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表面强化技术概述摘要：表面强化技术如今在金属材料工程上以及在工业生产过程中广泛应用，并且发挥着日趋重要的做用，本文主要介绍了以电镀、热喷涂及机械喷丸等为代表的一些常用热处理技术的应用现状和前景。可以预言，在材料热处理领域中，表面强化技术将不断地继续发展，也将一直处于重要的位置。关键词：表面强化；热喷涂；电镀；形变强化；喷丸背景 随着现代工业技术的飞速发展，人们对提高金属材料的性能，拓宽其功能，延长仪器设备中零部件的使用寿命等提出了更高的要求，但同时又希望成本越低越好。鉴于许多零部件的破坏都是从表面损伤开始的，例如承受耐磨、腐蚀的机件均为表面失效，因此材料科学工作者开始把注意力从整体强化转向材料的表面强化。因而，近年来表面工程技术及其相关学科发展极快，其技术应用均取得了许多重要的进展，深受人们的广泛重视，因而成为当前材料科学研究中异常活跃的领域之一。表面强化技术 表面强化技术其实质是一种改善机械零件和构件表面性能，提高疲劳强度和耐磨性能的工艺方法。表面强化有时还能提高耐腐蚀性能。承受载荷的零件表面常处于最大应力状态，并在不同的介质环境中工作。因此，零件的失效和破坏也大多发生在表面或从表面开始，如在零件表层引入一定的残余压应力，增加表面硬度，改善表层组织结构等，就能显著地提高零件的疲劳强度和耐磨性。表面强化可分为表面薄膜强化、表面形变强化、表面热处理强化、化学热处理强化和表面合金化。其中表面薄膜强化与表面形变强化在工业生产过程中应用最为广泛。表面薄膜强化表面薄膜强化是通过物理的或化学的方法在金属表面被覆与基体材料不同的膜层，形成耐磨膜，抗蚀膜等。电镀：电镀种类多，镀层附着力较强，它是利用电解作用，即把具有导电能力的工件表面与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。该镀覆层主要是各种金属和合金。单金属镀层有锌、 镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种；合金镀层有锌-铜、镍-铁、锌-镍-铁等一百多种。形状复杂的工件不易得到均匀的镀层。在金属、塑料、陶瓷或石墨基体上都可电镀，在工业上广泛用于提高工件的装饰、防护、减摩耐磨和其他功能。电刷镀：它是电镀的一种特殊方法，又称接触镀、选择镀、涂镀、无槽电镀等。其设备主要由电源、刷镀工具（镀笔）和辅助设备（泵、旋转设备等）组成，是在阳极表面裹上棉花或涤纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。不需镀槽，设备简单，电流密度高，沉积速度快，适用于大型、精密及复杂部件的局部不解体修复，大型构件的现场施工，比漕镀优越。电刷镀工作原理图化学镀：不需要外电源，较方便，形状复杂的工件亦可得到均匀、致密、孔隙率低、硬度高的镀层，但镀层的附着力比电镀稍差，成本较高。在金属和绝缘体上都可镀，用于电子、机械、航天、化工等工件，提高其耐磨、抗蚀等性能。热喷涂：它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。 热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂（超音速喷涂）和爆炸喷涂等。经热喷涂的工件具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。下表是各种热喷涂技术的工作温度：等离子喷涂：将喷涂材料通过等离子弧加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子弧高速撞击并沉积在经过粗化、洁净处理的基材表面上，经淬冷凝固后，在基材表面形成喷涂层。电弧喷涂：喷涂温度高，雾化微粒飞行速度高，生产效率高，成本较低，涂层与基体的结合强度及涂层自身强度均较线材火焰喷涂。火焰喷涂：适用性广，但火焰温度与喷速稍低，涂层孔隙率较高，结合强度稍低。最近发展的超声粉末火焰喷涂，粒子飞行速度达600m/s，涂层致密、耐磨性好。可制备金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等涂层，用于钢铁构件防蚀或工件表面的强化、修复。表面形变强化主要是利用机械方法使金属表面层发生塑性变形，而形成高硬度，高强的硬化层，常用的方法喷丸，滚压和冷挤压。表面形变强化方法简单，但对耐磨性能影响较小。喷丸强化：它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸（钢丸、铸铁丸、玻璃丸、硬质合金丸）以高速且连续喷射，捶打到零件表面，从而在表面产生一个残余压应力层。因为当每颗弹丸撞击金属零件上，宛如一个微型棒捶敲打表面，捶出小压痕或凹陷。为形成凹陷，金属表层必定会产生拉伸。表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球。无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。最终，零件在压应力层保护下，极大程度地改善了抗疲劳强度，延长了安全工作寿命。喷丸强化分为一般喷丸和应力喷丸。一般处理时，钢板在自由状态下，用高速钢丸打击钢板的里面，使其表面产生预压应力。以减少工作中钢板表面的拉应力，增加使用寿命。应力喷丸处理是将钢板在一定的作用力下的预先弯曲,然后进行喷丸处理。喷丸强化是一个冷处理过程，它被广泛用于提高长期服役于高应力工况下金属零件，如飞机引擎压缩机叶片、机身结构件、汽车传动系统零件等的抗疲劳属性。 喷丸强化技术一般是用来清除厚度不小于2mm的或不要求保持准确尺寸及轮廓的中型、大型金属制品以及铸锻件上的氧化皮、铁锈、型砂及旧漆膜。是表面涂(镀)覆前的一种清理方法。广泛用于大型造船厂、重型机械厂、汽车厂等。 表面热处理强化是利用固态相变，通过快速加热的方法对零件表面淬火（如感应淬火，火焰淬火，激光淬火等），可提高材料的耐磨性和抗疲劳强度。 化学热处理强化、化学热处理强化是利用外来元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学成分以实现表面强化。在钢铁及合金表面层渗入一种或多种元素，形成固溶体及化合物层，结合强度高，不同渗层分别用于提高工件的耐蚀、抗高温氧化、耐磨减摩、抗疲劳强度等性能。主要方法有固体法、液体法、气体法、真空法及离子法等，应用广泛。但是化学处理需要专门的设备，处理周期长、成本高表面合金化一般是指利用工件表层金属的重新熔化和凝固，以得到预期成分或组织的一种表面技术。它是采用高能量密度的快速加热，将金属表层熔化，或将涂覆在金属表面的合金材料熔化，随后靠激冷却进行凝固而得到硬化层，而使表层具有高的耐磨性。 总结 产品性能需求的不断提高要求表面的防护层从单层向多层复合处理。因此，复合工艺技术成为表面强化发展的方向之一，包括：渗镀结合工艺、镀渗结合工艺、镀镀结合工艺、镀注结合工艺。在材料热处理领域中， 表面强化技术将不断地继续发展，并将始终处于重要的位置。金属材料表面强化技术巴成为材料科学发展最快的重要组成部分也将成为具有最广阔发展前景的学科之一。参考文献：1 孙希泰.材料表面强化技术M.北京：化学工业出版社，2005.2 徐滨士.表面工程新技术M.国防工业出版社.3 蒋青.材料科学与工程导论M.吉林科学技术出版社，1999。34 潘金生，田民波材料科学基础M北京：清华大学出版社，2001，5659 5 梁志杰主编.非金属刷镀技术.M北京：机械工业出版社，1991.6 董星，段雄.喷丸强化机械及技术的发展J.矿山机械，2004，32（7）：66-68.7 栾伟玲、涂善东.喷丸表面改性技术研究进展J.中国机械工程，2005，16（15）：1405-1409. 8齐宝森，陈路宾，王忠诚，等化学热处理技术M北京：化学工业出版社，2006 9 李金桂表面强化技术与模具寿命J中国表面工程，2002(1)：27 l0 董定乾模具表面强化技术应用现状及发展J大众科技，2008 11 殷秋菊，林东玲表面强化技术在模具中的应用与发展J热处理技术与装备，2009(2)：5-9.