3.13 高能束表面強(qiáng)化技術(shù)

激光束、電子束、離子束等高能束表面強(qiáng)化，主要包括兩個(gè)方面：利用激光束等高功率密度，以極高的加熱速度和冷卻速度，對材料進(jìn)行相變處理或獲得微晶、非晶及一些亞穩(wěn)合金；注入或滲入異類元素進(jìn)行表面合金化，形成新的合金層；賦予材料表面耐磨、耐蝕、抗疲勞、抗高溫氧化及光學(xué)、磁學(xué)、超導(dǎo)等特殊的性能。

1.激光表面強(qiáng)化

利用高功率、高密度激光束（一般用10⁴～10⁵W/cm²）對金屬進(jìn)行表面處理的方法稱為激光熱處理。激光熱處理分激光相變硬化（表面淬火、表面非晶化及表面重熔淬火）、激光表面合金化（表面敷層合金化、硬質(zhì)粒子、噴射合金化、氣體合金化）等表面改性工程，產(chǎn)生其他工藝得不到的表面成分、組織及性能的改變。

激光熱處理為高速加熱、高速冷卻，獲得的組織細(xì)密、硬度高、耐磨性好，淬火部位可獲得大于3920MPa的殘余應(yīng)力，有助于提高疲勞強(qiáng)度。激光熱處理可以進(jìn)行局部選擇性淬火，通過對光斑尺寸的控制，尤其適合其他熱處理無法處理的不通孔、沉溝、微區(qū)、尖角、圓角和刀具刃部等局部區(qū)域的硬化。此外，激光淬火具有耗電低、變形小，不需冷卻介質(zhì)、速度快、效率高及無工業(yè)污染等優(yōu)點(diǎn)。

激光熱處理一般采用功率為幾千瓦級的連續(xù)工作CO₂激光器。通常的激光熱處理裝置如圖3-13所示。激光熱處理的關(guān)鍵設(shè)備是激光器。目前工業(yè)上應(yīng)用最多的是500W級縱向直流放電CO₂激光器。其性能為：額定輸出功率為200～800W，光束直徑為φ4mm，發(fā)散角小于2mrad。

利用激光照射事先經(jīng)過黑化處理的工件表面，使表面薄層快速加熱到相變溫度以上（低于熔點(diǎn)），光束移開后通過自激冷卻即可實(shí)現(xiàn)表面淬火硬化。用于激光表面淬火的功率密度為10³～10⁵W/cm²。由于加熱工件表面溫度及穿透深度均與激光照射持續(xù)時(shí)間的平方根成正比，因此當(dāng)激光束功率及光斑尺寸確定后，通過改變激光束的掃描速率，就可以控制工件表面溫度與加熱層深度。

激光淬火的基本工藝參數(shù)：激光器的輸出功率、光斑尺寸、掃描速度（或工件的移動(dòng)速度），以及材料對光的吸收率等。

圖3-13 激光熱處理裝置示意圖

激光淬火鋼件表層可獲得極細(xì)的馬氏體組織，合金鋼硬化區(qū)組織為極細(xì)板條或針狀馬氏體、未溶碳化物及少量殘留奧氏體，激光硬化區(qū)與基體交界區(qū)呈現(xiàn)復(fù)雜的多相組織，激光硬化區(qū)的基體仍保持激光淬火前的原始組織。

激光淬火相變硬化，使工件表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，這對提高工件的疲勞強(qiáng)度很有貢獻(xiàn)。如30CrMnSiNi2A鋼激光淬火后表層的壓應(yīng)力達(dá)到410MPa，使其疲勞壽命提高了50%左右。

利用激光淬火可改善工模具的力學(xué)性能，是提高工模具壽命的有效途徑之一。表3_-47所示為激光表面強(qiáng)化在工模具中的應(yīng)用實(shí)例。

表3-47 激光表面強(qiáng)化在工模具中的應(yīng)用實(shí)例

2.電子束表面強(qiáng)化

電子束表面強(qiáng)化是利用高能量密度的電子束加熱進(jìn)行表面淬火的新技術(shù)。電子束加熱可以達(dá)到10⁶～10⁸W/cm²的能量密度。其加熱的原理是利用電子槍發(fā)射的電子束轟擊材料表面，使電子流穿過表層，進(jìn)入表層一定的深度，碰撞材料的原子并賦予能量，由該能量轉(zhuǎn)換為熱能而實(shí)現(xiàn)表層的高速加熱。圖3-14所示為電子束的產(chǎn)生及工作示意圖。

電子束的能量密度最高可達(dá)10⁹W/cm²（通常控制在10³～10⁵ W/cm²）。如此大的能量作用在金屬表面，使其以10³～10⁵℃/s的高速升溫，在1/5～1/3s這樣極短的時(shí)間內(nèi)可達(dá)1000℃的高溫，使鋼的表面完成奧氏體相變。

電子束加熱設(shè)備包括電子槍、高壓油箱、聚焦系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、真空工作室、傳動(dòng)及監(jiān)控系統(tǒng)等，如圖3-15所示。CV-BD-1型電子束熱處理裝置的技術(shù)數(shù)據(jù)見表3-48。

圖3-14 電子束的產(chǎn)生及工作示意圖

1—工作臺 2—加工室 3—電磁透鏡 4—陽極 5—柵極 6—燈絲 7、8、9—電源 10、13—排氣口 11—電子束 12—偏轉(zhuǎn)線圈 14—工件

圖3-15 電子束熱處理裝置構(gòu)成示意圖

1—陰極射線管 2—鍵盤 3—紙帶穿孔器 4—紙帶讀出器 5—小型電子計(jì)算機(jī) 6—接口 7—高壓油箱 8—電子槍 9—處理室

表3-48 CV-BD-1型電子束熱處理裝置的技術(shù)數(shù)據(jù)

電子槍是最主要的部件，圖3-15中電子槍室的真空度為1.33×10^-2～1.33×10^-3Pa，在燈絲中通以主電流，加熱到約2500℃并放出電子。燈絲和陽極間加高壓（最大控制在60kV），使電子被加速成直線的密集的高速電子流，從陽極中央的孔穿過。

高壓油箱用于為電子槍提供加速電壓、燈絲電壓及柵板偏壓等直流電源。通過聚焦系統(tǒng)可將射束焦點(diǎn)控制在所需距離上，有x、y正負(fù)方向4個(gè)偏轉(zhuǎn)線圈，用來將射束轉(zhuǎn)移到任意的位置。

電子束表面強(qiáng)化的特點(diǎn)：①可進(jìn)行選擇性的表面改性。凡是能觀察到的地方，不論形狀復(fù)雜的部位、深孔，還是臺階或斜面，都可很方便地實(shí)現(xiàn)改性操作；②設(shè)備功率大，能量利用率高。目前激光器功率最大不超過20kW，而電子束功率最高可達(dá)200kW，能量利用率為激光束加熱的8～9倍，能耗為高頻感應(yīng)加熱的1/2以下，屬節(jié)能環(huán)保技術(shù)；③工件畸變小，表面質(zhì)量高，處理在真空中進(jìn)行，無氧化脫碳，表面光亮，節(jié)省了后續(xù)加工工序；④電子束參數(shù)可以嚴(yán)格控制，表面強(qiáng)化的位置、深度等工藝參數(shù)和性能指標(biāo)也能嚴(yán)格控制。

和激光熱處理相比，電子束熱處理的缺點(diǎn)是工件必須置于真空室內(nèi)，裝卸不方便。但電子束熱處理加熱效率比激光高，不需要激光熱處理的“表面黑化”過程。電子束處理的應(yīng)用范圍與激光處理基本相同，涉及表面淬火、表面合金化、非晶化、表面熔凝等眾多領(lǐng)域。但目前電子束的應(yīng)用范圍不如激光廣泛。

表3-49為42CrMo鋼模具電子束表面淬火的效果。

表3-49 42CrMo鋼模具電子束表面淬火

注：試樣尺寸為10mm×10mm×50mm，表面粗糙度為Ra0.4μm；所用的設(shè)備為30kW電子束焊機(jī)，加速電壓為60kV，聚焦電流為500mA，掃描速度為10.47mm/s，電子槍真空度為4×10^-2Pa，真空室真空度0.133Pa。

3.離子注入法

首先，將要注入的元素離子化，并在數(shù)千伏的電壓下，將離子導(dǎo)入質(zhì)量分析器進(jìn)行篩選，然后在幾十千伏到幾百千伏的高壓下將離子加速到要求的高能狀態(tài)，最后在熱處理室對工件進(jìn)行掃描，把離子注入工件的表面，并與表層晶體中的原子不斷發(fā)生碰撞，其能量不斷減少，最終停留在工件表層的晶體內(nèi)。通常把能量損失的機(jī)制分為三種：

（1）核碰撞 在碰撞中離子能量傳遞給基體原子，離子產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)，損失的能量使晶格原子產(chǎn)生位移。在離子能量比較低時(shí)，核碰撞起主要作用。

（2）電子碰撞 在碰撞中運(yùn)動(dòng)的離子激發(fā)基體原子中的電子，或使原子獲得電子而損失能量，通常能量損失小，離子偏轉(zhuǎn)較小，晶格損傷可以忽略，在離子能量較高時(shí)，電子碰撞是主要的。

（3）電荷交換 離子與基體原子之間進(jìn)行電荷交換損失能量，它的影響較小，一般占總能量損失的百分之幾。

離子注入材料表面層時(shí)，一方面使表層晶體晶格扭曲，另一方面注入的離子與表層原子形成各種合金相，如固溶體或金屬間化合物，二者均可使表層強(qiáng)化，從而達(dá)到表面改性之目的。

離子注入表面改性，具有以下特點(diǎn)：

1）離子注入是一個(gè)非平衡過程，注入元素的選擇不受冶金學(xué)的限制，注入量也不受相圖的約束，可將任何元素注入任何材料基體中。

2）注入元素是分散停留在基體內(nèi)部，沒有界面，故改性層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度很高；附著性好，不會(huì)產(chǎn)生剝落。

3）可在室溫下或低于室溫下進(jìn)行，保持處理精密工件的幾何尺寸、形狀和表面粗糙度不變，不影響材料基體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能，很適合工件的最終處理。

4）離子注入的深度、含量及分布等容易控制和重復(fù)，利于實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制整個(gè)操作過程的各種參數(shù)。

5）離子注入是原子的直接混合，注入層厚度為0.1μm，但摩擦條件下工作時(shí)，由于摩擦熱作用，注入原子還會(huì)不斷向內(nèi)部遷移，其深度可達(dá)到原始注入深度的100～1000倍，使用壽命延長。

離子注入表面改性與前面所述的化學(xué)熱處理、氣相沉積等表面強(qiáng)化、表面改性方法比較，有明顯的優(yōu)點(diǎn)；但缺點(diǎn)也很突出：由于離子注入的直射性，對形狀復(fù)雜的工件，如凹面內(nèi)腔很難處理；注入層很薄，一般只有0.05～1.0μm；處理大面積或大型工件尚有一定難度；設(shè)備昂貴，加工成本較高，大批量生產(chǎn)形不成時(shí)尚。隨著離子注入設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，目前存在的難點(diǎn)或缺點(diǎn)，正在逐步解決與完善。

離子注入已在電子、機(jī)械、宇航、醫(yī)療器械、家電等方面應(yīng)用，目前主要用于工具、模具、精密零件及特殊工件方面。注入離子的種類較多，如N、C、B、P、Ti、Cr、Pt、Co、Y等離子，以N離子注入最為廣泛。表3-50、表3-51分別為在刀具和模具工業(yè)中成功應(yīng)用的實(shí)例。

表3-50 N離子注入在刀具工業(yè)中的應(yīng)用

（續(xù)）

注：4×10¹⁷/cm²，100～150keV。

表3-51 離子注入法在模具工業(yè)中的應(yīng)用