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user: 4. 耐磨表面技术 4.1. 表面淬火 表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热(高频、中频、工频)表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。感应加热和火焰加热在工业上应用最为广泛，各种表面淬火工艺的特点比较如表1所示。表面淬火可使工件获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴齿轮，发动机的曲轴等 [ 28 ] 。 4.2. 渗氮处理 渗氮处理是指将工件置于一定温度及介质中使氮原子渗入表层的化学热处理工艺。经氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴(如镗杆、磨床主轴)，高速柴油机曲轴、阀门等。 QPQ技术(Quench-Polish-Quench，即淬火–抛光–淬火)是由盐浴渗氮发展而来一种盐浴复合处理技术，复合渗氮工序和氧化工序，在氮化盐浴和氧化盐浴两种盐浴中处理工件，可在工件表面制得具有优 Table 1 The characteristics of various surface quenching techniques are compare 参数/特点 火焰淬火 高频淬火 激光淬火 等离子弧淬火 电阻淬火 功率密度/W∙cm −2 102 103~105 103 加热时间/s 10~100 1~10 ˂1 ~1 硬化层/mm 0.5~2.5 0.1~1.2 0.1~1.5 ˂0.35 生产成本 低 适中 高 适中 较低 工艺特点 操作方便， 大面积淬火均匀性较差。 淬硬层深度调节方便， 适合大批量生产。 淬火部位精确可控，易于实现自动化。 重叠淬火有回火软带。 原位淬火， 淬硬层薄。 表1. 各种表面淬火工艺的特点比较 异耐磨性和抗蚀性的氮化物和氧化物复合渗层组织 [ 29 ] 。QPQ工艺将金属材料置于570℃ ± 10℃工作温度的盐浴中，金属表面在反应后会形成一层优质而致密的化合物层。该化合物完全由ε氮化铁组成，能够高效地提高金属表面的硬度、致密性、从而提高耐磨性能。处理后金属材料表面硬度值的高低主要取决于钢中的合金元素，合金元素含量越高，则其渗层硬度越高 [ 30 ] [ 31 ] 。其中碳钢、低合金钢，如20#、45#、T10、20Cr、40Cr等，渗层表面硬度500~700 HV；合金钢如3CrW8V、Crl2MoV、38CrMoAl、1Crl3和4Cr13等，渗层表面硬度850~1000 HV；高速钢、奥氏体不锈钢如淬火的Wl8Cr4V、W6Mo5Cr4V2及1Crl8Ni9Ti等渗层表面硬度1000~1250 HV；铸铁渗层表面硬度 > 500 HV等 [ 32 ] 。 4.3. 喷涂技术 1) 热喷涂技术 热喷涂技术是利用火焰、电弧或等离子体，将某种线状或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，然后借助焰流本身或压缩空气加速形成熔滴，高速喷向经预处理后的基体表面，沉积形成涂层，可强化材料表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。热喷涂金属耐磨涂层是研究和应用较早的喷涂涂层，常用的有金属(Mo， Ni)、碳素钢和低合金钢，不锈钢和Ni-Cr合金系列涂层 [ 33 ] [ 34 ] 。一般采用火焰喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂及气体爆炸喷涂工艺。涂层与基体结合强度较高，耐磨性、耐蚀性好，可用于修复已磨损或预保护易磨损机械加工件 [ 35 ] 。 2) 冷喷涂技术 冷喷涂技术是近年来国际上的研究热点新兴技术之一，是一种以压缩气体(氮气、氦气、空气或混合气体等)作为加速介质，带动金属颗粒在固态下以极高速度撞击基板，使颗粒发生强烈塑性变形而沉积形成涂层的新型喷涂技术(如图1所示)，其高温、低速的技术特点尤其适用于温度敏感(非晶、纳米晶等)、相变敏感(金属陶瓷等)、氧氮敏感(Cu， Ti等)材料涂层的制备，喷涂过程中对粉末粒子结构和基体几乎无热影响，制备的涂层具有高致密、耐腐蚀、耐磨损、防污损等优点，可显著提高涂层的致密性和降低孔隙率 [ 36 ] [ 37 ] 。 近年来，金属间化合物涂层和非晶态涂层得到了愈来愈多的应用。常见的金属件化合物涂层有Fe-Al、Ti-Al及Ni-Al合金涂层 [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] 。非晶态涂层被证明具有优异的耐磨耐蚀性，目前Fe-Ni-Cr-B-Si系合金涂层、Fe-Cr-B系合金涂层和Ni-Cr-Mo-B系合金涂层已得到初步应用 [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] 。 4.4. 硬面堆焊 硬面堆焊是使用焊接方法在工件表面或边缘熔敷一层硬面材料的表面强化技术。硬面堆焊主要包括：电弧堆焊、气焊堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊和激光堆焊等诸多方法 [ 44 ] 。不同的堆焊工艺对硬面合金层的微观组织和力学性能有重要的影响 [ 45 ] 。根据堆焊材料的形状可将堆焊材料分为丝状、带状、柱条状、 图1. 冷喷涂技术原理图 粉粒状、块状等。堆焊材料的使用性能由其化学成分决定。根据堆焊层的化学成分和组织结构，可将堆焊材料归纳为Fe基、Ni基、Co基、Cu基、和WC几大类 [ 46 ] 。由于Fe基堆焊合金成分变化范围宽，韧性和耐磨性配合好，能用于多种耐磨工况，且价格相对较低，其应用最为广泛。铁基合金中Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金具有抗磨损性能优异且极具性价比，广泛应用于工矿企业的抗磨损部件 [ 47 ] ，如煤矿破碎机滚筒、衬板，鼠笼式粉碎机耐磨击棍，入料保护箱 [ 48 ] ，水泥厂排粉风机叶片、磨盘衬板 [ 49 ] ，石油钻杆接头耐磨带 [ 50 ] ，火力发电厂立式磨煤机磨辊，钢厂轧辊等。 4.5. 激光熔覆 激光熔覆又称激光涂覆或激光熔敷，是表面改性技术的一种重要方法，其实质是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基材表面快速熔化，在基材表面上快凝固形成与基材具有完全不同成分和性能的无裂纹、无气孔的冶金结合层 [ 51 ] 。 耐磨涂层是激光熔覆中研究最多、应用最广的涂层之一。激光熔覆涂层的耐磨性取决于不同增强相及其在熔覆层中的含量和分布。根据熔覆材料的不同，激光熔覆材料体系可分为：铁基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷等 [ 52 ] [ 53 ] ，熔覆层化学成分和加工工艺决定了熔覆层的组织结构，其组织和相组成又决定了覆涂层的耐磨性能 [ 54 ] 。其中激光熔覆铁基合金最为常用，适用于改善温度要求不高(˂400℃)的耐磨零件的耐磨性，所用粉末主要有不锈钢类和高铬铸铁类，分别适用于低碳钢和铸铁基体。其熔覆层组织为非平衡的奥氏体和M7C3碳化物，由于固溶强化、位错与碳化物交互作用使熔覆层具有920HV0.2的较高硬度 [ 55 ] [ 56 ] 。 4.6. 物理、化学气相沉积 气相沉积通常分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。PVD是指在真空条件下，通过加热或使用高能密度的电子束蒸发成膜物质，生成蒸发粒子与离子，并在基体表面沉积成膜的方法。PVD制备薄膜的基本方法为真空蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀膜。PVD最初应用于航天、航空和半导体工业等领域，而在近几十年才开始着重研究应用PVD改善和强化机械零件的耐磨性能，目前该工艺已广泛地应用于工模具和机械零件的表面强化处理 [ 57 ] [ 58 ] 。 CVD是利用一种或几种气体(金属卤化物的蒸汽、氢气和其它化学成分的气体)，在高温下进行分解、合成等气、固反应，或利用化学传输作用，在加热基体表面形成固态沉积层的方法。CVD技术用于表面强化始于20世纪60年代，目前采用CVD制备硬质膜已广泛用于强化各种工件的耐磨性能 [ 59 ] [ 60 ] 。 CVD处理温度住900℃以上，虽有很好的膜基结合强度，但钢基体发生软化，需再次真空淬火，工艺复杂易导致工件变形，因此目前主要用在硬质合金领域；PVD的处理温度可降至500℃以下，膜层残余压力高，易导致脆性开裂和剥落，且线性处理工件时须转动或摆动，致使真空室的设计难度增加和镀膜无效。为了兼具CVD和PVD的长处，发展了等离子体辅助化学气相沉积(PCVD)技术，利用等离子体而不单靠热激活来提高离子活性，处理温度可降到600℃以下，基本满足处理高速钢，热作模具钢等材料的温度范围，同时结合强度、残余应力等力学性能和均匀性、镀膜速率等工艺性能介于PVD和CVD之间。还可用于制备薄膜材料的多元合金化及梯度薄膜的制备，并广泛应用于增强工模具钢表面耐磨性能，如TiN、Ti(C， N)、(Ti， Al)N、DLC(类金刚石碳)等硬质膜 [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] 。