金属材料的先进制备技术

金属材料的先进制备技术

金属材料热处理表面强化技术研究

l引言

随着工业现代化工业的快速发展，对各种机械设备零件的表面性能要求越来越高。一些在特殊条件下工作的零部件，往往因其表面局部磨损而使整个零件报废。因此如何提高和改善零件的表面质量和性能，以延长工件的使用寿命是一个十分重要的问题l’，2]。世界各国对金属材料表面和近表面区组织的改性处理技术进行了深入的研究，通过机械、物理、化学等方法来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，即采用各类表面改性技术，使材料表面具有较本体更高的强度，和更加优良的耐蚀、耐磨、耐高温和抗疲劳等性能，从而充分发挥金属材料的潜力，提高其表面耐磨性，达到延长使用寿命、拓宽其应用领域的目的13，4]。金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途，其种类繁多，除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外，激光、电子和离子等高能束表面处理技术也取得了快速的发展[5]，大量的研究成果己经在工业生产中得到广泛的应用。进入21世纪后，随着人们环保意识的不断提高，对环境无污染的“绿色”表面强化技术越来越受到人们的青睐。近年来，俄国文献le.姆及道了一种新的表面强化技术，鉴于这种技术的文献报道较少，其作用机制还未见相关报道，而且该项技术尚未有规范的称谓，为此，我们暂且称其为热一声处理技术，与传统的表面改性技术相比，它高效、低耗、无污染，并且工艺上易于实现，具有较好的应用前景。

1.2表面改性技术概述

磨损、腐蚀和断裂是机械零部件、工程构件的三大主要破坏形式，它们所引起的经济损失十分巨大。其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效而造成经济损失的，占有相当大的比重。在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告指出:由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项

损失中的材料部分约为200亿美元;在1983年前联邦德国的一次调查中指出:由于摩擦磨损造成的损失估计为387亿马克:而在英国，由于摩擦磨损造成的经济损失每年至少为51500万英镑以上，相当于当时1965年国民生产总值的1.1%。许多国家政府对腐蚀造成的损失也进行了调查分析，美国Battelle实验室和国家

图1 表面强化技术

标准局1978年共同进行调查表明:1975年美国由于腐蚀造成的经济损失达820亿美元，占国民生产总值的4.9%，1995年4月Battelle和SSINA发表报告指出:现在美国每年因为腐蚀损失3000亿美元;1983年我国也曾对腐蚀作过调查，当时的结论为我国因腐蚀造成的经济损失至少在400亿元人民币以上。据不完全统计，世界能源的1/3一1/2由于摩擦磨损而消耗掉，机械零件80%的失效的原因是摩擦磨损，而每年出于腐蚀造成的直接损失大约占整个

国民生产总值的1%一4%。

众所周知，磨损和腐蚀均发生于机件表面的材料流失过程，而且其他形式的机件失效也多是从表面开始。尽管磨损与腐蚀是不可避免的，但是若采取有力措施，还是可以提高机件的耐磨性、耐蚀性的。金属表面工程技术主要是利用各种表面涂层即面改性技术赋予基体材料本身所不具备的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、高耐磨性、减摩性、抗高温氧化性、抗辐射性等，而基体本身所具有的特性不会受到很大影响。另外，采用现代表面工程技术，不但可以大幅度的提高工件的质量和性能，成倍的延长使用寿命，而且技术上成熟，工艺上简便，经济上可行，获得了事半功倍的效果。因此，近二十年来表面工程技术发展迅速，不断完善，逐步形成一门独立的学科。

金属材料表面改性技术，也就是运用现代技术，改变材料表面、亚表面的成分、结构和性能的处理技术，主要包括表面形变强化，表面相变强化、离子注入表面强化、表面扩散渗入强化以及化学转化等，如图1.1所示。表面改性技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度的拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料的潜力。例如:

1.可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件，而不降低甚至超过原机件的质量;

2.可以把两种或两种以上的材料复合，各取其长，解决单一材料解决不了的问题;

3.延长在苛刻条件下服役机件的寿命:

4.大幅提高现有机件的寿命，修复磨损、腐蚀的零件;

5.赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术开发。

1.3常用的表面强化方法

1.3.1喷丸强化

喷丸强化是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，将大量高速运动的弹丸(铸铁丸、钢丸、玻璃丸、硬质合金丸等)喷射到工件表面上，犹如无数的小锤反复锤击金属表面，使零件表层和次表层金属发生一定的塑件变形、从而在塑性变形层中产生金属特有的冷作硬化，还产生一层残余压应力。使材料的抗腐蚀和抗疲劳断裂的能力大幅提高，零件的可靠性、耐久性得到提高或改善，还可以实现表面清理、光洁度加工、成形、校正和机械强化等多种功能。该方法具有实施方便、效果显著、适应面广、消耗低等多种优势，在飞机、坦克、汽车和各种机械设备的齿轮、轴承、焊接件、弹簧、涡轮盘、叶片及模具、切削工具等的表面清理和提高使用寿命与防腐能力方面发挥了重要的作用。

近年来在喷丸强化领域出现的微粒冲击、微粒镶嵌镀膜技术以及中科院金属研究所卢柯、刘刚等人开发的超声喷丸(高频)和高能喷丸(低频)新技术，在降摩擦系数、提高材料耐磨能力、延长使用寿命、简化氮化过程等方面表现出优异的性。

然而喷丸参数与工件性能的提高之间未建立量化联系，缺乏喷丸过程的定量化析以及与此相关的参数优化，喷丸参数的选择只能依靠性能试验或经验，造成的结是大量消耗人力、物力，浪费时间，并且不一定具有最佳的效果，极大地制约了喷技术的发展。

1.3.2激光表面强化

激光表面强化是用一定扫描速度的激光束照射被处理的金属表面，在很短的时间内激光的能量被处理表面吸收而产生高温，当激光束移开后，被处理面迅速冷却，从而达到表面强化的目的。激光表面强化具有工件氧化小、几乎无变形和加热、冷却速度快等特点，可以行局部的选择性淬火和局部合金化处理，能够很快的赋予金属表面很高的硬度和耐胜。因激光功率密度和作用时间不同，可以对金属表面进行相变硬化、冲击硬化、属表面合金化、表面涂覆等多种方法的处理[川。激光表面强化方式有: