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热处理表面改性技术的发展,总结的很全很到位!

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作者:高玉魁研究员

单位:同济大学航空航天与力学学院

来源:《金属加工(热加工)》杂志

表面改性技术是指用来改善表面完整性以提高材料与构件使用性能的工艺技术。由于材料和构件的失效多数是从表面发生的,所以疲劳断裂、腐蚀、摩擦磨损等性能往往与表面完整性密切相关。表面完整性是指无缺陷或表面强化的表面状态与性能,它确定了材料的使用性能,但取决于制造加工工艺技术。热处理表面改性技术主要是指采用加热和冷却的方法来使材料的组织结构发生变化以达到所期望的使用性能。

本文主要介绍感应淬火、稀土或形变促渗、真空热处理、激光热处理、电子束热处理和离子束热处理等新技术的特点,并结合自己的一些研究成果来展望金属热处理新技术的应用前景和发展趋势,以期达到宣传新技术和推动新工艺发展的目的。

一、感应淬火

感应淬火是利用感应电流通过材料或工件所产生的热量,使材料或工件表层、局部或整体加热并快速冷却的淬火。

1.感应淬火的特点

(1)加热速率大,热效应利用率高。

(2)具有加热肌肤效应,整体不加热,变形小。

(3)加热时间短,与外界的化学反应少,表面氧化脱碳少。

(4)设备易于机械化,操作便于自动化,可编程控制。

(5)淬火层组织、深度、硬度易于控制,表面硬度较常规淬火高、缺口敏感性小,可显著改善构件的疲劳性能和提高耐磨性,延长零件的使用寿命。

2.感应淬火现状

近几年国内比较重视感应淬火设备的研发和工艺技术的应用研究,已经可以生产出了工频、低频、中频、超音频、高频、超高频等几种不同的淬火感应设备,从而根据淬硬深度需要来选择适宜的感应频率设备。

一方面,目前国内对于超高频的设备研发还有一点难度,主要是转换效率高、性能稳定的绝缘栅双极晶体管(IGBT)多数是依靠进口(主要来自德国西门子)。国内最近较大的IGBT电源达到了300kW、50kHz,国外早已有了600kW、100kHz的电源商品生产。

另一方面,原有的电子管高频振荡电源也正逐渐被MOSFET(场效应晶体管)电源及SIT(静电感应晶体管)电源所替代,国产电源可达300kW、300kHz,发达国家已有500kW、300kHz的产品问世。MOSFET及SIT全固态电源与电子管高频振荡式电源相比,具有电源体积小、效率高、控制方便、使用寿命长、安全性高等突出特点,发展前景较好。最后值得一提的是设备的自动化、标准化控制技术都发展较快,国内还需要进一步开发软件和加强对感应淬火组织以及残留应力的计算机模拟分析技术研究。

3.未来发展趋势与应用前景

高能、高频、高效、高精控制是未来感应淬火设备的发展方向;淬火组织深度、硬度梯度分布特性、残留应力、使用性能是未来感应淬火设备和技术进一步推广应用亟待解决的问题,有待产、学、研、用等单位共同突破。

应用前景还是比较广阔的,曲轴、车轴、齿轮等关键基础的传动件都可以应用,对于不规则形状的零件,还需要好好设计,确保淬火过程中的应力集中不要太大,以免产生淬火裂纹和不均匀的组织,关键是要有好的感应淬火器设计,在科学理论的指导下,通过精确的工艺参数控制,确保淬火组织的均匀性和深度,并具有一定的硬度和适宜的硬度梯度分布。

二、稀土或形变促渗

稀土是中国的特色资源,中国的稀土资源丰富而且很多稀土元素是战略资源,因此应该充分发挥我国稀土资源的优势和特色,在国际热处理和表面改性领域占有自己的一席之地和具有自己的研究特色。

对于金属表面的改性处理,通过稀土的加入能够显著提高元素渗入速度,改善渗层组织,提高渗层性能,表现出很好的催渗效果,在钢铁热处理领域具有良好的应用前景。

1.稀土催渗取决因素

稀土的催渗效应除了和待渗材料密切相关外,还取决于以下因素:

(1)稀土元素的化学活性。通常稀土元素与O、H及N均可发生强烈的化学反应,尤其与O的亲和力较强。因此,炉内气氛中含有稀土元素,有利于煤油等高分子断键,使炉气得到活化,对渗剂的分解过程起促进作用;加速分解动力学过程,并促使热分解更完全。

(2)稀土元素渗入金属表面形成的晶格畸变。由于稀土元素的原子半径比Fe原子半径大得多,它的存在会引起它周围的原子晶格畸变。这种晶格畸变一方面由于C、N间隙原子在畸变区的偏聚导致表面C、N浓度增高,加快C、N原子的扩散;另一方面由于晶体缺陷对原子扩散的通道作用,促使间隙原子沿着位错等缺陷快速扩散。

2.稀土的催渗效果

稀土的催渗作用目前已在工程中应用于渗碳、渗氮、渗硼、渗钒及各种复合共渗。下面举例说明其促渗效果。

(1)稀土渗碳。稀土催渗碳在汽车变速箱齿轮、减速器齿轮、内燃机活塞销、机床摩擦片等零件上已得到广泛运用,在活塞销零件的应用上也取得明显效果。稀土催渗碳的效果主要表现在:①能降低渗碳温度,缩短渗碳周期。②减少工件变形,减少工件表面积碳。③细化渗层组织晶粒,改善碳化物形态。④使渗层硬度的变化较为平缓。加稀土可提高渗碳速度20%~30%,节电70%,热处理成本下降60%。

(2)稀土渗氮。稀土催渗氮可有效提高渗氮速度,在同样温度下稀土渗氮可提高渗速15%~20%;当渗氮温度高出传统温度10~20℃,则可使渗氮速度提高60%以上。稀土也可使碳氮共渗的渗速提高20%~50%。稀土催渗氮可使氮化物的分布变得细小弥散,避免氮化物沿晶界的偏聚及脉状组织的产生,能有效提高表面硬度。稀土催渗氮不仅有催渗和改善渗氮层硬度和渗层组织的效果,还有一定的离子轰击效应,使钢铁表层内的空位与位错密度增加,加快氮原子的扩散;同时,稀土原子也沿晶界、位错等特殊通道以较快速度向内部扩散,具有一定的微合金化作用。

(3)稀土渗硼。加稀土的渗硼剂显示出较好的催渗效果,渗速提高幅度在20%~30%,特别是对低碳材料的效果更明显。研究表明,稀土的加入可抑制FeB的生长,有利于Fe2B的形成,所形成的Fe2B形如针齿细密直长,能减少硼化层脆性,提高渗层与基体的结合力。

(4)稀土渗钒。渗钒技术所形成的碳化钒覆层在常温下具有良好的稳定性和优异的抗磨损能力,但传统的盐浴渗钒方法一直存在着设备腐蚀严重、工件变形大以及表面粘盐难以清理等技术难点。采用稀土催渗钒技术,能加速活性原子的产生,加速渗剂的分解,提高盐浴中的钒势,从而提高渗钒的速度,增加渗层厚度。

此外,除了稀土可以促进渗氮或渗碳进程外,机械形变由于引入的位错或晶粒细化所贮存的能量也可以降低扩散激活能,促进扩散过程,减少热处理时间,提高生产效率和产品质量。国内学者却力克、葛继平、戚正风等较早系统研究了室温形变对45钢、45VS钢促进渗氮的效果。此后陆续不断有人进行相关的研究,但效果比较显著的是材料表面纳米化后的促渗效果,它可以实现低温渗或深层渗。

3.稀土催渗工艺技术特点

充分发挥中国稀土资源优势和形变研究特色,提高了热处理生产效率和产品质量,投入少、收效大,研究具有很强的中国特色。

4.稀土催渗现状

稀土促渗结果多年的研究在工程上已经有所应用,尤其是在汽车行业得以推广;形变促渗虽然研究多年,但在工程上还缺少应用,而且效果也因零件形状、尺寸和热处理炉子不同而不同性能显得不稳定。

5.未来发展趋势与应用前景

稀土促渗工艺技术有待在组织优化和渗层深度、硬度梯度等精确控制的研究基础上,加大在工业上的推广应用;形变促渗工艺技术尚需进一步开展深入系统的研究,以挖掘工艺技术的潜力,形成成熟的形变促渗工艺特色和独特的技术优势,加强形变能与扩散激活能等应用基础理论方面的研究,实现科学理论上的重大突破,将为工程实践上的应用奠定基础。

三、真空热处理

真空热处理具有无氧化、不脱碳、工件表面光亮、变形小、无污染、节能、自动化程度高、适用范围广等优点,是近年来发展较快的热处理新技术之一,特别是在进行航空材料表面改性方面获得了很大的进展。

许多新近开发的先进热处理技术,如真空高压气淬、真空化学热处理等,也需在真空下方能实施。采用真空热处理技术可使结构材料、工模具的质量和使用寿命得到大幅度的提高,尤其适合于一些精密零件的热处理。

1.真空热处理发展

随着真空热处理技术的发展,真空热处理设备如真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空钎焊炉、真空烧结炉等在国内得以研制成功,在工业上真空炉的制备技术和装备水平不断提升,真空度也逐渐达到了国外水平,但在自动化控制和器件的精细加工上与国外还有一定差距,尤其是在超高真空炉性能的稳定上有待精密器件制备水平的提高。此外,测试技术和测量仪器的发展也对真空设备有很大的影响,尤其是自动测试与控制技术。真空设备中极限真空度、工作真空度、空炉抽空时间、压升率、炉温均匀度、空炉升温时间等参数的准确测量和性能指标是真空炉性能的主要体现。

在工业发达国家,真空热处理的比例已达到20%左右,而我国目前约有真空热处理炉1200台,占热处理炉总数的1%左右,与国外的差距很大。预计今后随着热处理行业的技术进步和对热处理工件质量要求的越来越高,真空热处理将会有较大的发展。

2.真空热处理特点

设备一次性投入大,但产品质量好、变形小、无污染、节能环保,对工人操作的技术水平要求略高,生产效率由于真空度要求抽真空时间比较长而略低。

3.真空热处理现状

真空热处理在国内发展已有十余年的历史,但目前还只是应用在高端高质量的零件上,如航空航天等军工产品的关键部件采用真空热处理,对于民用还是较少。一方面是因为设备价格高,另一方面是国内零件采用真空热处理将增加费用除非是高附加值产品,一般不愿意进行真空热处理。

4.未来发展趋势与应用前景

精密零部件和较高质量要求的零件未来都将采用真空热处理来确保表面质量和完整性,真空热处理具有从航空航天高端产品走向民用高端产品的趋势,并且随着环保无污染国家政策的严格要求和执行也将得以推广应用。

四、激光热处理

激光热处理功率高、加热和冷却率快、定位精确,可解决传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题。同时激光热处理又是一种表面热处理技术,即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理改性。

1.激光热处理原理及应用

激光加热具有极高的功率密度,即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。由于功率密度极高,工件传导散热无法及时将热量传走,结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束,因为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度,被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却,从而实现淬火等热处理效果。激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。适用材料为中、高碳钢,铸铁。激光淬火强化的铸铁发动机汽缸,其硬度提高230HBW提高到680HBW,使用寿命提高2~3倍。

2.激光热处理特点

激光相变硬化(或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火)、表面合金化等表面改性处理,可产生用常规表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。经激光处理后,铸铁表面硬度可以达到60HRC以上,中碳及高碳的碳钢,表面硬度可达70HRC以上,从而提高抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能,延长使用寿命。激光热处理技术与其它热处理如高频淬火、渗碳、渗氮等传统工艺相比,具有以下特点:

(1)无需使用外加材料,仅改变被处理材料表面的组织结构,处理后的改性层具有足够的厚度,可根据需要调整深浅一般可达0.1~0.8mm。

(2)处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合,而且处理层表面是致密的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性。

(3)被处理件变形极小,由于激光功率密度高,与零件的作用时间很短(2~10s),故零件的热变形区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理,作为材料和零件的最后处理工序。

(4)加工柔性好,适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分,从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等,可进行选择性的局部处理。

3.其他激光表面改性技术

激光热表处理改性技术还包括激光熔覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击强化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术,这些技术对改变材料的力学性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。

(1)激光熔覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一,具有很好的经济性,可大大提高产品的抗腐蚀性。

(2)激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法,是未来应用潜力最大的表面改性技术之一,适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。

(3)激光退火技术是半导体加工的一种新工艺,效果比常规热退火好得多。激光退火后,杂质的替位率可达到98%~99%,可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/3~1/2,还可大大提高集成电路的集成度,使电路元件间的间隔缩小到0.5μm。

(4)激光冲击强化技术能改善金属材料的机械性能,可阻止裂纹的产生和扩展,提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度,改善其抗疲劳性能。在航空发动机叶片维修上得以应用来提高其抗外来物破坏和疲劳使用性能。

(5)激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度,速度比无激光照射快1000倍,对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大意义。使用该技术可使电镀层的结合力大大提高。

(6)激光上釉技术对于材料改性很有发展前途,其成本低,容易控制和复制,有利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术,在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其他电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。

4.激光热处理特点

高功率、高速率加热和冷却、定位精确,可获得常规热处理难以获得的组织结构、硬度和使用性能,具有很高的性能,很大的发展前景和市场潜力。

5.激光热处理现状

由于设备一次性投入大、操作技术要求高等问题制约了激光热处理在工程中的推广应用;由于材料对激光能量的吸收率有待提高和设备研发技术水平尚需提升,国内激光热处理工艺技术和设备装备都还处于研发阶段,只有少数成熟的工艺技术在工业上得到了应用,但也有待推广。

6.未来发展趋势与应用前景

需要加强材料对激光能量利用率的研究以提高激光能量的吸收率;对于铝合金、钛合金等材料制品还需要研究不同气氛保护下的热处理效果以及生产效率。此外,加大高功率、高精度、高性能的设备研发也是推动激光热处理技术在工业上应用的关键,尤其是高功率、高频率、高稳定性的固体激光器冲击强化设备的研制,已严重限制和影响了我国装备的实力水平。

五、电子束热处理

电子束照射到金属表面时,电子能深入金属表面一定深度,与基体金属的原子核及电子发生相互作用。能量传递主要是通过电子束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,从而使被处理金属的表层温度迅速升高。与激光加热有所不同,电子束加热时,其入射电子束的动能大约有75%可以直接转化为热能;而激光束仅有少量可被金属表面直接吸收而转化为热能,其余部分基本上被完全反射掉了。目前,电子束加速电压达125kV,输出功率达150kW,能量密度达103MW/m2。因此,电子束加热的深度和尺寸比激光大。

1.电子束热处理分类

与激光束改性相似,电子束热处理也有电子束退火、电子束相变硬化、电子束熔化/粉注、激光熔敷、电子束表面合金化、电子束非晶化和细晶化等。

(1)电子束表面硬化是利用电子束轰击金属工件表面,使表面被加热到相变温度以上,高速冷却产生马氏体相变强化。电子束表面硬化比较适合于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化。

(2)电子束表面熔凝是用高能量密度的电子束轰击工件表面,使表面产生局部的重新熔化,并在冷基体的作用下快速凝固,从而使组织细化,实现硬度和韧性的最佳结合。电子束表面熔凝最适用于铸铁、高碳高合金钢。

(3)电子束表面合金化是预先将具有特殊性能的合金粉末涂敷在基体金属表面,再用电子束轰击加热,使特殊的合金粉末熔融在基体材料的表面上,从而在工件表面形成一层具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的新合金表面层。

(4)电子束熔敷是按需要在基体材料表面预先涂敷一层特殊性能的合金粉,并用电子束加热将其熔化,在基体表面形成具有某些特性的覆层。

(5)电子束表面非晶化是利用聚焦的电子束高能量密度以及作用时间短的特点,使工件表面在极短的时间内迅速形成小熔池,并在基体与熔化的表层间产生很大的温度梯度,使表层的冷却速度高达104~108℃/s。致使表层几乎保留了熔化时液态金属的均匀性,经高速冷却,在材料的表面形成良好的非晶层。

近年来笔者开展了航空钛合金的脉冲电子束改性系统研究,获得了一系列的研究成果。主要的突破是:①采用脉冲电子束在TA2、TA15、TB6和TC4等钛合金表面进行表面纳米化处理,获得了10~50μm的纳米改性层,使得表层强度和硬度得到明显提高和耐磨性与抗疲劳性得以改善。②采用脉冲电子束使表面粗糙度得到显著改善,可以用来抛光金属零部件使之表面达到镜面效果。③脉冲电子束可净化表面,改善相结构或微观组织,提高耐蚀性。④对制备的纳米材料表层进行复合强化可进一步提高表层的硬度和韧性,这方面的研究只是刚刚开展探索,还需要深入系统开展研究。有兴趣的读者可进一步阅读笔者发表的相关文章。

2.电子束热处理特点

(1)加热、冷却速度快。

(2)设备结构简单。

(3)能量控制简便。

(4)电子束与金属表面作用耦合性好,能量利用率高。

(5)处理中工件不被污染,质量好。

(6)电子束加热的深度和尺寸范围比激光束大。

(7)电子束因易激发X射线,在使用中应注意辐射防护。

3.电子束热处理现状

电子束具有独特的高能、高脉冲特性,而且能量的利用率高、无污染、环保,在国外工业上应用较多,国内主要用于金属的焊接和合金化,对于电子束熔敷技术和非晶化处理刚刚起步,很多高新技术方面有待投入人力、物力和财力进行基础研究,以推广电子束热处理改性技术的工程应用。

4.未来发展趋势与应用前景

在技术研发进步和设备装备水平提升的技术上,通过对材料与电子束相互作用机理的系统研究,开发高能高效清洁电子束热处理设备是非常必要的,也是有很大应用市场和发展空间的。

六、离子束热处理

离子束热处理改性技术近年来发展较慢,前几年主要应用于离子注入、离子束熔敷、离子束合金化和离子束淬火等。离子束改性与激光束和电子束改性基本相同,多数是利用离子束的热作用,使材料表面发生物理化学变化或冶金反应,得到组织再造、表层改性的目的。

1.离子束热处理特点

(1)加热、冷却速度快。

(2)能量控制简便。

(3)离子束与金属表面作用耦合性好,能量利用率高。

(4)处理中工件在保护气氛下不易被污染,表面质量高。

2.离子束热处理现状

离子束具有独特的高能、高脉冲特性,而且能量的利用率高,在国外工业上应用较多,国内主要用于离子注入表面改性,对于离子束热处理的研究也是刚刚起步,很多高新技术方面有待加强基础研究,以推广离子束热处理改性技术的工程应用。

3.未来发展趋势与应用前景

在技术研发进步和设备装备水平提升的技术上,通过对材料与离子束相互作用机理的系统研究,开发高能高效清洁离子束热处理设备是非常必要的,同样离子束热处理工艺技术在中国有很大应用市场和发展空间。

七、结语

本文在综合国内外大量文献的基础上,尤其是网络上很多新技术方面的资料,结合自己的理解,对感应淬火、稀土促渗、形变促渗、真空热处理、激光热处理、电子束热处理和离子束热处理等新技术的特点进行了简要介绍,并展望了金属热处理新技术的应用前景和发展趋势,希望达到宣传新技术和推动新工艺发展的目的,以提升中国热处理的技术水平,提高我们热处理装备的能力和产品质量。