1、第五章第五章:材料表面耐磨处理技术材料表面耐磨处理技术n5.1 材料的耐磨性材料的耐磨性n5.2 表面处理技术表面处理技术n5.3 表面化学热处理表面化学热处理n5.4 气相沉积技术气相沉积技术材料表面耐磨处理技术材料表面耐磨处理技术n为了提高金属材料的耐磨性，在实际应用中经常采用各种表面处理技术。表面处理技术是利用各种物理的、化学的或机械的工艺方法提高表面的耐磨抗蚀性能，延长零部件的使用寿命。表面处理技术种类繁多，用途广泛，本章主要介绍提高表面耐磨性的处理技术。5.1 材料的耐磨性材料的耐磨性n材料的耐磨性是指在一定摩擦条件下某种材料抵抗磨损的能力。由于材料的磨损性能不是材料的固有特性，而是
2、与磨损过程相关因素（如载荷、温度、速度等）、材料特性等因素有关的系统特性。因此评价材料的耐磨性不能脱离材料的工作条件。下面介绍一些常见的耐磨材料。1、耐磨铸钢n耐磨铸钢主要是低合金钢和高锰钢，在具有一定的耐磨性同时还具有高的强度与韧性，适合制作冲击负荷下工作的耐磨件。n低合金耐磨铸钢的合金成份总量在5%以下，主要合金元素为：锰、硅、铬、钼、镍等，合金的主要作用是提高钢的淬透性和淬硬性。n 高锰钢的铸态组织为奥氏体加碳化物，热处理后，成为单相奥氏体组织，具有高的耐冲击性能和加工硬化能力。加工硬化后表面硬度可达HB500以上。高锰钢广泛应用于制造矿山、建材、冶金等的机械耐磨件。高锰钢中含碳量增加可
3、以提高强度和耐磨性，但含碳量过高会导致冲击韧性明显下降；锰可以增加奥氏体的稳定性，但过高会形成锰的碳化物，热处理困难，一般锰含量控制在10%左右。2、耐磨铸铁n灰铁或球铁中的石墨是良好的润滑剂，可以减轻摩擦磨损；而白口铁中的碳化物硬度高，具有高的抗磨粒磨损能力。因此铸铁根据其组织不同而具有应对不同磨损条件的耐磨性，在工程中广泛应用。以下介绍几种耐磨铸铁。n高磷合金铸铁通常加入铬、钼、锰、镍等合金元素，磷的含量在（0.40.6）%之间。磷共晶以网状分布，形成坚硬的骨架，具有好的耐磨性；而合金的作用主要是细化组织、提高硬度，改善机械性能。n 普通白口铁的金相组织为网状渗碳体和硬度较低的珠光体基体，
4、有较高的抗磨料磨损性能，成本低，但韧性差、整体硬度不高。n高铬铸铁是在铸铁中加入大量铬使得白口铁中的M3C型碳化物变成M7C3型碳化物，这种合金很硬（HV13001800），具有很好的耐磨性。3、硬质合金n硬质合金是由难熔金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛等以铁族金属钴或镍等作粘结剂，用粉末冶金的方法制成的合金材料。硬质合金具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀及耐高温等一系列优点，主要应用于金属加工工具及钻探工具等领域，如切削刀具、地质钻探工具等。4、陶瓷材料n陶瓷材料主要有以含有二氧化硅的天然硅酸盐矿物作为原料制造出来的普通陶瓷和结构比较致密、纯度高、具有特殊机械物理性能的结构陶瓷。而作为耐磨材料的陶瓷材
5、料主要是结构陶瓷，它是由金属或半金属原子与非金属原子以离子键或共价键形式相结合而成的化合物，具有很强的结合力，高硬度和高的化学稳定性。陶瓷材料具有高的抗腐蚀能力、好的高温稳定及低的摩擦系数及好的耐磨性，主要应用于发动机材料、滚动轴承材料、阀门零件、切削刀具等。5.2 表面处理技术表面处理技术n表面处理技术的主要目的是利用各种物理、化学或机械工艺过程改变基材表面状态、化学成份、组织结构或形成表面覆层，优化材料表面，达到提高表面耐磨性。表面工艺方法主要有下列几类：na，电化学方法：利用电极反应，在基体上形成镀覆层，如电镀、化学转化等。nb，化学方法：利用化学物质的相互作用，在基体表面形成镀覆层，如
6、化学镀、化学转化等。nc，热加工法：利用高温条件下材料熔融或热扩散，在基体表面形成镀、渗层，如热浸，表面合金化等。nd，高真空法：利用材料在高真空下气化或受激离子化而形成表面镀覆层，如真空蒸发镀、溅射镀、离子镀等。ne，其他物理方法：如机械镀、涂装、激光表面加工等。n下面具体介绍工程中表面常用的工艺方法和用途。n表面化学预处理：溶剂清洗，碱洗，碱蚀，酸洗，酸蚀，乳化液清洗，化学抛光，电解清洗等。主要用于清洁表面，满足表面光亮、粗化或其它要求。n表面机械精整：喷砂、喷丸、磨光、抛光、滚光等。主要是清除表面杂质，表面均一及粗化，表面强化。n热加工相变硬化：火焰加热硬化、激光淬火、电子束硬化等。用于
7、提高表面硬度与耐磨性，不改变基体表面的化学成份。n热化学表面改性：渗碳、渗氮、渗硫、激光表面合金化等。提高表面的耐磨、耐蚀、耐热及抗疲劳性能。n化学法镀覆：化学镀，溶胶-凝胶法，磷化、钢铁氧化（发兰）等。主要用于改善表面耐磨性及装饰性。n电镀：常规单金属镀，复合电镀，脉冲电镀，高速电镀，激光电镀，刷镀等。用于制备特殊功能的金属镀层，提高耐磨性及装饰性。n电铸：电铸镍，电铸铜等。进行金属零件的尺寸修复。n阳极氧化：铝及铝合金氧极氧化，镁及镁合金氧极氧化，钛及钛合金氧极氧化等。制备特殊表面膜，提高表面耐磨性及装饰性。n有机涂装：浸涂，淋涂，电泳涂装，静电涂装，喷涂等。用于制备有机表面涂层，提高耐磨
8、性。n热喷涂：火焰喷涂，电弧喷涂，等离子喷涂，粉末等离子堆焊等。制备耐蚀、耐磨、减摩、隔热、导电、绝缘等多种功能涂层。n物理气相沉积：蒸发镀，溅射镀，离子镀等。制备耐磨、耐蚀、减摩、隔热、导电、绝缘等多种功能薄膜。n化学气相沉积：常压化学气相沉积，低压化学气相沉积，激光化学气相沉积，等离子化学气相沉积等。制备耐磨、抗氧化、抗腐蚀固态薄膜，适用于复杂零件、难熔金属、陶瓷等基体材料。n离子注入表面改性：氮离子注入，等离子源离子注入，离子辅助镀膜等。用于制备金属刀具、模具表面耐磨硬化层。n复合处理：喷渗，镀渗，镀、喷有机涂装，喷激光重熔，表面强化固体润滑膜等多种薄膜复合处理。制备高性能多功能的表面复
9、合涂层。n当今世界表面技术得以迅速发展，其主要原因是：na，表面技术使材料“物尽其用”，是节约资源和能源的重要途径。因为材料的磨损、腐蚀和疲劳都发生在表面，表面工程技术提供的保护层避免了整体改善材料，显著地节约了原材料和能源。nb，可以提高产品质量和经济效益。表面技术获得的表面层可以获得整体材料很难，甚至无法得到的特殊组分和结构（如超细晶粒、非晶态、超饱和固溶体、多层结构等），从而获得远非一般整体材料可比的性能，大大改善产品的质量；由于表面层很薄，涂层用材很少，在提高耐磨性的同时不会显著增加成本。nc，提高零件在特殊工况下的使用寿命。随高新技术的不断发展，零部件的工况向高温、高速、重载、超低温
10、等极端条件发展，对材料的要求越来越高，零部件材料可以通过表面技术处理后适应上述特殊工况。nd，表面技术是先进制造技术。制造业追求的目标是精确、省料、节能，而诸多的表面技术具有优质、高效、低耗的特点，对先进制造技术的发展提供了有力的技术和工艺支持，因此表面技术被认为是机械制造传统技术中最富生命力的工程技术。ne，表面技术是设备技术改造与维修的有效手段。表面技术可以对表面损伤的零部件进行改造和修复，大大延长了零部件的使用寿命和节省了开支，日益成为工业企业挖潜增效的重要途径。n表面技术的应用在国民经济中具有重要的地位与作用。5.3 表面化学热处理表面化学热处理n表面化学热处理是工程中常用增强表面耐磨
11、性的工艺，主要是渗碳、渗氮、渗硼等表面硬化技术；渗硫、氧化等表面润滑技术。1、渗碳n渗碳是钢材表面强化的主要工艺，其实质是增加钢表面的碳浓度，提高表面硬度而增强表面耐磨性。n将钢材工件置于渗碳介质中（气体、固体或液体），加热至900 0C以上，保持一定时间，使渗碳介质分解产生的活性碳原子吸附在钢表面层上，一般渗碳层中的碳浓度可到0.8%1.1%，渗碳层的厚度取决于渗碳温度与时间，渗碳层硬度的显著提高将增强表面的耐磨性。一般渗碳层的厚度应视工件的服役条件、尺寸大小而定。n一般渗碳钢材主要是一些低碳钢和低碳合金钢，渗碳之后表层碳浓度从0.2%左右增加到1.0%，使钢材表面层的组织与性能发生很大变化
12、。使原来钢中的亚共析组织变为共析及过共析等硬度更高的组织，抗磨损能力增加。2、渗氮n渗氮又称为氮化，是在工件表面形成各种氮化物。渗氮过程多在500 600 0C之间进行，对钢材而言这个温度范围得到的是相组织。渗氮引起的工件变形小，但周期长，一般气体渗氮需要50小时以上。渗氮方法主要有气体软氮化、氨气中渗氮、盐浴软氮化、离子氮化等。渗氮可以使工件表面硬度提高到HV1000以上，有较好的耐磨性和抗疲劳特性，同时还具有一定的耐蚀性和耐热性。3、渗硼n渗硼层具有高硬度（HV15002000）、高耐磨性、好的抗蚀性和耐热性，是提高工件表面耐磨性的有效方法。渗硼层中的FeB硬度高，但脆性大，特别是在FeB
13、与Fe2B二相组成的渗硼层容易在两相交界处产生裂纹，因此现在渗硼工艺都力求形成Fe2B单相的渗硼层。渗硼介质有固体（粉末混合剂）、液体、气体等多种。渗硼层中不溶碳，因此渗硼材料含碳量相对要低，形成的渗硼层中的碳要向内扩散。合金中的W（钨）、V（钒）、Cr（铬）等元素有阻碍渗硼作用，因此含上述元素量大的钢材也不宜渗硼。4、渗硫n人们最早发现在润滑油中加入硫后可以明显减轻摩擦表面的接触疲劳磨损，研究发现这是因为润滑油中的硫可以在摩擦过程中同表面形成一层薄的化学反应膜，降低了金属表面接触处的粘着效应。n实际工业中一般采用低温电解渗硫方法，该工艺的特点是温度低（150 200 0C），时间短，无公害。
14、常用的溶盐电解液基本成份是硫氰盐，工件接阳极，电压为23V，电流密度为23A/cm2，可以处理碳钢、合金钢、铸铁等各种零件。n电解渗硫层是一种灰黑色层状结构，这种结构具有很低的摩擦系数。可以有效减轻摩擦磨损。5.4 气相沉积技术气相沉积技术n气相沉积技术是指气相物质析出固相并沉积在基材表面的一种表面镀膜技术。沉积方法主要有真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、化学气相沉积等多种。气相沉积技术可以分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两大类。化学气相沉积是利用气相化学反应在基材表面上成核、长大和成膜；而物理气相沉积是用加热或放电等物理方法促使固体蒸发后凝结在基材表面上成膜。近年来发展了C
15、VD和PVD技术相互渗透的新型气相沉积技术，如等离子化学气相沉积（PCVD）技术。气相沉积技术工艺先进、镀层致密均匀，能有效提高材料表面的耐磨性能。1、物理气相沉积n物理气相沉积有真空蒸镀、离子镀膜和溅射镀膜三类，其基本过程是加热蒸发或高能束轰击靶材等方式产生气相镀料，气相镀料在真空中向待镀的基材上沉积形成覆盖层。物理气相沉积主要特点为：na，蒸发或溅射的原子或分子被解离和加速，具有较高的能量，可以得到致密的，结合性能良好的覆盖层。nb，温度较低，不会产生退火软化；同时工件变形小。一般不需再进行加工处理。nc，依靠离子溅射效应，使工件表面净化，并在整个沉积过程中均能保持清洁。nd，在金属陶瓷、
16、玻璃、塑料等表面都可沉积；加工处理过程无公害。n真空蒸镀是真空技术中发展最早、应用最广的。其设备简单、工艺容易掌握，可进行大规模生产。真空蒸发镀膜是在真空中把镀膜材料加热熔化后蒸发，使大量蒸发的原子、分子凝结在被镀件基体表面上形成镀膜。适当对基体加热可以有效提高镀膜的粘附力。n溅射镀膜是在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，通过带板有几十电子伏动能的粒子轰击靶材，将靶材激发为气态，并使其沉积在基体表面形成薄膜。溅射镀膜可以大面积快速沉积，镀膜密度高，附着性能好，特别是对靶材的限制少，近年来该技术应用广泛。n离子镀膜是在真空中，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在离子轰击作用同时把蒸发物或
17、其反应物沉积在基体上。离子镀膜除了兼有真空蒸镀和溅射镀膜外，还具有沉积速度快、膜层附着力强、可镀材料广泛等优点。2、化学气相沉积n化学气相沉积是一种化学气相生长法，把含有薄膜元素的化合物、单质气体供给基体，借气相作用在基体材料表面发生化学反应，并形成要求的覆盖薄膜。化学气相沉积主要有四个阶段：反应气体向基体表面扩散；反应气体吸附于基体表面；在基体表面上发生化学反应；在基体表面上产生的气相副产物脱离表面，留下的反应产物形成覆盖层。化学气相沉积的主要特点为：na，可以在常压或低压下进行沉积。nb，由于是在高温下进行沉积，覆盖层与基体的结合力高，但变形量大，沉积后一般需要进行热处理。nc，容易控制覆
18、盖层的致密度和纯度，可获得梯度覆盖层或混合覆盖层。nd，利用沉积参数可控制覆盖层的化学成份、形貌、晶体结构和晶向等，可获得多种金属、合金、陶瓷或化合物覆盖层。n化学气相沉积的工艺主要有常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、激光化学气相沉积等方法，其装置由反应器及加热炉、原料及携带原料的气源、反应激活能源的供给及气体排放系统、监测及控制系统等组成。影响化学气相沉积覆盖层的主要因素有：反应气体分压的影响。它是决定覆盖层质量的重要因素，影响固相的成核、生长、结构与组份；沉积温度与时间的影响；系统压力与气体总流量的影响。系统压力低、沉积速度慢、覆盖层均匀，但时间长；基体材料的影响。基体材料与覆盖层材料性
19、能相匹配，覆盖层的粘附力高。3、等离子化学气相沉积n等离子化学气相沉积是将等离子体技术引入化学气相沉积，形成覆盖层的方法。它是利用辉光放电的物理作用来激活化学气相反应，在基材上形成稳定的固体覆盖层，有四个主要的过程：低压气体产生辉光放电的媒介，产生等离子体；等离子体输运扩散过程；反应的气相物质被激活；基材表面发生化学反应并沉积形成覆盖层。等离子化学气相沉积有下列主要特点：na，反应物中气体分子激活成活性离子，降低反应需要的温度。nb，反应物在基材表面的扩散加速，提高了沉积速度。nc，提高基材表面清净效果，溅射掉结合不牢的粒子，增加覆盖层与基材的结合力。nd，反应物中的原子、分子、粒子和电子之间的碰撞、散射，使覆盖层厚度均匀性好。n等离子化学气相沉积促进反应的能量来自于等离子体激活，产生等离子体的方法可以用直流高压、高频、高频直流等电源，激活源的频率有几百千赫、几兆赫，等离子激发活比普通的化学气相沉积的热激活更有效，与基体的结合强度更高。
