材料表面改性综述分析

材料表面改性综述分析

王晨霖、任俊伟、张龙飞、栗源涛、窦一幸、张永建、王麒翔  韩翔宇、孙琳、穆航、陈文涛、杨鸿宇、刘铸、张联合

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000

摘要：在动车机车的制造过程中，表面改性技术是必须要进行研究和精通的技术。无论表面形变强化还是表面相变强化、高能束改性以及各种新型的表面改性新技术，都时时刻刻离不开各种表面改性技术的深度研究。本文主要从各种材料表面改性技术的原理和方法进行分析，然后进一步分析其特点。材料的表面改性技术的综合研究，会在未来的新型动车机车的制造过程中发挥越来越重要的作用。

关键词：表面形变强化、表面相变强化、高能束表面改性、表面改性新技术

作者简介：王晨霖（1998年2月-）性别：男，民族：汉族，籍贯：四川郫县，学历：硕士，研究方向：新材料、装备制造。

正文

材料的表面改性是采用某种手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。改性技术可掩盖材料表面的缺陷，延长工件的使用寿命，节约材料，节约能源，并推进高新技术的发展。本文主要从以下几个方面进行深入研究和分析：

1表面形变强化

材料的表面形变强化主要是通过机械手段使表面产生压缩变形，表面形成硬化层，从而使表面层硬度、强度提高。机械喷丸主要通过压缩空气推动弹丸，弹丸碰撞表面，表面晶粒破碎，表面塑性变形，被内部未锤击部分所阻挡，在表面和近表面形成残余压应力。

影响喷丸质量的参数主要有三个：喷丸强度、覆盖率和表面粗糙度。喷丸强度主要取决于四个因素：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量和喷丸时间。覆盖率主要取决于三个因素：零件材料硬度、喷丸时间和弹丸直径。表面粗糙度主要取决于三个因素：材料的强度和硬度、喷射的角度和速度、弹丸直径。机械喷丸依旧存在很多的缺陷和不足：（1）强化后表面粗糙度的增加。（2）凹槽和喷丸产生死角。（3）喷丸使用过后会变形，造成环境污染。

激光喷丸的原理主要是激光透过水帘产生蒸汽，蒸汽吸收能量形成等离子体爆炸产生冲击波，引起应力波，产生塑性变形。激光喷丸拥有诸多的优点：（1）光斑大小可调，能在狭小空间进行喷丸。（2）参数和作用域可控，具有可重复性。（3）形成的残余应力比机械喷丸大，深度比机械喷丸深。（4）激光喷丸表面形成的冲击坑深度仅为几个微米。

2表面相变强化

2.1感应加热表面淬火

感应加热表面淬火的原理是将感应圈放置在距工件很近的外表面或内表面，通交变电流，利用感应电流使表面发热，喷水冷却，达到淬火目的。表面淬火后的残余应力主要包括两种：（1）热应力：淬火冷却时体积收缩，表面为拉应力。（2）组织应力：形成马氏体时组织膨胀，表面为压应力。表面感应淬火主要应用于特殊需求的零件（齿轮，轴承等），经过处理后的零件的表面有限深度具有高硬度，强度和耐磨性，心部具有足够的塑性和韧性。感应加热表面淬火有很多的优点：（1）工艺参数可控：调整输出功率、频率和加热时间控制淬火深度、硬度；可实现机械化作业，特别适合大批量生产。（2）表面质量高：加热速度快，氧化脱碳少，表面质量高；局部和薄层加热，工件几乎不变形。（3）灵活性欠缺：需要专门的电源装置和感应圈，所以小批量生产时成本高，但不适用于大工件淬火。

2.2火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火主要是将气体火焰喷射到表面，使表面加热到淬火温度，然后将冷却介质喷射到表面淬火的方法称为火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火有很多的优点：（1）能够获得平缓的淬硬层，并可调整淬硬层深度。（2）操作灵活，适用于超大、异形工件。（3）设备简单，投资少。（4）对员工技术要求高，产品质量波动大；薄壁零件不适合。

3高能束表面改性

高能束有很多优点：（1）功率密度高，作用时间短，易于获得亚稳态组织。（2）非接触式加热，热应力小，工件变形小。（3）可控性好，处理环境清洁，污染小。激光表面改性技术的主要过程包括：（1）激光照射到材料表面。（2）被材料吸收变为热能。（3）表层材料受热升温。（4）固态相变/熔化/蒸发。（5）激光作用后材料冷却。

激光束表面相变硬化主要是经受激光辐照，表层被加热到奥氏体温度以上，并在停止辐射后快速淬火得到马氏体组织。激光束表面相变硬化主要有以下几个优点：（1）加热快，输热少、变形量极小。（2）冷却快，淬火组织细、表面强度高。（3）无需冷却介质、冷却特性良好。（4）局部表面淬火，硬化层深度、范围可控。

激光熔覆是指在激光的作用下将合金或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，之后迅速冷却凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而改善材料性能的一种方法。激光熔覆的材料主要分为3大类：（1）钴基合金：适用于要求耐磨、耐腐蚀及抗热疲劳的零件。（2）镍基合金：适用于要求局部耐磨、耐热、耐腐蚀及抗热疲劳的构件。（3）铁基合金：适用于要求局部耐磨，而且容易变形的零件。激光熔覆有很多的优点：（1）冷却速度快。（2）粉体选择范围广。（3）热输入及畸变小。（4）镀层基体冶金结合。（5）涂层稀释率低。（6）区域熔覆。激光熔覆的金属零部件具有高硬度、高强度、高耐蚀性等各种优秀性能，可以长期应用于恶劣环境。

4表面改性新技术

4.1化学热处理

化学热处理是指将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子（C, N, B）渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理可以达成多种目的：增强耐磨性；提高疲劳强度；增加抗腐蚀性；使得材料外硬内韧。当进行进一步的渗氮处理后，材料的表面性能将会进一步的提升：（1）形成了金属氮化物弥散硬化表层，起到了减磨、抗粘结作用。（2）金属氮化物的形成在强化零件表面同时产生残余应力，提高了疲劳强度。（3）致密金属氮化物膜阻隔了内部金属与外界的接触，提高了抗腐蚀性。（4）表层是坚硬的金属氮化物层，内部是有韧性的钢材，实现了外硬内韧。

4.2电镀

电镀指的是在直流电作用下，金属从该金属盐的水溶液中沉积出来，使一种金属表面覆盖上另一种金属。电镀是一种电化学过程，也是一种氧化还原过程。在电镀过程中，阴极和阳极主要的作用是提供低压高电流，这是整个电镀反应的动力来源。被镀金属的电极界面处是金属离子得失电子的场所。电镀液是电镀反应的介质，为金属离子的迁移提供条件。

4.3化学镀

化学镀仅依靠镀液中的还原剂进行氧化还原反应，在金属表面的催化作用下使金属离子不断沉积于金属的表面。

4.4物理气相沉积

物理气相沉积是一种利用热蒸发、辉光放电或者弧光放电等物理过程，在基材表面沉积所需镀层的技术。物理气相沉积的过程主要包括：（1）气相粒子沉积到基片表面。（2）气相粒子被激发获得能量高速运动。（3）材料源发射气相粒子。常用的物理气相沉积方法主要有三种：真空蒸镀、溅射镀、离子镀。真空蒸镀是指在真空环境中，将材料加热并镀到基片上的过程或者将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在基片表面析出的过程。溅射镀是指用荷能粒子轰击固体表面，使固体原子（分子）从表面射出，镀到基材表面。溅射镀用带有几十电子伏特以上动能的粒子束照射固体表面，使靠近固体表面的原子（分子）获得能量而从表面射出，镀到基材表面。溅射镀有很多优点：（1）溅射蒸镀的应用范围非常广泛，只要目标材料能够做成靶材，便能够实现溅射。（2）工艺易于重复，可以大面积使用，并且镀层的均匀性非常好。（3）制备得到的薄膜成分与靶材的成分基本一致。

4.5化学气相沉积

化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表面形成固态薄膜的一种成膜技术或者反应物为气体而生成物之一是固体的化学反应。

4.6电火花沉积

电火花沉积通过电火花的作用把一种导电材料涂覆熔渗到基体材料的表面，形成合金化的表面增强层，以此改变材料的物理和化学性能。电火花沉积利用气体空间电弧放电的高密度能量，将待沉积材料作为工作电极使其与金属基体之间产生火花放电，在瞬间达到8000~25000℃的高温，将电极材料熔覆到基体表面，形成沉积强化层。

5结论

材料的表面是影响材料性能的一个重要因素，人们通过表面形变、表面相变、高能束表面改性、表面化学热处理、电镀、化学镀、物理及化学气相沉积等一系列的方法改善材料的各种性能，使其更好地为人类所用。科学技术的发展对材料的高功能化、高强度化和复合化提出了更加苛刻的要求。在未来，材料表面复合化、改性化、高强度化和功能化将成为材料表面改性的发展方向。

第一作者简介：王晨霖（1998年02月），性别：男；籍贯：四川郫县；学历：硕士；单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，材料工程师；研究生期间获校二等、三等学术奖学金，发表SCI文章2篇，授权发明专利一项；地址：山东省青岛市城阳区锦宏东路88号；研究方向：新材料、装备制造。

第二作者简介：任俊伟（1992年11月），性别：男；籍贯：山东省烟台市；学历：博士；单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，材料工程师；北京大学博雅元培教授；中国管理科学研究院教授；地址：山东省青岛市城阳区锦宏东路88号；研究方向：新材料，装备制造，应急管理，医药化工。