1、 第四章 表面淬火和變形強化1表面淬火技術的原理和特點2感應加熱表面淬火3火焰加熱表面淬火4激光加熱表面淬火4-1. 表面淬火技術的原理 將鋼表面快速加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1 （過共析鋼）以上，然后使之迅速冷卻并 轉變為馬氏體。 將鋼整體加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1 （過共析鋼）以上，然后使其表面迅速冷卻并轉變為馬氏體。2. 表面淬火對材料的要求凡是能進行整體淬火強化的材料都可以進行表面淬火。低碳鋼或低合金鋼需進行表面滲碳或合金化（齒輪滲碳）。表面硬度要求越高，要求鋼碳含量和合金含量越高；表面硬化層越深，要求鋼淬透性越好。在一定加熱速度范圍內，V加熱，T臨界V加熱，奧氏體成分的不均

2、勻性 a. C 成分不均勻,從相圖上看與F,K 相鄰的濃度相 差很大,C 來不及擴散。 b. 合金元素不均勻 預先熱處理（調質、正火、球化退火）表面淬火V加熱，奧氏體晶粒細化顯著 a.過熱度大,相變趨動力增大,晶粒形成位置增多,A在F 和K相界上形成，A在F 亞晶界上形成。 b.加熱時間短,如果加熱速度10 7 度/S,形成時間10-5S,在如此短時間內奧氏體晶粒來不及長大。V冷卻，表面硬度高4. 表面淬火技術的特點生產效率高，能耗小。加熱快，冷卻快：組織細，硬度高；組織均勻性差（滲碳體來不及溶解和擴散）。表面組織細，硬度高，中部硬度低，韌性好。4.2 感應加熱表面淬火技術1感應加熱淬火原理

3、將工件緊靠在有足夠功率輸出的感應圈附近,感應圈通電，在高頻(中頻)交流磁場的作用下（如果工件與線圈的間隙非常小）由于集膚效應,在工件表面產生很大的渦流，大小與線圈電流相等，方向相反。渦流產生熱量，將工件表面加熱迅速加熱到淬火溫度，并用冷卻介質快速冷卻，達到對工件表面淬火的目的。2感應加熱淬火技術特點 效率高 ； 變形小 ； 深度可控 ； 需要制作特定的線圈 ； 電源功率大 ； “尖角”效應3感應加熱淬火技術應用 高頻淬火：軸類零件，磨損量小，但精度要求高的零件 中頻淬火：齒輪、活塞環槽，有明顯磨損量，精度要求較高的零件工頻或雙頻：軋輥，磨損量大表面淬火在粗加工或半精加工后進行，最后只留磨量。4

4、.3 火焰加熱表面淬火技術 1 火焰淬火（flame quenching）原理：用火焰快速將工件表面加熱到淬火溫度，并快速冷卻，使工件表面得到淬火組織。控制參數：火焰大小、火焰與工件的相對距離和相對移動速度淬火深度：鋼淬透性、加熱深度和冷卻條件等2優點：設備簡單；操作靈活；操作簡單適用于各種形狀的小批量零件或大型零件的局部淬火3缺點：生產效率低；難以控制，需要豐富的經驗；淬火層的均勻性差；變形大4適用范圍適用于各種形狀的小批量零件或大型零件的局部淬火導槽、模具、凸輪軸（凸臺）4.4 激光加熱淬火技術1激光加熱原理:用激光束加熱材料表面，使之迅速生高到相變溫度以上。1.1 激光加熱的特點：能量密

5、度高，加熱速度快、溫度高，且容易控制。2激光淬火（Laser Quenching）原理:用激光束加熱材料表面，使之迅速生到相變點溫度以上但不熔化，當激光束移開后表層自行快速冷卻，并轉變為馬氏體。2.1特點 能量密度高，加熱速度快、溫度高，不需要淬火冷卻介質。3優點：工件變形小能量集中，熱影響區小加熱深度和軌跡容易控制適用于表面重熔，甚至可以熔化陶瓷。為了不使材料熔化，激光淬火時能量密度一般為10006000 J/cm2 。4缺點： 存在回火軟化帶，對要求大面積均勻硬化層的工件不利5應用（1）高精度零件處理 汽車大梁，汽車油泵，空壓機、發動機的汽缸，汽車凹輪軸，熱鍛模大型內齒圈（2）管材內表面改

6、性例：管內機器人激光表面改性技術，對細長管材內表面硬化處理，提高耐磨性，延長壽命，減少管材的使用量。4.5 變形強化1變形強化機理：塑性變形位錯運動位錯增殖位錯交結強度提高塑性變形馬氏體相變強度提高最常用來表示金屬材料變形強化的公式是Hollomon公式：S=Ken 式中：S為真應力；e為真應變；n為變形強化指數；K材料硬化系數。2（1）噴丸或拋丸強化:鋼丸高速撞擊工件表面，使表層材料產生大量的塑性變形。（2）滾壓強化：用鋼球、輥輪或輥軸滾壓工件表面，使工件表面產生大量的位錯。產生大量的位錯，如有奧氏體相，促使馬氏體相變，提高材料的表面強度。較大的殘余壓應力。提高材料的強度，特別是疲勞強度的方

7、法。4.5.1 噴丸強化1 噴丸強化：壓縮空氣帶動鋼丸高速撞擊工件。2優點：撞擊點集中，易于控制。4.5.2 拋丸強化1特點 拋丸強化撞擊面大，生產效率高。用于彈簧鋼板、圓彈簧、大型工件、車輪以及大批量生產的零件等。4.5.3 滾壓強化1.原理 在一定的壓力作用下，用鋼球、輥輪或輥軸滾壓工件表面，使工件表面產生大量的 位錯和較大的殘余壓應力，從而提高材料的表面強度，特別是疲勞強度的方法。 表面滾壓的強化原理與噴丸和拋丸相同。2適用范圍 滾壓強化適用于軸類零件和溝槽類零件，不能用于復雜零件。滾壓改性層深度可達5mm以上，球墨鑄鐵曲軸滾壓疲勞強度可提高2033%滾壓強化使零件產生變形，必須進行矯正

8、處理。 第五章 熱擴滲 定義：將工件放在特殊的介質（氣體、液體或固體）中，使介質中的某一種或幾種元素滲入工件表面，形成一定厚度的擴散層（或摻雜層），從而改變材料成分、組織和性能的方法。 熱擴滲技術機理：滲劑產生活性原子，并不斷提供給基體金屬表面。活性原子吸附在基體金屬表面，并被基體金屬吸收，形成固溶體或金屬間化合物。活性原子不斷向基體金屬內部擴散，滲層厚度不斷增加。 熱擴滲目的：提高強度、硬度和耐磨性。滲氮表面硬度達950Hv1200Hv，滲硼表面硬度達1400Hv2000Hv。提高疲勞強度。滲碳、滲氮和滲鉻使材料發生相變，表層體積膨脹，導致產生殘余壓應力。提高淬透性。低碳鋼、低合金鋼滲碳。提

9、高抗咬合、抗粘著能力和降低摩擦系數，如滲硫、氮化。提高耐腐蝕性能，如滲鋁、滲氮等氣體滲碳氣氛的形成方式：滴注式氣體滲碳：向爐內滴入含碳有機液體，如煤油。（設備簡單，要求經驗）吸入式氣體滲碳：吸入富碳氣氛進行滲碳。（專用設備，大批量生產）氮基氣氛滲碳：以純氮為載體，加入碳氫化合物，一并注入爐內形成富碳氣氛進行滲碳。 （專用設備）氣氛檢測儀器（CO2、CH4、CO分析儀）優點：提高硬度和耐磨性的同時，心部能保持相當高的韌性，可承受沖擊載荷，疲勞強度較高缺點：處理溫度高，工件畸變大應用 滲碳工藝廣泛應用于飛機、汽車、機床等設備的重要零件中，如齒輪、軸和凸輪軸等。滲碳是應用最廣、發展得最全面的化學熱處

10、理工藝。滲氮優點：氮化層硬度高達9501200Hv，耐磨性、疲勞強度、紅硬性、抗咬合性能和減摩性能優于滲碳層。低溫滲氮：500600滲氮，工件變形小。缺點：時間長，數十到上百小時。滲層薄（500m），脆性高應用滲氮可以用于結構鋼、高鉻鋼、工具鋼和鑄鐵。產品有銷、軸、缸套、活塞、齒輪和模具等等。滲氮層很薄，一般為0.10.15mm，滲氮處理后最好不加工或少量精加工 在520580，以滲氮為主，稱氮碳共滲，滲層硬度比滲氮層略低，俗稱軟氮化。氮碳共滲比滲氮時間大大縮短；滲層中不含相，硬度略低，韌性好，裂紋敏感性小。氮碳共滲是一種表面硬度高，摩擦磨損性能和疲勞性能好，尺寸變形小的熱擴滲工藝。 在780

11、930，以滲碳為主，稱碳氮共滲。碳氮共滲比滲碳溫度低，零件變形小，晶粒細，可以直接進行淬火，零件變形開裂傾向小。氮不僅擴大了相區，而且提高奧氏體穩定性，提高了滲層的淬透性和淬硬性。滲層存在較大的殘余壓應力。更高的疲勞強度、耐磨性、耐蝕性和回火穩定性。滲氮和氮碳共滲的應用 滲氮層很薄，一般為0.10.15mm，滲氮處理后最好不加工或少量精加工。不僅要求疲勞強度、耐磨性、耐蝕性和回火穩定性高，而且要求精度高的產品，如銷、軸、缸套、活塞、活塞銷、模具等等。固體 把工件埋入固體滲劑或用固體滲劑包裹工件，并加熱達到一定溫度，保持一定時間，使工件表面滲入一種或多種元素的方法。 固體滲劑包含：供滲劑（+還原

12、劑）+催滲劑（或催化劑）+填充劑。 供滲劑：作用是提供滲入工件表面的活性原子，如供滲劑是穩定的化合物，還要加還原劑。還原劑的作用是使供滲劑產生活性原子。 催滲劑（或催化劑）：促進活性原子滲入工件和促進還原反應。 填充劑：減輕或防止滲劑板結，降低生產成本。 滲劑原子活性越強，滲層就越厚液體將工件放入熔融液體中，使表面層滲入一種或幾種元素的方法稱為液體熱擴滲。 鹽浴法： （1）鹽浴為滲劑，鹽浴產生的活性原子滲到工件表層。 （2）滲劑浮于鹽浴表面，鹽浴作為載體傳輸活性原子。 熱浸法：熔融金屬液，熱浸鋅、熱浸鋁等 熔燒法：滲劑制成漿料涂敷在工件表面，在真空或保護氣氛下加熱至滲劑熔點以上，滲劑元素擴散到

13、基體金屬表面。 熱浸金屬 將工件浸入熔融的金屬液中，使工件表面形成金屬防護層的方法。 熱浸金屬的三個過程：（1）基體金屬表面被溶解，形成合金層。（2）合金層內的滲入原子向內擴散，形成固溶體或化合物。（3）合金層外面包覆一層純金屬。熱浸鋁和熱浸鋅是公認的經濟實用的鋼鐵材料表面防護方法。熱浸鋅在大氣、海洋環境下使用的鋼結構件已大量使用，如水管、高速公路護欄、鐵搭 、橋梁上大量使用。熱浸鋁還在汽車零部件上使用。滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕最有效的方法。 熱浸鋁原理： 鋁液與鐵接觸，在界面上形成Fe/Al合金層，并形成FeAl3化合物。 鋁原子向內部擴散，不斷形成FeAl3化合物，FeAl3相厚度增

14、加。 隨著鋁原子繼續向內擴散，還形成 Fe2Al5相。 取出工件時，表面形成一層純鋁。 用常規方法對工件表面脫脂除銹 用質量濃度為4%的K2ZrF6溶劑在5080清洗工件： 1）進一步清除工件表面鐵銹 2）活化工件表面，提高浸入能力和鍍層的結合力。 工件干燥后，浸入鋁液。等離子體熱擴滲等離子體熱擴滲是利用低真空中氣體輝光放電產生的離子轟擊工件表面，在工件表面產生熱擴滲的工藝。特點離子轟擊工件表面，使表面活性提高，容易吸收被滲離子和活性原子。離子轟擊能去除工件表面的氧化膜或鈍化膜，使易氧化的金屬（如不銹鋼）也能進行熱擴滲。調節電參數、滲劑氣體成分和壓力來控制熱擴滲層組織性能。工藝過程易于控制。離

15、子滲氮將工件放入離子滲氮爐,抽真空至1.33Pa.通入少量含氮氣體,如氨,使爐壓升到規定值.陰極(工件)和陽極加直流高壓,使爐內氣體放電.氮離子和氫離子在高壓電場作用下沖擊陰極,產生大量熱量加熱工件,同時氮離子和氫離子被工件吸附,滲入工件，形成滲層.保持一定時間，滲層達到要求厚度后停電、停氣，降溫到200后出爐。工藝輝光電壓：保溫階段為500700V電流密度：0.515mA/cm2。電流密度大，升溫快，但易出現打弧。爐內真空度：266533Pa。爐內壓力太低，加熱太慢；爐內壓力太高，易出現打弧。滲氮氣氛：液氮或氮氫混合氣。液氮使用簡單，但滲層脆性大；體積比為1:3的氮氫混合氣可改善滲層性能。調

16、整氮氫混合氣的氮勢，可控制滲層相組成。滲氮溫度：450650。不含鋁的鋼一般采用500550的一段滲氮工藝，含鋁鋼采用520530和560580的二段滲氮工藝；不銹鋼采用600650的滲氮溫度。滲氮時間 ： 為0.20.6mm時， 為630h。一般鋼種8h左右，不銹鋼要長得多。滲層深度計算公式：=k（D）1/2計算。為滲層深度，k為常數，D為擴散系數，為滲氮時間。離子滲氮的特點效率高：滲氮速度與普通氣體滲氮的35倍。（1）N離子轟擊，使部分金屬原子活化，使C、N、O等部分非金屬元素還原出來。（2）表面清洗作用（3）高的N濃度：轟擊出來的N，Fe原子形成FeN，吸附在工件表面，提高了表面濃度。（

17、4）陰極濺射，部分原子脫離表面，位錯密度增加，增加了N原子向內的擴散系數。硬度：離子滲氮層硬度與氣體滲氮層相當。厚度：離子滲氮層厚度可達0.30.5mm，比氣體滲氮層厚得多。熱效率高，節能；環保。第六章 熱噴涂、噴焊、堆焊技術原理：· 采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物以及它們的復合材料加熱到熔融或半熔融狀態，通過高速氣流使其霧化，并噴射到經過預處理的工件表面，形成附著牢固的表面層的加工方法。涂層質量影響因素· 結合強度：材料性質、熔化狀態（熱源溫度、粒子飛行距離）、粒子飛行速度、基體表面粗糙度、涂層厚度等·

18、空隙率：材料性質、熔化狀態、粒子飛行速度· 內應力：材料性質、涂層厚度、工件冷卻條件、噴槍運動速度。涂層結合機理涂層的結合包括涂層與基體表面的結合和涂層內部的結合。· 結合力：涂層與基體表面的結合強度。· 內聚力：涂層內部的結合強度。 （1）機械結合· 碰撞成扁平狀，與凹凸不平的表面互相嵌合，形成機械釘扎而結合。· 涂層與基體的結合以機械結合為主。· 機械結合為主的結合決定了熱噴涂的結合強度較低。 （2）冶金-化學結合· 噴涂熱量、撞擊能量和放熱反應，使表面局部產生高溫，使涂層和基體表面局部出現擴散和焊合，形成冶金結合。&#

19、183; 結合面上的金屬間化合物或固溶體為冶金結合的產物。· 重熔或噴焊時，噴焊層與基體的結合主要是冶金結合。 3）物理結合· 顆粒對基體表面的緊密結合，形成范德華力或次價鍵形成的結合· 涂層形成機理材料溶化-加速撞擊基體冷卻凝固形成涂層·· 不同的方法，適用于不同的材料；不同的材料，選擇不同的方法。主要取決于材料的熔點和氧化特性。· 電噴涂：適用于金屬材料或金屬基復合材料。· 氣噴涂：可以噴金屬也可以噴陶瓷。火焰噴涂噴金屬，HVOF噴金屬陶瓷，等離子噴涂噴氧化物陶瓷。熱噴涂特點：（1）適用范圍廣· 涂層可以是金屬

20、、非金屬以及復合材料。· 工件也可以是金屬和非金屬。（2）工藝靈活· 施工對象小到10mm內孔，大到鐵塔、橋梁等大型結構。· 既可在整體表面，也可在指定區域內涂敷。· 既可在真空或控制氣氛中噴涂活性材料，也可在野外現場作業。 （3）工件受熱少· 例如氧-乙炔焰噴涂、等離子噴涂或爆炸噴涂，工件受熱程度均不超過250，工件不會發生畸變，不改變工件的金相組織。 （4）生產效率高· 大多數工藝方法的生產率可達到每小時噴涂數千克噴涂材料，有些工藝方法可高達50kgh以上。 （5）缺點· 熱效率等，能耗高。· 材料利用率低，浪

21、費大。· 涂層結合強度低。 3表面處理· 為了提高涂層與基體的結合強度，在噴涂前，對基體表面進行脫脂、清洗和粗糙化等預處理。· 堿洗法：將工件放到氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性溶液中，待基體表面的油脂溶解后，再用水沖洗干凈。· 溶液洗滌法：采用揮發性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和過氯乙烷乙烯等，它們的主要作用是把基體表面的礦物油溶解掉，再加以清除。· 蒸氣清洗法：采用三氯乙烯蒸氣清洗，這種方法的清洗效果很好，但對人體有一定的危害。· 對疏松表面（如鑄鐵件）的清洗：先脫脂、清洗后，將工件表面加熱到250左右，盡量將油脂滲透到表面，然后再加以清洗

22、。基體表面氧化膜的處理· 機械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除銹法。· 直接噴砂去除氧化膜。· 也可以采用硫酸或鹽酸進行酸洗。 表面粗化處理· 提高結合強度的一個重要措施。· 噴涂前4h8h內必須對工件表面進行粗糙化處理。常用的方法有： （1）噴砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬鐵砂、氧化鋁砂、碳化硅砂等多種，根據工件表面的硬度選擇（2）機械加工法· 對軸、套類零件表面粗化，可采用挑扣、開槽、滾花等簡便切削加工方法，限制涂層的收縮應力，增加涂層與基的接觸面。 · 對強度要求不高的工件，在噴涂區域內車螺紋和滾壓，形成粗

23、糙表面，一般每厘米10條紋左右。（3）化學腐蝕法· 基體表面進行化學腐蝕，由于晶粒上各個晶面的腐蝕速度不同，可形成粗糙的表面。（4）電弧法（又稱電火花拉毛法）· 將細鎳（或鋁）絲作為電極，在電弧作用下，電極與基體表面局部熔合，產生粗糙的表面。這種方法適用于硬度比較高的基體表面，但不適用于比較薄的零件。 基體表面預熱· 涂層與基體表面的溫度差使涂層產生拉應力，從而引起涂層開裂和剝落。· 基體表面的預熱可降低涂層殘余應力。但預熱溫度不宜過高，以免基體表面氧化，降低基體表面活性，從而降低涂層與基體的結合強度。預熱溫度一般在200300之間非噴涂表面的保護

24、83; 在噴砂和噴涂前，必須對非噴涂表面保護。保護方法可根據非噴涂表面的形狀，設計一些簡易的保護罩。· 保護罩可采用薄銅皮或鐵皮、炭素物或石棉等。 · 封閉氣孔 一般采用有機涂料進行涂覆處理，涂層需封孔時,根據使用狀態選擇封孔劑.石蠟，樹脂。· 自熔性合金鍍層的熔化處理 將B,Si等元素加入到噴涂材料中，這些元素在噴涂過程中高溫時發生氧化或與金屬作用形成熔渣，涂覆在最表面；另一方面，發生的反應是放熱反應，使基體表面一薄層熔化，涂層與基體達到冶金結合。 熔化處理采用的加熱熱源一般為火焰加熱和高頻感應加熱等。· 精加工 經過噴涂的表面一般厚度不均勻，表面粗糙

25、度高，需要進行精加工，如車削或磨削等。(1) 火焰噴涂（Flame spray）· 火焰噴涂包括絲材火焰噴涂和粉末火焰噴涂，一般不包括超音速火焰噴涂（HVOF）。· 火焰噴涂的熱源是氧-乙炔氣體，也可以是丙烷、氫氣或天然氣。· 噴涂材料熔化 霧化并加速 沉積到工件，形成涂層。火焰噴涂設備簡單，一枝噴槍。· 噴槍主要由兩部分組成：產生火焰的氧、乙炔供給系統和供料（粉末或絲材）系統· 線、棒材噴涂都是將材料從噴槍中心孔送出，由氧的火焰將其熔化，通過壓縮空氣將熔化的材料霧化成微粒，并將其噴射到基體表面沉積成為涂層。· 特點：操作簡單，設備運

26、轉費用低，可手持操作。· 材料：線材主要有Zn,Al,Cu, Mo, Ti等及其化合物，鋁包鎳，鎳包鋁，金屬包碳化物等復合線材;棒材主要為Al2O3、 Al2O3 + TiO2及TiO2陶瓷材料。· 粉末火焰噴涂是將粉末加熱到熔融或半熔融狀態，同時將被加熱粉粒以一定的速度噴射到工件上形成涂層。· 特點：涂層致密度和結合強度不如線材火焰噴涂，但是該設備最簡單、輕便，投資少，成本低。并可噴涂后進行重熔以得到更致密的涂層。· 材料：可制備塑料涂層 · 爆炸噴涂技術產生于上世紀50年代中期，將燃氣爆炸技術引入熱噴涂領域。其主要特點是涂層與基體的結合強度

27、高，涂層孔隙率小（小于），工件受熱小，涂層在制作過程中受空氣污染小。· 高速火焰噴涂是20世紀80年代初期由美國開發的，由噴管出口處燃燒的高溫射流迅速膨脹，產生了超音速火焰，焰流速度高，顆粒熔化充分。該方法制備的涂層與基體結合強度高，涂層致密，孔隙率小于1，并且涂層的殘余應力小。但是成本較高，限于應用于一些關鍵部位制作上。· 特點：所得涂層性能可與爆炸噴涂相媲美，但其工作效率，工作條件的可變范圍更優越；成本較高。· 材料：最適宜噴涂碳化物基的粉末。HVOF是上世紀80年代初,由美國公司.研制成功 。· HVOF系統使用氣體燃料和氧氣，產生3200的高溫高

28、壓火焰· 焰流速度高達1500m/s粒子撞擊速度(10051200/) HVOF特別適用于噴涂WC-Co涂層。（1）VOF 的火焰溫度低（2）顆粒的飛行速度快, 顆粒在空氣暴露時間非常短。因為WC 顆粒在高溫下很容易發生脫碳反應:應用· 美國在航空發動機壓縮機葉片、軸承套等。· 氣輪機第一級靜葉片上使用，取代昂貴的低壓等離子噴涂層和電子束物理氣相沉積。· 修復退火爐輥, 從80年代中期的30%上升到90年代后期的80%, 帶鋼因結瘤等引起的次品率則由85%下降到零。· 在冶金擠壓輥輪、熱浸鍍鋅槽中的沉沒輥。· HVOF涂層結合強度高,

29、可以噴2mm涂層.· Fusion公司現已關閉電鍍Cr生產線而轉向超音速火焰噴涂,因為這種涂層具有高結合強度和韌性,完全可以適應部件服役時的彎曲工況。· HVOF的火焰溫度較低，適合于噴金屬陶瓷，但不適合噴涂氧化物陶瓷。優點：· 設備簡單，操作方便，可攜帶到現場施工。 · 沉積效率高，生產成本低。· 既可以噴粉末，也可以噴絲材（熔點高的金屬不能用絲材）。缺點：· 涂層含氧量高。· 為了提高涂層與基體的結合力，先噴涂后重熔。· 焰火溫度低，不適用于噴陶瓷材料。電弧噴涂技術· 噴涂絲材通過兩根彼此絕緣并加有1

30、840V的線形電極，當兩根絲材靠近時產生電弧，并將絲材端部熔化。同時通入壓縮空氣使熔化的金屬液滴霧化，在壓縮空氣的作用下高速撞擊工件表面并在表面沉積，形成涂層。· 特點：電弧噴涂設備比較輕便，易于現場操作，生產效率高，能源的利用率高。涂層質量主要取決于熔滴霧化后的粒度。· 超音速電弧噴涂主要是對噴涂槍進行改進，開發出高速電弧噴槍，提高熔化粒子的霧化程度和飛行速度，從而提高涂層與基體的結合強度及降低涂層的孔隙率。電弧噴涂的特點· 一般只能噴具有導電性能的金屬絲材，用超音速電弧噴涂設備也可以噴金屬基陶瓷復合材料。· 生產效率高，成本低。· 涂層比火

31、焰噴涂致密，可達70%90%的理論密度。· 結合強度達10MPa40MPa。電弧噴涂的應用· 主要噴涂鋁鋅涂層、不銹鋼涂層、高鉻鋼涂層，近期研究鋁基陶瓷復合材料。· 主要金屬零件的防腐和強化，特別適用于大型零件的防腐（閘門、橋梁、鋼結構）和強化。電弧噴涂長效防腐涂層· 防腐壽命長：耐蝕壽命達50年以上，是防腐油漆的45倍，熱浸鍍鋅的23倍，玻璃鋼涂層的23倍。 。· 可修復性強：涂層被碰壞、劃傷，可以進行修復，保證了防腐體系的完整性和有效性；熱浸涂層無法進行修補。· 普遍適應性好：可根據腐蝕環境選用相應的耐蝕材料，靈活性強；熱浸鋅只能

32、制備單一的鋅涂層。等離子噴涂原理· 利用等離子焰流，即非轉移等離子弧作熱源，將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態，在高速等離子焰流引導下高速撞擊工件表面，并沉積在經過粗糙處理的工件表面形成涂層。 等離子噴涂特點優點：· 火焰溫度高，幾乎可以噴任何固體材料，特別適用于噴氧化物陶瓷。缺點：· 噴低熔點材料不如其他方法應用· 防腐蝕Ø 噴涂鋁：飛機表面用玻璃纖維強化的塑料代替金屬，為減少電荷累積造成的靜電和減少水對塑料的腐蝕，噴涂一層鋁。Ø 火焰或電弧大面積噴涂鋅、鋁及其合金涂層，代替傳統油漆方法，實行陰極保護進行長效防腐涂層，防腐蝕年限可達到

33、30年以上。長期暴露在戶外大氣的大型鋼鐵結構件、地下電纜支架、橋梁、城市過街天橋、港口、船體等適用。如：長江三峽永久閘門、上海東方明珠電視塔。Ø 熱噴涂塑料：葡萄酒廠低溫發酵車間的發酵罐內壁采用火焰噴涂聚乙烯涂層后，有效地防止了罐壁的點蝕。· 耐磨Ø 連續鑄造模 連續鑄造模表面由于金屬凝固層的摩擦而磨損，用鍍鉻提高其耐磨性，但在高溫下，硬度快，防護效果不好；采用高溫下硬度不明顯下降的自熔性合金涂層粘結底層，壽命。Ø 冷軋加工輥· 冷軋生產線中的加工輥，表面要求耐磨、粗糙度變化小，鍍鉻，耐磨性不好；噴涂WCCo涂層電鍍，壽命，耐磨性提高510倍。

34、· 耐高溫Ø 衛星繞地球運動時，溫度在100315之間變化，采用噴涂Al2O3層，可以隔熱，保證內部溫度1030。Ø 渦輪葉片高溫防護 航空發動機高溫熱端部件主要是渦輪葉片，長期在高溫、高速、高負荷條件下工作（超合金，空心加氣膜冷卻）高溫防護涂層M(Ni、Co)CrAlY（低壓等離子噴涂）氧化物陶瓷（Al2O3,ZrO2-Y2O3），的ZrO2-Y2O3，冷卻空氣流量50，油耗改善，壽命4倍。· 模具制造與工件修復Ø 熱噴涂快速制作鋼基模具 工件模型脫模劑電弧噴涂的熔點合金（中間模）灌注石膏加固取下工件模型噴涂高熔點高強度涂層 電弧噴涂對基材的

35、熱影響小，母型可用金屬、木材、石膏等；熱變形小，收縮小，尺寸精度和復制性能優良，是忠于母型的建議模具成型法。Ø 工件修復 各種軸類 機床，發電機軸，各種驅動軸，磨損后采用氧乙炔火焰粉噴、絲噴以及電弧絲材噴涂均可修復均能奏效，設備簡單，操作方便，可現場施工，經濟效益好。· 功能性應用Ø 遠紅外輻射涂層的節能應用 復合氧化物TiO2-ZrO2具有較高的熱輻射系數和優良的長波輻射特性，是遠紅外輻射材料，氧化物受熱時輻射出遠紅外波，極易被高分子有機物、水、空氣等物質的分子吸收，而引起共振產生內熱，從而加速加熱過程，采用熱噴涂技術在電加熱元件上噴涂遠紅外輻射涂層，其節能效率

36、一般平均在2540。Ø 飛機表面防雷和抗干擾涂層 為了減輕飛機重量、隱身要求，采用大量非金屬復合材料，不導電，某些部位需涂覆導電層（鋁）來屏蔽外來信號干擾和防止雷擊。Ø 人工種植生物功能應用 人工關節、義齒，采用不銹鋼，表面狀態與人體組織結合不緊密，且不銹鋼中的Cr、Ni在人體中逐漸釋放，引起身體的感染、發炎。 Ti：與人體體液相容并與人體組織有較好的結合能力 羥基磷灰石（HA）：生物陶瓷材料，是成骨成分之一 采用低壓等離子噴涂方式在不銹鋼表面進行噴涂。堆焊在金屬材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蝕等特殊性能的金屬層的一種工藝方法。· 堆焊的特點與應用：Ø 采

37、用堆焊修復已失去精度或表面破損的零件，可節省材料、費用、工時，延長零件使用壽命；Ø 堆焊層的特殊性能可提高零件表面耐磨、耐熱、耐蝕等性能，發揮材料的綜合性能和工作潛力；Ø 具有明顯的異種金屬焊接特點，可制造雙金屬零部件，對焊接工藝及其參數要求較高。· 應用：機械產品的制造和維修，在冶金機械、重型機械、汽車、動力機械、石油化工設備等領域有廣泛應用。分類· Fe基：韌性與耐磨性匹配好，價格低，應用廣。· Ni基、 Co基： 價高，但高溫性好、耐磨蝕，主要用于耐高溫磨損、腐蝕的場合。· WC基：價格較高，高耐磨性。· Cu基： 耐

38、蝕性好，具有潤滑性，可減少金屬間的磨損第七章電鍍與化學鍍1電鍍概念P1222電鍍目的P1223電鍍分類P122· 按鍍層成分分：· 單一金屬鍍層，如Zn、Cu、Cr等· 合金鍍層：如Cu-Sn，CuNiCr鍍層等；· 復合鍍層：如 Ni-Al2O3，Co-SiC等。 根據鍍層和基體金屬之間的電化學性質分為： 1）陽極性鍍層 鍍層電極電位低，相對與基體金屬為負，鍍層為陽極，稱為陽極性鍍層，例如鋼上的鍍Zn層； 2）陰極性鍍層 鋼上的Ni、Sn鍍層 4 工藝特點· 電鍍工藝設備較簡單，操作條件易于控制，鍍層材料廣泛，成本較低，因而在工業中廣泛應用，

39、是材料表面處理的重要方法· 電鍍最大的問題是污染· 鍍層的特點（1）與基體結合牢固，附著力好；（2）完整，潔凈致密，孔隙少；（3）厚度分布均勻 5 電鍍基本原理 電鍍是典型的電解反應，在外加電場作用下，溶液中的金屬離子在陰極表面得到電子，被還原為金屬并沉積在陰極表面。Men+neMe 6 電鍍的基本條件 P124 7可沉積金屬的種類及方式P122表7-1· 已發現的金屬有70多種，能從水溶液中電沉積的不到一半。若使用熔鹽鍍液，則幾乎所有的金屬都可以實現電沉積。8電鍍溶液P1259電鍍工藝過程平P13010電鍍金屬鍍鋅應用廣泛，占60以上 · E Zn2+

40、/Zn=-0.76< E Fe2+/Fe，陽極性鍍層，主要用于鋼鐵等黑色金屬的防腐· 易鈍化：防腐裝飾，防護能力提高58倍，不同鈍化層可顯示白色、藍色、綠色等。· 兩類電鍍液：酸性和堿性。酸性電鍍液價格便宜,電流效率高,電鍍速度快，缺點是鍍層均勻性差;堿性電鍍液價格高,但鍍層均勻性好。鍍銅· 用于鋼鐵表面防護（如防鋼鐵表面滲碳），裝飾（如塑料表面），作為過渡層提高鍍層與基體結合力。· 電鍍溶液主要有：（1）硫酸鹽鍍銅液（2）氰化物鍍銅液（3）焦磷酸鹽鍍銅液硫酸鹽鍍銅液：平滑光亮的鍍層，電流效率>95%，適用于大電流密度下的厚鍍層，鍍層的致密性

41、比氰化亞銅鍍液差。· 氰化物鍍銅液：含有一價銅的絡離子，在鋼鐵基體上形成均勻的、附著性很好的鍍層。缺點：鍍液毒性嚴重。· 焦磷酸鹽鍍銅Ø 鍍液穩定性好，易于控制，適于大批量生產Ø 缺點：（1）成本高（2）鋼鐵件不能直接電鍍，需鍍過渡層 如：先用氰化鹽鍍銅或鍍鎳，也可用硫酸銅溶液先浸鍍，然后再用焦磷酸鹽鍍銅。鍍鉻· 鍍鉻層光澤好、耐腐性能好、硬度高、摩擦系數小，主要用于裝飾、耐磨損和耐腐蝕。· 鍍鉻液主要是含有少量硫酸的鉻酐（CrO3）溶液· 鍍鉻層分：防護裝飾鍍鉻和鍍硬鉻· 防護裝飾鍍鉻（1）美觀光亮（2）電鍍時間

42、短（35min）µm） 應用：家用電器，飛機，汽車 、自行車· 鍍硬鉻（1）要求硬度高、耐磨、結合牢固。（2）鍍層厚（20300µm）（3）電鍍時間長應用：測量、切削工具、軸· 松孔鍍鉻：鍍層表面形成大量溝紋減磨鍍層。應用：活塞、環 鍍鎳· 提高材料的防護性能和美觀· 作為其他鍍層的過渡層：提高結合強度· 鍍金鍍金 具有耐蝕性、釬焊性、裝飾性，價格較貴。例：1、異色電鍍：18K黃金鍍24K金 2、奧運會獎牌制作11合金電鍍1概念P1372電鍍合金的特點· 易獲得高熔點與低熔點金屬組成的合金， 如:Sn-Ni合金。&

43、#183; 可獲得熱熔相圖沒有的合金,-銅錫合金· 易獲得組織致密、性能優異的非晶態合金，如: Ni-P合金。· 在相同合金成分下，電鍍合金與熱熔合金比，硬度高，延展性差。3與單金屬鍍層相比合金鍍層的主要特點：· 合金鍍層結晶更細致，鍍層更平整、光亮。· 具有單金屬所沒有的特殊物理性能，例如導磁性、減摩性（自潤滑性）、釬焊性。具備比組成它們的單金屬層更耐磨、耐蝕、更耐高溫，并有更高硬度和強度。但延展性和韌性通常有所降低。· 不能從水溶液中單獨電沉積的W，Mo，Ti，V等金屬可與鐵族元素（Fe，Co，Ni）共沉積形成合金。通過成分設計和工藝控制，

44、可得到不同色調的合金鍍層，例如銀合金、彩色鍍鎳及仿金合金等，具有更好的裝飾效果。4合金電鍍原理· 共沉積中的一些現象至今仍難以合理解釋：共沉積時，兩種以上金屬離子在陰極上還原，會出現競爭放電現象、電子之間互相影響以及電結晶過程中合金元素對成核規律的影響等問題。目前還只能提供一些實驗數據的綜合和某些定性解釋，定量的理論研究還有待今后發展5合金共沉積的條件P1386實現共沉積的方法P1387合金鍍層及其應用P139表7-8化學鍍1概念P1412化學鍍的三種沉積方式P142· 工程上所講的化學鍍主要是指這種還原沉積化學鍍。3化學鍍條件· 還原劑的電位要顯著低于沉積金屬的

45、電位，金屬有可能在基材上被還原沉積。· 鍍液不產生自發分解，只有當與催化表面接觸時，才發生金屬沉積過程。· 被還原的金屬具有催化活性，氧化還原沉積過程才能持續進行，鍍層連續增厚。溶液有足夠的使用壽命4化學鍍的特點：· 鍍覆過程不需外加電源驅動· 均鍍能力好 形狀復雜、有內孔、內腔的鍍件均可獲得均勻的鍍層。例：聚氨酯泡沫化學鍍鎳工藝制備泡沫Ni 制作電極質輕，比表面積大，化學活性好，減震器、過濾器、熱交換器 · 孔隙率低· 可在金屬、非金屬以及有機物上沉積鍍層。· 缺點：溶液穩定性較差，維護、調整和再生都比較麻煩，材料成本費較

46、高5化學鍍的應用· 化學鍍金屬和合金種類較多，諸如:Ni-P， Ni-B， Cu, Ag， Pd， Sn，In， Pt，Cr及多種Co基合金等· 應用最廣的是化學鍍鎳和化學鍍銅。· 化學鍍層一般具有良好的耐蝕性、耐磨性、釬焊性及其它特殊的電學或磁學等性能。不同成分的鍍層，其性能變化很大。· 在電子、石油、化工、航空航天、核能、汽車、印刷、紡織、機械等工業中獲得日益廣泛的應用。 6化學鍍鎳還原沉積:還原劑將鎳離子還原為鎳原子并沉積在被鍍工件上。· 還原劑有次磷酸鹽、硼氫化物、胺基硼烷、肼及其衍生物等。最常用的是次磷酸鹽。7化學鍍鎳溶液·

47、 以次磷酸鹽為還原劑的化學鍍鎳溶液有兩類：酸性鍍液和堿性鍍液。· 酸性鍍液比較穩定，容易控制，沉積速度快，鍍層中磷含量較高（2-11%）。· 堿性鍍液鍍層含磷量較低（3-7%），鍍液對雜質比較敏感，穩定性差。應用較少。8鍍鎳特點· 耐腐蝕性強，表面為非晶態，抗腐蝕性特別優良，經硫酸、鹽酸、燒堿、鹽水同比試驗，其腐蝕速率低于1Cr18Ni9不銹鋼。· 耐磨性好：表面為非晶態，即處于基本平面狀態，有自潤滑性。磨擦系數小，非粘著性好，耐磨性能高，在潤滑情況下，可替代硬鉻使用。 · 光澤度高：鍍件表面光澤度高，可與不銹鋼制品媲美，呈白亮不銹鋼顏色。&#

48、183; 表面硬度高：在鋼鐵及銅表面可達570Hv。· 結合強度大：與金屬基件結合強度可達350-400MPa，不起皮、不脫落、無氣泡。· 仿型性好：在尖角或邊緣突出部分，沒有過份明顯的增厚，即有很好的仿型性，沉積層的厚度和成份均勻。· 工藝技術高適應性強：在盲孔、深孔、管件、拐角、縫隙的內表面可得到均勻鍍層，無論產品結構有多么復雜，絕無漏鍍之處。· 低電阻，可焊性好。     9鍍鎳應用· 汽車工業: 散熱器、噴油嘴、球頭螺栓、差速器行星齒輪軸、制動器活塞、同步齒輪、關節銷、減震器、銷緊零件、軟管管接頭

49、。化學工業：壓力容器、反應容器、攪拌器軸、泵和葉輪、熱變換器、過濾器和零件、渦輪機葉輪轉子、閥門。· 紡織工業：紡織刮板、送料導桿、錠子棘輪、紡織針、噴絲頭羅拉等需增加光滑和耐磨的零件。 · 石油和天然氣：管道、泵殼、抽油桿、球閥、柱塞泵、封隔器、泥漿泵、防噴裝置。采礦工業：液壓缸和軸、擠壓機、傳動帶、離合器、液壓系統、噴射泵頭。· 食品工業：食品充氣灌裝機、螺桿送料機、攪拌鍋、食品模具、烤盤、干燥箱、保溫爐。 · 電子工業： 電容器、插頭、散熱器、導線框架晶體管封裝，陶瓷和金屬之間的封接 。 · 其他工業：玻璃模型、注塑模、噴絲頭、編織針、印

50、刷輥筒、印刷平板、藥丸分篩機、手術器械、五金工具等。10化學鍍銅· 主要目的：在非導體表面形成導電層，很好地解決了多層印制電路板間的電路連接問題。· 化學鍍銅層的物理化學性能與電鍍銅的性能基本相似。· 還原沉積:還原劑將銅離子還原為銅原子并沉積在被鍍工件上。· 化學鍍銅的主鹽是硫酸銅，還原劑有甲醛、肼、次磷酸鈉、硼氫化鈉等。最常用的是甲醛。11復合鍍P1471復合鍍層基本條件：· 粒子在鍍液中是穩定的：不發生任何化學反應，不促使鍍液分解。· 粒子在鍍液中完全潤濕，形成分散均勻的懸浮液。粒子都需經過親水處理，特別是那些疏水粒子，更應作充

51、分的親水處理，并要降低鍍液的表面張力，形成懸浮性好的鍍液。· 鍍液的性質要有利于固體粒子帶正電荷，即利于粒子吸附鍍液陽離子和金屬離子。· 粒子粒度適當。粒子過粗，易于沉淀，且不易被沉積金屬包覆，鍍層粗糙；粒子過細，易于結團成塊，不能均勻懸浮。通常使用0.110um的粒子，以0.53um最好。· 適當的攪拌。保持微粒均勻懸浮，使粒子高效率輸送到陰極表面并與陰極碰撞。2復合鍍層的性能特點及應用· 復合鍍層的性能由鍍層金屬的特性和粒子特性共同決定。1耐磨復合鍍層· 將硬質粒子加入到Ni，Co，Cr，Co-Ni，Ni-P，Ni-B等鍍層中，可大幅度地提

52、高金屬或合金鍍層的耐磨性。· Ni-P-SiC的耐磨性隨SiC含量增加而迅速升高· 牙科用磨削針· 鍍層的硬度隨粒子含量及粒子硬度升高而升高。耐磨復合鍍層中加人的粒子大多選用金鋼石，WC，Al2O3，ZrO2，TiC, SiC，Cr3C2等粒子。· 這種高耐磨性復合鍍層在中、高溫條件下更顯示其獨特的耐磨性能。在航空、機械、汽車等工業中已被廣泛應用。2減摩復合鍍層· 將剪切強度低，摩擦系數小的固體粒子加入到某些金屬和合金中，可形成具有自潤滑功能的減摩復合鍍層。· 常用的基體金屬Ni，Cu，Pb等，用石墨、石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、M

53、oS2和六方氮化硼等作減磨劑。· PTFE的摩擦系數僅為0.05，Ni-P-PTFE復合鍍層與淬火鋼配對摩擦時，干摩擦系數0.360.40，低于Ni-P鍍層的摩擦系數0.600.63；這種復合鍍層相互對磨時，干摩擦系數僅為0.2。· Ni-BN（氮化硼）在800高溫下仍有很低的摩擦系數，適用于高溫軸承。· 在宇航、真空和無油潤滑的條件下，軸承、導軌等摩擦副是這類減摩復合鍍層充分發揮自潤滑功能的地方。· PTFE的摩擦系數僅為0.05，Ni-P-PTFE復合鍍層與淬火鋼配對摩擦時，干摩擦系數0.360.40，低于Ni-P鍍層的摩擦系數0.600.63；這種

54、復合鍍層相互對磨時，干摩擦系數僅為0.2。· Ni-BN（氮化硼）在800高溫下仍有很低的摩擦系數，適用于高溫軸承。· 在宇航、真空和無油潤滑的條件下，軸承、導軌等摩擦副是這類減摩復合鍍層充分發揮自潤滑功能的地方。12非金屬電鍍1非金屬-塑料、陶瓷、玻璃、木材等· 非金屬特點：質輕、價廉；不導電、不導熱、不耐腐蝕、易變形，缺乏金屬光澤2前處理· 粗化 脫脂 敏化 活化· 粗化：表面微觀粗糙，由憎水親水，提高結合力· 機械粗化，化學粗化（常用），有機溶劑粗化· 敏化：工件表面吸附一層易氧化的物質，以便在活化時（把催化金屬還原出

55、來）被氧化，在表面形成活化層或催化膜，縮短化學鍍的誘導期，保證化學鍍的順利進行。· 活化：將敏化處理時生成的物質氧化，在塑料表面產生有催化性的貴金屬薄層，作為化學鍍時氧化還原反應的催化劑。如：金、銀、鉑、鈀等 3幾種非金屬電鍍塑料電鍍 ABS塑料電鍍最為廣泛，具體步驟如上所示· 石膏、木材電鍍 封閉處理噴涂ABS塑料類似塑料電鍍 石蠟、樹脂膠封閉· 玻璃電鍍粗化（機械，化學HF） 烘烤 敏化 活化 化學鍍 電鍍4電鑄特點優點Ø 高度逼真性，復制的金屬線Ø 可制造各種電鑄產品Ø 工藝簡單，大批量生產· 缺點Ø 加工時

56、間長Ø 原模、芯模加工難度大Ø 脫模成本高 5應用 P15213電鍍發展趨勢P155 第八章 轉化膜與著色技術1概念 基體金屬處理液難溶性膜層（轉化膜） 2轉化膜的形成方法 在一定條件下，金屬與特定的腐蝕液接觸發生化學、電化學反應，由于濃差極化作用和陰極極化作用等，在金屬表面生成一層性質穩定，附著力良好的、能保護金屬的化合物膜。 金屬基體直接參與成膜反應生成，膜與基體的結合力比電鍍、化學鍍和熱噴涂等這些外加膜層大得多。成膜的典型反應式： mM+nAz- MmAn+nze 直接化學反應、不需熱處理與化學熱處理區別3分類氧化物膜：金屬在含有氧化劑溶液中形成的膜，其成膜過程叫氧化

57、。磷酸鹽膜：金屬在磷酸鹽溶液中形成的膜，其成膜過程稱磷化。鉻酸鹽膜：金屬在含有鉻酸或鉻酸鹽溶液中形成的膜，其成膜過程稱鈍化。4用途防銹 一般防銹要求，轉化膜作為底層，很薄，外層涂防銹油等。 要求較高的防銹，轉化膜要均勻致密，以厚者為佳。 耐磨減磨 減磨：磷酸鹽膜具有很小的摩擦系數，具有良好的儲油作用，在接觸面間產生一緩沖層，從而減小磨損。耐磨： 鋁陽極氧化，形成Al2O3膜，硬度很高，具有很好的耐磨性能。活塞、軸承著色 不同的化學膜有不同的顏色；改變化學膜厚度，也可以改變顏色。例：不銹鋼用鉻酸-硫酸溶液處理后可得到不同顏色 獲得多孔結構的化學膜，進行著色處理，得 到需要的顏色。例：鋁合金陽極氧化、著色，有些鋁合金氧化膜本身