表面处理和改性技术

表面处理与改性技术及其在制造行业中的应用李从富汪致远杨荟琦0 前言表面工程是改善机械零件、电子电器元件等基质材料表面性能的一门科学和技术。

对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性及抗疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速高温高压重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持久地运行。

表面工程是现代制造业的重要组成部分，是维修与再制造的基本手段。

表面工程技术可分为三类，即表面改性、表面处理和表面涂覆。

表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能。

它包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属等）、表面涂层（低压等离子喷涂、低压电弧喷涂）、激光重熔复合等薄膜镀层（物理气相沉积、化学气相沉积等）和非金属涂层技术等。

这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性，使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。

表面处理技术不改变材料表面组织，包括各种表面淬火（感应加热、激光加热、电子束加热）、表面形变强化（如喷丸、滚压）等。

1 表面改性技术1.1 堆焊技术堆焊是用焊接方法在机械零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。

它不是为了连接零件，其目的在于使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属层，或是为了恢复或增加零件的尺寸。

堆焊除可显著提高工件的使用寿命，节省制造及维修费用外，还可减少修理和更换零件的时间，减少停机、停产的损失，从而提高生产率，降低生产成奉。

由于应用堆焊能更合理地利用材料，从而可获得优异的综合性能，对改进产品设计也有重大意义。

故堆焊技术已在各行各业的机械制造与维修中得到广泛的应用。

堆焊主要用于两个方面：(1) 制造新产品堆焊工艺可使零件表面改质改性，以获得所需要的特殊性能，即所谓表面强化。

由于零件基材和表面堆焊层采用不同性能的材料，分别满足了二者不同的技术要求，充分发挥了材料的潜力，从而大大减少了贵重金属的消耗。

(2) 修复旧零件汽车、拖拉机、工程机械、轧辊、轴类、工模具等易损零件，均大量采用堆焊工艺修复。

修复旧件的费用较低，而使用寿命往往比新件还高，如堆焊旧轧辊的费用是新轧辊的30％——50％，而轧制金属量可比新轧辊提高3——5倍。

因此，广泛采用堆焊工艺修复旧件，对节约钢材，节省资金，弥补配件短缺，提高经济效益等作用显著。

1.2 常用的堆焊方法及工艺1.2.1 氧乙炔焰堆焊氧乙炔焰堆焊的特点：(1) 设备简单，且可与气焊气割设备通用，价格低，移动方便，适合现场堆焊。

(2) 几乎所有形状的堆焊材料都能使用。

(3) 稀释率低，熔化层深度可控制在0.1mm以下，较易保证堆焊层质量。

(4) 能见度大，可在很小的面积上进行堆焊(如汽车排气阀)。

能得到薄而光滑的堆焊层。

用碳化钨基堆焊时，还能控制碳化钨颗粒的分布。

(5) 由于碳化焰的渗碳作用，虽然会降低堆焊层的韧性，但可提高碳化物为主要抗磨相堆焊层的耐磨性。

由于是手工操作，劳动强度大，熔敷速度低，对焊工的技术要求高。

所以，氧乙炔焰堆焊主要用于表面要求光洁、质量较高零件的堆焊，以及小批量或单件的中、小型工件与进行小面积的堆焊，在内燃机阀门、油井钻头、犁铧等农用机械中得到广泛应用。

凸轮轴堆焊修复，排气阀堆焊修复1.2.2 手工电弧堆焊手工电弧堆焊的特点：(1) 设备简单、便宜、轻便，通用性强，适合现场堆焊。

通用的直流发电机、直流弧焊整流器、交流弧焊变压器、逆变电源焊机均可使用。

(2) 焊接过程是在焊工的直接观察和操纵下进行的，灵活性大，在任何位置都能焊，即可达性较好。

特别是对形状不规则的零件及可达性差的部位的堆焊尤为合适，所以得到广泛采用。

(3) 电弧温度高，热量集中，故生产率较高，工件变形小。

但熔深大些，稀释率高，堆焊层硬度和耐磨性下降。

所以为保证涂层性能，通常要堆焊2—3层。

手工电弧堆焊主要用于小批量生产或修复已磨损的零件。

1.2.3 埋弧自动堆焊埋弧自动焊是当今生产率较高的机械化焊接方法，又称熔剂层下自动电弧焊。

此法同样可以用于堆焊，即为埋弧自动堆焊。

埋弧自动堆焊的电弧掩埋在颗粒状的焊剂层下面。

当焊丝和工件间引燃电弧，由于电弧的高温作用，使工件表面、焊丝和焊剂熔化以致部分蒸发，金属和焊剂的蒸发气体形，电弧就在这个空腔内燃烧，空腔的上部被一层熔化的焊剂——熔渣所构成的外膜所包围，这层外膜不仅很好地隔离了空气与电弧和熔池的接触，也使弧光辐射不出来，即成为埋弧。

埋弧自动堆焊有以下特点：(1) 生产效率高。

这是因为焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，焊丝熔敷率大大提高，加上能机械化、自动化生产，因此其生产率比手工电弧焊高10倍左右。

(2) 堆焊层质量好。

因为熔渣隔绝空气的保护效果好。

电弧区主要成分是CO2，焊缝金属中含氮量、含氧量大大降低，由于熔渣的保温作用，使熔池存在时间较长，液态金属与熔渣、气体的冶金反应比较充分；加上焊接参数可以通过自动调节保持稳定，致使堆焊层的化学成分和性能比较均匀，堆焊层表面平整，机械性能较好。

由于焊剂中合金元素的过渡作用，可以根据堆焊零件的工况要求选用不同的焊丝和焊剂，以获得合乎要求的堆焊金属层。

(3) 劳动条件好。

除了减轻手工焊操作的劳动强度外，没有弧光辐射对焊工的伤害，减少金属的飞溅，有害气体也少，从而改善了劳动条件。

(4) 传入工件的热量比其它电弧堆焊方法来得多，因而稀释率较高，常须堆焊2—3层，才能保证所需要的性能。

(5) 由于依靠颗粒焊剂堆积形成保护条件，只适用于水平位置堆焊。

对圆柱形和大平面工件的堆焊最适用。

不适合堆焊小零件。

埋弧自动堆焊主要用于大、中型零件表面的强化和修复，如轧辊、车轮轮缘、曲轴、化工容器和核反应堆容器衬里等。

其中钢铁工业中轧辊表面堆焊应用最多。

1.2.4 CO2气体保护自动堆焊CO2气体保护自动堆焊是50年代发展起来的一种新的焊接方法，发展迅速，应用广泛，很多地方已取代手工电弧焊，该技术在堆焊中也得到了很好的推广应用。

堆焊过程巾，气瓶中送出的CO2气体以一定的压力和流量，从焊枪的喷嘴中喷出，形成一股保护气流，使熔池和电弧区与空气隔离，防止空气中的氧和氮等有害气体侵入，以获得性能良好的堆焊层。

CO2气体保护堆焊有以下特点：(1) 生产率高。

由于焊接电流密度大，电弧热量利用率高，所以熔敷速度快，焊后不需清渣，因此提高了生产率。

(2) 成本低。

二氧化碳气体来源广，价格低，电能消耗少，故成本可降低。

(3) 堆焊层质量好。

由于CO2气体的氧化作用，抑制了氢的有害作用。

堆焊层含氢量低，抗裂性能好，焊层内也不容易产生气孔，抗锈能力较强，焊前对焊件和焊丝的表面清理要求较低。

(4) 焊接变形和内应力小。

由于电流密度大，加热集中，焊件受热面积小，同时CO2气流有较强的冷却作用，所以焊后变形和内应力均较小。

(5) 操作简便适应性强。

明弧堆焊便于观察，有利于实现机械化、自动化堆焊。

各种基材及铸铁件均可堆焊及焊补。

自动堆焊采用短路过渡可进行全位置焊。

但CO2气体自动堆焊也存在不足之处：(1) 合金元素易烧损、飞溅大、表面成形较差。

因CO2是氧化性气体，合金元素烧损严重，必须采用Mn。

Si合金钢丝宋脱氧。

(2) 不便调整堆焊层成分。

CO2气体保护自动堆焊，由焊丝成分决定堆焊金属成分，故受焊丝材料成分的限制，不便于灵活调整堆焊层的化学成分。

(3) 稀释率高。

由于CO2气体保护自动焊电流密度大，熔深大，故稀释率高，较难控制堆焊层的合金成分。

CO2气体自动堆焊可以用在由球墨铸铁制造的发动机曲轴，袖颈磨损后的堆焊修复。

由于铸铁的可焊性差，堆焊时容易出现白口、气孔和裂纹。

山西省农机研究所采用CO2气体保护堆焊恢复尺寸，配以相应的热处理工艺，在修复发动机曲轴尤其是修复球墨铸铁曲轴方面取得了成功的经验。

1.2.5 等离子弧堆焊等离子弧堆焊是以联合型等离子弧或转移型等离子弧为热源，以焊丝或合金粉末作填充金属的一种堆焊工艺。

它的突出优点是：等离子弧温度很高，能顺利地堆焊难熔材料和提高堆焊速度，熔深可调节，稀释率最低可达5％左右。

所以它是一种低稀释率和高熔敷率的堆焊方法，还可采用多种渗合金方式进行堆焊。

其缺点是：设备成本高，要求防护措施高，只有批量生产部门较为适合采用此工艺方法。

1.2.6 振动电弧堆焊振动电弧堆焊是将工件夹持在专用机床上，以一定的速度旋转，堆焊机头沿工件轴向移动，焊丝一方面自动送进，同时以一定的频率和振幅振动，再向堆焊区加入冷却液，完成堆焊作业。

1.2.7 电渣堆焊电渣堆焊的熔敷率最高。

板极电渣堆焊的熔敷率可达150kg／h，而且一次可以堆焊很大的厚度，因而稀释率并不高。

由十接头严重过热，所以堆焊后需进行热处理。

另外，堆焊层不能太薄(一般应大于14一16mm)，否则不能建立稳定的电渣过程。

因此，电渣堆焊主要用于需要较厚的堆焊层零件，堆焊表面形状比较简单的大中型零件。

电渣堆焊可采用实芯焊丝、管状焊丝、板极等材料进行堆焊。

1.3 热喷涂技术热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热到熔融状态，通过高速气流使其雾化，喷射到基材表面上，形成各种性能要求的覆盖层的一种表面加工技术。

根据是否将覆盖层重新熔化，可分为两种工艺，分别称之为“喷涂”和“喷焊”。

热喷涂技术在材料的表面防护和强化方面有以下特点：(1) 涂层材料范围异常广泛，几乎包括所有固体材料，如金属及其合金、塑料、陶瓷、金属陶瓷及其复合材料等。

(2) 选择合适的工艺，几乎可在任何固体材料上喷涂。

既可以是金属，也可以是非金属。

(3) 涂层厚度可在较大范围内变化。

(4) 被喷工件的温度可以控制。

除火焰喷焊和等离子喷焊外，喷涂过程中工件的温度可小于200C°，工件不会发生变形和组织变化。

(5) 热喷涂工艺灵活，适应性强，不受工件尺寸的限制，既可以喷涂像铁塔、钢桥之类的大型结构件，也可以喷涂很小的精密零件；既可在喷涂工件间进行，又可在野外现场施工。

且生产效率较高，一般可达每小时几公斤，有的方法甚至达到几十公斤。

(6) 它不仅能对材料表面进行防护和强化，还可对废旧件进行修复，且时间短，效果好，能比新件具有更高的性能和使用寿命。

热喷涂技术，依照所采用的热源和喷涂材料的种类，大致可分为：等离子喷涂和喷焊、火焰粉末喷涂和喷焊、火焰丝材喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、脉冲放电丝材喷涂(也称线爆喷涂)。

1.3.1 氧乙炔焰喷涂氧乙炔焰喷涂是利用燃气(乙炔)与助燃气(氧气)燃烧产生的热量加热粉末态喷涂材料，使其达到熔融或软化状态，借助焰流动能或喷射加速气体，将粉末喷射到经预处理的基体表面，形成涂层的工艺方法。

主要应用于机械零件磨损区的预防性保护和修复。