3.13 高能束表面强化技术

激光束、电子束、离子束等高能束表面强化，主要包括两个方面：利用激光束等高功率密度，以极高的加热速度和冷却速度，对材料进行相变处理或获得微晶、非晶及一些亚稳合金；注入或渗入异类元素进行表面合金化，形成新的合金层；赋予材料表面耐磨、耐蚀、抗疲劳、抗高温氧化及光学、磁学、超导等特殊的性能。

1.激光表面强化

利用高功率、高密度激光束（一般用10⁴～10⁵W/cm²）对金属进行表面处理的方法称为激光热处理。激光热处理分激光相变硬化（表面淬火、表面非晶化及表面重熔淬火）、激光表面合金化（表面敷层合金化、硬质粒子、喷射合金化、气体合金化）等表面改性工程，产生其他工艺得不到的表面成分、组织及性能的改变。

激光热处理为高速加热、高速冷却，获得的组织细密、硬度高、耐磨性好，淬火部位可获得大于3920MPa的残余应力，有助于提高疲劳强度。激光热处理可以进行局部选择性淬火，通过对光斑尺寸的控制，尤其适合其他热处理无法处理的不通孔、沉沟、微区、尖角、圆角和刀具刃部等局部区域的硬化。此外，激光淬火具有耗电低、变形小，不需冷却介质、速度快、效率高及无工业污染等优点。

激光热处理一般采用功率为几千瓦级的连续工作CO₂激光器。通常的激光热处理装置如图3-13所示。激光热处理的关键设备是激光器。目前工业上应用最多的是500W级纵向直流放电CO₂激光器。其性能为：额定输出功率为200～800W，光束直径为φ4mm，发散角小于2mrad。

利用激光照射事先经过黑化处理的工件表面，使表面薄层快速加热到相变温度以上（低于熔点），光束移开后通过自激冷却即可实现表面淬火硬化。用于激光表面淬火的功率密度为10³～10⁵W/cm²。由于加热工件表面温度及穿透深度均与激光照射持续时间的平方根成正比，因此当激光束功率及光斑尺寸确定后，通过改变激光束的扫描速率，就可以控制工件表面温度与加热层深度。

激光淬火的基本工艺参数：激光器的输出功率、光斑尺寸、扫描速度（或工件的移动速度），以及材料对光的吸收率等。

图3-13 激光热处理装置示意图

激光淬火钢件表层可获得极细的马氏体组织，合金钢硬化区组织为极细板条或针状马氏体、未溶碳化物及少量残留奥氏体，激光硬化区与基体交界区呈现复杂的多相组织，激光硬化区的基体仍保持激光淬火前的原始组织。

激光淬火相变硬化，使工件表层产生了残余压应力，这对提高工件的疲劳强度很有贡献。如30CrMnSiNi2A钢激光淬火后表层的压应力达到410MPa，使其疲劳寿命提高了50%左右。

利用激光淬火可改善工模具的力学性能，是提高工模具寿命的有效途径之一。表3_-47所示为激光表面强化在工模具中的应用实例。

表3-47 激光表面强化在工模具中的应用实例

2.电子束表面强化

电子束表面强化是利用高能量密度的电子束加热进行表面淬火的新技术。电子束加热可以达到10⁶～10⁸W/cm²的能量密度。其加热的原理是利用电子枪发射的电子束轰击材料表面，使电子流穿过表层，进入表层一定的深度，碰撞材料的原子并赋予能量，由该能量转换为热能而实现表层的高速加热。图3-14所示为电子束的产生及工作示意图。

电子束的能量密度最高可达10⁹W/cm²（通常控制在10³～10⁵ W/cm²）。如此大的能量作用在金属表面，使其以10³～10⁵℃/s的高速升温，在1/5～1/3s这样极短的时间内可达1000℃的高温，使钢的表面完成奥氏体相变。

电子束加热设备包括电子枪、高压油箱、聚焦系统、扫描系统、真空工作室、传动及监控系统等，如图3-15所示。CV-BD-1型电子束热处理装置的技术数据见表3-48。

图3-14 电子束的产生及工作示意图

1—工作台 2—加工室 3—电磁透镜 4—阳极 5—栅极 6—灯丝 7、8、9—电源 10、13—排气口 11—电子束 12—偏转线圈 14—工件

图3-15 电子束热处理装置构成示意图

1—阴极射线管 2—键盘 3—纸带穿孔器 4—纸带读出器 5—小型电子计算机 6—接口 7—高压油箱 8—电子枪 9—处理室

表3-48 CV-BD-1型电子束热处理装置的技术数据

电子枪是最主要的部件，图3-15中电子枪室的真空度为1.33×10^-2～1.33×10^-3Pa，在灯丝中通以主电流，加热到约2500℃并放出电子。灯丝和阳极间加高压（最大控制在60kV），使电子被加速成直线的密集的高速电子流，从阳极中央的孔穿过。

高压油箱用于为电子枪提供加速电压、灯丝电压及栅板偏压等直流电源。通过聚焦系统可将射束焦点控制在所需距离上，有x、y正负方向4个偏转线圈，用来将射束转移到任意的位置。

电子束表面强化的特点：①可进行选择性的表面改性。凡是能观察到的地方，不论形状复杂的部位、深孔，还是台阶或斜面，都可很方便地实现改性操作；②设备功率大，能量利用率高。目前激光器功率最大不超过20kW，而电子束功率最高可达200kW，能量利用率为激光束加热的8～9倍，能耗为高频感应加热的1/2以下，属节能环保技术；③工件畸变小，表面质量高，处理在真空中进行，无氧化脱碳，表面光亮，节省了后续加工工序；④电子束参数可以严格控制，表面强化的位置、深度等工艺参数和性能指标也能严格控制。

和激光热处理相比，电子束热处理的缺点是工件必须置于真空室内，装卸不方便。但电子束热处理加热效率比激光高，不需要激光热处理的“表面黑化”过程。电子束处理的应用范围与激光处理基本相同，涉及表面淬火、表面合金化、非晶化、表面熔凝等众多领域。但目前电子束的应用范围不如激光广泛。

表3-49为42CrMo钢模具电子束表面淬火的效果。

表3-49 42CrMo钢模具电子束表面淬火

注：试样尺寸为10mm×10mm×50mm，表面粗糙度为Ra0.4μm；所用的设备为30kW电子束焊机，加速电压为60kV，聚焦电流为500mA，扫描速度为10.47mm/s，电子枪真空度为4×10^-2Pa，真空室真空度0.133Pa。

3.离子注入法

首先，将要注入的元素离子化，并在数千伏的电压下，将离子导入质量分析器进行筛选，然后在几十千伏到几百千伏的高压下将离子加速到要求的高能状态，最后在热处理室对工件进行扫描，把离子注入工件的表面，并与表层晶体中的原子不断发生碰撞，其能量不断减少，最终停留在工件表层的晶体内。通常把能量损失的机制分为三种：

（1）核碰撞 在碰撞中离子能量传递给基体原子，离子产生大角度偏转，损失的能量使晶格原子产生位移。在离子能量比较低时，核碰撞起主要作用。

（2）电子碰撞 在碰撞中运动的离子激发基体原子中的电子，或使原子获得电子而损失能量，通常能量损失小，离子偏转较小，晶格损伤可以忽略，在离子能量较高时，电子碰撞是主要的。

（3）电荷交换 离子与基体原子之间进行电荷交换损失能量，它的影响较小，一般占总能量损失的百分之几。

离子注入材料表面层时，一方面使表层晶体晶格扭曲，另一方面注入的离子与表层原子形成各种合金相，如固溶体或金属间化合物，二者均可使表层强化，从而达到表面改性之目的。

离子注入表面改性，具有以下特点：

1）离子注入是一个非平衡过程，注入元素的选择不受冶金学的限制，注入量也不受相图的约束，可将任何元素注入任何材料基体中。

2）注入元素是分散停留在基体内部，没有界面，故改性层与基体之间的结合强度很高；附着性好，不会产生剥落。

3）可在室温下或低于室温下进行，保持处理精密工件的几何尺寸、形状和表面粗糙度不变，不影响材料基体的内部结构和性能，很适合工件的最终处理。

4）离子注入的深度、含量及分布等容易控制和重复，利于实现微机控制整个操作过程的各种参数。

5）离子注入是原子的直接混合，注入层厚度为0.1μm，但摩擦条件下工作时，由于摩擦热作用，注入原子还会不断向内部迁移，其深度可达到原始注入深度的100～1000倍，使用寿命延长。

离子注入表面改性与前面所述的化学热处理、气相沉积等表面强化、表面改性方法比较，有明显的优点；但缺点也很突出：由于离子注入的直射性，对形状复杂的工件，如凹面内腔很难处理；注入层很薄，一般只有0.05～1.0μm；处理大面积或大型工件尚有一定难度；设备昂贵，加工成本较高，大批量生产形不成时尚。随着离子注入设备和技术的进步，目前存在的难点或缺点，正在逐步解决与完善。

离子注入已在电子、机械、宇航、医疗器械、家电等方面应用，目前主要用于工具、模具、精密零件及特殊工件方面。注入离子的种类较多，如N、C、B、P、Ti、Cr、Pt、Co、Y等离子，以N离子注入最为广泛。表3-50、表3-51分别为在刀具和模具工业中成功应用的实例。

表3-50 N离子注入在刀具工业中的应用

（续）

注：4×10¹⁷/cm²，100～150keV。

表3-51 离子注入法在模具工业中的应用