表面現(xiàn)象以及表面變化過(guò)程是自然界普遍存在的。在工程領(lǐng)域，幾乎所有的零部件都不可避免要與環(huán)境接觸，而與環(huán)境直接接觸的正是零部件的表面。表面在于環(huán)境相互作用地過(guò)程中，往往會(huì)發(fā)生腐蝕、磨損、氧化、浸蝕，從而引發(fā)零部件飆升發(fā)生破壞或失效，進(jìn)而引起零部件的破壞或失效。因此，表面是防止設(shè)備失效的一道線。表面工程是指表面預(yù)處理后，通過(guò)表面強(qiáng)化、表面改性或多種表面工程技術(shù)復(fù)合處理，改善固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分。組織結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)性工程。

金屬表面強(qiáng)化技術(shù)

表面形變強(qiáng)化

表面形變強(qiáng)化是通過(guò)機(jī)械手段（滾壓、噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成硬化層，形變硬化層深度可達(dá)0.15-1.5mm，表面形變強(qiáng)化的方法主要有：噴丸強(qiáng)化、表面滾壓技術(shù)、孔擠壓強(qiáng)化。壓縮過(guò)程中，形變硬化層中將產(chǎn)生以下兩種變化：

（1）從組織結(jié)構(gòu)上看，強(qiáng)化層內(nèi)位錯(cuò)的密度極高，晶格的畸變度大，在交變應(yīng)力的作用下，符號(hào)相反的位錯(cuò)相遇后會(huì)相互抵消，符號(hào)相同的位錯(cuò)將重新排列。此時(shí)，強(qiáng)化層內(nèi)位錯(cuò)密度雖有下降，但會(huì)逐漸形成更加細(xì)小的亞晶粒。

（2）從應(yīng)力狀態(tài)上看，由于表層與內(nèi)層的金屬變形程度不平衡，表層金屬向四周塑變延伸時(shí)，會(huì)受到內(nèi)層金屬的阻礙，在強(qiáng)化層內(nèi)形成了較高的宏觀殘余壓應(yīng)力。

1.噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化，又稱(chēng)受控噴丸強(qiáng)化，是將高速?gòu)椡枇鲊娚涞搅慵砻妫沽慵韺影l(fā)生塑性變形，從而形成特定厚度的強(qiáng)化層，由于零件表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)零件承受載荷時(shí)可以抵消一部分應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度。噴丸強(qiáng)化如圖1所示。

在室溫下利用高速?lài)娚涞募?xì)小硬質(zhì)彈丸打擊工件表面，使表面層在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生彈性、塑性變形，如圖2所示，并呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，因?yàn)楫?dāng)每顆鋼丸撞擊金屬零件上，宛如一個(gè)微型棒褪敲打表面，捶出小壓痕或凹陷。為形成凹陷，金屬表層必定會(huì)產(chǎn)生拉伸。表層下，壓縮的晶粒試圖將表面恢復(fù)到原來(lái)形狀，從而產(chǎn)生一個(gè)高度壓縮力作用下的半球，無(wú)數(shù)凹陷重疊形成均勻的殘余壓應(yīng)力層，從而提高表面疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕的能力。

噴丸也可以用來(lái)清除厚度不小于2mm或不要求保持準(zhǔn)確尺寸及輪廓的中型、大型金屬制品以及鑄鍛件上的氧化皮、鐵銹、型砂及舊漆膜，是表面涂（鍍）覆前的一種清理方法。噴丸強(qiáng)化是一個(gè)冷處理過(guò)程，它被廣泛用于提高長(zhǎng)期服役于高應(yīng)力工況下的金屬零件，如飛機(jī)引擎壓縮機(jī)葉片、機(jī)身結(jié)構(gòu)件、汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)零件等的抗疲勞屬性。

噴丸按射出彈丸的速度分為普通噴丸和超音速表面噴丸，超音速?lài)姌屔涑龅膹椡杷俣葹?00~500m/s，并隨著零件的轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)零件表面的噴丸強(qiáng)化。

（1）噴丸強(qiáng)化的設(shè)備

按驅(qū)動(dòng)彈丸的方式，可將噴丸強(qiáng)化機(jī)分為機(jī)械離心噴丸機(jī)和氣動(dòng)噴丸機(jī)兩大類(lèi)。此外噴丸機(jī)又有干噴和濕噴之分，干噴式噴丸機(jī)工作條件差，濕噴式噴丸機(jī)是將彈丸混合成懸浮狀，然后噴出彈丸，因此工作條件有所改善。

①機(jī)械式離心噴丸機(jī)彈丸在高速旋轉(zhuǎn)的葉片和葉輪離心力的作用下被加速拋出。該型噴丸機(jī)噴丸功率小，制造成本高，主要用于噴丸強(qiáng)度高、品種少、批量大、形狀簡(jiǎn)單、尺寸較大的工件，如圖3所示。

②氣動(dòng)離心噴丸機(jī)以壓縮空氣為驅(qū)動(dòng)力，將彈丸加速到較高速度后，隨后彈丸撞擊工件的受?chē)姳砻?。該型噴丸機(jī)可通過(guò)控制氣壓來(lái)控制噴丸強(qiáng)度，操作靈活，一臺(tái)機(jī)器可噴多個(gè)零件，適用于噴丸強(qiáng)度低、品種多、批量小、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件，但功耗大、生產(chǎn)效率低，如圖4所示。

（2）彈丸的種類(lèi)

鋼絲線切割丸：常用鋼絲直徑d=0.4~1.2mm，硬度以45~50HRC為較佳，組織較好是回火M或者B。

鑄鋼丸：彈丸尺寸為0.2~1.5mm，經(jīng)退火處理，硬度為30~57HRC，易碎,耗量大，但價(jià)格便宜。鑄鋼丸的品質(zhì)與含碳量有關(guān)，一般含碳量在0.85%~1.2%，錳含量在0.65% ~ 1.2%。

玻璃彈丸：含60%的SiO?，硬度為46~50HRC，脆性大，適用于零件硬度低于彈丸的硬度的場(chǎng)合。

陶瓷彈丸：彈丸硬度高，但脆性大，噴丸后可獲得較高的殘余壓應(yīng)力。

液態(tài)噴丸：包括SiO?顆粒和Al?O?顆粒。噴丸時(shí)用水混合SiO?顆粒，利用壓縮空氣濺射。

2.表面滾壓技術(shù)

表面滾壓技術(shù)是在特定壓力作用下，滾球或輥軸對(duì)被加工零件表面進(jìn)行滾壓或擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強(qiáng)化層的工藝過(guò)程，如圖5所示。

表面滾壓技術(shù)的表面改性層深度可達(dá)到5mm以上，僅適用于一些形狀簡(jiǎn)單的平板類(lèi)零件、軸類(lèi)零件和溝槽類(lèi)零件等，對(duì)形狀復(fù)雜的零件表面無(wú)法應(yīng)用。表面滾壓技術(shù)具有很多無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如表面滾壓技術(shù)僅改變了材料的物理狀態(tài)，并未改變材料的化學(xué)成分；表面滾壓技術(shù)采用的工具和工藝比較簡(jiǎn)單，加工效率高；滾壓滾壓技術(shù)是一種無(wú)切削加工工藝，在加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢屑、廢液，對(duì)環(huán)境的污染少，符合“綠色制造”的發(fā)展理念。此外，表面滾壓技術(shù)可消除零件表面因切削加工引起的拉應(yīng)力，并使零件表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，殘余的壓應(yīng)力既可以使裂紋尖閉合又可以抑制裂紋尖的擴(kuò)展，從而進(jìn)一步提高零件的疲勞壽命，該技術(shù)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

（1）作用機(jī)理

①微觀組織機(jī)理。經(jīng)過(guò)切削加工之后，金屬的表面都?xì)埩粲械毒叩那邢骱圹E，在微觀下觀察可以看見(jiàn)金屬的表面呈現(xiàn)出凹凸不平之狀。滾壓加工是一種壓力光整加工，在滾刀的作用下金屬表面會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形。根據(jù)工程材料的相關(guān)理論，金屬發(fā)生塑性變形的基本方式是滑移，即晶體沿某一晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生相對(duì)滑移。在外力的作用下，晶體不斷滑移，晶粒在變形過(guò)程中逐步由軟取向轉(zhuǎn)動(dòng)到硬取向，晶粒之間互相約束，阻礙晶粒的變形。由于工業(yè)所用金屬多為多晶體，故金屬能承受較大的塑性變形而不會(huì)被破壞。金屬內(nèi)部晶粒的不斷滑移會(huì)使得晶粒的位錯(cuò)密度增加、晶格發(fā)生畸變，符號(hào)相反的位錯(cuò)相互抵消，符號(hào)相同的位錯(cuò)則重新排列行成更加微小的亞晶粒。晶粒越細(xì)小，位錯(cuò)密度越高，產(chǎn)生的變形分散就越多，因而不易產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，使得滾壓后的金屬材料的屈服強(qiáng)度和疲勞性能得到顯著提高。

②表面質(zhì)量機(jī)理。金屬表面質(zhì)量的好壞常用表面粗糙度來(lái)衡量，表面粗糙是造成應(yīng)力集中的主要因素之一，粗糙的表面易形成尖切口，造成應(yīng)力集中，而疲勞源則往往出現(xiàn)在應(yīng)力集中處，在交變應(yīng)力的作用下，應(yīng)力集中促使疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展。表面越粗糙、尖切口越尖銳，應(yīng)力集中就越嚴(yán)重。滾壓強(qiáng)化就是利用滾輪對(duì)工件表面的滾壓作用，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)，填入到原始?xì)埩舻牡桶疾ü戎?，從而降低工件表面的粗糙度，消除殘留刀痕，減少應(yīng)力集中，進(jìn)而提高工件的疲勞壽命。

③殘余壓應(yīng)力機(jī)理。早在20世紀(jì)30年代人們就發(fā)現(xiàn)，讓零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力可以延長(zhǎng)工件的疲勞壽命。金屬材料表面的裂紋擴(kuò)展的條件是外加交變載荷達(dá)到某一界限（即應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到材料本身的臨界應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)）。而滾壓則可以減少表面原有的微觀裂紋，還可以產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高零件的疲勞壽命。

（2）影響滾壓效果的工藝參數(shù)

影響表面滾壓效果的工藝參數(shù)主要有：滾壓力、滾壓次數(shù)和滾壓速度等。滾壓力即為滾輪壓到工件表面上的力，其對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度有很大的影響，但目前對(duì)其研究還不夠成熟，沒(méi)有數(shù)學(xué)公式能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出較佳滾壓力。較佳滾壓力還與零件本身強(qiáng)度、零件尺寸、滾輪直徑等因素有關(guān)，生產(chǎn)中則是通過(guò)工藝試驗(yàn)來(lái)確定較佳滾壓力；滾壓次數(shù)即為滾輪壓過(guò)工件同一位置的次數(shù)，它對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度有很大影響，次數(shù)較少時(shí)，工件表面未能達(dá)到應(yīng)有的塑性變形，次數(shù)較多時(shí)，工件會(huì)產(chǎn)生接觸疲勞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使表面脫落；滾壓速度即為滾壓加工時(shí)工件的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度影響不大，但影響滾壓加工的效率，若轉(zhuǎn)速過(guò)高，則會(huì)引起較大的塑性變形，轉(zhuǎn)速過(guò)慢又會(huì)降低生產(chǎn)效率。在生產(chǎn)中需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定合適的滾壓速度。

（3）孔擠壓強(qiáng)化

孔擠壓強(qiáng)化是利用特定的工模具（棒、襯套、開(kāi)合模具等）對(duì)工件的孔壁或周邊進(jìn)行連續(xù)、緩慢、均勻的擠壓，使其形成特定厚度的塑性變形層，達(dá)到提高表面疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力的一種表面強(qiáng)化工藝。

常采用的工藝方法：棒擠壓、襯套擠壓、壓印模擠壓、旋壓擠壓，如圖6所示。

孔擠壓強(qiáng)化主要針對(duì)內(nèi)孔有抗疲勞要求或其他方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工件，如飛機(jī)上的重要零件；壓印模擠壓適用于大型零件及蒙皮等關(guān)鍵承載件的強(qiáng)化；旋壓擠壓適用于起落架等大型零件的內(nèi)孔強(qiáng)化等。

等離子體擴(kuò)滲技術(shù)

等離子體是由大量的自由電子和離子組成且在整體上表現(xiàn)為近似電中性的電離氣體。等離子化學(xué)熱處理技術(shù)，又稱(chēng)等離子體擴(kuò)滲技術(shù)(PDT)或粒子轟擊擴(kuò)滲技術(shù)，是利用低真空環(huán)境中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊工件表面，使金屬表面成分、組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生變化的工藝過(guò)程。

與普通氣體熱擴(kuò)滲技術(shù)相比，離子熱擴(kuò)滲具有如下特點(diǎn)：

(1)離子轟擊濺射將會(huì)去除工件表面的氧（鈍）化膜或雜質(zhì)，提高工件表面活性，使其易于吸附被滲元素，加快熱擴(kuò)滲速度；

(2)等離子體可激發(fā)反應(yīng)氣體，降低化學(xué)反應(yīng)溫度；

(3)可通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制熱擴(kuò)滲層的組織以及滲層的厚度；

(4)對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，是一種環(huán)境友好型的處理工藝。

等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體。極光、日光燈、電弧、碘鎢燈等屬于低溫等離子體，聚變、太陽(yáng)核心等屬于高溫等離子體。

低溫等離子體（也稱(chēng)非平衡等離子體）中的重粒子溫度接近常溫，而電子溫度高達(dá)10³~10?K。

使氣體由絕緣體變成導(dǎo)體的現(xiàn)象稱(chēng)為氣體放電。氣體放電的條件是：有一定的電場(chǎng)強(qiáng)度；氣體中存在帶電粒子。

在電場(chǎng)中，帶電粒子發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)。帶電粒子與氣體原子、帶電粒子與電極之間發(fā)生一系列的物化變化，即帶電粒子之間發(fā)生碰撞引起氣體激發(fā)和電離；碰撞使原子中的電子從正常能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，變成亞穩(wěn)態(tài)的受激原子；受激電子返回基態(tài)時(shí)，將能量以光子的形式釋放出來(lái)（輝光），若帶電粒子撞擊的能量較大，可能會(huì)將原子中的某個(gè)電子撞離原子（電離）。

1離子滲氮的機(jī)理

（1）Kolbel離子濺射滲氮模型

高能氮離子轟擊陰極使Fe原子濺射出陰極表面，F(xiàn)e原子與N原子結(jié)合形成FeN,并重新沉積在工件表面（背散射），處于亞穩(wěn)態(tài)的FeN按FeN→Fe?-?N→Fe?N的順序依次分解，分解出的活性N原子滲入鋼的表面或近表面，同時(shí)鋼表面從外到內(nèi)形成由Fe?-?N（ε相）和Fe?N（γ’相）的滲氮層。如圖7所示。

（2）新的離子滲氮模型

新的直流離子滲氮模型如圖8所示，離子滲氮裝置如圖9所示。

2離子滲氮工藝過(guò)程

(1)將清洗好的工件放入離子滲氮爐內(nèi)，抽真空至1Pa左右；

(2)通入少量含氮?dú)怏w，接通直流高壓電源，使氣體產(chǎn)生輝光并放電；

(3)濺射、凈化被處理工件表面；

(4調(diào)整氣壓和電壓，將工件加熱到所需要的處理溫度，開(kāi)始滲氮；

(5)保溫特定時(shí)間，達(dá)到滲氮層要求的厚度；

(6)斷電、工件在真空中冷至200℃以下，出爐滲氮后的工件表面呈銀灰色。

3離子滲氮的組織類(lèi)型及影響因素

在小于590℃（共析溫度）的溫度環(huán)境下進(jìn)行滲氮，隨著氮?jiǎng)莸脑黾?，滲氮層的組織自外向內(nèi)依次為：ε→ε+γ’→γ’+擴(kuò)散層→α擴(kuò)散層，如圖10所示。

影響離子滲氮層的主要因素如下：

(1)滲氮溫度：隨溫度升高，滲層厚度增加。當(dāng)溫度＜550℃,γ’相比例隨溫度提高而增加；當(dāng)溫度＞550℃后，ε相比例隨溫度提高而增加。

(2)滲氮時(shí)間：滲氮初期（<30min）滲速遠(yuǎn)大于氣體滲氮速度，隨時(shí)間延長(zhǎng)，滲速減慢，逐漸接近氣體滲氮速度。

(3)滲氮?dú)怏w：常用的有氨、氮?dú)?氫氣等。

(4)滲氮?dú)鈮骸㈦妷汉碗娏髅芏龋簹鈮涸酱?，滲氮層越厚；放電功率越大，滲氮層越厚；電流密度越大，滲氮層越厚。

4離子滲氮層的性能評(píng)價(jià)離子滲氮層的性能的指標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)硬度：滲氮層的硬度取決于滲氮溫度、鋼中合金元素種類(lèi)和鋼種。

(2)疲勞強(qiáng)度：滲氮可以提高工件的疲勞強(qiáng)度，并隨擴(kuò)散層厚度的增加而提高。

(3)韌性：滲氮層中，僅有擴(kuò)散層的部分韌性較好，有單相化合物層（ε相或γ’相）的次之，γ’+ε相混合相的較差。

(4)耐磨性：與其他滲氮方法相比，離子滲氮對(duì)滾動(dòng)摩擦的耐磨性較好。

常用鋼種的離子滲氮工藝見(jiàn)表1。

激光表面處理技術(shù)激光表面處理技術(shù)是指利用激光束特有的性能特點(diǎn)，對(duì)材料表面進(jìn)行處理并形成特定厚度的處理層，可以顯著改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等性能，是一種很好且成熟的表面處理技術(shù)。

1特點(diǎn)

(1)激光束處理后，材料表面的化學(xué)均勻性很高，晶粒細(xì)小，因而表面硬度高，耐磨性好，在不損失韌性的情況下獲得了高的表面性能。

(2)輸入熱量少，熱變形小。

(3)能量密度高，加工時(shí)間短。

(4)處理部位可以任意選擇，如深孔、溝槽等特殊部位均可采用激光進(jìn)行處理。

(5)工藝過(guò)程無(wú)需真空，無(wú)化學(xué)污染。

(6)激光處理過(guò)程中，表層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而存在殘余壓應(yīng)力，提高了其疲勞強(qiáng)度。

2激光表面處理設(shè)備

激光表面處理設(shè)備包括：激光器、功率計(jì)、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、工作臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)和軟件編程系統(tǒng)。

3激光表面處理

技術(shù)的原理及特點(diǎn)激光是一種相位一致、波長(zhǎng)特定、方向性極強(qiáng)的電磁波，激光束是由一系列反射鏡和透鏡來(lái)控制，所以激光束可以聚焦成直徑很小的光束（直徑只有0.1mm)，從而可以獲得極高的功率密度(10?~10?W/cm²)。按激光強(qiáng)度和輻射時(shí)間可將激光與金屬之間的互相作用分吸收光束、能量傳遞、金屬組織的改變和激光作用的冷卻等階段。

激光表面處理技術(shù)是采用大功率密度的激光束，以非接觸性的方式加熱材料表面，依靠材料表面自身的導(dǎo)熱性達(dá)到冷卻的目的，從而實(shí)現(xiàn)其表面強(qiáng)化的工藝方法。它在材料加工中的如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能量傳遞方便，可以對(duì)被處理工件表面進(jìn)行有選擇性的局部強(qiáng)化；

(2)能量作用集中，加工時(shí)間短，熱影響區(qū)小，激光處理后，工件變形?。?/p>

(3)能夠處理表面形狀復(fù)雜的工件，且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；

(4)改性效果比普通方法更顯著，速度快，效率高，成本低；

(5)通常只能處理一些薄板金屬，不適宜處理較厚的板材。

4激光表面處理

后的組織類(lèi)型由于激光加熱速率極快，相變過(guò)程是在很大的過(guò)熱度下進(jìn)行的，所以晶核的形核率很大。因加熱時(shí)間短，碳原子的擴(kuò)散及晶粒的長(zhǎng)大均受到限制，所以得到的奧氏體晶粒較小。冷卻速率也比使用任何淬火劑都快，因而易得到隱針或細(xì)針馬氏體組織。通過(guò)對(duì)組織類(lèi)型的觀察，可將激光束處理后的鋼表面進(jìn)行區(qū)分，低碳鋼可分為兩層：外層是完全淬火區(qū)，組織是隱針馬氏體；內(nèi)層是不完全淬火區(qū)，保留有鐵素體。中碳鋼可分為四層：外層是白亮的隱針馬氏體，硬度達(dá)800HV，比一般淬火硬度高出100以上；第二層是隱針馬氏體加少量屈氏體，硬度稍低；第三層是隱針馬氏體加網(wǎng)狀屈氏體，再加少量鐵素體；第四層是隱針馬氏體和完整的鐵素體網(wǎng)。高碳鋼也可分為兩層：外層是隱針馬氏體；內(nèi)層是隱針馬氏體加未溶碳化物。鑄鐵大致可分為三層：表層是熔化一凝固所得的樹(shù)枝狀結(jié)晶，此區(qū)隨掃描速度的增大而減小；第二層是隱針馬氏體加少量殘留的石墨及磷共晶組織；第三層是較低溫度下形成的馬氏體。

5激光表面處理技術(shù)的分類(lèi)

（1）激光相變硬化

激光相變硬化又稱(chēng)激光淬火，是指以高能密度的激光束照射工件表面，使得需要硬化的部位瞬間吸收大量光能，并將其立即轉(zhuǎn)化為熱能，從而使激光作用區(qū)的溫度急劇上升，組織類(lèi)型迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，經(jīng)快速冷卻后，獲得極細(xì)小馬氏體和其他組織，其特點(diǎn)如下：

①材料表面可高速加熱和高速自冷。加熱速度可達(dá)10?~10?℃/s，冷卻速度可10?℃/s，這就有利于提高掃描速度及生產(chǎn)效率。

②激光淬火處理后的工件表面硬度高，一般來(lái)說(shuō)比常規(guī)淬火硬度高5%~20%，處理結(jié)束后可獲得極細(xì)的硬化層組織。

③由于激光加熱速度快，因而熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力及變形小。一般認(rèn)為激光淬火處理幾乎不產(chǎn)生變形，而且相變硬化可以使表面產(chǎn)生大于4000MPa的壓應(yīng)力，有助于提高零件的疲勞強(qiáng)度；但厚度小于5mm的零件其變形仍不可忽視。

④可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件以及不能用其他常規(guī)方法處理的零件進(jìn)行局部硬化處理，如具有溝槽的零件。

⑤激光淬火工藝周期短，生產(chǎn)效率高，工藝過(guò)程易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，可納入生產(chǎn)流水線。

⑥激光淬火依靠自身的導(dǎo)熱性，由表及里的傳導(dǎo)自冷，無(wú)需冷卻介質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。

（2）激光表面熔敷激光表面熔敷是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，當(dāng)光束移開(kāi)后自冷卻的一種表面強(qiáng)化方法。其特點(diǎn)如下：

①冷卻速度快且（高達(dá)10?℃/s），組織具有快速凝固的典型特征；

②熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈冶金結(jié)合；

③粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制，特別是低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金；

④能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有很好的性能價(jià)格比；

⑤光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷；

⑥工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

（3）激光表面合金化

激光表面合金化是指在高能量激光束的照射下，使基體材料表面薄層與外加合金元素同時(shí)快速熔化、混合，形成厚度為10~1000μm的表面熔化層，熔化層在凝固時(shí)獲得的冷卻速度可達(dá)10?~10?℃/s，相當(dāng)于急冷淬

4電子束表面處理技術(shù)的分類(lèi)

電子束表面處理技術(shù)的分類(lèi)如圖11所示。

（1）電子束表面相變強(qiáng)化

對(duì)于有馬氏體相變過(guò)程的金屬，其工藝過(guò)程的關(guān)鍵是參數(shù)控制：電子束斑平均功率密度在10?~10?W/cm²，加熱速度為10³~10?℃/s，冷卻速度可達(dá)10?~10?℃/s。

電子束快速熔凝造成過(guò)飽和固溶強(qiáng)化，并形成超細(xì)馬氏體，硬度增大，表面呈殘余壓應(yīng)力，從而提高了材料的耐磨性。

（2）電子束表面重熔處理

電子束重熔可使合金的化學(xué)元素重新分布，降低某些元素的顯微偏析程度，從而改善工件表面的性能。由于電子束重熔是在真空條件下進(jìn)行的，有利于防止表面的氧化，因此電子束重熔處理特別適用于化學(xué)活性高的鎂合金、鋁合金等的表面處理。

（3）電子束表面合金化

一般選擇W、Ti、B、Mo等元素及其碳化物作為合金元素提高材料耐磨性；選擇Ni、Cr等元素可提高材料的抗腐蝕性能；而適當(dāng)添加Co、Ni、Si等元素能改善合金化效果。

（4）電子束表面非晶化處理

將電子束的平均功率密度提高到10?~10?W/cm²，作用時(shí)間縮短至10-?s左右，使金屬在基體與熔化的表層之間產(chǎn)生很大的溫度梯度，在停止電子束照射后，金屬表面快速冷卻速率(10?~10?s-¹)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)制取非晶的冷卻速率(10³~10?s-¹)，所獲非晶的組織形態(tài)致密，抗疲勞及抗腐蝕性能優(yōu)良。

（5）電子束表面薄層退火

當(dāng)電子束作為表面薄層退火的熱源使用時(shí)，所需要的功率密度要較上述方法低很多，以此降低材料的冷卻速度。對(duì)于金屬材料，此法主要應(yīng)用于薄帶的表面處理。另外，電子束退火還成功地應(yīng)用于半導(dǎo)體材料上。

5電子束表面強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

模具鋼經(jīng)電子束表面強(qiáng)化后，材料的表層發(fā)生熔化，表面重熔層的厚度達(dá)到10μm左右，熔化造成其表層顯微硬度降低；表面碳化物顆粒溶解，基體固溶鉻和能量增加，造成過(guò)飽和固溶強(qiáng)化，并形成超細(xì)化馬氏體，試樣顯微硬度從955.2HK提高到1169HK，相對(duì)耐磨性提高了5.63倍、轟擊次數(shù)越多，影響區(qū)越深，顯微硬度提高幅度越大。

電火花表面處理技術(shù)電火花表面處理技術(shù)的基本原理是儲(chǔ)能電源通過(guò)電極，以10-2000Hz的頻率在電極與零部件之間產(chǎn)生火花放電，并將作為電極的導(dǎo)電材料熔滲到工件表面，形成合金化表面強(qiáng)化層，改善工件表面的物理及化學(xué)性能。

電火花表面強(qiáng)化層的性能主要取決于基體材料本身和電極材料，通常用的電極材料有TiC、WC、ZrC、NbC、Cr?C?、硬質(zhì)合金等。

1電火花表面處理技術(shù)過(guò)程圖12是電火花表面處理技術(shù)過(guò)程示意圖。當(dāng)電極與工件之間的距離較大時(shí)，電源經(jīng)電阻R對(duì)電容充電，電極在振動(dòng)器的帶動(dòng)下向工件靠近，如圖12(a)所示；當(dāng)電極與工件之間的間隙接近到某個(gè)距離時(shí)，間隙中的空氣在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下電離，產(chǎn)生火花放電，如圖12(b)所示；當(dāng)電極和工件在發(fā)生放電部分的金屬局部熔化甚至汽化時(shí)，電極繼續(xù)接近工件并與工件接觸，這時(shí)火花放電停止，在接觸點(diǎn)流過(guò)短路電流，使該處繼續(xù)加熱，由于電極以適當(dāng)壓力壓向工件，使熔化的材料相互粘接、擴(kuò)散而形成合金或者新的化合物，如圖12(c)所示；電極在振蕩器的作用下離開(kāi)工件，如圖12(d)所示。

圖12 電火花表面強(qiáng)化過(guò)程示意圖

（1）高溫高壓下的物理化學(xué)冶金過(guò)程。電火花放電所產(chǎn)生的高溫使電極材料和工件表面的基體材料局部熔化，氣體受熱膨脹產(chǎn)生的壓力以及稍后電極機(jī)械沖擊力的作用，使電極材料與基體材料熔合并發(fā)生物理和化學(xué)的相互作用，電離氣體元素如氮、氧等的作用，使基體表面產(chǎn)生特殊的合金。

（2）高溫?cái)U(kuò)散過(guò)程。擴(kuò)散過(guò)程既發(fā)生在熔化區(qū)內(nèi)，也發(fā)生在液-固相界上。由于擴(kuò)散時(shí)間非常短，液相元素向基體的擴(kuò)散量有限的，擴(kuò)散層很淺，但是基體與合金層也能達(dá)到較好的冶金結(jié)合。

（3）快速相變過(guò)程。由于熱影響區(qū)的急劇升溫和快速冷卻，使工件基體熔化區(qū)附近部位經(jīng)歷了一次奧氏體化和馬氏體化轉(zhuǎn)變，細(xì)化了晶粒，提高了硬度，并產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有利。

2 電火花表面處理技術(shù)的特點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)

①設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低；

②強(qiáng)化層與基體的結(jié)合非常牢固；

③工件內(nèi)部不升溫或者升溫很低，無(wú)組織和性能變化，工件不會(huì)退火和變形；

④能耗低，材料消耗少；

⑤對(duì)處理對(duì)象無(wú)大小限制，尤其適合大工件局部處理；

⑥表面強(qiáng)化效果顯著；

⑦可用來(lái)恢復(fù)磨損超差的工件；

⑧操作簡(jiǎn)單，容易掌握。

（2）缺點(diǎn)

①表面強(qiáng)化層較淺，一般深度僅0.02~0.5mm；

②表面粗糙度不會(huì)很低；

③小孔、窄槽難處理，表層強(qiáng)化層均勻性連續(xù)性較差。