材料表面耐磨处理技术

2、耐磨铸铁
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。
高磷合金铸铁通常加入铬、钼、锰、镍等合金 元素，磷的含量在（0.4~0.6）%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。
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。
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。
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合涂层。
当今世界表面技术得以迅速发展，其主 要原因是：
a，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。
5.2 表面处理技术
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：
a，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。
b，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，如化学镀、化 学转化等。
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。
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。
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。
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CVD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。
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，有较高的抗磨 料磨损性能，成本低，但韧性差、整体 硬度不高。
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（HV1300~1800）， 具有很好的耐磨性。
3、硬质合金
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。
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。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
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。
b，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。
c，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。
d，在金属陶瓷、玻璃、塑料等表面都可沉积； 加工处理过程无公害。
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。
第五章: 材料表面耐磨处理技术
5.1 材料的耐磨性 5.2 表面处理技术 5.3 表面化学热处理 5.4 气相沉积技术
材料表面耐磨处理技术
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。
d，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。
e，表面技术是设备技术源自文库造与维修的有 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。
4、渗硫
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。
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。常用的溶盐电解液基本成份是硫氰盐， 工件接阳极，电压为2~3V，电流密度为 2~3A/cm2，可以处理碳钢、合金钢、铸铁等 各种零件。
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。
b，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。
c，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。
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。
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。
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
表面化学热处理是工程中常用增强表面 耐磨性的工艺，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
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。
5.1 材料的耐磨性
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
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。
电铸：电铸镍，电铸铜等。进行金属零件的尺 寸修复。
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。
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，提高耐磨性。
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。
1、物理气相沉积
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：
a，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。
c，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。
d，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。
e，其他物理方法：如机械镀、涂装、激 光表面加工等。
下面具体介绍工程中表面常用的工艺方 法和用途。
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。
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。
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。
4、陶瓷材料
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。
3、渗硼
渗硼层具有高硬度（HV1500~2000）、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 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。
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。
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。
热加工相变硬化：火焰加热硬化、激光 淬火、电子束硬化等。用于提高表面硬 度与耐磨性，不改变基体表面的化学成 份。