J I A N G S U U N I V E R S I T Y现代表面改性技术的国内外最新研究进展学院名称：专业班级：姓名、学号：指导教师：时间：摘要：金属材料表面改性技术是一门新兴的技术，主要包括激光表面改性、离子注入法、物理气相沉积法和热喷涂等，简述了该4种技术的研究和发展现状，对各种技术的原理和应用状况分别加以描述，最后总结了材料表面改性技术的发展前景。

关键词：激光表面改性离子注入物理气相沉积。

工业技术的发展使得制造工业产品所需的材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐腐蚀等不同要求，通常采用各种表面处理技术对普通金属材料表面进行加工，使其适用各种复杂的工作环境。

金属材料表面改性技术很多，除传统的热处理、电镀堆焊外，还包括激光表面改性、离子注入法、物理气相沉积法和热喷涂等。

随着现代工业的发展, 对机械产品零件表面的性能要求越来越高。

对其研究已经成为材料科学研究的一个重要领域。

表面改性研究的重要性在于在不改变原材料基本性能的基础上采用各种技术改善或提高材料的表面性能, 金属材料表面改性可以提高零件的寿命、减少磨损, 提高经济效益。

铜合金具有很高的导电、导热性能及良好的塑性; 电极电位是正值, 具有很好的耐蚀性能; 铜合金还是优良的耐磨材料, 这些特点是其它材料所不能同时具有的。

铜合金在机械、电子等各行各业的广泛应用, 特别是在耐磨、耐热、耐蚀零件中。

如要求表面高性能的铜材零部件有连铸结晶器, 氧枪喷头, 高炉风口, 滑块, 轴承等, 高炉风口是典型的耐磨耐热零部件, 通过表面改性, 不仅保持其传导性而且达到表面高硬度、高耐磨性等使用要求。

目前, 铜合金的表面改性技术主要有: 热处理多元共渗、表面渗硫、等离子喷涂以及铸渗法等。

1 激光表面改性由于激光特有的优良属性, 自从20世纪中期激光器的研制成功以来, 激光已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。

激光表面改性是激光在表面技术领域中的新的应用, 虽然在激光应用领域中只占大约15%的比重, 但由于激光表面处理同其他表面处理技术相比具有很多独特的优点, 如激光熔化后形成的组织, 化学均匀性很高, 而且晶粒非常细小, 因而强化了合金,使耐磨性大大提高; 由于热输入小, 工件变形小, 对基体产生的热影响很小等等。

因此在表面处理领域内, 针对激光表面改性的研究和开发活动相当活跃。

根据采用的不同的激光能量密度和不同的处理方式, 激光表面改性技术中比较典型的方法有几种: 激光熔覆、激光表面熔凝、激光相变硬化、激光冲击强化、激光表面合金化等。

这些方法的目的都是为了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高硬度、高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能, 从而实现既节约了成本, 又满足工作要求的目的。

本文综述了激光表面改性技术的研究和应用状况, 展望了激光表面改性技术的发展趋势。

1．1 激光相变硬化在各种激光表面改性的方法中激光相变硬化是当前研究最多的, 进展最快的一种表面改性方法。

激光相变硬化又称激光淬火, 就是利用激光将金属材料加热到相变点以上, 金属熔化以前, 依靠金属自身冷却达到淬火的目的。

激光相变硬化的实质是马氏体相变硬化。

马氏体和亚结构晶粒都被超细化, 相变硬化后残余奥氏体也被显著强化。

与常规热处理淬火相比较,激光相变后材料硬度要提高15% ~ 20%, 低碳钢也能提高一定的硬度。

激光相变硬化技术已经应用于球墨铸铁的曲轴; 灰铸铁的导向阀; 铸铁的柴油机轴瓦、凸轮轴、铆钉、联轴器、弹簧; 4340钢的安全凸轮等。

对4Cr13不锈钢过丝辊进行激光表面淬火, 得到的硬化层组织为细小的位错马氏体和隐晶马氏体及少量的残留奥氏体, 组织细密, 硬度高, 并且显著降低了工件的畸变量。

激光相变硬化技术在用以提高金属材料的表面硬度、耐磨性、疲劳寿命等方面已经基本成熟, 在机械行业也得到日益广泛的应用。

1．2 激光冲击强化利用高能密度激光束照射金属材料表面, 由于金属升华气化而急速膨胀, 产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波,从而提高了金属材料的物理机械性能。

大功率激光冲击的作用基本上是力学性质, 其热作用可以忽略不计。

激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能, 大大提高材料的强度和硬度, 这项新技术最显著的特点是明显改善材料的抗疲劳性能。

由于激光冲击强化后使材料产生的变形很小, 不产生热影响区,也不改变材料的表面粗糙度, 非常适合于微小孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。

国外正在进行用激光冲击波来改善飞机结构中紧固件疲劳性能的应用研究。

激光冲击在提高焊缝强度方面的应用研究工作做得较少,相关的报道不多,但激光冲击技术用于改善焊接接头区性能的研究工作具有相当的吸引力。

1．3 激光合金化利用高能量的激光束使根据需求加入的合金层涂层与基体金属表面混合熔化, 在极短的时间内, 形成不同化学成分和结构表面的合金层。

由于激光加热速度快的特性, 发生成分、组织和性能变化的熔化区及热影响区都很小。

合金元素完全溶解于表层内, 获得的改性层成分很均匀, 对皲裂和剥落等倾向不敏感。

激光表面合金化与激光熔覆有许多相似之处, 但激光熔覆后, 基体成分基本上不进入涂层中, 而激光表面合金化形成的表面层是合金涂层与基体共同形成的混合层。

激光合金化技术比较适合用于零件的重要部位, 如模具的刀刃等。

这种方法不仅增加了工件的寿命和疲劳强度, 而且简化了工艺, 节约了合金元素。

目前, 在工业应用中已经开始使用这种表面处理技术。

例如: 在氮气氛中熔化T i形成硬度和熔点都很高的T iN, 从而提高表面的硬度和耐磨性。

许多合金元素如T i、Nb、V、Cr等都可以通过这种方法渗入材料表层, 从而大幅度改善材料的硬度, 耐磨性和耐腐蚀性能。

近年来日本的汽车制造业亦开始采用这种技术，对汽车排气阀实施激光涂覆钨铬钴合金层。

1．4 激光非晶化激光非晶化是利用激光熔池所具有的超高速冷却条件使某些成分的合金表面形成具有特殊性能的非晶层。

激光表面改性技术很大幅度地提高了金属材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。

激光表面处理效果的优越性使激光表面处理的领域不断扩大, 从黑色金属到有色金属, 甚至运用于非金属材料的表面改性。

激光表面改性技术具有广阔的发展前景, 潜力很大, 经济效益可观, 国内外都在积极投入力量进行研究。

为了得到综合效果更好的表面层, 复合表面改性技术将是激光表面改性的一个重要方向。

由于激光光束小, 导致处理面小是激光表面改性技术急需解决的问题。

随着激光器、机器人和自动控制技术的发展, 激光表面改性技术将向着大功率、自动化、智能化的方向迈进。

激光表面处理技术对环保几乎没有负面效应, 明显的性能优势将使激光表面改性技术在众多表面改性技术中占据主导地位。

2 离子注入法离子表面改性技术主要包括离子镀、离子注入和离子化学热处理等。

离子镀技术主要有蒸发源离子镀、多弧离子镀和磁控溅射离子镀等。

其中磁控溅射离子镀是由磁控溅射技术与溅射离子镀技术有机结合而成。

其施镀工艺不同于普通离子镀，可得到耐磨性、耐蚀性、耐热性不同的镀层。

利用磁控溅射离子镀技术强化阀座表面的试验研究为阀座表面强化开辟了一条新途径。

离子注入技术是将预先选择元素的原子离化后，经电场加速，使其获得高能量，然后将其打入材料中的过程。

该技术作为改变材料表面物理、化学、电磁学和力学性能的有效手段，在世界范围内得到广泛应用。

目前投入运行的离子注入机主要为氮注入机。

离子化学热处理的基本原理是：将工件置于真空室内，其问充以适当分压的渗剂气体（氮气或碳氢化合物），在外加直流电压的作用下，电子从工件向真空室壁运动，当含渗剂的混合气体分子被电子碰撞离化时，产生辉光放电。

新形成的正离子将向工件加速，当与工件表面发生碰撞时，与工件表面的化学元素相结合。

研究表明，采用强流脉冲电子束轰击处理可以有效地清除316L不锈钢表层的MnS夹杂物，从而达到净化材料表面的目的。

通过对1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢进行碳氮离子不同剂量注入和共注入，可引起注入元素在钢中的化学效应，改善了注入层结构，并形成新的合金层或弥散强化相。

使钢表面硬度增加、摩擦特性得到改善、抗磨损特性提高。

并改善钢的抗氧化和抗腐蚀特性。

3 物理气相沉积法物理气相沉积技术是一种对材料表面进行改性处理的高新技术, 最初和最成功的发展是在半导体工业、航天航空等特殊领域。

在机械工业中作为一种新型的表面强化技术起始于80 年代初, 而且主要集中在切削工具的表面强化。

以改善机械摩擦副零件性能为目的的研究近10 多年才受到广泛重视, 是现在重点开发的新领域。

将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发，使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺称为物理气相沉积(简称PVD)。

美国Balzers Too l Coat ing 公司1994 年评估了用PVD法制取的薄膜在2000年前的市场发展前景, 认为, 1980 年PVD 镀层95% 用于改善切削工具寿命, 在2000 年50%PVD 镀层将用于提高切削工具性能, 另50% 将用于改善冲压模、磨损零件部等的寿命。

由于大量采用新技术和新工艺, 使物理气相沉积技术近10 年在模具和磨损零部件的应用上迈进了一大步, 正在改变那种PVD 就是刀具上镀T iN 的传统概念。

物理气相沉积法用于零件防蚀抗磨损镀层越来越多, 取得非常好的效果。

德国Dorrenberg Edelstah l公司开发了一种在压模上使用电弧蒸发镀沉积、具有高附着力的CrN 涂层的PVD法, 镀层性能高于T iN 或T iCN 镀层, 可用于铝件的加工模具上。

英国Cambridge 和Tecvac 公司完善了在加工黄铜、T i 和A l的加工模具上的CrN 沉积法, 镀层厚度3～20 μm, 镀层具有良好的附着性, 镀层显示了较好的使用效果(包括挤压, 成型以及塑料加工模具)。

MultiArc (U K) Ltd 在伯明翰Too ling ’95 展览会上介绍了该公司一种用于提高冲模寿命的PVD 工艺, 6～8 μm厚的沉积层提高冲压4 mm 厚钢质变速箱壳的冲模寿命, 由冲压500 次增大到20400次, 且不需要再抛光。

日本在活塞环等零件表面采用离子镀法镀覆具有CrN或Cr2N成分、附着力强的耐磨膜, 膜层中氮浓度由基体向表面膜层表面不断增大。

镀层在不断变更氮分压情况下用蒸发源铬和反应气体N2制成, 镀膜层厚度10～60μm, 硬度1500～2000HV , 远高于电镀Cr 和氮化。

它的耐粘着性能约是电镀Cr 的1. 5倍, 且其实际耐久性是电镀Cr 的4～10倍, 具有运行平稳、无拉缸、抱缸现象, 效果十分理想, 是一种无公害的、可取代电镀Cr处理的表面处理手段。