探究高能量密度表面强化及其特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：采用激光束、电子束、离子束这三类高能束流对材料（工件）进行表面强化是20世纪70年代发展起来的高新技术。电子束淬火比常规热处理的耐磨性提高约5倍。离子注入是一种新的表面强化处理技术。

采用激光束、电子束、离子束这三类高能束流对材料（工件）进行表面强化是20世纪70年代发展起来的高新技术。

高能束的能量密度高，在被加工的工件上，由极表层向里能够产生10⁵～10⁸℃／cm的温度梯度，使表层薄层迅速加热到相变点，甚至熔化或部分发生汽化。正是因为达到了这样高的温度梯度，冷的基体又会使熔化部分以极快速度（10⁴～10¹¹℃／s）冷却，从而得到表面极细晶粒乃至非晶、纳米晶等一些特殊的亚稳组织结构，由此赋予材料表面以特殊的性能。

高能量密度表面强化是通过相变强化、表面合金化、熔覆和非晶化等改变材料（工件）表面的成分或组织结构而实现的，在模具工作零件的表面使用高能量密度表面强化，可以大幅度提高模具的寿命。它具有如下特点：

1）能量密度高，加热速度快，加热时间短，加热层薄，可以对工件进行有选择的表面处理，能量利用率高。

2）自激淬火淬硬层薄，组织极细，具有较高硬度、强度和韧性，耐磨性好，并有较好的耐蚀性。

3）可实现自动化，工件淬火变形小，甚至无淬火变形，表面粗糙度值小，无氧化膜。

1.激光表面强化及其在模具中的应用

模具工作零件的激光表面强化，是指利用大功率（已有2～20kW功率的CO₂）激光器产生一定功率密度的激光束以一定的扫描速度照射待处理模具零件或工具的表面，在很短时间内使被处理表面由于吸收激光的能量而产生高温，当激光束移开时，被处理表面由于自身传导而迅速冷却，从而形成具有一定性能的表面强化层，以提高模具的寿命，这一过程称为激光表面强化。

激光作为热源对工件表面进行强化，包括相变硬化、表面熔化、表面合金化、表面涂覆等。

在模具钢表面激光强化方法中，激光相变硬化（激光淬火）应用比较普遍，它是利用高能量激光束在模具刃口或型腔需强化表面进行扫描照射，激光束产生的巨大热量（每秒温升可达10⁵～10⁶℃）将材料表面在短时间内加热到1000℃以上，当激光束离开加热点后，此点即以相当高的冷却速度（每秒达10⁶℃）淬火，约为一般淬火速度的1000倍。这样，材料表层加热后的冷却是通过基体金属的传导散热而非外加介质。即所谓的“自淬火”，所以模具钢变形小，获得的表层组织比感应淬火及火焰淬火都要细，表面强化性能更高。此外，激光束火焰集中，易于实现对窄深沟槽、拐角、深孔、不通孔内腔、刃口和侧壁等部位的强化处理。由于激光处理表面冷却速度快，对低碳钢、中碳钢、低合金工具钢等进行处理后，表面强化效果比高强度模具钢还好。例如，为Cr12MoV钢凹模刃口的激光淬火，比常规处理提高寿命4～6倍。对GCr15钢冲孔模和挤压模，用500WCO₂激光器，功率密度为0.3×104W／cm²，扫描速度达50mm／s，自激冷却，表面硬度为927HV，冲孔模寿命提高1.32倍，挤压模寿命提高8倍以上。

激光表面合金化是一种既改变材料表面物理状态，又改变其化学成分以激光做热源的复合强化技术。它是在模具钢表面先涂上合金粉，通过激光以足够的功率、适当的扫描速度，使表面温度升高到熔点，形成一层合金熔化层。根据对模具工作零件耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能要求，配制适当的表面合金化成分，进行表面合金化。由于合金化层与基体材料之间可以形成纯粹的冶金结合，具有极强的结合力，从而提高了表层的耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性等。

近来还发展了激光表面陶瓷化强化技术，能使钢材表面形成超硬陶瓷层，可使廉价的普通材料表面获得优异的耐磨、耐蚀、耐热等性能，以取代昂贵的整体合金。

激光强化的不足之处是强化面积小，相邻两强化带之间存在回火软化现象，对需要大面积强化模具受到限制。

2.电子束表面强化

电子束也属于一种高能密度热源，它可以在毫秒级时间内把金属由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度，并借助冷基体的自身热传导，其冷却速度可达到10³～10⁶℃／s。如此快的加热和冷却速度给材料表面改性提供了很好条件。但电子束流和激光束流的产生原理和物理特性不同。电子束是由电子枪阴极灯丝加热发射的电子形成的高能电子流，经聚焦线圈和偏转线圈照射到金属表面，并深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。与激光加热相比较，能量利用率高，加热深度深，电子束对焦和束流偏转容易，操作控制方便，电子束设备功率稳定，输出功率大，最高功率可达150kW，设备运行成本比激光处理便宜一半以上，电子束加热的工件表面不需黑化处理。电子束照射方式可以是连续的，也可以是脉冲的。电子束加热速度快，淬火组织很细，可以得到细针马氏体、隐晶马氏体，甚至超细化组织，这是电子束热处理的重要特点之一。电子束淬火一般不需要回火。

电子束加热表面淬火，其硬度比常规热处理高1～3HRC，如正火状态的45钢经电子束表面淬火后，硬度为800～830HV（64～65HRC），淬硬层深度可达0.2～0.3mm，T10A可达65～67HRC，GCr15可达67HRC以上，Cr12MoV可达800～900HV。电子束淬火比常规热处理的耐磨性提高约5倍。

3.离子注入表面强化

离子注入工艺原为半导体器件的研制而发明的，现在已发展用于提高金属的耐磨性。将此工艺用于许多工程材料上，明显地提高了表面硬度，改善了钢件的耐磨性和耐蚀性。例如：轴承、模具、切削工具、医用外科手术刀等经离子注入处理后，其表面力学性能是未处理者的4倍。

未经淬硬的钢件经离子注入处理后，其使用寿命为经过热处理硬化相同钢件的3倍。对已经淬硬的钢件再进行离子注入处理，进一步提高了该钢件基体表面的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳等多种性能。

离子注入是一种新的表面强化处理技术。该技术将几万～几十万电子伏特的高能束离子流注入到固体材料表面，从而改变材料表面层的物理、化学和力学性能的一种新的表面原子冶金技术。

离子注入是利用小型的低能离子加速器，将需要注入元素的原子，在加速器的离子源中电离成为离子，然后通过离子加速器的高压电场将其加速成为高速离子流，再经磁分析器提纯后，离子束强行打入置于靶室中的模具工作零件表面，以引起模具工作零件表面注入层中微观结构和宏观性能的变化。整个注入系统处于1.33×10^－3Pa的真空中，以保证离子束在规定的路线前进时不与其他元素的原子发生碰撞。

离子注入的特点是通过高能量的离子流把异类原子直接引入处理件的表面层中进行合金化。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，从而获得超常的固溶强化和损伤强化等。

离子注入工艺不同于镀覆技术，由于注入元素的浓度一般不超过原子的15％，离子注入后，便形成与工件基体材料完全结合的表面合金，注入层与基体之间没有明确的分界面，所以不会剥落。由于离子注入是在高真空中进行的，而且可以通过调节各种电控参数来控制注入过程的温度，这样不会改变工件基体表面几何尺寸，又能保持原有的表面粗糙度值。

离子注入层厚度较浅（约1μm），但是当工件表面发生磨损和形成位错时，注入原子便同时向向迁移，并和基体材料中元素的原子相互结合。即使在其材料的外层被损耗后很久，仍能继续表现出一定的耐磨性和耐蚀性。因此，离子注入层虽较浅，但还能在相当深度上控制着材料表面的特征和性能，从而提高了模具实际使用寿命。

探究高能量密度表面强化及其特点

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