工件表面强化技术(2)

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度和耐磨性，增加抗疲劳强度。几种常见的渗碳方法、特点及应用范围见下图：

渗碳方法 气体渗碳 生产率高、操作方便、容易实现自动化连续生产，渗层质量好，但废气有污染 液体渗碳 加热速度快、生产周期短，操作简单、 小件、细长件、薄件渗碳，批量生产，应用很少 固体渗碳 离子渗碳 渗碳周期长，劳动条件差，渗层单件、小件、小批量大批量生产，应用最广 特点 应用范围 碳含量不易控制，但不需要专用设备 生产，应用较少 渗速快、质量好，节电与节气、无污染，但专用设备成本高 重载和精密件深层渗碳，批量生产，应用正在扩大 真空渗碳 可以高温渗碳、渗速快，表层无精密件，关键件，批氧化，质量好，显著改善劳动条件，量生产，应用正在扩大 但专用设备成本高，容易产生炭黑 流态床渗碳 传热快、渗速比气体法快，气氛容易控制或改变，有利于符合处理，可进行高浓度渗碳 批量生产，开始应用 高频加利用高频加热高温渗碳，渗速快。只适用于单一品种热气体渗碳 炉外制备渗碳气体通入渗碳。可列入生产，多品种渗碳质量难冷加工流水线生产、设备成本较高

（二）渗碳的化学反应

钢渗碳一般在900~950℃间进行，渗碳剂的种类多，渗碳的化学反应复杂。对于钢件气体渗碳，无论采用哪种渗碳剂，其主要渗碳气氛的组分为CO和CH4。CO的渗碳能力较弱，而CH4渗碳能力较强，产生活性C原子的反应，可选择下列四个独立反应

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方程表示，即

2CO=CO2+[C] CH4=2H2+[C] CO+H2=H2O+[C] CO=?O2+[C] （三）渗碳过程：

渗碳过程可归纳为三个过程，

（1）炉内渗碳介质化学反应，产生CO，CH4等渗碳组分。

（2）渗碳组分向钢表面扩散被吸附，并与钢件反应，产生活性炭原子渗入钢件表面，反应产物H2、CO2和 H2O 、O2等离开表面。

（3）碳原子像钢件内部扩散，形成碳浓度梯度分布的渗碳层。

渗碳过程中，碳原子被吸附反应的机理，目前有两种解释，一种是先形成Fe3C 薄层，又瞬息分解使碳碳溶入到奥氏体中；另一种解释是碳原子直接溶解于奥氏体中，达到饱和时，才形成Fe3C。后一种解释被多数人接受，因为形成化合物-Fe3C是以改变铁的晶格方式进行，需要更大的能量，因此碳原子溶入固溶体应在形成Fe3C之选。但这并不排除钢中如有强碳化物形成元素时，碳与合金元素直接形成碳化物的可能性。 （四）渗碳过程相关的重要参量

（1）碳势Cp。碳势是指表征含碳气氛在一定温度下，改变钢件表面碳含量的能力的参数。通常可用低碳钢箔（厚度<0.1mm）在含碳气氛中的平衡含碳量来表示。

（2）钢中碳活度。钢在渗碳过程中奥氏体中碳的饱和蒸汽压（pc）与相同温度下石墨标准态的饱和蒸汽压（）之比称为钢中碳的活度。它的物理意义是奥氏体中有效浓度。与气氛碳势（Cp）和钢件表面实际碳含量（Cs）之间的差值（Cp-Cs）之比为碳的传递系数（β），它表征渗碳气-固相界面反应速度的常数，也称为碳的传递系数。碳传递系数与渗碳温度，渗碳介质及气氛组分等有关。

（3）碳的扩散系数。表征扩散过程速度的一个重要参量是扩散系数D。它的物理意义是，在单位时间内，单位面积上，单位浓度坡度情况下通过的物理数量（g），它的量纲是：cm/s或cm/d。影响扩散系数最主要的渗碳温度，如不考虑钢中碳与合金元素含量的影响，扩散系数D与温度T（K）的关系可近似表达为D=D0e。 渗碳温度为800~1000℃时，碳在奥氏体中扩散系数可用下式近似计算。

六、化学热处理强化

化学热处理强化是利用外来元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学成分以实现表面强化。在钢铁及合金表面层渗入一种或多种元素，形成固溶体及化合物层，结

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合强度高，不同渗层分别用于提高工件的耐蚀、抗高温氧化、耐磨减摩、抗疲劳强度等性能。主要方法有固体法、液体法、气体法、真空法及离子法等，应用广泛。但是化学处理需要专门的设备，处理周期长、成本高。

七、表面合金化

一般是指利用工件表层金属的重新熔化和凝固，以得到预期成分或组织的一种表面技术。它是采用高能量密度的快速加热，将金属表层熔化，或将涂覆在金属表面的合金材料熔化，随后靠激冷却进行凝固而得到硬化层，而使表层具有高的耐磨性。

八、表面薄膜强化

表面薄膜强化是通过物理的或化学的方法在金属表面被覆与基体材料不同的膜层，形成耐磨膜，抗蚀膜等。 （一）电镀：

电镀种类多，镀层附着力较强，它是利用电解作用，即把具有导电能力的工件表面与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。该镀覆层主要是各种金属和合金。单金属镀层有锌、 镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种；合金镀层有锌-铜、镍-铁、锌-镍-铁等一百多种。形状复杂的工件不易得到均匀的镀层。在金属、塑料、陶瓷或石墨基体上都可电镀，在工业上广泛用于提高工件的装饰、防护、减摩耐磨和其他功能。 （二）电刷镀：

它是电镀的一种特殊方法，又称接触镀、选择镀、涂镀、无槽电镀等。其设备主要由电源、刷镀工具（镀笔）和辅助设备（泵、旋转设备等）组成，是在阳极表面裹上棉花或涤纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。不需镀槽，设备简单，电流密度高，沉积速度快，适用于大型、精密及复杂部件的局部不解体修复，大型构件的现场施工，比漕镀优越。 （三）化学镀：

不需要外电源，较方便，形状复杂的工件亦可得到均匀、致密、孔隙率低、硬度高

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的镀层，但镀层的附着力比电镀稍差，成本较高。在金属和绝缘体上都可镀，用于电子、机械、航天、化工等工件，提高其耐磨、抗蚀等性能。 （四）热喷涂：

它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。 热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂（超音速喷涂）和爆炸喷涂等。经热喷涂的工件具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。

下表是各种热喷涂技术的工作温度：

（五）等离子喷涂：

将喷涂材料通过等离子弧加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子弧高速撞击并沉积在经过粗化、洁净处理的基材表面上，经淬冷凝固后，在基材表面形成喷涂层。 （六）电弧喷涂：

喷涂温度高，雾化微粒飞行速度高，生产效率高，成本较低，涂层与基体的结合强度及涂层自身强度均较线材火焰喷涂。 （七）火焰喷涂：

适用性广，但火焰温度与喷速稍低，涂层孔隙率较高，结合强度稍低。最近发展的超声粉末火焰喷涂，粒子飞行速度达600m/s，涂层致密、耐磨性好。可制备金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等涂层，用于钢铁构件防蚀或工件表面的强化、修复。

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九、结论：

表面工程是经表面欲处理后，通过表面涂覆、表面改性或表面复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的化学成分、组织结构、形态和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合而繁衍、发展起来的，有着坚实的科学基础，具有明显的交叉、边缘学科的性质和极强的实用性。

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参考文献

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