材料界面的制备技术.pptx
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1、第三章第三章 材料界面的制备技术材料界面的制备技术材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院超声波焊接机的焊接应用:超声波焊接机的焊接应用:摩托车配件、汽车配件、淋浴头、风扇、摩托车配件、汽车配件、淋浴头、风扇、镜框、电瓶、车前后灯、相册、大文件夹、镜框、电瓶、车前后灯、相册、大文件夹、管道、润滑油桶盖、玩具、蓄电池、粘口管道、润滑油桶盖、玩具、蓄电池、粘口带、麻将、电脑周边设备、车灯、喇叭网、带、麻将、电脑周边设备、车灯、喇叭网、饰品、工具箱(塑性)、电话、保温杯、饰品、工具箱(塑性)、电话、保温杯、熨斗等。熨斗等。十一十一 离子注入法的应用离子注入法的应用 离
2、子注入是近离子注入是近30年来逐渐发展起来的一种新颖的表面改性方年来逐渐发展起来的一种新颖的表面改性方法。随着对开发新材料需求的增长和基础研究的不断积累人门法。随着对开发新材料需求的增长和基础研究的不断积累人门开始采用离子注入法进行金属表面合金强化的研究,使离子注开始采用离子注入法进行金属表面合金强化的研究,使离子注入技术成为目前最活跃的研究方向之一。离子注入已在表面非入技术成为目前最活跃的研究方向之一。离子注入已在表面非晶化表面冶金表面改性和离子与材料表面相互作用等发面取得晶化表面冶金表面改性和离子与材料表面相互作用等发面取得了可喜的研究成果。了可喜的研究成果。处理的材料从各种金属材料扩大到
3、聚合物和陶瓷并逐步进入处理的材料从各种金属材料扩大到聚合物和陶瓷并逐步进入了推广应用阶段。了推广应用阶段。离子注入是将被注入元素的原子利用离子注入机电离成带正离子注入是将被注入元素的原子利用离子注入机电离成带正电荷的离子,经高压电场作用后强制注入固体材料的表面一定电荷的离子,经高压电场作用后强制注入固体材料的表面一定深度,以改变其表层的成分与性能的真空处理工艺。深度,以改变其表层的成分与性能的真空处理工艺。用离子注入方法可获得过饱和固溶体亚稳定相非晶态和平衡用离子注入方法可获得过饱和固溶体亚稳定相非晶态和平衡合金等不同组织结构形式大大改善了工作的使用性能。合金等不同组织结构形式大大改善了工作的
4、使用性能。其基本原理是:用能量为其基本原理是:用能量为100keV100keV量级的离子束入射到材料中量级的离子束入射到材料中去,离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的去,离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用,入射离子逐渐损失能量,最后停留在材料中,并引起相互作用,入射离子逐渐损失能量,最后停留在材料中,并引起材料表面成分、结构和性能发生变化,从而优化材料表面性能,材料表面成分、结构和性能发生变化,从而优化材料表面性能,或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点,已经在半导体材料掺杂,
5、金属、陶瓷、高分子聚合物等的表点,已经在半导体材料掺杂,金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用,取得了巨大的经济效益和社会面改性上获得了极为广泛的应用,取得了巨大的经济效益和社会效益。效益。作为一种材料表面工程技术,离子注入技术具有以下一些其它作为一种材料表面工程技术,离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点:常规表面处理技术难以达到的独特优点:(1 1)它是一种纯净的无公害的表面处理技术;)它是一种纯净的无公害的表面处理技术;(2 2)无需热激活,无需在高温环境下进行,因而不会改变工)无需热激活,无需在高温环境下进行,因而不会改变工 件的外形尺寸和表
6、面光洁度;件的外形尺寸和表面光洁度;(3 3)离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学)离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学 相互作用而形成的一个新表面层,它与基体之间不存在相互作用而形成的一个新表面层,它与基体之间不存在 剥落问题;剥落问题;(4 4)离子注入后无需再进行机械加工和热处理。)离子注入后无需再进行机械加工和热处理。离子注入是在一种叫做离子注入机的设备上进行的。离子注离子注入是在一种叫做离子注入机的设备上进行的。离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪6060年代问世。虽然年代问世。虽然有一些不同的类型,但它们一般
7、都由以下几个主要部分组成:有一些不同的类型,但它们一般都由以下几个主要部分组成:(1 1)离子源,用于产生和引出某种元素的离子束,这是离子注)离子源,用于产生和引出某种元素的离子束,这是离子注 入机的源头;入机的源头;(2 2)加速器,对离子源引出的离子束进行加速,使其达到所需)加速器,对离子源引出的离子束进行加速,使其达到所需 的能量;的能量;(3 3)离子束的质量分析(离子种类的选择);)离子束的质量分析(离子种类的选择);(4 4)离子束的约束与控制;)离子束的约束与控制;(5 5)靶室;)靶室;(6 6)真空系统。)真空系统。多功能离子注入设备多功能离子注入设备 离子注入基体表面的碰撞
8、过程:离子注入基体表面的碰撞过程:在离子注入过程中,被电离的离子在电场作用下加速运动,离在离子注入过程中,被电离的离子在电场作用下加速运动,离子靠着本身获得的动能进入基体表面并与表层晶体中原子核和电子子靠着本身获得的动能进入基体表面并与表层晶体中原子核和电子发生碰撞。碰撞过程中离子不断消耗其能量,最终停留在基体表层发生碰撞。碰撞过程中离子不断消耗其能量,最终停留在基体表层晶体内晶体内核碰撞核碰撞 注入离子与基体表层晶体内原子核的碰撞是个弹性碰撞过程,注入离子与基体表层晶体内原子核的碰撞是个弹性碰撞过程,结果使固体中产生离子大角度散射和晶体中产生辐射损伤等,在离结果使固体中产生离子大角度散射和晶
9、体中产生辐射损伤等,在离子能量比较低时核碰撞起主要作用。子能量比较低时核碰撞起主要作用。电子碰撞电子碰撞 注入离子与基体表层晶体内电子束缚电子和自由电子的碰撞是注入离子与基体表层晶体内电子束缚电子和自由电子的碰撞是个非弹性碰撞过程,结果可能引起离子激发原子中的电子或原子获个非弹性碰撞过程,结果可能引起离子激发原子中的电子或原子获得电子、电离或得电子、电离或X X射线发射。在离子能量较高时电子碰撞是主要的。射线发射。在离子能量较高时电子碰撞是主要的。无论那种碰撞都会损失离子自身的能量离子经多次碰撞后能量无论那种碰撞都会损失离子自身的能量离子经多次碰撞后能量耗尽而停止运动分散停留在基体表层一定深度
10、内耗尽而停止运动分散停留在基体表层一定深度内离子注入强化机理离子注入强化机理1.1.辐照损伤强化辐照损伤强化 具有高能量的离子注入金属表面后,将和基体金属原子发具有高能量的离子注入金属表面后,将和基体金属原子发生碰撞,从而使晶格大量损伤,增加了各种缺陷的密度。具有生碰撞,从而使晶格大量损伤,增加了各种缺陷的密度。具有足够能量的注入离子或被碰撞出的离位原子,与晶格原子碰撞足够能量的注入离子或被碰撞出的离位原子,与晶格原子碰撞并给后者大于其离位的能量时,晶格原子就发生离位。当碰传并给后者大于其离位的能量时,晶格原子就发生离位。当碰传递给晶格原子的能量大于晶格原子的结合能时,将使其发生位递给晶格原子
11、的能量大于晶格原子的结合能时,将使其发生位错,形成空位间隙原子。对处于空位附近的间隙原子很容易与错,形成空位间隙原子。对处于空位附近的间隙原子很容易与空位复合。空位复合。一系列一系列的碰撞过程在被撞击的表面层内部产生强辐射损伤区,从而改的碰撞过程在被撞击的表面层内部产生强辐射损伤区,从而改变了正常的晶格原子的排列,阻止位错滑移。可使金属表面从变了正常的晶格原子的排列,阻止位错滑移。可使金属表面从长程有序变为短程有序,形成非晶态,使性能发生改变,强化长程有序变为短程有序,形成非晶态,使性能发生改变,强化其表面。其表面。2.弥散强化 当注入的是非金属元素时常常与金属元素形成化合物,如氮化物、碳化物
12、或硼化物的弥散相产生弥散强化。2.4 2.4 固溶强化固溶强化 离子注入是个非平衡过程,容易得到过饱和度很大的固溶体。离子注入是个非平衡过程,容易得到过饱和度很大的固溶体。含有过量注入原子的固溶体固溶强化的效果比较明显。另外,注含有过量注入原子的固溶体固溶强化的效果比较明显。另外,注入原子对晶体的位错有钉扎作用,造成位错运动的障碍从而使材入原子对晶体的位错有钉扎作用,造成位错运动的障碍从而使材料强化。料强化。2.5 2.5 相结构强化相结构强化 离子注入的强化效果与相结构有关。钢中的铁素体渗碳体能离子注入的强化效果与相结构有关。钢中的铁素体渗碳体能通过注入通过注入N N、C C等间隙原子而得到
13、强化。等间隙原子而得到强化。2.6 2.6 喷丸强化喷丸强化 高速离子轰击基体表面,也有类似于喷丸强化的冷加工硬化高速离子轰击基体表面,也有类似于喷丸强化的冷加工硬化作用。作用。因此,注入离子通过改变基体材料表层晶体晶格中原子存因此,注入离子通过改变基体材料表层晶体晶格中原子存在状态、与表层原子形成各种合金相与过饱和固溶体、形变硬在状态、与表层原子形成各种合金相与过饱和固溶体、形变硬化等作用。从而使基体材料表层强化,达到改变材料表面性能化等作用。从而使基体材料表层强化,达到改变材料表面性能的目的。的目的。第二节第二节 材料界面中的物理与化学问题材料界面中的物理与化学问题 焊接是通过加热或加压,
14、或两者并用,借助于焊接是通过加热或加压,或两者并用,借助于金属原子的结合和扩散,使分离的材料牢固地连金属原子的结合和扩散,使分离的材料牢固地连接成一体的工艺方法。接成一体的工艺方法。焊接生产的主要优缺点:焊接生产的主要优缺点:(1 1)与铸钢结构件相比,可节约材料、减轻重量、降低成本;)与铸钢结构件相比,可节约材料、减轻重量、降低成本;(2 2)对一些单件大型零件可以以小拼大,简化制造工艺;)对一些单件大型零件可以以小拼大,简化制造工艺;(3 3)可修补铸锻件的缺陷和局部损坏的零件,经济意义重大;)可修补铸锻件的缺陷和局部损坏的零件,经济意义重大;(4 4)接头致密性高,连接性能好;)接头致密
15、性高,连接性能好;(5 5)容易产生焊接变形、焊接应力及焊接缺陷等。)容易产生焊接变形、焊接应力及焊接缺陷等。熔焊熔焊将两个焊件局部连接处加热至熔化状态,并加入填将两个焊件局部连接处加热至熔化状态,并加入填充金属形成熔池,待其冷却结晶后形成牢固接头的一个整体充金属形成熔池,待其冷却结晶后形成牢固接头的一个整体的焊接方法。的焊接方法。压焊压焊将两个焊件局部连接处施加压力(不论加热与否),将两个焊件局部连接处施加压力(不论加热与否),使其产生塑性变形,从而焊合成一个整体的焊接方法。使其产生塑性变形,从而焊合成一个整体的焊接方法。钎焊钎焊利用对熔点比焊件低的填充金属钎料的加热熔化利用对熔点比焊件低的
16、填充金属钎料的加热熔化(焊件不熔化),填入接头间隙并与母材通过扩散接合成一(焊件不熔化),填入接头间隙并与母材通过扩散接合成一个整体的焊接方法。个整体的焊接方法。主要焊接方法主要焊接方法熔熔 焊焊压压 焊焊钎钎 焊焊电电弧弧焊焊电电渣渣焊焊气气 焊焊弧弧焊焊等等离离子子电电阻阻焊焊摩摩擦擦焊焊软软钎钎焊焊硬硬钎钎焊焊点点 焊焊缝缝 焊焊对对 焊焊自动自动半自动半自动焊焊条条电电弧弧焊焊埋埋 弧弧 焊焊气气体体保保护护焊焊氩弧焊氩弧焊COCO2 2焊焊锡锡 焊焊铜铜 焊焊银银 焊焊一、焊条电弧焊(手工电弧焊)一、焊条电弧焊(手工电弧焊)(一)焊接电弧(一)焊接电弧焊焊 钳钳焊焊 条条电电 弧弧熔
17、熔 池池焊焊 缝缝工工 件件工工 件件电焊机电焊机焊接方向焊接方向进给方向进给方向利用焊条和焊件之间产生的电弧热量熔化金属的利用焊条和焊件之间产生的电弧热量熔化金属的 焊接方法。焊接方法。焊焊 条条焊条药皮焊条药皮熔熔 滴滴熔熔 池池CO2气体气体熔熔 渣渣渣渣 壳壳焊焊 件件焊焊 缝缝焊接过程焊接过程 药皮的作用药皮的作用:产生产生COCO2 2气体覆盖熔池,防止空气中的氧、氮、侵入后生气体覆盖熔池,防止空气中的氧、氮、侵入后生成氧化物、氮化物,烧损有益元素,金属含氧量大大增加,成氧化物、氮化物,烧损有益元素,金属含氧量大大增加,使力学性能降低;使力学性能降低;形成熔渣,使有害物及杂质浮于表
18、面容易清除。形成熔渣,使有害物及杂质浮于表面容易清除。1 1、焊接电弧的引燃、焊接电弧的引燃 焊件与焊条接触造成短路焊件与焊条接触造成短路产生高电阻热产生高电阻热金属熔化并金属熔化并形成金属蒸气形成金属蒸气焊条与焊件焊条与焊件迅速拉开(迅速拉开(2 2 4mm 4mm)焊焊条与焊件形成两电极,电极条与焊件形成两电极,电极间金属蒸气的原子部分被电间金属蒸气的原子部分被电离离电子运动与气体介质分电子运动与气体介质分子碰撞加速电离子碰撞加速电离正负离子正负离子对流形成焊接电弧对流形成焊接电弧 。电电 子子正离子正离子负离子负离子电弧产生原理电弧产生原理2 2、焊接电弧的构造和极性、焊接电弧的构造和极
19、性阳极区阳极区26002600阴极区阴极区24002400弧柱区弧柱区达达70007000 用直流电焊接时用直流电焊接时 电弧的正负极是固定的,电弧的正负极是固定的,由于阴极区和阳极区的温由于阴极区和阳极区的温度不同,所以电极的接法度不同,所以电极的接法有正接和反接之分。有正接和反接之分。(反接)(反接)用于较薄焊件用于较薄焊件和有色金属焊和有色金属焊件的焊接。件的焊接。(正接)(正接)用于较厚焊用于较厚焊件的焊接件的焊接 用交流电焊接时用交流电焊接时极性是交替变化的,极性是交替变化的,两极的温度相同,不两极的温度相同,不必考虑正接与反接。必考虑正接与反接。阳极区阳极区26002600阴极区阴
20、极区24002400弧柱区弧柱区达达70007000(二)焊条电弧焊设备(二)焊条电弧焊设备主要设备主要设备弧焊机(亦称焊接电源)弧焊机(亦称焊接电源)(2 2)焊接电流稳定:焊接电流稳定:要求在电弧长度发生变化或不发生变化要求在电弧长度发生变化或不发生变化时,都要有稳定的电流,使电弧稳定燃烧;时,都要有稳定的电流,使电弧稳定燃烧;(3 3)短路电流不太大:短路电流不太大:当焊条与焊件粘接发生短路时,要求当焊条与焊件粘接发生短路时,要求短路电流不超过工作电流的短路电流不超过工作电流的1.251.25 2 2倍,防止焊接电源烧坏;倍,防止焊接电源烧坏;(4 4)焊接电流能够调节:焊接电流能够调节
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