高能束表面处理(模具用)

2018/2/13,1,高能束表面改性,2018/2/13,2,概 述,激光束、离子束、电子束三束三束材料表面改性的技术主要包括两个方面： 1利用三束（激光、电子）的高能量可获得极高的加热和冷却速度，从而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、热平衡相图上不存在的亚稳合金相，从而赋予材料表面特殊的性能。2.利用离子注入技术可把异类原子直接引入表面层进行合金化，引入的原子种类和数量不受任何常规合金热力学条件的限制。,2018/2/13,3,三束加热特点：,1三束直接加热的材料表层一般深度在几微米；2加热表面功率密度相当大，一般为几个J/cm2,电子束、离子束的脉冲宽度为10-9s，激光的脉冲宽度可短至10-12s;3材料表面由表及里产生极高的温度梯度，106108K/cm，从而导致极高的冷却速度，1091011K/s.4表面产生大量缺陷，特别是离子束，除加热材料表面外，固体表面受到离子的轰击时，表面原子大量被溅射出来，从而产生缺陷。,2018/2/13,4,高能束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成分或结构实现了，成分的改变包括：表面合金化和熔覆；结构的改变包括：组织和相的改变,2018/2/13,5,一.激光表面处理,激光表面处理的目的：是改变表面层的成分和显微结构；激光表面处理工艺包括：激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光冲击硬化等：,2018/2/13,6,激光表面处理的许多效果是与快速加热和随后的急速冷却分不开的。加热和冷却速率可达106s108s。目前，激光表面处理技术已用于汽车、冶金、石油、机车、机床、军工、轻工、农机以及刀具、模具等领域，并正显示出越来越广泛的工业应用前景。,2018/2/13,7,(一）高能密束表面淬火技术,激光淬火的原理和应用,45钢表面激光淬火横截面金相组织,2018/2/13,8,影响因素：材料成分-淬硬性、淬透性层深和硬度工艺参数-光斑直径D 淬火宽度 淬硬深度hP/(Dv) 功率密度表面予处理 (反射)磷化法；碳素法；氧化物涂层,2018/2/13,9,2018/2/13,10,2018/2/13,11,2018/2/13,12,二、激光表面熔凝技术原理原理：表面快速加热至熔点温度以上，由基材迅速导热冷却，使表面熔化层快速冷却并凝固结晶。与淬火的差别：熔凝层（铸态组织），组织特点：（图4-11）熔化区；相变区；HAZ；基体；特点：硬度高；淬层深，耐磨性好；缺点：表面粗糙，后续加工困难特别适合于灰铁和球铁， 易形成白口HV10001100。,2018/2/13,13,2018/2/13,14,三、应用,2018/2/13,15,2018/2/13,16,2018/2/13,17,2018/2/13,18,2018/2/13,19,2018/2/13,20,2018/2/13,21,激光相变硬化的特点,1 加热和冷却速度高加热速度可达105109/s, 对应的加热时间为10-310-7s；冷却速率可达104107/s。扫描速率越快，冷却速率也越快,2018/2/13,22,2 高硬度,激光淬火层的硬度比常远规淬火层提高1520%。淬火硬度与加热温度有关，与保温时间无关。硬化层深度：通常为0.30.5mm。3. 变形小,2018/2/13,23,激光处理工艺及应用,1激光表面强化 2激光表面涂敷 3激光表面非晶态处理 4激光表面合金化 5激光气相沉积,2018/2/13,24,2018/2/13,25,2018/2/13,26,二.电子束表面处理,当高速电子束照射到金属表面时，电子能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。电子与原子核的碰撞可看作为弹性碰撞，因此能量传递主要是通过电子束的电子与金属表层电子碰撞而完成的。所传递的能量立即以热能形式传与金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高。这与激光加热有所不同，激光加热时被处理金属表面吸收光子能量，激光并未穿过金属表面。,2018/2/13,27,目前电子束加速电压达125kV，输出功率达150kw，能量密度达103MW/m2，这是激光器无法比拟的。因此，电子束加热的深度和尺寸比激光大。,2018/2/13,28,2018/2/13,29,(一)电子束表面处理主要特点,(1) 加热和冷却速度快。 将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度仅几分之一到千分之一秒，其冷却速度可达l06sl08s；（2）与激光相比使用成本低。 电子束处理设备一次性投资比激光少（约为激光的13），每瓦约8美元，而大功率激光器每瓦约30美元；电子束实际使用成本也只有激光处理的一半；,2018/2/13,30,（3）结构简单。电子束靠磁偏转动、扫描，而不需要工件转动、移动和光传输机构；（4）电子束与金属表面偶合性好。电子束所射表面的角度除34特小角度外，电子束与表面的偶合不受反射的影响，能量利用率远高于激光。因此电子束处理工件前，工件表面不需加吸收涂层；（5）电子束是在真空中工作的，以保证在处理中工件表面不被氧化，但带来许多不便。,2018/2/13,31,（6）电子束能量的控制比激光束方便，通过灯丝电流和加速电压很容易实施准确控制，。（7）电子束易激发X射线，使用过程中应注意防护。,2018/2/13,32,二、电子束表面处理工艺,1电子束表面相变强化处理用散焦方式的电子束轰击金属工件表面，控制加热速度为103s105s，使金属表面加热到相变点以上，随后高速冷却（冷却速度达108KS1010KS）产生马氏体等相变强化。适用于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化处理。,2018/2/13,33,2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并快速凝固，从而细化组织，达到硬度和韧性的最佳配合。 3电子束表面合金化处理电子束表面合金化所需电子束功率密度约为相变强化的3倍以上，或增加电子束辐照时间，使基体表层的一定深度内发生熔化。 4电子束表面非晶化处理 电子束表面非晶化处理与激光表面非晶化处理相似，只是所用的热源不同而已。,2018/2/13,34,三、电子束表面处理设备,处理设备包括：高压电源、电子枪、低真空工作室、传动机构、高真空系统和电子控制系统。,2018/2/13,35,三. 离子注入表面改性,离子注入是将所需物质的离子在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工件表面一定深度的真空处理工艺，也属于PVD范围。用离子注入方法可获得高度过饱和固溶体、亚稳定相、非晶态和平衡合金等不同组织结构形式，大大改善了工件的使用性能。 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方面取得了可喜的研究成果。,2018/2/13,36,（一）离子注入的原理,装置包括离子发生器、分选装置、加速系统、离子束扫描系统、试样室和排气系统。从离子发生器发出的离子由几万伏电压引出，进入分选部，将一定的质量电荷比的离子选出。在几万至几十万伏电压的加速系统中加速获得高能量，通过扫描机构扫描轰击工件表面。离子进入工件表面后，与工件内原子和电子发生一系列碰撞。,2018/2/13,37,（二）离子注入的特征,（l）离子注入法不同于任何热扩散方法，可注入任何元素，且不受固溶度和扩散系数的影响。因此，用这种方法可能获得不同于平衡结构的特殊物质，是开发新型材料的非常独特的方法；,2018/2/13,38,（2）离于注入温度和注入后的温度可以任意控制，且在真空中进行，不氧化，不变形，不发生退火软化，表面粗糙度一般无变化，可作为最终工艺；（3）可控性和重复性好。通过改变离子源和加速器能量，可以调整离子注入深度和分布；通过可控扫描机构，不仅可实现在较大面积上的均匀化，而且可以在很小范围内进行局部改性。,2018/2/13,39,（4）可获得两层或两层以上性能不同的复合材料。复合层不易脱落。注入层薄，工件尺寸基本不变。 但从目前的技术水平看，还存在一些缺点，如注入层薄（1m）离子只能直线行进，不能绕行，对于复杂的和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。,2018/2/13,40,（三）、离子注入表面改性的机理,1离子注入提高硬度、耐磨性和疲劳强度的机理离子注入提高硬度是由于：注入的原子进入位错附近或固溶体产生固溶强化的缘故。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、碳化物或硼化物的弥散相，产生弥散强化。离子轰击造成的表明压应力也有冷作硬化作用，这些都使得离子注入表面硬度显著提高。,2018/2/13,41,离子注入之所以能提高耐磨性，其原因是多方面的。离子注入能引起表面层组分与结构的改变。大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线周围，形成柯氏气团，起钉扎位错的作用，使表层强化，加上高硬度弥散析出物引起的强化，提高了表面硬度，从而提高耐磨性。另一种观点认为耐磨性的提高是离于注入引起摩擦系数的降低起主要作用。还认为可能与磨损粒子的润滑作用有关。因为离子注入表面磨损的碎片比没有注入的表面磨损碎片更细，接近等轴，而不是片状的，因而改善了润滑性能。,2018/2/13,42,离子注入延长疲劳寿命,离子注入改善疲劳性能是因为产生的高损伤缺陷阻止了位错移动及其间的凝聚，形成可塑性表面层，使表面强度大大提高。分析表明，离子注入后在近表面层可能形成大量细小弥散均匀分布的第二相硬质点而产生强化，而且离子注入产生的表面压应力可以压制表面裂缝的产生。从而延长了疲劳寿命。,2018/2/13,43,离子注入提高抗氧化性的机理,离子注入显著提高了材料抗氧化性。这是由于：（1）注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道，防止氧进一步向内扩散；（2）形成致密的氧化物阻挡层。某些氧化物，如Al2O3、Cr2O3、SiO2能形成致密的薄膜，其他元素难以扩散通过这种薄膜，起到了抗氧化的作用；（3）离子注入改善氧化物的塑性，减少氧化产生的应力，防止氧化膜开裂；（4）注入元素进入氧化膜后改变了膜的导电性，抑制阳离子向外扩散，从而降低氧化速率。,2018/2/13,44,离子注入提高耐腐蚀性的机理,离子注入不但形成致密的氧化膜，而且改变表面电化学性能，提高耐蚀性。如Cr+注入Cu，能形成一般冶金方法不能得到的新亚稳态表面相，改善了铜的耐腐蚀性能；用Pb+注入Ti后，在沸腾的浓度为1mol/L的H2SO4中耐蚀电位接近纯铅，使耐蚀性大大提高。,2018/2/13,45,离子注入在表面改性中的应用 应用对象主要是金属固体，如钢、硬质合金、钛合金、铬和铝等材料。应用最广泛的金属材料是钢铁材料和钛合金。但是，用离子注入方法强化面心立方晶格材料是困难的