第八章-高能束表面改性技术

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1、1第八章第八章 高能束表面改性技术高能束表面改性技术n 激光表面改性激光表面改性n 电子束表面改性电子束表面改性n 离子注入表面改性离子注入表面改性2n激光束和离子束、电子束一起被称为激光束和离子束、电子束一起被称为“三束三束”。n采用采用“三束三束”对材料表面进行改性或合金化的对材料表面进行改性或合金化的技术，是近十几年迅速发展起来的材料表面处技术，是近十几年迅速发展起来的材料表面处理新技术。理新技术。3 这些技术主要包括两个方面这些技术主要包括两个方面: :n一是利用激光束、电子束获得极高的加热和冷却速度，在一是利用激光束、电子束获得极高的加热和冷却速度，在短时间内加热或熔化表面区域，从而

2、形成一些异常的高度短时间内加热或熔化表面区域，从而形成一些异常的高度过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋予材料表面特殊的性能，过饱和固溶体和亚稳合金，从而赋予材料表面特殊的性能，提高工件的使用性能，扩大材料的应用领域。提高工件的使用性能，扩大材料的应用领域。n其二是利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层中其二是利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层中进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合进行表面合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制。金化热力学条件的限制。41. 激光激光n激光激光”一词在英文里是一词在英文里是“LASER”，是，是“Light Ampli

3、fication by Stimu Iatad Emission of Radiation”的的缩写，意为缩写，意为“受激发射的辐射光放大受激发射的辐射光放大”。1964年按照我年按照我国著名科学家钱学森建议将国著名科学家钱学森建议将“光受激发射光受激发射”改称改称“激激光光”。 8.1 激光表面改性激光表面改性5激光的特点激光的特点n方向性好方向性好n单色性好单色性好n能量集中能量集中n相干性好相干性好6激光表面处理技术激光表面处理技术n激光表面处理技术就是利用具有方向高度集中、能量高度激光表面处理技术就是利用具有方向高度集中、能量高度集中的激光束作为热源，对材料进行表面改性或合金化的集中的

4、激光束作为热源，对材料进行表面改性或合金化的技术。技术。n激光表面处理是在材料的表面施加极高的能量，使之发生激光表面处理是在材料的表面施加极高的能量，使之发生物理、化学变化，显著地提高材料的硬度、耐磨性、耐蚀物理、化学变化，显著地提高材料的硬度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品的质量，成倍地延长性和高温性能等，从而大大提高产品的质量，成倍地延长产品使用寿命和降低成本，提高经济效益。产品使用寿命和降低成本，提高经济效益。7n激光表面处理技术工艺包括激光相变强化、激光熔覆、激激光表面处理技术工艺包括激光相变强化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等光合金化、激光非晶化和激光

5、冲击硬化等 。82. 激光相变硬化激光相变硬化n激光相变硬化也称激光淬火。以高能量的激光束快速扫描激光相变硬化也称激光淬火。以高能量的激光束快速扫描工件，使材料表面极薄一层的局部小区域内快速吸收能量工件，使材料表面极薄一层的局部小区域内快速吸收能量而使温度急剧上升而使温度急剧上升(升温速度可达升温速度可达105/s106/s)，使其，使其迅速达到奥氏体化温度，此时工件基体仍处于冷态，激光迅速达到奥氏体化温度，此时工件基体仍处于冷态，激光离去后，由于热传导的作用，此表层被加热区域内的热量离去后，由于热传导的作用，此表层被加热区域内的热量迅速传递到工件其它部位，冷却速度可达迅速传递到工件其它部位，

6、冷却速度可达105/s以上，使以上，使该局部区域在瞬间进行自冷淬火，得到马氏体组织，因而该局部区域在瞬间进行自冷淬火，得到马氏体组织，因而使材料表面发生相变硬化。使材料表面发生相变硬化。910激光相变硬化特点激光相变硬化特点n与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层与传统热处理工艺相比，激光表面相变硬化具有淬硬层组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、淬火介质等优点，可对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面进行硬化处理。铝合金、镁合金等材料所制备的零件表面

7、进行硬化处理。11激光相变硬化工艺激光相变硬化工艺n激光相变硬化重要的是要控制表面温度和淬硬层深度，且激光相变硬化重要的是要控制表面温度和淬硬层深度，且要求在保证一定淬硬层深度的前提下，有较高的生产效率。要求在保证一定淬硬层深度的前提下，有较高的生产效率。实际操作中，激光输出功率、功率密度、光斑尺寸和扫描实际操作中，激光输出功率、功率密度、光斑尺寸和扫描速度等变量是控制的重点，其它变量还有金属的表面特性、速度等变量是控制的重点，其它变量还有金属的表面特性、导热率、熔点及沸点等。导热率、熔点及沸点等。n扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或者加热扫描速度太慢，会导致金属表面温度超过熔点，或

8、者加热深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使表面深度过深，不能自冷淬火。扫描速度太快，则可能使表面达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光斑尺寸达不到相变温度。功率密度则受激光器功率和和光斑尺寸的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量，不能达的影响，功率密度太小，表面得不到足够的热量，不能达到所需的相变温度。到所需的相变温度。12n此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被材此外激光加热是依靠光幅射加热，只有一部分激光被材料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料表面料表面吸收而转变成热能，另一部分激光则从材料表面反射。激光波长越短，金属的反射越小；电导率越高的反射。激光波

9、长越短，金属的反射越小；电导率越高的金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率也高。因金属对激光的反射越大；表面粗糙度小反射率也高。因此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面对激光束的此在激光表面淬火处理前，为提高金属表面对激光束的吸收率，一般在工件表面须预置吸收层，对工件进行预吸收率，一般在工件表面须预置吸收层，对工件进行预处理，通常叫做处理，通常叫做“黑化处理黑化处理”，可使吸收率大幅提高。，可使吸收率大幅提高。n常用的黑化处理方法有磷化法、碳素法和熔覆红外能量常用的黑化处理方法有磷化法、碳素法和熔覆红外能量吸收材料吸收材料(如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或

10、硅酸钾的涂料等等)。其中磷化法最好，其吸收率可达。其中磷化法最好，其吸收率可达80%90，膜厚，膜厚仅为仅为5m，具有较好的防锈性，激光处理后不用清除即，具有较好的防锈性，激光处理后不用清除即可用来装配。可用来装配。13激光相变硬化的应用激光相变硬化的应用n激光相变硬化是激光表面处理技术最成熟、应用最广泛的激光相变硬化是激光表面处理技术最成熟、应用最广泛的一种方法，由于它具有节能、高效、精密、高性能等独特一种方法，由于它具有节能、高效、精密、高性能等独特优点，在生产应用中取得明显经济效益。优点，在生产应用中取得明显经济效益。n20世纪世纪70年代欧美等国在汽车行业中应用激光相变硬化，年代欧美等

11、国在汽车行业中应用激光相变硬化，最先获得工业应用。最先获得工业应用。1974年美国通用汽车公司采用激光表年美国通用汽车公司采用激光表面相变硬化技术使汽车转向器壳体内腔面相变硬化技术使汽车转向器壳体内腔(可锻铸铁可锻铸铁)的耐磨的耐磨性提高性提高10倍，倍，80年代已有年代已有17条激光表面相变硬化处理生产条激光表面相变硬化处理生产线，日处理线，日处理33000件。件。14n国内自国内自20世纪世纪80年代以来激光相变硬化工艺的应用开发年代以来激光相变硬化工艺的应用开发在车辆、机械、矿山、模具等方面也有许多成功的实例在车辆、机械、矿山、模具等方面也有许多成功的实例并建立了生产线并建立了生产线,例

12、如对汽车或拖拉机汽缸套内壁进行激例如对汽车或拖拉机汽缸套内壁进行激光相变硬化处理，使汽缸套的使用寿命成倍提高。光相变硬化处理，使汽缸套的使用寿命成倍提高。15n 激光合金化与熔覆是同一种类型的工艺，它们的区别仅在激光合金化与熔覆是同一种类型的工艺，它们的区别仅在于，激光合金化所形成的合金层的成分是介于施加合金与基于，激光合金化所形成的合金层的成分是介于施加合金与基体金属之间的中间成分，即施加合金受到较大或一定的稀释。体金属之间的中间成分，即施加合金受到较大或一定的稀释。而激光熔敷则是除较窄的结合层外，施加合金基本保持原成而激光熔敷则是除较窄的结合层外，施加合金基本保持原成分很少受到稀释。分很少

13、受到稀释。n 这些区别可以由被施加材料、施加合金成分、施加形式及这些区别可以由被施加材料、施加合金成分、施加形式及量和激光工艺参数的改变来达到。量和激光工艺参数的改变来达到。3. 激光合金化与激光熔覆激光合金化与激光熔覆161）激光合金化）激光合金化n激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使廉价基体的表层具有特定的合金成分入基体表面，从而使廉价基体的表层具有特定的合金成分的技术。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面的技术。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。化学成分的技术。n激光合金化能量

14、密度一般为激光合金化能量密度一般为104106Wcm2，采用近于，采用近于聚焦的光束。基体材料为碳钢、铸铁及铝、钛、镍基合金聚焦的光束。基体材料为碳钢、铸铁及铝、钛、镍基合金等。等。17激光合金化工艺激光合金化工艺 激光合金化的工艺有三种：预置法、硬质粒子喷射法、气激光合金化的工艺有三种：预置法、硬质粒子喷射法、气相合金化法，下面仅介绍预置法。相合金化法，下面仅介绍预置法。 n采用电沉积、气相沉积、离子注入、刷涂、渗层重熔、火采用电沉积、气相沉积、离子注入、刷涂、渗层重熔、火焰及等离子弧喷涂、粘结剂涂覆等方法将所要求的合金粉焰及等离子弧喷涂、粘结剂涂覆等方法将所要求的合金粉末事先涂覆在要合金化

15、的材料表面，然后激光加热熔化，末事先涂覆在要合金化的材料表面，然后激光加热熔化，在表面形成新的合金层。在表面形成新的合金层。n这种方法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。粘结剂这种方法在一些铁基表面进行合金化时普遍采用。粘结剂涂刷预涂覆的优点是经济、方便、不受合金元素的限制以涂刷预涂覆的优点是经济、方便、不受合金元素的限制以及易于进行混合成分粉末的合金化；其缺点是涂刷层厚度及易于进行混合成分粉末的合金化；其缺点是涂刷层厚度不易控制。不易控制。18预置式激光合金化示意图预置式激光合金化示意图 19激光合金化的应用激光合金化的应用n激光合金化可有效提高表面层的硬度和耐磨性。如对于钛激光合金化可有效

16、提高表面层的硬度和耐磨性。如对于钛合金，利用激光碳硼共渗和碳硅共渗的方法，实现了钛合合金，利用激光碳硼共渗和碳硅共渗的方法，实现了钛合金表面的硅合金化，硬度由金表面的硅合金化，硬度由299376HV提高到提高到14302290HV，与硬质合金圆盘对磨时，合金化后耐磨性可提，与硬质合金圆盘对磨时，合金化后耐磨性可提高两个数量级。高两个数量级。n美国美国AVCO公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀，公司采用激光合金化工艺处理了汽车排气阀，使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在使其耐磨性和抗冲击能力得到提高。在45钢上进行的钢上进行的TiC-Al203-B4C-Al复合激光合金化，其耐磨性与复合激光合

17、金化，其耐磨性与CrWMn钢相比，钢相比，是后者的是后者的10倍，用此工艺处理的磨床托板比原用的倍，用此工艺处理的磨床托板比原用的CrWMn钢制的托板寿命提高了钢制的托板寿命提高了34倍。倍。20铝合金气缸体激光合金化铝合金气缸体激光合金化21 2）激光熔覆）激光熔覆n激光表面熔覆是指利用激光加热基材表面以形成一个较浅激光表面熔覆是指利用激光加热基材表面以形成一个较浅的熔池，同时送入预定成份的合金粉末一起熔化后迅速凝的熔池，同时送入预定成份的合金粉末一起熔化后迅速凝固、或者是将预先涂敷在基材表面的涂层与基材一起熔化固、或者是将预先涂敷在基材表面的涂层与基材一起熔化后迅速凝固，以得到一层新的熔覆

18、层。后迅速凝固，以得到一层新的熔覆层。 n与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。粒度及含量变化大等特点。n激光熔敷的基体材料为碳钢、铸铁、不锈钢和铝等，涂层激光熔敷的基体材料为碳钢、铸铁、不锈钢和铝等，涂层材料是材料是Co、Ni和和Fe基合金、碳化物和氧化铝和陶瓷等。基合金、碳化物和氧化铝和陶瓷等。22 激光熔覆工艺可分为两种：激光熔覆工艺可分为两种：n一种是预熔覆激光熔覆法，该法与激光合金化的预置法一种是预熔

19、覆激光熔覆法，该法与激光合金化的预置法类似，即先把熔覆合金通过粘结、喷涂、电镀，预置丝材类似，即先把熔覆合金通过粘结、喷涂、电镀，预置丝材或板材等方法预置在将熔覆材料表面上，而后用激光束将或板材等方法预置在将熔覆材料表面上，而后用激光束将其熔覆。其熔覆。n另一种是气相送粉法，即在激光束照射基体材料表面产生另一种是气相送粉法，即在激光束照射基体材料表面产生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光熔池内熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光熔池内实现熔覆。为了调节熔覆层的成分或形成梯度功能，熔覆实现熔覆。为了调节熔覆层的成分或形成梯度功能，熔覆层可采用多种送粉方式。层可采用多种送粉方式。

20、23激光熔覆工艺示意图激光熔覆工艺示意图24 激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。围涉及许多工业领域，主要有以下几个方面。n航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生产航空航天工业首先吸取激光熔覆的优点，并将其用于生产的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。的部门。它不仅用于加工零部件，亦用于修理方面。1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化年美国首先将激光熔覆技术用于强化RB-21侦察轰炸机的侦察轰炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的Ni基合金涡轮叶片

21、上用基合金涡轮叶片上用2kW C02激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元合金获得激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元合金获得成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品质量好、成成功。由于激光技术先进，热影响区小，产品质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大量节约昂贵的品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。硬化材料、经济效益十分显著。激光熔覆的应用激光熔覆的应用2526n最先采用激光熔覆技术的汽车零件是发动机排气门的密封最先采用激光熔覆技术的汽车零件是发动机排气门的密封锥面熔覆司太立（锥面熔覆司太立（Stellite）合金。目前国内外对排气门堆）合金。目

22、前国内外对排气门堆焊高温耐热合金，大多采用等离子喷焊技术，但在喷焊层焊高温耐热合金，大多采用等离子喷焊技术，但在喷焊层中易产生气孔，废品率较高，且粉末消耗量大，中易产生气孔，废品率较高，且粉末消耗量大，1988年日年日本公布了用同步气相送粉法激光熔覆排气门的专利，国内本公布了用同步气相送粉法激光熔覆排气门的专利，国内也正在开发类似激光熔覆工艺并已用于工业生产。也正在开发类似激光熔覆工艺并已用于工业生产。27n激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，尤其是大工件的熔覆层，裂覆层的开裂问题，尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免。为此，研究人

23、员除了改进设缝几乎难以避免。为此，研究人员除了改进设备，探索合适的工艺，还在研制适合激光熔覆备，探索合适的工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其它熔覆材料。工艺特点的熔覆用合金粉末和其它熔覆材料。28n电子束在工业中的应用已有几十年的历史，但在金属电子束在工业中的应用已有几十年的历史，但在金属表面处理方面的应用则始于表面处理方面的应用则始于20世纪世纪70年代初期。年代初期。n由电子枪发射的高速电子束属于一种高能量密度的热由电子枪发射的高速电子束属于一种高能量密度的热源，其最大功率密度可达源，其最大功率密度可达109W/ cm2,这是激光器无法比这是激光器无法比拟的。拟的。n这

24、种高能电子束照射到金属表面时，电子流进入材料这种高能电子束照射到金属表面时，电子流进入材料表面一定深度，与基体金属的原子碰撞，动能转换为热表面一定深度，与基体金属的原子碰撞，动能转换为热能并传与金属表层原子，在极短的时间内就可使金属表能并传与金属表层原子，在极短的时间内就可使金属表面温度升高，迅速加热、迅速冷却，其速度可达面温度升高，迅速加热、迅速冷却，其速度可达103106/s，通过控制能量密度，可进行表面相变硬化、表，通过控制能量密度，可进行表面相变硬化、表面熔融强化和表面冲击强化。面熔融强化和表面冲击强化。8.2 电子束表面改性电子束表面改性29n电子束加热设备包括电子束加热设备包括电子

25、枪、聚焦系统、电子枪、聚焦系统、扫描系统、真空系统、扫描系统、真空系统、高压油箱、传动与监高压油箱、传动与监控系统。控系统。n电子枪由发射阴极、电子枪由发射阴极、控制栅极及加速阳极控制栅极及加速阳极组成。发射阴极由纯组成。发射阴极由纯钨或纯钽制成，加热钨或纯钽制成，加热后放出大量电子。后放出大量电子。1. 电子束的产生及工作原理电子束的产生及工作原理30电子束表面处理的特点电子束表面处理的特点n电子束加热能量利用率高，为激光加热的电子束加热能量利用率高，为激光加热的9倍，耗能为感倍，耗能为感应加热应加热1/2。n属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应属非接触式加工，工件不受机械力作

26、用，很少产生宏观应力变形，表面质量高。同时也不存在工具损耗问题。力变形，表面质量高。同时也不存在工具损耗问题。n可进行局部处理，对形状复杂的工件深孔、台阶、斜面都可进行局部处理，对形状复杂的工件深孔、台阶、斜面都可进行处理。可进行处理。n各工艺参数容易控制，电子束强度、位置、聚焦可精确控各工艺参数容易控制，电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。便于自动化控制。n缺点是电子束必须在真空室中处理，极不方便。缺点是电子束必须在真空室中处理，极不方便。311）电子束表面相变硬化）电子束表面相变硬

27、化 电子束表面相变硬化也称电子束表面淬火，是用高能量电子束表面相变硬化也称电子束表面淬火，是用高能量的电子束快速扫描工件，控制加热速度为的电子束快速扫描工件，控制加热速度为103105/s，使金属表面薄层被快速加热到相变点以上，此刻工件基使金属表面薄层被快速加热到相变点以上，此刻工件基体仍处于冷态。随着电子束的移开和热传导作用，表面体仍处于冷态。随着电子束的移开和热传导作用，表面热量迅速向工件心部或其他区域传递，高速冷却热量迅速向工件心部或其他区域传递，高速冷却(冷却速冷却速度达度达108Ks1010 Ks)产生马氏体等相变，在瞬间实产生马氏体等相变，在瞬间实现自冷淬火。现自冷淬火。2. 电子

28、束表面改性工艺电子束表面改性工艺32 目前，利用电子束加热装置对零件进行表面相变硬化，目前，利用电子束加热装置对零件进行表面相变硬化，已经达到相当精确与高效率水平。这种方法适用于碳钢、已经达到相当精确与高效率水平。这种方法适用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。例如，用中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。例如，用2kW3.2kW电子束处理电子束处理45钢和钢和T7钢的表面，束斑直径钢的表面，束斑直径为为6mm，加热速度为，加热速度为3000s5000s，钢的表面，钢的表面生成隐针和细针马氏体，生成隐针和细针马氏体，45钢表面硬度达钢表面硬度达62HRC；T7钢钢表面硬度达表面硬

29、度达66HRC。332）电子束表面重熔处理）电子束表面重熔处理 利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化，再停止电利用电子束轰击工件表面使表面产生局部熔化，再停止电子束轰击，熔化处快速凝固，可使金属表面形成精细的显子束轰击，熔化处快速凝固，可使金属表面形成精细的显微组织，提高表面硬度和韧性。微组织，提高表面硬度和韧性。 对于某些合金，电子束对于某些合金，电子束重熔可使金属组织中的化学元素重新分布，降低某些元素重熔可使金属组织中的化学元素重新分布，降低某些元素的显微偏析程度，改善工件表面的性能。目前，电子束重的显微偏析程度，改善工件表面的性能。目前，电子束重熔主要用于工模具的表面处理上，以便在保

30、持或改善工模熔主要用于工模具的表面处理上，以便在保持或改善工模具韧性的同时，提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定具韧性的同时，提高工模具的表面强度、耐磨性和热稳定性。如高速钢冲孔模的端部刃口经电子束重熔处理后，获性。如高速钢冲孔模的端部刃口经电子束重熔处理后，获得深得深1mm、硬度为、硬度为6667HRC的表面层，使该层组织细的表面层，使该层组织细化，碳化物极细且分布均匀，具有强度和韧性的最佳配合。化，碳化物极细且分布均匀，具有强度和韧性的最佳配合。343）电子束表面合金化）电子束表面合金化n电子束表面合金化与激光表面合金化有些相似，将某些具电子束表面合金化与激光表面合金化有些相似，将某些具有

31、特殊性能的合金粉末或化合物粉末如有特殊性能的合金粉末或化合物粉末如B4C、WC等粉末等粉末预涂敷在金属的表面上，然后用电子束加热，或在电子束预涂敷在金属的表面上，然后用电子束加热，或在电子束作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，在作用的同时加入所需合金粉末使其熔融在工件表面上，在表面形成与原金属材料的成分和组织完全不同的新的合金表面形成与原金属材料的成分和组织完全不同的新的合金层，从而使零件或零件的某些部位提高耐磨性、耐蚀性、层，从而使零件或零件的某些部位提高耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化的特种性能。耐高温氧化的特种性能。n电子束表面合金化所需电子束功率密度较高，约为电子束电子束表面合金

32、化所需电子束功率密度较高，约为电子束相变硬化的相变硬化的3倍以上；或通过增加电子束照射时问，使基倍以上；或通过增加电子束照射时问，使基体表层的一定深度内发生熔化。体表层的一定深度内发生熔化。35n电子束表面相变硬化首先用于汽车工业和宇航工业。用电子束表面相变硬化首先用于汽车工业和宇航工业。用铬硼钢铬硼钢SAE5060钢钢(美国结构钢美国结构钢)制造的汽车离合器进行制造的汽车离合器进行电子束表面淬火，工作室真空度为电子束表面淬火，工作室真空度为6.67 Pa，容积为，容积为0.03 m3。电子束以预定的图案照射三个排成一列离合器沟槽。电子束以预定的图案照射三个排成一列离合器沟槽表面上加热淬火，然

33、后工件旋转到下一个沟槽再进行加表面上加热淬火，然后工件旋转到下一个沟槽再进行加热淬火，直到八个沟槽都淬完后降下工作台取下工件。热淬火，直到八个沟槽都淬完后降下工作台取下工件。淬硬层深度为淬硬层深度为1.5mm，表面硬度为，表面硬度为58HRC。整个操作共。整个操作共需需42 s时间，每小时处理时间，每小时处理250个工件，并克服了感应加热个工件，并克服了感应加热表面无法克服的变形问题。表面无法克服的变形问题。3. 电子束表面改性应用电子束表面改性应用36n美国美国SKF工业公司与空军莱特研究所共同研究成功了航工业公司与空军莱特研究所共同研究成功了航空发动机主轴轴承圈的电子束表面相变硬化技术。用

34、美空发动机主轴轴承圈的电子束表面相变硬化技术。用美国国M50(4Cr-4Mo-V)钢所制造的轴承圈容易在工作条件下钢所制造的轴承圈容易在工作条件下产生疲劳裂纹而导致突然断裂。采用电子束进行表面相产生疲劳裂纹而导致突然断裂。采用电子束进行表面相变硬化后，在轴承旋转接触面上得到变硬化后，在轴承旋转接触面上得到0.76mm的淬硬层，的淬硬层，代替整体淬火，有效地防止了疲劳裂纹的产生和扩展，代替整体淬火，有效地防止了疲劳裂纹的产生和扩展，解决了疲劳断裂问题，提高了轴承圈的寿命。解决了疲劳断裂问题，提高了轴承圈的寿命。371.离子注入原理离子注入原理 在真空中将注入元素电离，利用电场加速作用使它们形在真

35、空中将注入元素电离，利用电场加速作用使它们形成具有数万至数百万电子伏特的离子束流，并入射到工成具有数万至数百万电子伏特的离子束流，并入射到工件基体材料中去，离子束与基体表面中的的原子核或电件基体材料中去，离子束与基体表面中的的原子核或电子多次碰撞，能量逐渐被消耗，最后停留在材料中，并子多次碰撞，能量逐渐被消耗，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，这一过程称引起材料表面成分、结构和性能发生变化，这一过程称离子注入。离子注入。8.3 离子注入表面改性离子注入表面改性38n离子注入技术可以注入各种离子，改变材料表层成分，优离子注入技术可以注入各种离子，改变材料表层成分，优化材料

36、表面性能，甚至使工件获得某些新的优异性能，而化材料表面性能，甚至使工件获得某些新的优异性能，而且是一种纯净的无公害的表面处理技术。且是一种纯净的无公害的表面处理技术。n近近30年来离子注入技术在国际上得到了蓬勃发展和广泛应年来离子注入技术在国际上得到了蓬勃发展和广泛应用。用。392.离子注入的特点离子注入的特点n注入离子完全渗进基体表面层，本身无明显界面，不存在注入离子完全渗进基体表面层，本身无明显界面，不存在镀层与界面剥离问题。镀层与界面剥离问题。n无需热激活，无需在高温环境下进行（室温或无需热激活，无需在高温环境下进行（室温或200以以下），因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；也不下）

37、，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；也不会出现由于加热所引起的表面回火软化效应。会出现由于加热所引起的表面回火软化效应。n通过对离子能量和数量的控制可以改变注入的深度与浓度。通过对离子能量和数量的控制可以改变注入的深度与浓度。n注入元素可任意选择，它可注入从原子量为注入元素可任意选择，它可注入从原子量为1的氢到原子的氢到原子量量200以上的全部元素，主要注入元素有以上的全部元素，主要注入元素有N、Cr、P、B、C、S等。；等。；n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。40n从目前的技术水平看，离子注入技术还存在一定局限性，从目前的技术水平看，离子注入

38、技术还存在一定局限性，如注入层太薄（如注入层太薄（1m）；离子只能直线行进，对于复）；离子只能直线行进，对于复杂的或有内孔的零件不能进行离子注入；设备造价高，杂的或有内孔的零件不能进行离子注入；设备造价高，所以应用还不广泛。所以应用还不广泛。41n离子注入的装置称为离子注入机。离子注入的装置称为离子注入机。n离子注入机按离子注入对象可分为半导体注入机和金属离离子注入机按离子注入对象可分为半导体注入机和金属离子注入机；按离子束的能量可分为为中束流注入机、强束子注入机；按离子束的能量可分为为中束流注入机、强束流注入机和高能注入机三种；还可分为质量分析注入机、流注入机和高能注入机三种；还可分为质量分

39、析注入机、氮离子注入机和等离子源注入机。氮离子注入机和等离子源注入机。n美国美国Eaton和和Varian是世界上最大的离子注入机制造公司，是世界上最大的离子注入机制造公司，其次是日本。其次是日本。3. 离子注入装置离子注入装置n离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于20世纪世纪60年代问世，早期研究离子注入是用重离子加速器来进行的。年代问世，早期研究离子注入是用重离子加速器来进行的。目前离子注入机出现了多种形式，但就基本工作原理和结目前离子注入机出现了多种形式，但就基本工作原理和结构来说是相同的。构来说是相同的。4243n离子注入机的主要指标是离子束

40、能量、束流的强度和均匀离子注入机的主要指标是离子束能量、束流的强度和均匀性。离子注入的深度主要取决于离子束能量，通常在性。离子注入的深度主要取决于离子束能量，通常在20400KeV之间，注入的效率主要由束流强度决定；注入元之间，注入的效率主要由束流强度决定；注入元素剂量的均匀性和重复性也是衡量离子注入机的重要指标。素剂量的均匀性和重复性也是衡量离子注入机的重要指标。44半导体的渗杂金属材料的表面处理4. 离子注入的应用离子注入的应用n此外，离子注入在改进陶瓷表面韧性与摩擦性方面也已此外，离子注入在改进陶瓷表面韧性与摩擦性方面也已显示出一定的能力；离子注入还可以引起高分子聚合物显示出一定的能力；

41、离子注入还可以引起高分子聚合物的交联、降解、石墨化等，从而改善其强度或光学特性。的交联、降解、石墨化等，从而改善其强度或光学特性。45n离子注入技术已广泛地用于宇航尖端零件、重要化工零件、离子注入技术已广泛地用于宇航尖端零件、重要化工零件、医学矫形件以及模具、刀具和磁头的表面改性。我国已对医学矫形件以及模具、刀具和磁头的表面改性。我国已对多种模具、刃具、人工关节、金刚石拉丝模及磁头等做了多种模具、刃具、人工关节、金刚石拉丝模及磁头等做了离子注入方面的研究，航天、航空和核工程用的精密轴承离子注入方面的研究，航天、航空和核工程用的精密轴承也相继进行了离子注入研究，有的已取得了重要成果。也相继进行了

42、离子注入研究，有的已取得了重要成果。n离子注入可以向金属表面注入金属或气体元素，提高工件离子注入可以向金属表面注入金属或气体元素，提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性和抗高温氧化性；表面硬度、耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性和抗高温氧化性；同时还可以降低摩擦系数，改善摩擦性能。向同时还可以降低摩擦系数，改善摩擦性能。向GCr15轴承轴承钢表面注入钢表面注入N+ 至至31017N+/cm2时，显微硬度达到时，显微硬度达到HV1100，耐磨性能提高，耐磨性能提高35倍。我国生产的各类冲模和倍。我国生产的各类冲模和压制模一般寿命为压制模一般寿命为20005000次，而英、美、日本的同次，而英、美、日本

43、的同类产品采用离子注入技术后，寿命达类产品采用离子注入技术后，寿命达50000次以上。次以上。46n国外生产的电冰箱、洗衣机等的活塞门，材料基本与我国国外生产的电冰箱、洗衣机等的活塞门，材料基本与我国的相同，甚至是普通低碳钢，由于采用了所谓的相同，甚至是普通低碳钢，由于采用了所谓“专利性专利性处理工艺，使用寿命是我国同类产品的几倍到几十倍。有处理工艺，使用寿命是我国同类产品的几倍到几十倍。有的钢铁材料经离子注入后耐磨性可提高的钢铁材料经离子注入后耐磨性可提高100倍以上。用作倍以上。用作人工关节的钛合金人工关节的钛合金Ti-6A1-4V耐磨性差，用离子注入耐磨性差，用离子注入N+后，后，耐磨性

44、提高耐磨性提高1000倍，生物性能也得到改善。铝、不锈钢倍，生物性能也得到改善。铝、不锈钢中注入中注入He+，铜中注入，铜中注入B+、He+、Al+和和Cr+离子，金属或离子，金属或合金耐大气腐蚀性明显提高，其机理是离子注入的金属表合金耐大气腐蚀性明显提高，其机理是离子注入的金属表面上形成了注人元素的饱和层，阻止金属表面吸附其他气面上形成了注人元素的饱和层，阻止金属表面吸附其他气体，从而提高金属耐大气腐蚀性能。体，从而提高金属耐大气腐蚀性能。47不同金属注入不同离子后对性能的影响不同金属注入不同离子后对性能的影响基体材料改善的性能注入的离子基体材料改善的性能注入的离子低合金钢耐蚀性Cr+、Ta+、Ni铝合金耐蚀性Mo+耐磨性N+硬度N+硬度N+耐磨性Mo+减摩性Sn+铜合金耐蚀性Cr+ Al+、Ti+抗疲劳性N+、Ti+耐磨性B+高合金钢耐蚀性Cr+、Ti+、Mo+钛合金耐蚀性N+、Pt+、C+抗氧化性Al+、Ce+抗氧化性P+、B+ 、Al+硬度Ti+ C+硬度N+、C+、B+减摩性Sn+、Ag+、Au+减摩性Sn+、Ag+、Au+抗疲劳性N+抗疲劳性N+