专业综合实验-等离子表面硬化处理
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合金钢：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L、1Cr18Ni9Ti、 2Cr13 ； 铸铁：HT200、QT600、合金铸铁； 有色金属合金：Al合金、Ti 合金
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
熔覆材料：
铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末
需要时加入：WC、TiC、SiC、Al2O3等陶瓷相提高硬度
专业综合实验 二、等离子束表面处理技术
等离子束表面处理技术简介
断裂
磨损
腐蚀
机械零部件失效
为满足表面耐磨性能和耐腐蚀性能
表面改性处理
等离子束表面处理技术简介
传统表面改性技术
喷涂层
渗层
镀层
激光束、电子束、离子束等为代表的高能束 表面改性新技术，具有广阔的工业应用前景
等离子束表面处理技术简介 在热喷涂、堆焊、激光熔覆等基础上发展起来的。 热喷涂：技术成熟，应用广泛，但涂层与基体 的结合力差，不能承受冲击载荷； 堆焊：设备简单，操作灵活，但电弧不稳定， 组织成分极不均匀，易出现夹杂、过烧、烧不透、 稀释率高等缺陷，生产效率低，合金元素浪费大等； 激光熔覆：涂层与基体呈冶金结合，涂层外观 好、硬度高、耐磨性好、抗冲击等，但生产效率低， 能量利用率低，设备投资大、维护费用高、使用成 本高。
等离子束流 快速扫描工件
表面形成 熔池
依靠工件自身冷却和 向空气散热快速凝固
硬化效果显著，但发生了液态到固态的转变，产生铸造缺陷 的可能性增加。此外，熔凝硬化层因凝固反应而突起，一般 需经过磨削后方可使用，增加了制造工序和成本。（适于铸 铁和高合金钢）
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
等离子束扫描速度对硼铸铁 微熔处理硬化层组织与性能的影响 材控01级 李征
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
硼铸铁经等离子表面微熔 处理后，其耐磨性大约提 高了2倍。
1—熔化层，2—固态相变层，3—基体 图 2 硬化层全貌 35×
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
图 3
熔化区组织 莱氏体＋少量未溶石墨 400×
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
图5 熔化区上部SEM照片 3000×
图6 熔化区中部SEM照片 3000×
图7 熔化区底部SEM照片 3000×
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
表面预涂敷 合金粉末或 同步送粉
等离子束流快速扫 描工件，合金元素 熔入等离子束扫描 形成的微熔池中， 反应形成新相
依靠工件自身快 冷和向空气散热 快速凝固
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
等离子熔覆示意图
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
基体材料：
碳钢：Q235、20、45、16Mn
镍铬硼硅合金粉末：25~65HRC，综合性能优良，用途广 泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，各种低 应力磨料磨损的零件，耐蚀件和工作温度不超过700 ℃的 零件，以及铸铁、钢件缺陷的修补。
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
熔覆材料：
钴基合金粉末：熔覆层具有优良的高温性能，较好的热强
硬化层的 耐磨性是 基体的3倍
针状马氏体＋珠光体＋残余奥氏体＋片状石墨＋含硼碳化物和
硬化层的显微硬度分布曲线
等离子束表面熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能
材科02级
鲁煜
铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能
a)→b)→c)→d)→e)→f)表示从表层到结合界面的组织
铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能
参考文献 1、等离子技术在材料加工中的应用
2、铸铁等离子束淬火区的特点
等离子束表面处理技术简介
1 等离子束表面处理的优点
2 等离子束表面强化原理
3 等离子束表面强化方式
4 等离子束表面强化机理
5 举例
等离子弧
压缩电弧：与一般的电弧相比温度高、能量集中。 等离子发生器工作时，在阴极和阳极之间加一高频高压 电，使其间的气体介质Ar气电离形成电弧，此电弧柱在 经过细孔道的喷嘴时被强迫缩小，这种作用称为“机械 压缩”。同时通过的高压气体介质均匀地包围在电弧周 围，使弧柱受到强烈的冷却，迫使带电粒子流向弧柱中 心集中，弧柱被进一步压缩，这种作用称为“热压缩”。 此外带电粒子在弧柱中的运动可看成是在一束平行的 “导线”内移动，其自身的磁场所产生的电磁力，使这 些“导线”互相吸引靠近，弧柱又进一步被压缩,这种压 缩作用称为“磁压缩” 。在上述三种压缩作用下，弧柱 被缩小到很细的范围内，并且由柔性变为刚性，能量密 度高度集中，心部温度可达104℃，称为等离子束。
熔覆层的硬度分布曲线
45钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究
喷焊层的低倍组织
实验内容 1、以5～6人为一组，每组在45钢、HT250试样上分别进行
等离子淬火硬化和等离子熔凝硬化处理实验。
2、试验工艺方案制定好后经老师审查通过方可进行实验。 3、处理试样、取样、制备金相试样、观察采集金相组织图 片、硬化层硬度测试。
性、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能。 一般用于较重要的耐高温磨蚀零件的强化和修复。如 高温高压阀门板和阀座，各种发动机的排气阀密封面以及 用于热腐蚀条件下的飞机发动机部件 等。
4 等离子束表面强化机理
等离子束表面处理过程属于非平衡快速凝固过程。 （1）相变硬化 （2）细晶强化 （3）弥散强化 （4）固溶强化
熔覆层的组织，（Cr,Fe）7C 3 三维形貌
铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-SiL不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能
熔覆道宏观形貌
316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能
熔覆层低倍形貌
316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
熔覆材料：
铁基合金粉末：熔覆层具有优良的耐磨性，但脆性较大
铁铬硅硼合金粉末：50HRC以上，适用于铁路钢轨的修补, 以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件 的强化和修复。
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
熔覆材料：
镍基合金粉末：熔覆层耐磨、耐蚀、抗氧化
等离子弧焊
1 等离子表面处理的优点
等离子束能量密度高、温度高、加热速度快、 时间短,处理工件变形小或无变形,工作效率高 等离子束表面改性技术，一次性投资只有激光 的1/3-/1/2，运行成本只有激光处理的1/3， 且硬化效果与激光相当，是非常有前途的表面 工程技术。
2 等离子表面强化原理
等离子表面强化的基本原理是利用用氩气或氮气等气体放 电形成压缩电弧的高密度能量束（等离子束），其能量密 度达数百kW/cm2，弧柱中心温度可达10000℃，加热速度非 常快。当利用等离子束扫描材料表面时，其表面温度在瞬 间可迅速升至相变温度以上或至熔点，由于加热时间短， 加热层很浅，靠工件自身以很大冷却速度快速冷却，形成 细密的白口组织、隐晶马氏体、高硬度化合物等高硬度组 织，从而实现表面强化之目的。
3 等离子表面强化方式
（1）固态相变硬化
等离子束流 快速扫描工件
工件被加热到固 态相变温度以上
依靠工件自身快 速冷却发生淬火
淬硬层组织细小，硬度比常规淬火工艺高出20%以上，耐磨 性可提高2～3倍，工件几乎无变形，处理后的材料表面形貌 无改变，可直接使用。
3 等离子表面强化方式
（2）表面熔凝硬化
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
熔覆材料：
铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末
需要时加入：WC、TiC、SiC、Al2O3等陶瓷相提高硬度
专业综合实验 二、等离子束表面处理技术
等离子束表面处理技术简介
断裂
磨损
腐蚀
机械零部件失效
为满足表面耐磨性能和耐腐蚀性能
表面改性处理
等离子束表面处理技术简介
传统表面改性技术
喷涂层
渗层
镀层
激光束、电子束、离子束等为代表的高能束 表面改性新技术，具有广阔的工业应用前景
等离子束表面处理技术简介 在热喷涂、堆焊、激光熔覆等基础上发展起来的。 热喷涂：技术成熟，应用广泛，但涂层与基体 的结合力差，不能承受冲击载荷； 堆焊：设备简单，操作灵活，但电弧不稳定， 组织成分极不均匀，易出现夹杂、过烧、烧不透、 稀释率高等缺陷，生产效率低，合金元素浪费大等； 激光熔覆：涂层与基体呈冶金结合，涂层外观 好、硬度高、耐磨性好、抗冲击等，但生产效率低， 能量利用率低，设备投资大、维护费用高、使用成 本高。
等离子束流 快速扫描工件
表面形成 熔池
依靠工件自身冷却和 向空气散热快速凝固
硬化效果显著，但发生了液态到固态的转变，产生铸造缺陷 的可能性增加。此外，熔凝硬化层因凝固反应而突起，一般 需经过磨削后方可使用，增加了制造工序和成本。（适于铸 铁和高合金钢）
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
等离子束扫描速度对硼铸铁 微熔处理硬化层组织与性能的影响 材控01级 李征
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
硼铸铁经等离子表面微熔 处理后，其耐磨性大约提 高了2倍。
1—熔化层，2—固态相变层，3—基体 图 2 硬化层全貌 35×
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
图 3
熔化区组织 莱氏体＋少量未溶石墨 400×
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
图5 熔化区上部SEM照片 3000×
图6 熔化区中部SEM照片 3000×
图7 熔化区底部SEM照片 3000×
等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响
表面预涂敷 合金粉末或 同步送粉
等离子束流快速扫 描工件，合金元素 熔入等离子束扫描 形成的微熔池中， 反应形成新相
依靠工件自身快 冷和向空气散热 快速凝固
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
等离子熔覆示意图
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
基体材料：
碳钢：Q235、20、45、16Mn
镍铬硼硅合金粉末：25~65HRC，综合性能优良，用途广 泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，各种低 应力磨料磨损的零件，耐蚀件和工作温度不超过700 ℃的 零件，以及铸铁、钢件缺陷的修补。
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
熔覆材料：
钴基合金粉末：熔覆层具有优良的高温性能，较好的热强
硬化层的 耐磨性是 基体的3倍
针状马氏体＋珠光体＋残余奥氏体＋片状石墨＋含硼碳化物和
硬化层的显微硬度分布曲线
等离子束表面熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能
材科02级
鲁煜
铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能
a)→b)→c)→d)→e)→f)表示从表层到结合界面的组织
铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能
参考文献 1、等离子技术在材料加工中的应用
2、铸铁等离子束淬火区的特点
等离子束表面处理技术简介
1 等离子束表面处理的优点
2 等离子束表面强化原理
3 等离子束表面强化方式
4 等离子束表面强化机理
5 举例
等离子弧
压缩电弧：与一般的电弧相比温度高、能量集中。 等离子发生器工作时，在阴极和阳极之间加一高频高压 电，使其间的气体介质Ar气电离形成电弧，此电弧柱在 经过细孔道的喷嘴时被强迫缩小，这种作用称为“机械 压缩”。同时通过的高压气体介质均匀地包围在电弧周 围，使弧柱受到强烈的冷却，迫使带电粒子流向弧柱中 心集中，弧柱被进一步压缩，这种作用称为“热压缩”。 此外带电粒子在弧柱中的运动可看成是在一束平行的 “导线”内移动，其自身的磁场所产生的电磁力，使这 些“导线”互相吸引靠近，弧柱又进一步被压缩,这种压 缩作用称为“磁压缩” 。在上述三种压缩作用下，弧柱 被缩小到很细的范围内，并且由柔性变为刚性，能量密 度高度集中，心部温度可达104℃，称为等离子束。
熔覆层的硬度分布曲线
45钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究
喷焊层的低倍组织
实验内容 1、以5～6人为一组，每组在45钢、HT250试样上分别进行
等离子淬火硬化和等离子熔凝硬化处理实验。
2、试验工艺方案制定好后经老师审查通过方可进行实验。 3、处理试样、取样、制备金相试样、观察采集金相组织图 片、硬化层硬度测试。
性、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能。 一般用于较重要的耐高温磨蚀零件的强化和修复。如 高温高压阀门板和阀座，各种发动机的排气阀密封面以及 用于热腐蚀条件下的飞机发动机部件 等。
4 等离子束表面强化机理
等离子束表面处理过程属于非平衡快速凝固过程。 （1）相变硬化 （2）细晶强化 （3）弥散强化 （4）固溶强化
熔覆层的组织，（Cr,Fe）7C 3 三维形貌
铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-SiL不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能
熔覆道宏观形貌
316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能
熔覆层低倍形貌
316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
熔覆材料：
铁基合金粉末：熔覆层具有优良的耐磨性，但脆性较大
铁铬硅硼合金粉末：50HRC以上，适用于铁路钢轨的修补, 以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件 的强化和修复。
3 等离子表面强化方式 （3）等离子束熔覆强化
熔覆材料：
镍基合金粉末：熔覆层耐磨、耐蚀、抗氧化
等离子弧焊
1 等离子表面处理的优点
等离子束能量密度高、温度高、加热速度快、 时间短,处理工件变形小或无变形,工作效率高 等离子束表面改性技术，一次性投资只有激光 的1/3-/1/2，运行成本只有激光处理的1/3， 且硬化效果与激光相当，是非常有前途的表面 工程技术。
2 等离子表面强化原理
等离子表面强化的基本原理是利用用氩气或氮气等气体放 电形成压缩电弧的高密度能量束（等离子束），其能量密 度达数百kW/cm2，弧柱中心温度可达10000℃，加热速度非 常快。当利用等离子束扫描材料表面时，其表面温度在瞬 间可迅速升至相变温度以上或至熔点，由于加热时间短， 加热层很浅，靠工件自身以很大冷却速度快速冷却，形成 细密的白口组织、隐晶马氏体、高硬度化合物等高硬度组 织，从而实现表面强化之目的。
3 等离子表面强化方式
（1）固态相变硬化
等离子束流 快速扫描工件
工件被加热到固 态相变温度以上
依靠工件自身快 速冷却发生淬火
淬硬层组织细小，硬度比常规淬火工艺高出20%以上，耐磨 性可提高2～3倍，工件几乎无变形，处理后的材料表面形貌 无改变，可直接使用。
3 等离子表面强化方式
（2）表面熔凝硬化