn)之上，出現(xiàn)等離子體現(xiàn)象。利用等離子體的反沖效應(yīng)，可對材料進(jìn)行沖擊硬化處理。</p><p>　　(5)當(dāng)材料在不同的加熱溫度下移開激光束而冷卻，將出現(xiàn)晶粒細(xì)化、相變硬化等多種現(xiàn)象。 </p><p>　　2.4.2 激光表面處理技術(shù)的分類及特點(diǎn)</p><p>　　根據(jù)材料的不同種類，調(diào)節(jié)激光功率密度、激光輻射時間等工藝參數(shù)，或是增加一定的氣氛條

49、件，可進(jìn)行激光表面淬火、熔敷、表面合金化、非晶化、沖擊化等激光表面處理技術(shù)。主要的激光處理技術(shù)見表2.2.</p><p>　　表2.2幾種主要激光處理技術(shù)特點(diǎn)</p><p>　　Tab.2.2 Several major laser processing technical characteristics</p><p>　　2.5 電子束表面處理</p&

50、gt;<p>　　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)變化，從而達(dá)到所需要性能的工藝方法，統(tǒng)稱為電子束表面處理。電子束表面強(qiáng)化方法與激光相類似，電子束表面改性方法包括下列幾種：</p><p>　　電子束淬火：即利用鋼鐵材料的馬氏體相變進(jìn)行表面改性。</p><p>　　電子束表面合金化：如果提高電子束功率，材料表面會發(fā)生熔化，若在熔池中添加合金元素即

51、可以進(jìn)行電子束合金化。</p><p>　　電子束覆層：基材不熔化形成另一種材料的薄層。</p><p>　　制造非晶態(tài)層：使熔化表面層激冷而獲得薄的微晶或非晶態(tài)層。</p><p>　　2.5.1電子束表面淬火</p><p>　　電子束表面淬火與激光表面淬火一樣，都是通過高頻率能量束加熱工件表面，工件表面升溫并發(fā)生相變，然后自激冷卻實(shí)現(xiàn)馬

52、氏體的相變。電子束表面淬火加熱和冷卻速度很快，表面馬氏體組織顯著細(xì)化，硬度較高，同時，表層輸入能量對硬化層深度會產(chǎn)生明顯影響。材料經(jīng)電子束表面淬火后，組織細(xì)化，硬度升高，表面呈殘余壓應(yīng)力，提高了材料的抗疲勞性能和耐磨性。</p><p>　　2.5.2 電子束表面熔凝</p><p>　　借助于高能量密度的電子束使材料表面熔化，并在電子束移開之后快速凝固，致使表層組織得以細(xì)化，提高材料表面

53、硬度和韌性。電子束表面熔凝處理，主要達(dá)到以下目的：通過重新熔化，使鑄態(tài)合金中可能存在的氧化物、硫化物等夾雜物溶解，在隨后的快冷過程中獲得細(xì)化的枝晶和細(xì)小的夾雜，并能消除原鑄態(tài)合金中存在的疏松組織，從而提高工件的疲勞強(qiáng)度、耐蝕性和耐磨性。金屬材料快速熔凝處理后，表層可以得到明顯地強(qiáng)化。</p><p>　　2．5.3 電子束表面合金化</p><p>　　采用電子束加熱工件和預(yù)涂覆于工件表面

54、的合金材料，使二者熔化并混合，形成一種新的合金化表面層，這種工藝方法叫做電子束表面合金化。電子束表面合金化的預(yù)涂覆方法與激光表面合金化相似，但粘結(jié)劑應(yīng)有較好的高溫粘接性能，在加熱熔化過程中不能出現(xiàn)剝落、飛濺等缺陷。常用的粘接劑有硅酸鈉、硅酸膠、聚乙烯醇等。</p><p>　　材料進(jìn)行電子束表面合金化處理，目的是提高工件表面的耐磨性和耐蝕性，因此，在合金化材料選擇上，應(yīng)有所側(cè)重。一般以耐磨為主要目的時，應(yīng)選擇W、

55、Ti、B、Mo等元素及其碳化物作為合金化材料；以耐蝕為主要目的時，應(yīng)選擇Ni、Cr等元素；Co、Ni、Si等可作為改善合金化工藝性的元素；對于鋁合金，則選擇Fe、Ni、Cr、B、Si等元素進(jìn)行電子束表面合金化處理。</p><p>　　2.6 離子注入技術(shù)</p><p>　　離子注入是將原子離子化，在電場中獲得高能量，強(qiáng)行注入材料表面層，從而改變其表面成分與性能的方法。</p&g

56、t;<p>　　從20世紀(jì)30年代起，人們便開始將離子注入作為一種輻照方法加以研究，到60年代以后，離子注入技術(shù)在材料表面改性方面得到迅速發(fā)展。首先是在半導(dǎo)體器件制造技術(shù)中取得顯著成果，利用離子注入技術(shù)作為摻雜手段來改變固體表面性質(zhì)，能夠精確控制離子的摻雜濃度；到80年代，離子注入在金屬材料表面改性中的應(yīng)用研究獲得突破，有效地改善了工程材料的物理、化學(xué)及力學(xué)性能；陶瓷材料具有優(yōu)良的耐熱性、耐蝕性、耐磨性，優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、

57、磁學(xué)性能，但韌性差，利用離子注入可改善陶瓷材料的表面韌性和疲勞抗力；對高分子聚合材料進(jìn)行離子注入，能提高材料的抗磨損、抗腐蝕能力。隨著離子注入理論研究的進(jìn)一步深入和強(qiáng)束流、大靶室的離子注入設(shè)備問世，離子注入技術(shù)已發(fā)展成為一門表面優(yōu)化處理技術(shù)，并逐漸在國防、機(jī)械、輕工、紡織、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。</p><p>　　離子注入的應(yīng)用：在材料表面改性方面，離子注入目前主要用于工具、模具、精密零件及特殊

58、零件，注入的離子種類繁多，但以氮離子為主[9]。除在機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用之外，離子注入在微電子工業(yè)中也應(yīng)用廣泛，同時，在微波激光和紅外集成電路也得到廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　2.7氣相沉積技術(shù)</b></p><p>　　氣相沉積技術(shù)是一種發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的表面成膜技術(shù)，它不僅可以用來制備各種特殊力學(xué)性能（如超硬、高耐蝕、耐熱和抗氧化等）的薄膜涂層，而且還可

59、以用來制備各種功能薄膜材料和裝飾薄膜涂層等。</p><p>　　氣相沉積技術(shù)可以分為物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition,簡稱PVD）和化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD）。其中化學(xué)氣相沉積應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展及研究最為成熟。</p><p>　　2.7.1化學(xué)氣相沉積</p><p>　　化

60、學(xué)氣相沉積的古老原始形態(tài)可以追朔到古人類在取暖或燒烤時熏在巖洞壁或巖石上的黑色碳層。作為現(xiàn)代CVD技術(shù)發(fā)展的開始階段在20世紀(jì)50年代，主要著重于刀具涂層的應(yīng)用。從20世紀(jì)60～70年代以來由于半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)的需要，CVD技術(shù)得到了更迅速和更廣泛的發(fā)展。目前CVD技術(shù)在電子、機(jī)械等工業(yè)部門中發(fā)揮了巨大作用，特別對一些如氧化物、碳化物、金剛石和類金剛石等功能薄膜和超硬薄膜的沉積。</p><p>　

61、　化學(xué)氣相沉積是通過化學(xué)反應(yīng)的方式，利用加熱、等離子激勵或光輻射等各種能源，在反應(yīng)器內(nèi)使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在氣相或氣固界面上經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)沉積物的技術(shù)。簡單來說就是：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個反應(yīng)室內(nèi),然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到基片表面上。CVD和PVD相比，沉積過程要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是一個氣象化學(xué)生長的過程[1]。從氣相中析出的固體的形態(tài)主要有下列幾種：在固體表面上生成薄膜、晶須和晶粒，在

62、氣體中生成粒子。 </p><p>　　(1)化學(xué)沉積技術(shù)的基本要求</p><p>　　為適應(yīng)CVD技術(shù)的需要，選擇原料、產(chǎn)物及反應(yīng)類型等通常應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求：</p><p>　?、俜磻?yīng)劑在室溫或不太高的溫度下最好是氣態(tài)或有較高的蒸氣壓而且易于揮發(fā)成蒸汽的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，且有很高的純度。</p><p>　　②通過沉積反應(yīng)易于生成

63、所需要的材料沉積物，而其他副產(chǎn)物均易揮發(fā)而留在氣相排出或易于分離。</p><p><b>　　③反應(yīng)易于控制。</b></p><p>　　(2)化學(xué)沉積技術(shù)的基本原理</p><p>　　CVD是建立在化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)上的，要制備特定性能材料首先要選定一個合理的沉積反應(yīng)。用于CVD技術(shù)的通常有如下所述五種反應(yīng)類型。</p><

64、;p><b>　?、贌岱纸夥磻?yīng)</b></p><p>　　熱分解反應(yīng)是最簡單的沉積反應(yīng)，利用熱分解反應(yīng)沉積材料一般在簡單的單溫區(qū)爐中進(jìn)行，其過程通常是首先在真空或惰性氣氛下將襯底加熱到一定溫度，然后導(dǎo)入反應(yīng)氣態(tài)源物質(zhì)使之發(fā)生熱分解，最后在襯底上沉積出所需的固態(tài)材料。熱分解發(fā)可應(yīng)用于制備金屬、半導(dǎo)體以及絕緣材料等。</p><p><b>　?、谘趸€

65、原反應(yīng)沉積</b></p><p>　　一些元素的氫化物、有機(jī)烷基化合物常常是氣態(tài)的或者是易于揮發(fā)的液體或固體，便于使用在CVD技術(shù)中。如果同時通入氧氣，在反應(yīng)器中發(fā)生氧化反應(yīng)時就沉積出相應(yīng)于該元素的氧化物薄膜。許多金屬和半導(dǎo)體的鹵化物是氣體化合物或具有較高的蒸氣壓，很適合作為化學(xué)氣相沉積的原料，要得到相應(yīng)的該元素薄膜就常常需采用氫還原的方法。氫還原法是制取高純度金屬膜的好方法，工藝溫度較低，操作簡單

66、，因此有很大的實(shí)用價值。</p><p><b>　?、刍瘜W(xué)合成反應(yīng)沉積</b></p><p>　　化學(xué)合成反應(yīng)沉積是由兩種或兩種以上的反應(yīng)原料氣在沉積反應(yīng)器中相互作用合成得到所需要的無機(jī)薄膜或其它材料形式的方法。這種方法是化學(xué)氣相沉積中使用最普遍的一種方法。與熱分解法比，化學(xué)合成反應(yīng)沉積的應(yīng)用更為廣泛。因?yàn)榭捎糜跓岱纸獬练e的化合物并不很多，而無機(jī)材料原則上都可以通

67、過合適的反應(yīng)合成得到。</p><p><b>　?、芑瘜W(xué)輸運(yùn)反應(yīng)沉積</b></p><p>　　把所需要沉積的物質(zhì)作為源物質(zhì)，使之與適當(dāng)?shù)臍怏w介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并形成一種氣態(tài)化合物。這種氣態(tài)化合物經(jīng)化學(xué)遷移或物理載帶而輸運(yùn)到與源區(qū)溫度不同的沉積區(qū)，再發(fā)生逆向反應(yīng)生成源物質(zhì)而沉積出來。這樣的沉積過程稱為化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)沉積。其中的氣體介質(zhì)成為輸運(yùn)劑，所形成的氣態(tài)化合物稱為輸運(yùn)

68、形式。這類反應(yīng)中有一些物質(zhì)本身在高溫下會汽化分解然后在沉積反應(yīng)器稍冷的地方反應(yīng)沉積生成薄膜、晶體或粉末等形式的產(chǎn)物。</p><p>　?、莸入x子體增強(qiáng)的反應(yīng)沉積</p><p>　　在低真空條件下，利用直流電壓（DC）、交流電壓（AC）、射頻（RF）、微波（MW）或電子回旋共振（ECR）等方法實(shí)現(xiàn)氣體輝光放電在沉積反應(yīng)器中產(chǎn)生等離子體。由于等離子體中正離子、電子和中性反應(yīng)分子相互碰撞，可

69、以大大降低沉積溫度，例如硅烷和氨氣的反應(yīng)在通常條件下，約在850℃左右反應(yīng)并沉積氮化硅，但在等離子體增強(qiáng)反應(yīng)的條件下，只需在350℃左右就可以生成氮化硅。</p><p>　　(3)化學(xué)沉積技術(shù)的特點(diǎn)</p><p>　?、俪练e反應(yīng)如在氣固界面上發(fā)生則沉積物將按照原有固態(tài)基底（又稱襯底）的形狀包覆一層薄膜。</p><p>　?、谕繉拥幕瘜W(xué)成分可以隨氣相組成的改變而

70、改變，從而獲得梯度沉積物或得到混合鍍層。</p><p>　　③采用某種基底材料，沉積物達(dá)到一定厚度以后又容易與基底分離，這樣就可以得到各種特定形狀的游離沉積物器具。</p><p>　?、茉贑VD技術(shù)中也可以沉積生成晶體或細(xì)粉狀物質(zhì)，或者使沉積反應(yīng)發(fā)生在氣相中而不是在基底表面上，這樣得到的無機(jī)合成物質(zhì)可以是很細(xì)的粉末，甚至是納米尺度的微粒稱為納米超細(xì)粉末。</p><

71、p>　　⑤CVD工藝是在較低壓力和溫度下進(jìn)行的，不僅用來增密炭基材料，還可增強(qiáng)材料斷裂強(qiáng)度和抗震性能是在較低壓力和溫度下進(jìn)行的。</p><p>　　CVD主要缺點(diǎn)是需要在較高溫度下進(jìn)行反應(yīng)，基片溫度高，沉積速率較低（一般每小時只有幾微米到幾百微米），基體難以進(jìn)行局部沉積，參加沉積反應(yīng)的氣源和反應(yīng)后的余氣都有一定的毒性等</p><p>　　(4)化學(xué)沉積技術(shù)的發(fā)展</p>

72、;<p>　　目前，CVD反應(yīng)沉積溫度的更低溫化是一個發(fā)展方向，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)是一種中溫進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，采用金屬有機(jī)物作為沉積的反應(yīng)物，通過金屬有機(jī)物在較低溫度的分解來實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積。近年來發(fā)展的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)也是一種很好的方法，最早用于半導(dǎo)體材料的加工，即利用有機(jī)硅在半導(dǎo)體材料的基片上沉積SiO2。PECVD將沉積溫度從1000℃降到600℃以下，最低的只有30

73、0℃左右，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)除了用于半導(dǎo)體材料外，在刀具、模具等領(lǐng)域也獲得成功的應(yīng)用。</p><p>　　隨著激光的廣泛應(yīng)用，激光在氣相沉積上也都得到利用，激光氣相沉積(LCVD)通常分為熱解LCVD和光解LCVD兩類，主要用于激光光刻、大規(guī)模集成電路掩膜的修正以及激光蒸發(fā)-沉積。在向真空方向發(fā)展方面在向真空方向發(fā)展方面，出現(xiàn)了超高真空/化學(xué)氣相沉(UHV/CVD)法。此外，化學(xué)氣相沉積制膜技術(shù)還有射

74、頻加熱化學(xué)氣相沉積(RF/CVD)、紫外光能量輔助化學(xué)氣相沉積(UV/CVD)等其它新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。</p><p>　　2.7.2物理氣相沉積</p><p>　　物理氣相沉積是用物理的方法是鍍膜材料氣化，在基體表面沉積成膜的方法。除傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)和濺射沉積技術(shù)外，還包括近30多年來蓬勃發(fā)展起來的各種離子束沉積，離子鍍和離子束輔助沉積技術(shù)。其沉積類型包括：真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍等。&l

75、t;/p><p>　　物理氣相沉積技術(shù)雖然很多，但都必須實(shí)現(xiàn)氣相沉積三個環(huán)節(jié)，即鍍料氣相→氣相輸運(yùn)→沉積成膜。物理氣相沉積與化學(xué)氣相沉積相比，主要優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)如下：</p><p>　　(1)鍍膜材料廣泛，容易獲得：包括純金屬、合金、化合物，導(dǎo)電或不導(dǎo)電，低熔點(diǎn)或高熔點(diǎn)，液相或固相，塊狀或粉末，都可以使用或經(jīng)加工后使用。</p><p>　　(2)鍍料汽化方式：可用高溫蒸

76、發(fā)，也可用低溫濺射。</p><p>　　(3)沉積粒子能量可調(diào)節(jié)，反應(yīng)活性高。</p><p>　　(4)低溫型沉積：沉積粒子的高溫量高活性，不需遵循傳統(tǒng)的熱力學(xué)規(guī)律的高溫過程，就可實(shí)現(xiàn)低溫反應(yīng)合成和在低溫基體上沉積，擴(kuò)大沉積基體適用范圍。</p><p>　　(5)可沉積各類型薄膜：如金屬膜、合金膜、化合物膜等。</p><p>　　(6

77、)無污染，利于環(huán)境保護(hù)。</p><p>　　物理氣相沉積技術(shù)已廣泛用于各行各業(yè)，許多技術(shù)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。其鍍膜產(chǎn)品涉及到許多適用領(lǐng)域。</p><p>　　2.8 電鍍、化學(xué)鍍、電刷鍍技術(shù)</p><p>　　2.8.1 電鍍技術(shù)</p><p>　　電鍍是指利用電解的方法從一定的電解質(zhì)溶液中，在經(jīng)過處理的基體金屬表面沉積各種所需性能或尺

78、寸的連續(xù)、均勻而附著沉積的一種電化學(xué)過程的總稱。電鍍所獲得的沉積層叫電沉積層或電鍍層。獲得電鍍層的技術(shù)屬于表面工程技術(shù)中的覆蓋層技術(shù)，屬于原子沉積技術(shù)，是覆蓋層技術(shù)領(lǐng)域較為古老而成熟且應(yīng)用面較廣泛的一種技術(shù)。電鍍廣泛用于各種金屬和非金屬的裝飾防護(hù)，以及賦予這些金屬和非金屬的各種所需要的特殊性能或功能。高級裝飾防護(hù)和各種功能性電鍍或兩者兼具的電鍍時電鍍技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。</p><p>　　就理論而言，化學(xué)元素周

79、期表內(nèi)所包含的金屬幾乎都有可能以各種形式用作電鍍材料，或者幾乎都可以用作電鍍層的機(jī)體?，F(xiàn)代電鍍包括單金屬電鍍、合金電鍍、單層電鍍、多層組合電鍍、復(fù)合電鍍或彌散電鍍等。這些電鍍層可鍍于金屬基體上，也可通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)鍍與非金屬上，而使非金屬表面得到金屬化，或稱非金屬表面金屬化。</p><p>　　2.8.2 化學(xué)鍍技術(shù)</p><p>　　化學(xué)鍍是不加外電流而利用導(dǎo)相表面受控自催化還原反應(yīng)

80、在基體上獲得所需性能的連續(xù)、均勻附著沉積過程的統(tǒng)稱，又稱化學(xué)沉積、非電解沉積、自催化沉積。其沉積層叫化學(xué)沉積層或化學(xué)鍍層。化學(xué)鍍技術(shù)也屬于表面工程技術(shù)中的覆蓋層技術(shù)。</p><p>　　現(xiàn)代化學(xué)鍍技術(shù)有多種，其間的重要區(qū)別在于沉積結(jié)晶速度，可實(shí)際沉積厚度，沉積與基體表面的附著力，沉積性能，沉積結(jié)晶結(jié)構(gòu)，鍍層厚度均勻性，鍍液鍍覆特殊基體的能力，化學(xué)鍍液的技術(shù)利用率，鍍層質(zhì)量的重復(fù)性，沉積的成本，工藝危害及廢物等。

81、化學(xué)鍍采用與電鍍有許多明顯不同的鍍前表面準(zhǔn)備，所以，對化學(xué)鍍表面準(zhǔn)備技術(shù)，及相應(yīng)的處理劑的研究和發(fā)展，無疑會推動化學(xué)鍍技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　化學(xué)鍍技術(shù)是比電鍍技術(shù)更年輕的表面覆蓋層技術(shù)，亦屬于原子沉積技術(shù)，但是，正是由于化學(xué)鍍技術(shù)的發(fā)展才使印刷線路板、計算機(jī)軟盤和塑料電鍍，以及非金屬表面金屬化成為可能，并推動著這些產(chǎn)品行業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　2.8.3 電刷鍍技術(shù)&

82、lt;/p><p>　　(1)電刷鍍技術(shù)的基本原理</p><p>　　電刷鍍是應(yīng)用電化學(xué)沉積的原理，在導(dǎo)電零件需要制備鍍層的表面上，快速沉積金屬鍍層的表面技術(shù)，它是表面工程技術(shù)重要的組成部分。電刷鍍是直流電源的負(fù)極通過電纜線與工件聯(lián)接；正極通過電纜線與鍍具聯(lián)接。鍍具前端的經(jīng)包裹的與刷鍍表層仿形的陽極與工件表面輕輕接觸，含有欲鍍金屬離子的電刷鍍專用鍍液不斷地供送到陽極和工件刷鍍表面之間，在電場

83、作用下，鍍液中的金屬離子定向遷移到工件表面，在工件表面獲得電子還原成金屬原子，還原的金屬原子在工件表面上形成鍍層。</p><p>　　(2)電刷鍍技術(shù)的特點(diǎn) ：</p><p>　　①電刷鍍層具有良好的力學(xué)性能和物理，化學(xué)性能。</p><p><b>　　②鍍層厚度可控制。</b></p><p><b>

84、　?、蹨厣?。</b></p><p>　　④工藝靈活、適應(yīng)范圍廣。</p><p><b>　　⑤生產(chǎn)效率高。</b></p><p><b>　?、迣Νh(huán)境污染小。</b></p><p><b>　?、邉趧訌?qiáng)度大。</b></p><p>

85、;　　3表面強(qiáng)化技術(shù)的又應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　3.1材料的表面強(qiáng)化技術(shù)及其在滾動軸承中的應(yīng)用</p><p>　　滾動軸承的主要失效形式，諸如疲勞、磨損和腐蝕等，都發(fā)生于表面或表面層。因此，提高軸承零件的表面性能對提高軸承的可靠性和使用壽命，充分發(fā)揮軸承材料的潛力有很重要的意義。軸承套圈的工作表面和心部在性能要求方面有較太差剮的，整體熱處理往往只能較多地滿足表面性能的需要，而不得不

86、犧牲部分心部性能的需求?；蛘呦喾?，二者往往不能兼顧，材料的潛力得不到充分的發(fā)揮。應(yīng)用材料的表面強(qiáng)化技術(shù)不僅可以較好的解決表面和心部在性能要求上的不同，而且可以使表面獲得某些特殊的工作性能以滿足在特定條件下工作的滾動軸承工作表面性能要求，既可以節(jié)約一些貴重的材料叉可以擴(kuò)大軸承的應(yīng)用范圍，這在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中是非常有意義的。</p><p>　　3.1.1表面熱處理強(qiáng)化</p><p>　　

87、利用固態(tài)相變，通過快速加熱的方法對零件的表面層進(jìn)行淬火處理稱為表面熱處理，俗稱表面淬火。包括火焰加熱淬火、高(中)頻感應(yīng)加熱淬火、激光加熱或電子束加熱淬火等。這些方法的特點(diǎn)是：局部加熱淬火，工件變形??；加熱速度快，生產(chǎn)效率高；加熱時間短、表面氧化脫碳很輕微。該方法特別是對提高承受一定沖擊載荷的大型和特大型軸承零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度效果顯著[10]。隨著加熱設(shè)備和近代加熱方法的進(jìn)步，表面熱處理已成為發(fā)展快，應(yīng)用廣的表面強(qiáng)化方法，如重大型軸

88、承套圈的表面淬火就屬這類方法。</p><p>　　3.1.2化學(xué)熱處理強(qiáng)化</p><p>　　利用某種化學(xué)元素的固態(tài)擴(kuò)散滲入。來改變金屬表面層的化學(xué)成分。以實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化的方法稱為化學(xué)熱處理強(qiáng)化，也有人稱之為擴(kuò)滲熱處理。包括滲硼、滲金屬、滲碳及碳氮共滲、滲氮及氮碳共滲、滲硫及硫氮碳共滲、滲鉻、滲鋁及鉻、鋁、硅共滲和石墨化滲層等，種類繁多，特點(diǎn)各異。滲入元素或溶人基體金屬形成固溶體，或與其

89、他金屬元素結(jié)合形成化合物，總之滲入元素既能改變表面層的化學(xué)成分，又可以得到不同的相結(jié)構(gòu)，因而種類不同的化學(xué)熱處理滲層能提高軸承零件表面層多方面的性能，有廣闊的應(yīng)用前景。滲碳軸承鋼零件的處理工藝和滾針軸承保持架的表面強(qiáng)化均屬于這一類技術(shù)。</p><p>　　3.1.3表面冶金強(qiáng)化</p><p>　　利用工件表面層金屬的重新熔化和凝固，以得到預(yù)期的成分或組織的表面強(qiáng)化處理技術(shù)稱為表面冶金強(qiáng)

90、化。包括表面自熔性臺金或復(fù)合粉末涂層、表面熔化結(jié)晶或非晶態(tài)處理和表面合金化等方法。特點(diǎn)是采用高能量密度的快速加熱，將金屬表面層或涂覆于金屬表面的合金化材料熔化，隨后靠自激冷卻進(jìn)行凝固以得到特殊結(jié)構(gòu)或特定性能的強(qiáng)化層。這種特殊的結(jié)構(gòu)或者是細(xì)化的晶體組織、或者是過飽和相、亞穩(wěn)相，甚至是非晶態(tài)組織，這取決于表面冶金的工藝參數(shù)和方法。軸承工業(yè)對這方面的研究還很少，僅在微型軸承工作表面做過激光加熱強(qiáng)化，效果不錯。</p><p

91、>　　3.1.4表面薄膜強(qiáng)化</p><p>　　應(yīng)用物理的或化學(xué)的方法在金屬表面被覆與基體材料性能不同的強(qiáng)化膜層稱為表面薄膜強(qiáng)化。它包括歷史悠久的電鍍、化學(xué)鍍(鍍鉻、鍍銅、鍍銀等)以及復(fù)合鍍、刷鍍和轉(zhuǎn)化處理等。也包括近代發(fā)展較快的氣相沉積薄膜強(qiáng)化方法(CVD、P-CVD、PVD)以及70年代發(fā)展起來的離子注入表面強(qiáng)化技術(shù)(也稱原子冶金技術(shù))[11]。種類繁多的表面薄膜技術(shù)其共同的特點(diǎn)是均能在工件表面形成特

92、定性能的薄膜以強(qiáng)化表面的耐磨性，耐蝕性、抗疲勞性和潤滑性能等等。因而在各類滾動軸承中，薄膜強(qiáng)化技術(shù)，從古老的化學(xué)鍍到現(xiàn)代的氣相沉積和離子注入都已經(jīng)或正得到應(yīng)用。</p><p>　　3．2表面強(qiáng)化在模具表面中的應(yīng)用</p><p>　　3.2.1不改變表面化學(xué)成分的強(qiáng)化技術(shù)</p><p>　　主要有表面形變和激光處理。常用表面形變強(qiáng)化技術(shù)有噴丸、滾壓、冷擠壓、摩擦

93、強(qiáng)化及爆炸沖擊強(qiáng)化等。表面形變強(qiáng)化技術(shù)已廣泛用于齒輪、彈簧、鏈條、葉片、火車車軸等機(jī)械零件表面。噴丸是利用高速彈丸強(qiáng)烈沖(撞)擊工件表面，使表層形成高殘余壓應(yīng)力和表層組織位錯密度增加，產(chǎn)生形變硬化層[12]。</p><p>　　激光加工熱表面淬火是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的大功率激光器發(fā)展起來的新技術(shù)。利用激光束照射到金屬材料表面時，其紅外能量被零件表層吸收而迅速形成很高的溫度達(dá)到相變溫度以上，內(nèi)部材料則保持冷態(tài)

94、，并能迅速傳熱，使表層急劇冷卻形成極大冷卻速度，從而起自身淬火的目的。淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高15％～20％，淬硬層可達(dá)O．1～2．5mm，可以大幅度提高模具的耐磨性和使用壽命，而且強(qiáng)化后模具表面光滑如初，變形小，基本上不需要再加工就能直接使用，特別適合處理形狀復(fù)雜、精加工后不易采用其它強(qiáng)化方法的模具。</p><p>　　3.2.2改變表面化學(xué)成分的強(qiáng)化技術(shù)</p><p>　　

95、該技術(shù)主要有等離子化學(xué)處理、離子注入和滲金屬處理等。離子注入已在鋁、不銹鋼、碳鋼、軸承鋼等材料上應(yīng)用，使其壽命提高幾倍到幾十倍，離子注入強(qiáng)化技術(shù)越來越受到各國科技工作者的重視，在工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用等方面都取得了很快很好的發(fā)展。</p><p>　　表面覆膜強(qiáng)化主要有氣相沉積工藝、電火花表面強(qiáng)化工藝和多層硬質(zhì)合金復(fù)合膜等技術(shù)。3Cr2w8V鋼模具處理后壽命提高3～4倍。Crl2MoV精沖模經(jīng)PVD處理獲得3～5um

96、涂層，其壽命從l.3萬次提高到10萬次以上。Crl2w18M04V等鋼制的20多種冷模具上用CVD法沉積一層TiC，壽命可提高2～7倍，沉積TiN層的模具壽命則可提高l～20倍。電火花表面強(qiáng)化技術(shù)已在模具上獲得應(yīng)用，如沖壓硅鋼片O.35～4mm厚的落料模經(jīng)電火花強(qiáng)化后，使用壽命延長2～3倍定子雙槽沖模由5萬次／刃磨提高到20萬次／刃磨。廣州有色金屬研究院采用超音速噴涂硬質(zhì)合金工藝，使Crl2不銹鋼拉伸模修模頻率從原來的500件／次提高到

97、7000件／次，壽命提高了3～8倍，獲得了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　3.3表面強(qiáng)化技術(shù)在工程車輛發(fā)動機(jī)維修中的應(yīng)用</p><p>　　許多工程車輛常年工作于惡劣的工作條件下，作業(yè)負(fù)荷大，造成機(jī)械故障多、磨損量大、使用周期短，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。因而，針對工程車輛的診斷和維修特點(diǎn)，對它的維修技術(shù)提出了更高的要求。我國大部分進(jìn)口工程車輛多在高速、重載、污染嚴(yán)重、施工條件惡劣的工

98、況下作業(yè)，發(fā)動機(jī)汽缸表面的腐蝕和磨損嚴(yán)重，且對零件表面修復(fù)和表面處理要求很高。</p><p>　　對于進(jìn)口車輛發(fā)動機(jī)，需要根據(jù)具體工作環(huán)境，采用適宜的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，制定合理的修復(fù)方案。在近20年來材料表面強(qiáng)化技術(shù)得到迅速發(fā)展，主要是因?yàn)椴捎眠@種技術(shù)成本較低，而且對控制和減少磨損行之有效[1]。材料表面強(qiáng)化技術(shù)是通過各種表面涂層技術(shù)與表面改性技術(shù)提高維修質(zhì)量的工程方法。它利用各種物理、化學(xué)或電化學(xué)、機(jī)械或電子

99、的工藝過程，使零件表面獲得特殊的成分、組織結(jié)構(gòu)和表面性能，以滿足零件表面的技術(shù)要求。針對各種零件表面的失效形式特征和機(jī)理，綜合或復(fù)合應(yīng)用各種材料表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行維修與防護(hù)，廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)和維修行業(yè)機(jī)械設(shè)備的防腐、耐磨、裝飾或賦予零件表面特殊性能[13]。材料表面強(qiáng)化技術(shù)種類較多，主要包括表面組織改變強(qiáng)化、表面成分改變強(qiáng)化和表面沉積強(qiáng)化。下面對這幾種主要強(qiáng)化方式進(jìn)行綜合介紹及比較。</p><p>　　3.3.

100、1表面組織改變強(qiáng)化</p><p>　　對于表面組織改變強(qiáng)化的零件，所有因處理而引起的變化均在基體內(nèi)，屬于顯微組織的變化。表面形變強(qiáng)化和表面熱處理強(qiáng)化是表面組織改變強(qiáng)化的兩種形式。表面形變強(qiáng)化一般是利用機(jī)械方法使金屬表面層發(fā)生塑性變形，從而形成高硬度、高強(qiáng)度的硬化層的強(qiáng)化方式。例如，噴丸處理生成的硬化層中的位錯密度可達(dá)1012／cm3，亞晶可碎化至0.02p·m。表面層的密度越高、亞晶越細(xì)，則其強(qiáng)度、硬

101、度越高。表面熱處理強(qiáng)化是利用固態(tài)相變，通過快速加熱的辦法，對工件表面進(jìn)行淬火，所以也稱表面淬火，如火焰、激光、等離子淬火等，利用表面激光強(qiáng)化方法強(qiáng)化發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件的研究及應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛。</p><p>　　3.3.2表面成分改變強(qiáng)化</p><p>　　強(qiáng)化措施在于使表面或表層成分發(fā)生變化，或者再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使表面或表層的機(jī)械性能得到改善。在強(qiáng)化過程中，主要利用與基體金屬元素不同

102、的其它元素，通過固態(tài)擴(kuò)散滲入的方法，以改變金屬表面層的化學(xué)成分，使零件表面產(chǎn)生不同于基體結(jié)構(gòu)的化合物和固溶體，以提高金屬表面層的性能。如滲氮可提高零件的耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，滲硼主要增加耐磨性，還具有良好的抗蝕性。</p><p>　　3.3.3表面沉積強(qiáng)化</p><p>　　表面沉積強(qiáng)化是在零件表面加入或沉積與基體成分不同的材料，以獲得強(qiáng)度高、耐磨性與抗蝕性好的表面層。這種強(qiáng)化技術(shù)主要包

103、括表面冶金強(qiáng)化和表面薄膜強(qiáng)化。表面冶金強(qiáng)化是利用表面層金屬的重新熔化和凝固，以得到預(yù)期成分或組織的材料表面強(qiáng)化技術(shù)。一般均采用高能量密度的快速加熱，將金屬表面熔化或?qū)⑼扛苍诮饘俦砻娴暮辖鸩牧先刍?，隨后靠自激冷卻進(jìn)行凝固而得到硬化層。經(jīng)過這種快速熔化一凝固的表面處理過程，使金屬表面能夠產(chǎn)生特殊結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)形態(tài)可能是細(xì)化的晶體組織、過飽和相、亞穩(wěn)相以及非晶態(tài)組織等。表面薄膜強(qiáng)化是通過物理或化學(xué)方法，在金屬表面覆上與基體材料不同的膜層，形成耐

104、磨膜或抗蝕膜等。它與金屬冶金強(qiáng)化的區(qū)別在于，后者的表面層與沉積或被覆層無明顯界限，而表面薄膜強(qiáng)化一般是靠金屬材料間的物理作用而結(jié)合的，因此薄膜強(qiáng)化的關(guān)鍵性問題之一就是結(jié)合力的大小。</p><p>　　電鍍和化學(xué)鍍是表面薄膜強(qiáng)化中提高基體耐磨性和抗蝕性的有效方法，Ni-P化學(xué)鍍層在工程車輛零配件修復(fù)上得到廣泛應(yīng)用，其耐磨性和抗蝕性表現(xiàn)明顯[13]。美國有關(guān)研究人員在小齒輪軸上鍍13～18pm的Ni-P鍍層，處理2

105、h后，硬度可達(dá)HRC62，使差動機(jī)構(gòu)平滑運(yùn)動而降低噪聲。為了提高零件的耐磨性，可以從多種表面處理工藝中選用一種對零件表面進(jìn)行強(qiáng)化，也可以選用一種以上進(jìn)行復(fù)合處理，但必須遵循的原則就是性能高、成本低，即選用性能價格比高的強(qiáng)化工藝。</p><p>　　3.4表面技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理中的應(yīng)用</p><p>　　飛機(jī)發(fā)動機(jī)架和作動筒等許多零部件的材料為30CrMnSiA，即飛機(jī)鋼。在飛機(jī)的使用過

106、程中，其表面會出現(xiàn)劃傷、磨損、腐蝕、壓坑等現(xiàn)象，必須及時予以修復(fù)。為此，有人研究了電刷鍍修復(fù)飛機(jī)30CrMnSiA鋼件的工藝規(guī)范，解決了30CrMnSiA鋼制電鍍修復(fù)易產(chǎn)生氫脆的難題。飛機(jī)上有許多同樣或類似的材料組成的零件，采用電刷鍍技術(shù)修復(fù)，不僅工藝簡單、方便迅速、成本低，而且質(zhì)量完全能滿足要求[14]。綜合利用摩擦電噴鍍技術(shù)和n-A12O3／Ni-W納米復(fù)合刷鍍技術(shù)也可以有效修復(fù)30CrMnSiA飛機(jī)鋼。采用這種修理方法，表面修復(fù)層