材料表面改性技術(shù)

1、1.4.4金屬材料的表面改性技術(shù) 采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材料的組織結(jié)構(gòu)、性能不同的一種技術(shù)。 材料經(jīng)表面改性處理后，既能發(fā)揮基體材料的力學(xué)性能，又能使材料表面獲得各種特殊性能。一、金屬表面形變強(qiáng)化 原理：通過(guò)機(jī)械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達(dá)0.5mm1.5mm。 形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化： （1）在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變度增大。 （2）形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。 作用：提高了金屬表面強(qiáng)度、耐應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度（一）形變強(qiáng)化的主要方法2、噴丸 利用高速?gòu)椡鑿?qiáng)烈沖擊零部件表面，使之產(chǎn)

2、生形變硬化層并引進(jìn)殘余壓應(yīng)力。 廣泛應(yīng)用在彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車(chē)輪等零部件，可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、抗微動(dòng)磨損、耐點(diǎn)蝕能力。1、滾壓主要有滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸（二）噴丸表面形變強(qiáng)化工藝及應(yīng)用2、噴丸強(qiáng)化用的設(shè)備按驅(qū)動(dòng)彈丸的方式可分為機(jī)械離心式彈丸機(jī)和氣動(dòng)式彈丸機(jī)兩大類(lèi)。（1）機(jī)械離心式噴丸機(jī)功率小，生產(chǎn)效率高，噴丸質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備制造成本高。適用于要求噴丸強(qiáng)度高、品種少批量大、形狀簡(jiǎn)單尺寸較大的零部件。（2）氣動(dòng)式噴丸機(jī)適用于噴丸強(qiáng)度低、品種多、批量少、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件。1、噴丸材料u 鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液體噴丸

3、介質(zhì)u黑色金屬制件可以用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸和陶瓷丸u有色金屬和不銹鋼件需采用不銹鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸。u模具表面處理常用二氧化硅液態(tài)噴丸3、噴丸表面質(zhì)量及影響因素（1）噴丸表層的塑性變形和組織變化 金屬表面經(jīng)噴丸后，表面產(chǎn)生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯(cuò)密度大大增加，而且還會(huì)出現(xiàn)亞晶界和晶粒細(xì)化現(xiàn)象。噴丸后的零件如果受到交變載荷或溫度的影響，表層組織結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變化，由噴丸引起的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變。 如：滲碳鋼表層存在大量殘余奧氏體。噴丸后，這些殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體而提高零件的疲勞強(qiáng)度。（2）彈丸粒度對(duì)噴丸表面粗糙度的影響表面粗糙度隨彈丸粒度的增加而增加。（3）彈丸硬度對(duì)

4、噴丸表面形貌的影響（4）噴丸表層的殘余應(yīng)力 噴丸后的殘余應(yīng)力來(lái)源于表層不均勻的塑性變形和金屬的相變，其中以不均勻的塑性變形最重要。 工件噴丸后，表層塑性變形量和由此導(dǎo)致的殘余應(yīng)力與受?chē)姴牧系膹?qiáng)度、硬度關(guān)系密切。材料強(qiáng)度高，表層最大殘余應(yīng)力大，但壓應(yīng)力層深度較淺。反之，強(qiáng)度低的材料表層殘余應(yīng)力較小，但壓應(yīng)力層深度較深。 在相同噴丸壓力下，大直徑彈丸產(chǎn)生的壓應(yīng)力較低，壓應(yīng)力層較深；小直徑彈丸產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力較高，壓應(yīng)力層較淺。二、表面熱處理定義：表面熱處理是指僅對(duì)零部件表層加熱、冷卻，從而改變表層組織和性能而不改變成份的一種工藝，是最基本、應(yīng)用最廣泛的材料表面改性技術(shù)之一。原理：當(dāng)工件表面層快速加

5、熱時(shí)，工件截面上的溫度分布是不均勻的，工件表層溫度高且由表及里逐漸降低。如果表面的溫度超過(guò)相變點(diǎn)以上達(dá)到奧氏體狀態(tài)時(shí)，隨后的快冷可獲得馬氏體組織，而心部扔保留原組織狀態(tài)，從而得到硬化的表面層，即通過(guò)表面層的相變達(dá)到強(qiáng)化工件表面的目的。感應(yīng)加熱表面淬火（一）感應(yīng)加熱基本原理 利用電磁感應(yīng)原理，在工件表面產(chǎn)生密度很高的感應(yīng)電流，并使之迅速加熱至奧氏體狀態(tài)，隨后快速冷卻獲得馬氏體組織的淬火方法。當(dāng)感應(yīng)圈中通過(guò)一定頻率交流電時(shí)，在其內(nèi)外將產(chǎn)生與電流變化頻率相同的交變磁場(chǎng)。將工件放入感應(yīng)圈內(nèi)，在交變磁場(chǎng)作用下，工件內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生與感應(yīng)圈頻率相同而方向相反的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流沿工件表面形成封閉回路，通常稱(chēng)之為

6、渦流。此渦流能將電能變成熱能，使工件加熱。渦流在被加熱工件中的分布由表面至心部呈指數(shù)規(guī)律衰減。因此渦流主要分布在工件表面，工件內(nèi)部幾乎沒(méi)有電流通過(guò)。這種現(xiàn)象叫做表面效應(yīng)或集膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱就是利用集膚效應(yīng)，依靠電流熱效應(yīng)把工件表面迅速加熱到淬火溫度的。當(dāng)工件表面在感應(yīng)圈內(nèi)加熱到相變溫度時(shí)，立即噴水或浸水冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火工藝。感應(yīng)電流透入深度：從電流密度最大的表面到電流值為表面的1/e(e=2.718)處的距離。56.386f n 硬化層深度：硬化層深度總小于感應(yīng)電流透入深度超過(guò)失磁點(diǎn)的的電流透入深度稱(chēng)為熱態(tài)電流透入深度（ ），低于失磁點(diǎn)的電流透入深度稱(chēng)為冷態(tài)電流透入深度（ ）。對(duì)于鋼熱冷20

7、f冷500f熱（二）感應(yīng)加熱表面淬火的分類(lèi)1 高頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率801000kHz，表面硬化層深度0.52mm。主要用于中小模數(shù)齒輪和小軸的表面淬火2 中頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率25008000Hz，表面硬化層深度36mm。主要用于淬硬層要求較深的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸、大模數(shù)齒輪等。3 工頻感應(yīng)加熱表面淬火：電流頻率50Hz，表面硬化層深度1015mm。適用于大直徑鋼材的穿透加熱及要求淬硬層深的大工件的表面淬火。工件表面淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火以降低殘余應(yīng)力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性。淬火前的原始組織應(yīng)為調(diào)質(zhì)態(tài)或正火態(tài)。（三）感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)1、感應(yīng)加熱時(shí)，由于

8、電磁感應(yīng)和集膚效應(yīng)，工件表面在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到Ac3以上很高的溫度，而工件心部仍處于相變點(diǎn)之下。中碳鋼高頻淬火后，工件表面得到馬氏體組織，往里是馬氏體加鐵素體加屈氏體組織，心部為鐵素體加珠光體或回火索氏體原始組織。2、升溫速度快，保溫時(shí)間極短。和一般淬火相比，淬火加熱溫度高，過(guò)熱度大，奧氏體形核多，又不易長(zhǎng)大，因此淬火后表面得到細(xì)小的隱晶馬氏體，故感應(yīng)加熱表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高HRC23。3、工件表層強(qiáng)度高。由于馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積膨脹，故在工件表面產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，可以顯著提高其疲勞強(qiáng)度并降低缺口敏感性。4、工件的耐磨性比普通淬火高。這與奧氏體晶粒細(xì)化、表面硬度高以及表面壓應(yīng)力

9、狀態(tài)等因素有關(guān)。5、由于加熱速度快，無(wú)保溫時(shí)間，工件一般不產(chǎn)生氧化和脫碳問(wèn)題，又因工件內(nèi)部未被加熱，故工件淬火變形小。6、生產(chǎn)率高，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化；淬火層深度易于控制，適于批量生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的機(jī)器零件，因此得到廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)用昂貴，不適用于單件生產(chǎn)。（四）感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用 通常采用中碳鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，用以制造機(jī)床、汽車(chē)及拖拉機(jī)齒輪、軸等。也可以采用碳素工具鋼和低合金工具鋼，用以制造量具、模具、銼刀等?；鹧婕訜岜砻娲慊鸲x： 利用氧乙炔或其他可燃?xì)怏w對(duì)零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。特點(diǎn)：與感應(yīng)加熱表面淬火相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，適用鋼種廣泛。一般無(wú)氧化和脫碳、

10、畸變小等優(yōu)點(diǎn)。 常用于大尺寸和重量大的工件，尤其適用于批量少品種多的零件或局部區(qū)域的表面淬火，如大型齒輪、軸、導(dǎo)軌等。 但加熱溫度不易控制，噪音大，勞動(dòng)條件差，混合氣體不夠安全，不易獲得薄的表面淬火層。常用材料：從機(jī)械制造的范圍來(lái)分有45、55、40Cr、40CrV、42CrMo、42SiMn、50Mn、5CrMnMo等。另外近年來(lái)我國(guó)研制成功專(zhuān)用的火焰加熱空冷淬硬冷作模具鋼7CrSiMnMoV。 火焰表面淬火應(yīng)用實(shí)例 火焰表面淬火工藝可以在模具淬硬之前完成全部的裝配工作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因?yàn)槌锌诓课槐砻娲阌惨酝?，其余部位并未淬硬，仍可進(jìn)行鉆孔等加工。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于

11、像汽車(chē)覆蓋件一類(lèi)的大型模具的制造是非常有利的，既節(jié)省了工時(shí)，又保證了模具的精度。 近年來(lái)， 7CrSiMnMoV專(zhuān)用火焰淬火模具鋼的研制成功，使火焰表面淬火工藝在汽車(chē)覆蓋件的制造中占據(jù)了主導(dǎo)地位。三、金屬表面化學(xué)熱處理定義：將金屬工件放入含有某種活性原子的化學(xué)介質(zhì)中，通過(guò)加熱使介質(zhì)中的原子擴(kuò)散滲入工件一定深度的表層，改變其化學(xué)成分和組織并獲得與心部不同性能的熱處理工藝叫做化學(xué)熱處理。特點(diǎn)：和表面淬火不同，化學(xué)熱處理后的工件表面不僅有組織的變化，而且也有化學(xué)成分的變化。性能：化學(xué)熱處理后的鋼件表面可以獲得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度；心部在具有塑性和韌性的同時(shí)，還可獲得較高的強(qiáng)

12、度?；瘜W(xué)熱處理滲層的基本組織類(lèi)型：?jiǎn)蜗喙倘荏w；化合物；同時(shí)存在固溶體、化合物的多相深層形成擴(kuò)滲層的3個(gè)基本條件：（1）滲入元素必須能夠與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。要滿(mǎn)足這一要求，溶質(zhì)原子與基體金屬原子相對(duì)直徑的大小、晶體結(jié)構(gòu)的差異、電負(fù)性的強(qiáng)弱等因素必須符合一定的條件（2）欲使?jié)B入元素與金屬之間直接接觸，必須創(chuàng)造相應(yīng)的工藝條件來(lái)實(shí)現(xiàn)（3）被滲元素在基體金屬中需有一定的滲入速度，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求?；瘜W(xué)熱處理的一般過(guò)程 化學(xué)熱處理的一般過(guò)程通常是由分解、吸附和擴(kuò)散三個(gè)基本過(guò)程組成。n 具有高能狀態(tài)的活性原子沖入鐵晶格表面原子引力場(chǎng)范圍之內(nèi)，被鐵表面晶格捕獲并溶解的過(guò)程稱(chēng)為化學(xué)熱處理的吸

13、附過(guò)程。 剛分解出的活性原子首先被鋼件表面所吸附，而后是活性原子向固溶體中溶解。一般金屬元素多以置換方式溶入；碳、氮 、硼等原子半徑小的非金屬元素以間隙原子溶入奧氏體中。n 分解是在一定溫度下從滲劑中分解出含有被滲元素“活性原子”的過(guò)程。242222 2 COCOCCHHCCOHH OC例如：滲碳就是滲劑中的CO或CH4等分解出活性碳原子C的過(guò)程：擴(kuò)散是鋼件表面吸收并溶解被滲元素活性原子后，由于造成表面和心部的濃度差而發(fā)生被滲元素的原子由高濃度表面向內(nèi)部定向遷移的現(xiàn)象。 擴(kuò)散層的特點(diǎn)是滲入元素在表層的濃度最高，離開(kāi)表面越遠(yuǎn)，濃度越低。 工件表面擴(kuò)散層的厚度和濃度是由分解、吸附和擴(kuò)散三個(gè)基本過(guò)程

14、的速度以及它們之間的相互關(guān)系決定的。若滲入元素?cái)U(kuò)散速度很慢，則形成的滲層表面濃度會(huì)很高，而滲層較薄。如果分解和吸附過(guò)程不強(qiáng)烈， 雖然可以得到一定厚度的滲層，但滲層濃度會(huì)降低，滲層厚度也不大。擴(kuò)散是控制化學(xué)熱處理過(guò)程的主要過(guò)程化學(xué)熱處理的分類(lèi)：根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同，化學(xué)熱處理可分以下幾類(lèi)：（1）固體法：包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層擴(kuò)散法等（2）液體法：鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法（3）氣體法：固體氣體法、間接氣體法、流動(dòng)粒子爐法等。（4）等離子法主要表面化學(xué)熱處理工藝1、滲硼u 滲硼的主要目的u 滲硼層的組織和性能u 滲硼主要適用的鋼種是什么，滲硼后應(yīng)該進(jìn)行那種熱

15、處理工藝？u 試舉一例說(shuō)明滲硼工藝在模具表面熱處理中的應(yīng)用2、滲碳、碳氮共滲u 滲碳零件的基本性能特點(diǎn)u 常用的滲碳方法有哪些？3、滲氮、氮碳共滲u 滲氮工藝的優(yōu)缺點(diǎn)四、等離子體表面處理等離子體的物理概念等離子體是一種電離度超過(guò)0.1的氣體，是由離子、電子和中性粒子（原子和分子）所組成的集合體。等離子體整體呈中性，但含有相當(dāng)數(shù)量的電子和離子，表現(xiàn)出相應(yīng)的電磁學(xué)等性能。如等離子體中有帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散，也有電場(chǎng)作用下的遷移。等離子體是一種物質(zhì)的能量較高的聚集狀態(tài)，被稱(chēng)為物質(zhì)第四態(tài)。離子滲氮n離子滲氮法是由德國(guó)人B. Berghaus于1932年發(fā)明的。n原理：在0.110Torr的含氮?dú)夥罩?/p>

16、，以爐體為陽(yáng)極，被處理工件為陰極，在陰陽(yáng)極間加上數(shù)百伏的直流電壓，由于輝光放電現(xiàn)象便會(huì)產(chǎn)生象霓虹燈一樣的柔光覆蓋在被處理工件的表面。此時(shí)，已離化了的氣體成分被電場(chǎng)加速，撞擊被處理工件表面而使其加熱。同時(shí)依靠濺射及離子化作用等進(jìn)行氮化處理。離子滲氮裝置示意圖n輝光放電：低氣壓下的氣體放電。放電管中的殘余正離子在極間電場(chǎng)的作用下被加速，得到足夠的能量撞擊陰極二產(chǎn)生二次電子，經(jīng)簇射產(chǎn)生更多的帶電粒子，使得氣體導(dǎo)電.n放電管兩極間的電壓較高，一般都在10千伏以上n輝光放電的電流很小，溫度不高。用途：離子氮化法與以往的靠分解氨氣或使用氰化物來(lái)進(jìn)行氮化的方法截然不同，作為一種全新的氮化方法，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用

17、與汽車(chē)、機(jī)械、精密儀器、擠壓成型機(jī)、模具等許多領(lǐng)域，而且其應(yīng)用范圍仍在日益擴(kuò)大。離子氮化法的優(yōu)點(diǎn)：1、由于離子氮化法不是依靠化學(xué)反應(yīng)作用，而是利用離子化了的含氮?dú)怏w進(jìn)行氮化處理，所以工作環(huán)境十分清潔而無(wú)須防止公害的特別設(shè)備。2、由于離子氮化法利用了離子化了的氣體濺射作用，因而與以往的氮化處理相比可顯著的縮短處理時(shí)間（離子氮化的時(shí)間僅為普通氣體滲氮時(shí)間的1/31/5）。3、由于離子氮化法利用輝光放電直接進(jìn)行加熱，也無(wú)需特別的加熱和保溫設(shè)備，且可以獲得均勻的溫度分布，與間接加熱方式相比加熱效率可提高2倍以上，達(dá)到節(jié)能效果（能源消耗僅為氣體滲氮的40%70%）。4、由于離子氮化實(shí)在真空中進(jìn)行，因而可

18、獲得無(wú)氧化的加工表面也不損害被處理工件的表面光潔度。而且由于是在低溫下進(jìn)行處理，被處理工件的變形量極小，處理后無(wú)需再進(jìn)行加工，極適合于成品的處理。5、通過(guò)調(diào)節(jié)N、H、X等氣體的比例，可自由地調(diào)節(jié)化合物層的組成，從而獲得預(yù)期的機(jī)械性能。 6、離子氮化從380起即可進(jìn)行氮化處理，此外，對(duì)鈦等合金特殊材料也可在850的高溫下進(jìn)行特殊的離子氮化處理，因而適應(yīng)范圍十分廣泛。7、由于離子氮化是在低氣壓下以離子注入的方式進(jìn)行，因而耗氣量極少（僅為氣體滲氮的百分之幾），可以大大降低處理成本。離子滲氮的缺點(diǎn)：1、離子滲氮設(shè)備相對(duì)比較復(fù)雜，一次性的設(shè)備投資通常比氣體滲氮高。2、先進(jìn)的工藝裝備對(duì)勞動(dòng)者的素質(zhì)要求較高

19、。3、準(zhǔn)確測(cè)定零件溫度較困難。4、離子滲氮的溫度場(chǎng)是不均勻的溫度場(chǎng)，要使所裝各工件（尤其是混裝）溫度均勻一致較困難，需積累一定的經(jīng)驗(yàn)。離子滲氮的理論濺射理論是一種為許多人所接受（或默認(rèn)）的經(jīng)典理論，該理論于1965年由J. kolbel提出。該理論認(rèn)為，滲氮層是通過(guò)陰極濺射形成。在真空爐體內(nèi)，工件為陰極，爐體為陽(yáng)極，加上直流高壓后，稀薄氣體電離，形成等離子體。N+、H+、NH3+等正離子在陰極位降區(qū)被加速，轟擊工件（陰極）表面，其動(dòng)能消耗于： 轉(zhuǎn)化為熱能加熱工件。 打出電子，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。 陰極濺射。高能正離子轟擊陰極造成C、N、O、Fe等原子濺射，而Fe不斷與陰極表面附近的活性氮原子化合

20、成高氮化合物FeN（Fe成為活性氮的載體），由于背散射又沉積到陰極表面，隨后在離子轟擊和熱激活作用下，氮化鐵分解（FeNFe2NFe3NFe4N）轉(zhuǎn)變?yōu)榈偷衔?，分解析出的氮原子一部分?jǐn)U散進(jìn)鋼鐵內(nèi)，一部分返回等離子區(qū)。這一模型的主要試驗(yàn)根據(jù)是收集急冷的濺射沉積物，分析其中的氮含量約達(dá)19.7%，于是推斷是理論含量20.05%的FeN。五、激光表面處理高能束：由高密度光子、電子、離子組成的激光束、電子束、離子束通過(guò)特定裝置被聚焦到很小甚至非常細(xì)微的尺寸，所形成的具有極高能量密度的粒子束，簡(jiǎn)稱(chēng)高能束。高能束對(duì)材料表面進(jìn)行改性主要包括兩個(gè)方面：p 利用脈沖激光器來(lái)獲得極高的加熱和冷卻速度，可制成微

21、晶、非晶以及其他一些奇特的亞穩(wěn)態(tài)合金，從而賦予材料表面特殊的性能；p 利用離子注入技術(shù)，把異類(lèi)原子直接引入材料表面層中進(jìn)行表面合金化。激光的特點(diǎn)（1）高方向性（2）高亮度性（3）高單色性激光表面處理技術(shù)（一）激光束加熱金屬的過(guò)程 激光束向金屬表面層的熱傳遞，是通過(guò)“逆韌致輻射效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)的。金屬表層和其所吸收的激光進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換。當(dāng)光子和金屬的自由電子相碰撞，金屬導(dǎo)帶電子的能級(jí)提高，并將其吸收的能量轉(zhuǎn)化為晶格的熱振蕩。由于光子能穿過(guò)金屬的能力極低，故僅能使其極表面的一薄層溫度升高。這種熱交換和熱平衡的建立是非常迅速的。韌致輻射：原指高速運(yùn)動(dòng)的電子驟然減速時(shí)發(fā)出的輻射,后來(lái)泛指帶電粒子與原子或原子核

22、發(fā)生碰撞時(shí)突然減速發(fā)出的輻射 逆韌致輻射：電子在離子庫(kù)侖場(chǎng)的幫助下吸收一個(gè)光子而從光場(chǎng)中獲取能量 （二）激光處理前表面的預(yù)處理 大多數(shù)金屬表面對(duì)CO2激光的反射高達(dá)90以上，嚴(yán)重影響激光處理的效率。而且金屬表面狀態(tài)對(duì)反射率極為敏感，如粗糙度、涂層、雜質(zhì)等都會(huì)極大改變金屬表面對(duì)激光的反射率，而反射率變化1，吸收能量密度將會(huì)變化10。因此，在激光處理前，必須對(duì)工件表面進(jìn)行涂層或其他預(yù)處理。常用的預(yù)處理方法有磷化、黑化和涂覆紅外能量吸收材料。（三）激光處理工藝及應(yīng)用 根據(jù)激光與材料表面作用時(shí)的功率密度、作用時(shí)間及方式不同，激光表面改性處理可分為激光相變硬化、激光熔凝及激光表面合金化3類(lèi)。1、激光表面

23、相變硬化定義：鋼鐵在固態(tài)下經(jīng)受激光輻照，其表層被迅速加熱至奧氏體溫度以上，并在激光停止輻射后快速淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法，又稱(chēng)激光淬火。激光表面硬化簡(jiǎn)圖目的：在工件表面有選擇的局部產(chǎn)生硬化帶以提高耐磨性，還可以通過(guò)在表面產(chǎn)生壓力來(lái)提高疲勞強(qiáng)度。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，強(qiáng)化后工件表面光滑，硬度高，變形小，基本上不用再加工即可用于裝配。特別適合于形狀復(fù)雜、體積大、精加工后不易采用其他方法強(qiáng)化的工件，如結(jié)構(gòu)與形狀復(fù)雜的模具成形零件的表面硬化處理。激光相變處理過(guò)程中，有兩個(gè)特別重要的溫度：（1）材料的熔點(diǎn)，表面的最高溫度一定要低于材料的熔點(diǎn)。（2）材料的奧氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度。激光相變硬化的加熱速度快，因

24、而奧氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度升高。一般認(rèn)為奧氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度可取800。2、激光表面熔凝定義：利用能量密度很高的激光束在金屬表面連續(xù)掃描，使之迅速形成一層非常薄的熔化層，并且利用基體的吸熱作用使熔池中的金屬液以極快的速度冷卻、凝固，從而使金屬表面產(chǎn)生特殊的微觀組織結(jié)構(gòu)。是典型的快速加熱和快速凝固過(guò)程通過(guò)控制冷卻速度、溫度梯度和凝固速率3個(gè)工藝參數(shù)，可以細(xì)化組織，減少偏析，形成高度過(guò)飽和共熔體等亞穩(wěn)定相乃至非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，因而可提高表面的耐磨性、抗氧化性和抗腐蝕性能。激光表面熔凝簡(jiǎn)圖3、激光表面合金化定義：用激光束將金屬表面與外加合金元素一起熔化后，迅速凝固在金屬表面獲得合金層的技術(shù)。 既改變表面層的物理狀

25、態(tài)，又改變其化學(xué)成分。工藝過(guò)程：用鍍膜或噴涂等技術(shù)把所需合金元素涂敷在金屬表面，再通過(guò)激光照射使涂敷層合金元素與基體表面層熔化、混合，形成物理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分不同的新表層。從而提高表層的耐磨性、耐蝕性和高溫抗氧化性等。激光表面合金化簡(jiǎn)圖特點(diǎn)：可使工件的局部區(qū)域合金化，能準(zhǔn)確地控制功率密度和加熱深度，從而減小工件變形；利用激光的滲聚焦能力，可在不規(guī)則的零件上得到均勻的合金層。六、電子束表面處理電子束屬于一種高能量密度的能源當(dāng)高速電子束照射到金屬表面時(shí)，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。其能量的傳遞主要通過(guò)電子束的電子與金屬表層電子碰撞完成的，同時(shí)又以熱能的

26、形式傳給金屬表層原子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。電子束的加熱深度和尺寸比激光大電子束表面處理的工藝方法主要有電子束表面淬火、電子束表面合金化及電子束表面熔凝等。電子束表面淬火原理和常規(guī)熱處理方法相同加熱和冷卻速度很高，奧氏體化時(shí)間很短，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，因此淬火后可獲得極細(xì)的表面層組織。適于碳鋼、中碳低合金鋼等材料的表面強(qiáng)化處理，在工、模具上應(yīng)用都取得了很好的效果。特點(diǎn)：可以使工件得到理想的金相組織和硬度，顯著提高材料的疲勞強(qiáng)度，工件變形小，表面質(zhì)量好。還可增加殘余應(yīng)力，提高振動(dòng)疲勞強(qiáng)度。電子束表面合金化定義：利用高能量密度束流與材料表面的相互作用，使之發(fā)生物理與化學(xué)變化，達(dá)到材

27、料表面強(qiáng)化的目的。特點(diǎn)：（1）可在材料表面進(jìn)行各種合金元素的合金化，改善材料表面性能（2）可在零件需要強(qiáng)化的部位，有選擇地進(jìn)行局部處理。工藝過(guò)程：u 根據(jù)工件使用條件的要求，進(jìn)行合金元素的成分設(shè)計(jì)并選擇適當(dāng)?shù)暮辖鸱勰┡浞?；u 然后，將具有特定性能的合金粉末涂敷在金屬表面上。u 再利用電子束轟擊加熱熔化，或在電子束作用的同時(shí)加入所需的合金粉末并在工件表面上熔融，使其表面形成與原材料的成分和組織完全不同的新合金層。電子束表面熔凝定義：利用高能量密度電子束轟擊金屬表面，使其熔化；一旦停止電子束轟擊，熔池便快速凝固，使材料表面形成精細(xì)的顯微組織，從而提高材料表面的硬度和韌性。特點(diǎn)：大大減少原始組織的顯

28、微偏析應(yīng)用：多用于處理模具零件七、離子注入表面改性離子束改性處理定義：將從離子源中引出的所需物質(zhì)的低能離子束在電場(chǎng)中加速成具有幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)伏的高能粒子束后，高速轟擊工件表面并使之注入工件表面一定深度，形成有特殊的力學(xué)性能表面改性層的真空處理工藝。原理：具有一定動(dòng)能的離子射入工件表面后，與表面層內(nèi)的原子核和電子發(fā)生隨機(jī)碰撞。碰撞過(guò)程中，離子不斷消耗其能量，離子的運(yùn)動(dòng)方向不斷改變。經(jīng)過(guò)一段曲折碰撞之后，離子的能量被耗盡，就在工件表面層內(nèi)的某一部位停留下來(lái)，從而改變表面層的組織結(jié)構(gòu)和性能。用這種方法可以獲得高度飽和的固溶體、亞穩(wěn)定相、非晶態(tài)和平衡合金等不同組織結(jié)構(gòu)形式的表面層，從而有效地改善工件的使用性能。特點(diǎn)：（1）不同于任何