材料表面技术

Q Fe
P+F
F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
1）在淬火前要先正火消除网状渗碳体； 2）球化退火，预备组织为P球(粒状Fe3C + -F) 3）A1Acm之间加热保温，淬火, (粒状Fe3C + M)
4）低温回火，组织（M回+粒状Fe3C）
正火 球化退火
淬火+低温回火
解释下列概念，说明微观机制）： 加工硬化
Fe-C合金平衡冷却到室温----组织与成分一一对应
A

L+
H
温N 度
J
A
B
L
A+ L+A
D
E S
P A+ Fe3CⅡ
C
A+ Fe3C
Le
L+ Fe3C
F
G
F
P
A+F
A+ Fe3CⅡ+Le
Le+ Fe3CⅠ
K
F+ Fe3C
P+ Fe3CⅡ Le’ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’+ Fe3CⅠ
1）重量轻，整个体积的95%都是空的。
2）为防水、耐蚀以及散热，表面加涂了一种 碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉， 而剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。
应用例：太阳能装备
在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收 太阳光谱中所有波段的能量。 如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作 为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可 达95%。
用于轴类或小模数齿轮表面硬化
二、表面淬火
（二）火焰加热淬火 灵活，适于形状复杂件
二、 表面淬火
（三）载能束表面淬火 包括：激光束，电子束等
激光束：能量密度高(106W/cm2) 电子束：能量密度高(109W/cm2),
光学系统原理图
机械臂+光纤传输加工头
激光扫描处理低碳钢横截面
参数：单道扫描速度3500 mm/min, 光斑直径6mm
细晶强化 固溶强化
弥散强化
五、表面渗
（一）钢的表面渗碳 低碳钢通过表面渗碳来提高表面含碳量，然 后通过淬火处理，使表面得到高碳马氏体， 表面具有高硬度，心部具有高韧性。
渗碳后淬火分为： 1）直接淬火，成本低，但因渗碳时间长， 晶粒粗大，性能较差。 2）一次淬火法，重新加热可细化晶粒。
3）二次淬火法，第一次淬火加热温度，A3
关键部件表面摩擦磨损、腐蚀、疲劳、高温氧化、高温 燃气冲刷、热应力裂纹…
材料表面技术
不改变基体材料的成分和性能的条件下，
通过某些物理手段或化学手段来赋予材
料表面特殊性能，以满足产品或零件使 用需要的技术或工艺。
材料表面技术的特点：
① 对材料表面进行处理（涂，镀，渗，覆 层等），使材料表面获得所需功能（耐 磨，抗蚀，耐热，耐高温，抗疲劳，耐 辐射，抗氧化，以及光，热，磁，电等 特殊性能），以满足实际应用需要。
三、热喷涂
热喷涂的分类
按加热和结合方式分为：喷涂、喷焊 按照加热喷涂材料的热源种类分为：火焰喷涂、 电弧喷涂、等离子弧喷涂、爆炸喷涂… 按喷涂材料的种类和形状分为：粉末喷涂和线材 喷涂。
（一）火焰喷涂
依靠氧-乙炔燃烧产生高温将涂层用粉末熔化
（二）电弧喷涂
电弧喷涂原理示意图 1-直流电源，2-丝状涂层材料，3-送丝轮，4-导电块，5-导电管， 6-喷气嘴，7-电弧焦点，8-喷涂射流，9-涂层，10-基体
（二）按对基体材料影响分类
（国家自然科学基金委员会的分类）
（一）表面涂镀层技术：即不改变基体材料成分， 也不改变基体材料组织。如表面涂覆、电镀等； （二）表面处理技术：不改变基体材料表面化学 成分，但改变基体材料组织和结构，从而改变性 能。如喷丸强化，表面淬火，冲击强化） （三）表面改性技术：即改变基体材料表面化学 成分，也改变基体材料表面组织和结构，从而改 变性能。如化学热处理，等离子扩渗处理，离子 注入等。
② 虽然涂层薄，却能起到比昂贵体材料难 以达到的效果。 ③ 节约能源，节约资源。
材料表面技术的应用…
1） 材料表面技术应用广泛，涉及材料有： 金属，无机非金属，有机高分子，复合材料。
2） 在结构材料以及工程构件和机械零部件 上的应用，以及工具、模具等防护、耐磨、 强化、修复、装饰作用。
材料表面技术的应用…
航空航天、能源等高端装备的需求
小结：材料表面技术的目的 （1） 提高材料抵御环境作用能力。 （2） 赋予材料表面某种功能特性。包括 光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种 物理和化学性能。 （3） 实施特定的表面加工来制造构件、 零部件和元器件等。
材料表面技术日益得到重视：

社会生产、生活的需要 通过表面处理大幅度提高产品质量 节约贵重材料
问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此 高的温度；


解决方法：
依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧 蚀涂层---隔热防火涂层是热导率低的氧化物（氧化铝、 氧化锆、氧化钍等）；
烧蚀涂层包括有机材料加石英纤维、陶瓷纤维 或碳纤维。
应用例：空天飞行器
航天飞机外壳的防热材料和涂层
美国洛克希德导弹与航天公司开发了一种LI900全氧化硅绝热毡，特性：：
3）在功能材料和元器件 上的应用 光学特性、电学特 性、磁学特性、热学特 性、化学特性、功能转 换、磁记录材料、双金 属、防护涂层。 4）在人类适应、保护和 优化环境方面的应用如 抗菌灭菌 TiO2 , 生物医 学材料。
Fra Baidu bibliotek
应用例：空天飞行器
火箭发动机尾喷管内壁和燃烧室：需承受2000-3300℃ 高温和强热焰流冲击；飞船头部锥体和翼前沿，在几十 倍音速下与大气层摩擦（即所谓气动加热），其温度高 达4000-5000℃。
+ 30-50C, 消除网状渗碳体。第二次淬火
加热温度，A1 + 30-50C。
（二）表面渗氮 通过形成金属化合物及间隙固溶来强化表面
Fe-N相图
表面相分布
气体渗氮设备
等离子体渗氮设备
与渗碳相比，渗氮温度为500-570C， 温度低，变形小，而且不用 后续处理。耐蚀。
六、离子注入
课堂讨论 结合Fe-Fe3C二元平衡转变图，说明含碳 1.2%的过共析钢从高温缓慢冷却后的微 观组织。 如果用上述材料做工具（高强度、高耐 磨性），请设计一下加工工序，说明其 中的热处理工艺的理由。
四、表面氧化
（一）钢铁的化学氧化
150C 氧化性溶液中，钢表面会形成致密的 Fe3O4膜, 呈蓝色或黑色，称为发蓝或发黑处理。
（二）有色金属表面氧化
阳极氧化过程示意图
纯钛微弧氧化处理后典型表面形貌
五、表面渗
改变表面成分及微观组织 1）产生活性原子； 2）原子在工件表面吸附； 3）原子向内部扩散 方法有气体渗、液体渗、固体渗、等离子体渗等
实现材料表面复合化，解决单一材料无法 解决的问题

良好的节能、节材效果 促进了新兴工业的发展
二、 材料表面技术的分类
（一）按技术特征分类 1）表面涂覆（Surface Coating)：
2）表面改性技术 (Surface Modification)
用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的 形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状 态或应力状态。
第六章 材料表面技术
第一节 概述
一、材料表面技术的必要性
破坏从表面开始（机械零部件80%以上）
磨损，腐蚀，疲劳…
表面
材料主体
通过改善材料表面性能来提高使用性
材料表面破坏导致的后果
2010年和2011年澳大利亚航空公司A380飞机因发动机 故障两次紧急迫降； 2009年，我国某飞机在起飞时尾喷管喷火的超高温瞬间 导致其燃气涡轮一、二级叶片断裂； 2010年，我国某发动机钛合金转子叶片，地面开车检查 时一叶片自叶根完全断裂，其余叶片被严重打伤。
喷料（丝）作为两个电极接近时，在电压下达到 熔化，被气体随后喷到样品上。温度可达4000C, 一般喷金属。
（二）等离子喷涂
等离子喷涂原理示意图 1-阴极，2-阳极，3-工作气，4-喷涂粉末，5-等离子弧区， 6-喷涂束流，7-涂层，8-基体
设备固定两级产生直流电弧把工作气体（氩气或氮 气）电离后形成等离子体弧作为热源，温度可超过 10000度，可以熔化几乎任何粉末。
第二节 材料表面技术工艺示例
一、喷丸处理
喷丸处理
应变 微观组织
残留応力（圧縮）
弯曲疲劳应力分布与疲劳强度
表面强化后应力力分布与疲劳强度
表面：应力＞疲劳强度
表面：应力＜疲劳强度
二、 表面淬火
（一）感应加热淬火
高频: 250-300KHz, 淬硬层深度：0.5-2 mm; 中频: 2.50-8.00KHz, 淬硬层深度：2.0-10 mm; 工频: 50 Hz, 淬硬层深度：10-15 mm; 特点： 1）表面氧化脱碳轻，变形小； 2）表面马氏体产生大的残余压 应力，疲劳强度高 3）表面马氏体组织细小，强度 高，脆性低。