金属材料表面改性技术研究

材料表面改性技术与涂层技术

课程测试作业

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第一部分 各种表面工程技术原理、特点及应用比较

常见的表面工程技术主要有离子注入、激光表面处理、高温扩散渗入、化学转化处理、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积、热浸镀、热喷涂、喷焊等。下面我主要就以上表面工程技术进行分开论述，并对其加以比较。

一、离子注入

真空中的一束离子束高速射向另一块固体材料时，离子束会把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。

离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高 新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。

二、激光表面处理技术

激光表面处理技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合，为解决整体

强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计和制造工艺的某些根本性变革。

在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层，大幅度提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳的能力以及制备特殊的功能表层。 强化层与零件本体形成最佳冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。 依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质，而实现相变硬化和熔凝硬化。 与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。 可进行灵活的局部强化，根据需要，可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位。一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。配有计算机控制的多维运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产，生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。

２００２年第３期　

２００２年６月　铸造设备研究　

ＲＦ￣ＥＡＲＣＨ　ＳＴＵＤＩＥＳ　ＯＮ　ＦＯＵＮＤＲＹ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　

・综述・　

一种新型金属材料的表面改性技术　

杨贵荣。，郝远。，阎峰云。，宋文明　

（１．甘肃工业大学材料学院，甘肃兰州　７３００５０；２．河北省峰峰矿物局机械总厂，河北邯郸０５６２００）　

摘要：阐述了通过铸渗法来改善金属零部件的表面性能的原理，主要是铸造技术与冶金强化相结合；分　

析了影响渗层质量的几个主要因素如涂料配比，铸造工艺等；铸渗合金成分２Ｌ：ｒ－艺可根据实际需要来设计；展　

望了铸渗法表面改性技术的应用前景。　

关键词：铸渗；表面改性；发展前景　

中图分类号：ＴＧ４２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—６１７８（２００２）０３—００４９—０３　●　

Ｔｈｅ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｎ　Ａ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　

ＹＡＮＧ　Ｇｕｉ－ｒｏｎｇ　，ＨＡＯ　Ｙｕａｎ　，ＹＡＮ　Ｆｅｎｇ－ｙｕｎ　，ＳＯＮＧ　Ｗｅｎ・ｍ　

（１．Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｃｏｌｌｌｅｇｅ，Ｇａｎｓｕ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｌｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｂｙ　ｃａｓｔｉｎｇ－ｐｅｎｅｔｒａｔｅｄ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　

ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｂａｓｉｃ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｅｄ　ｌａｒｙｅｒｓ　ｓ　ｑｕａｌｉｔｙ；Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｍａｔａｌｌｕｒｇｙ．Ｔｈｅ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔ　ｏｆ　ｄｏｐｅ，ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃａｓｔ．Ｔｈｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｅｄ　ａｌｌｏｙ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　

QPQ金属材料表面改性处理技术简介

QPQ处理技术是一种可以同时大幅度提高金属表面的耐磨性、抗蚀性，而工件几乎不变形的新的金属表面强化改性技术。该技术由德国迪高沙公司开发。由于该工艺可以使金属表面的耐磨、耐蚀性及耐疲劳性能大幅度提高，已被广泛用于汽车、摩托车、机车、工程、纺织、轻工机械、仪表，工模具、办公设备等各种行业。该技术具有以下优点：

一、 性能优良

1．良好的耐磨性、耐疲劳性能：

经QPQ处理的45钢，40Cr钢（退火状态）的耐磨性达到淬火及高频淬火的16倍以上，达到20钢渗碳淬火的9倍以上，为镀硬铬和离子氧化的2倍多（见附表一）。在大量生产条件下提高工模具寿命1－4倍。

2．极好的抗蚀性：

普通炭钢经QPQ处理后具有极高的抗蚀性，例如45钢经QPQ处理后在大气中和盐雾中的抗蚀性比1Cr18Ni9Ti不锈钢高5倍；比镀硬铬高70倍以上；比发黑高280倍以上（见附表二）。

3．极小的变形：

QPQ处理可以认为是变形最小的硬化方法，处理后工件的尺寸和形状变化极小，可以用来解决很多常规处理方法无法解决的热处理变形问题。

4．可以替代多道工序：

该工艺一次处理可以替代淬火——回火——发黑三道工序或渗碳——淬火——回火——镀硬铬四道工序，可以大大降低生产成本，并且大幅度节能。

二、 应用范围广：

1．使用材料：

适用于各种工具钢、冷热模具钢、结构钢、不锈耐热钢、纯铁、铸铁及粉末冶金件。

2．可替代工艺：

可以大量替代渗碳淬火、高频淬火、易变形的淬火；替代离子氮化；替代发黑、磷化、硫化、镀硬铬、镀装饰铬。普通结构钢经QPQ处理，在很多情况下可以大量替代不锈钢。

3．已经成熟应用的产品：

工具：高速钢钻头、铣刀、铰刀、丝锥、滚刀、插齿刀、拉刀等，加工不锈钢、耐热钢效果尤为显著。

模具：各种冷拉模、挤压模、冲模、压铸模。对大量通用的橡胶模、塑料模、玻璃模等各种模具，由于模具承受压力不大，可以选用退火态调质的中炭钢作QPQ处理替代T12或9SiCr类钢制淬火模具。

镁合金具有优异的特性，因而在很多

领域得到了应用，但其不耐磨及不耐腐蚀

限制了镁合金的应用。通过对镁合金材料

进行激光表面改性处理，进而提高镁合金

的耐腐蚀、耐磨等性能。本文对激光表面

改性技术（激光表面重熔、激光表面合金

化、激光表面熔敷）进行了分析，并展望

了激光表面改性技术的应用前景。

1前言

镁合金具有质量轻、密度低（大约1.8

g

/mO

、比强度高、良好的导热性等优异

的特性，在汽车和航空航天、电子等领域中

广泛的应用。但镁合金具有较低的腐蚀电位

(E

=-2.3?V

)，很容易氧化和发生电化学

腐蚀，膜的防护腦。再者合金中

杂质元素会对其造成严重的腐蚀。而采用激

光表面改性技术是解决镁合金腐蚀问题的一

种錢胤利用激絲面改性财可以在

基体表面形成一定厚度的处理定程度

上提高材料的耐腐蚀性、耐雜和氧化性而

m易于实现自动化，將优点。

2镁合金激光表面改性涂层处理技术

2.1漱光表面重熔

激光表面重熔是在不加其它元素的基

础上利用激光将一雜度的表层融化，之后

借助基体自身的冷却和传热过程使溶池快速

凝固，进猶善材料表面组织性能，提高材

料表麵雜和耐腐蚀性。通遞絲面重

溶得到的硬化层组织较细，偏析减少、有非

平衡相生成等。

J

6 zef

Iwaszko

* ⑴用 5.5 kW

的 cw

-

(：02激舰泣91齡鎌行表面魏所用

激^3描速率为33.3 imn

/s

~53.3 mm

/s

,激光

直径为23 mm

，焦距为250 mm

,重熔过程

中采用氩皱行脱廻后检测发现挪

区的綱和臟有显著的变化，難区的晶

粒明显变小，表层硬度要比没处理的高，并

且增加激光能童与插速度时材_度在降

低。

M

.Strzeleck

^pl

用氩弧焊，氣气纯度为

99.995%对AZ

91镁合■行表面重熔。财

实验发现重培区镁合金的硬度从基体的平均

硬度58HV

0.05提高到93HV

0.05;摩擦系数

从0.375下降到0.335;腐蚀电流密度从29

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