试述表面改性技术

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1、表面改性技术概述与应用表面工程是指通过对材料表面进行涂覆或改性，改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等,以使表面获得所需特殊性能的系统工程。它包括表面改性、表面处理、表面涂覆、复合表面技术和纳米表面工程技术。而表面改性最为一种重要的表面工程技术通过改变基体材料成分，达到改善性能的目的，不附加膜层。表面改性的方法有很多，这里主要介绍电子束表面改性和等离子体表面处理。1电子束表面改性高速运动的电子具有波的性质。当高速的电子照射到金属表面时，电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核和电子发生作用。电子与原子核弹性碰撞，

2、能量的传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子碰撞而完成的。所传递的能量立即以热的形式传与金属表层原子，从而使表层温度迅速升高。图1电子束表面改性工作原理图1.1电子束表面相变强化处理用散焦方式的电子束轰击金属工件表面，控制加热速度，使金属表面加热到相变点以上，随后高速冷却产生马氏体等相变强化。此方法使用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。1.2电子束表面重熔处理利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化并快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳配和。对某些合金，电子束重熔可以使各组成相间重新分布，降低某些元素的显微

3、偏析程度，改善工件表面的性能。目前，电子束重熔主要用于工模具的表面处理上，以便在保持或改善工模具韧性的同时，提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性。由于电子束重熔是在真空条件下进行的，表面重熔时有利于去除表层的气泡，因此可有效地提高铝合金和钛合金表面处理质量。1.3电子束表面合金化处理先将具有特殊性能的合金粉末涂覆在金属表面上，再用电子束轰击加热融化，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔化在工件表面上，在工件表面上形成一层新的具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的合金表层。电子束表面合金化所需电子束功率密度约为相变强化的3倍以上，或增

4、加电子束辐照时间，使基体表层的一定深度内发生熔化。1.4电子束表面非晶化处理电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化处理类似，只是所用的热源不同而已。利用聚焦的电子束所特有的高功率密度以及作用时间短等特点，使工件表面在极短的时间内迅速熔化，而传入基体内部的热量几乎为零，从而在基体和熔化的表层之间产生很大的温度梯度，表层的冷却速度很高。因此，这一层几乎保留了熔化时液态金属的均匀性，可直接使用，也可进一步处理以获得所需性能。2等离子体表面改性等离子体是一种电离度超过0.1%的气体，是由离子、电子和中性粒子所组成的集合体。等离子体是一种能量

5、较高的聚集状态，被称为物质的第四态。利用粒子热运动、电子碰撞、电磁波能量法以及高能离子等方法可获得等离子体。等离子体轰击材料表面将发生一系列的物理、化学现象，包括中性原子或分子从表面分离出来的溅射现象，溅射出来的粒子与靠近表面等离子体中活性原子结合的产物吸附在表面的凝附现象、阴极表面二次电子的发射现象以及局部区域原子扩散和离子注入等现象。等离子体表面改性可以提高工件表面的力学性能，例如表面硬度增加、耐磨性提高、较好的热稳定性、更高的疲劳强度、良好的抗咬合性能和低的缺口敏感性。2.1离子渗氮辉光离子渗氮又称离子渗氮，是一种在压力低于

6、105Pa的渗氮气氛中，利用工件和阳极间稀薄含氮气体产生辉光放电进行渗氮的工艺。这是一种普遍应用的成熟工艺技术，已用于结构钢、不锈钢、耐热钢的渗氮，并由黑色金属发展到有色金属渗氮，特别在钛合金渗氮中取得好的效果。图2离子渗氮示意图离子渗氮的特点是渗氮速度快，尤其是浅层氮更为突出。例如渗氮层深度为0.3mm-0.5mm时，离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮的一半以下。这是因为其表面的活化加速了渗氮的过程。离子轰击将金属原子从试样表面轰击出来，使其成为活性原子，并且，由于高温活化，C、N、O这类非金属元素也会从金属表面分离出来，使金属表面

7、氧化物和碳化物还原，同时也对表面产生了清洗的作用；提高表面氮浓度，加快氮向试样内部扩散。试样表面对轰击出来的Fe和N结合形成的FeN吸附，提高试样表面氮浓度，Fe还有对NH3分解出氮的催化作用，也提高氮浓度；阴极溅射产生表面脱碳，增加位错密度等，加速了氮向内部扩散的速度。离子渗氮热效率高，节约能源、气源。离子渗氮可使用氨气，压力很低，用量极少，所以污染低，劳动条件好。离子渗氮可在低于400℃下进行，工件畸变小。虽然离子渗氮有许多好处，但是设备较复杂，投资大，维修困难也成为阻碍其应用的瓶颈。2.2离子渗碳、碳氮共渗离子渗碳（等离子渗

8、碳）以及离子碳氮共渗，和离子渗氮相似，是在低压下的渗碳或碳氮混合气氛中，利用工件和阳极间产生辉光放电进行渗碳的同时渗碳氮的工艺。2.2.1离子渗碳离子渗碳是目前渗碳领域较先进的工艺技术，是快速、优质、低能耗及无污染的新工艺。离子渗碳原理与离子渗氮相