一文讀懂有色金屬表面強化技術(shù)

表面現(xiàn)象以及表面變化過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)境相互作用地過程中，往往會發(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，通過表面強化、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。

金屬表面強化技術(shù)

表面形變強化

表面形變強化是通過機械手段（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0.15-1.5mm，表面形變強化的方法主要有：噴丸強化、表面滾壓技術(shù)、孔擠壓強化。壓縮過程中，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，強化層內(nèi)位錯的密度極高，晶格的畸變度大，在交變應(yīng)力的作用下，符號相反的位錯相遇后會相互抵消，符號相同的位錯將重新排列。此時，強化層內(nèi)位錯密度雖有下降，但會逐漸形成更加細小的亞晶粒。

（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，會受到內(nèi)層金屬的阻礙，在強化層內(nèi)形成了較高的宏觀殘余壓應(yīng)力。

1.噴丸強化

噴丸強化，又稱受控噴丸強化，是將高速彈丸流噴射到零件表面，使零件表層發(fā)生塑性變形，從而形成特定厚度的強化層，由于零件表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)零件承受載荷時可以抵消一部分應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強度。噴丸強化如圖1所示。

在室溫下利用高速噴射的細小硬質(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，因為當(dāng)每顆鋼丸撞擊金屬零件上，宛如一個微型棒褪敲打表面，捶出小壓痕或凹陷。為形成凹陷，金屬表層必定會產(chǎn)生拉伸。表層下，壓縮的晶粒試圖將表面恢復(fù)到原來形狀，從而產(chǎn)生一個高度壓縮力作用下的半球，無數(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度和抗應(yīng)力腐蝕的能力。

噴丸也可以用來清除厚度不小于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。噴丸強化是一個冷處理過程，它被廣泛用于提高長期服役于高應(yīng)力工況下的金屬零件，如飛機引擎壓縮機葉片、機身結(jié)構(gòu)件、汽車傳動系統(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，超音速噴槍射出的彈丸速度為300~500m/s，并隨著零件的轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)對整個零件表面的噴丸強化。

（1）噴丸強化的設(shè)備

按驅(qū)動彈丸的方式，可將噴丸強化機分為機械離心噴丸機和氣動噴丸機兩大類。此外噴丸機又有干噴和濕噴之分，干噴式噴丸機工作條件差，濕噴式噴丸機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機械式離心噴丸機彈丸在高速旋轉(zhuǎn)的葉片和葉輪離心力的作用下被加速拋出。該型噴丸機噴丸功率小，制造成本高，主要用于噴丸強度高、品種少、批量大、形狀簡單、尺寸較大的工件，如圖3所示。

②氣動離心噴丸機以壓縮空氣為驅(qū)動力，將彈丸加速到較高速度后，隨后彈丸撞擊工件的受噴表面。該型噴丸機可通過控制氣壓來控制噴丸強度，操作靈活，一臺機器可噴多個零件，適用于噴丸強度低、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

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，滾球或輥軸對被加工零件表面進行滾壓或擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強化層的工藝過程，如圖5所示。

表面滾壓技術(shù)的表面改性層深度可達到5mm以上，僅適用于一些形狀簡單的平板類零件、軸類零件和溝槽類零件等，對形狀復(fù)雜的零件表面無法應(yīng)用。表面滾壓技術(shù)具有很多無法比擬的優(yōu)點，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單，加工效率高；滾壓滾壓技術(shù)是一種無切削加工工藝，在加工過程中不會產(chǎn)生廢屑、廢液，對環(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展，從而進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)濟效益。

（1）作用機理

①微觀組織機理。經(jīng)過切削加工之后，金屬的表面都殘留有刀具的切削痕跡，在微觀下觀察可以看見金屬的表面呈現(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發(fā)生強烈的塑性變形。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于另一部分發(fā)生相對滑移。在外力的作用下，晶體不斷滑移，晶粒在變形過程中逐步由軟取向轉(zhuǎn)動到硬取向，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被破壞。金屬內(nèi)部晶粒的不斷滑移會使得晶粒的位錯密度增加、晶格發(fā)生畸變，符號相反的位錯相互抵消，符號相同的位錯則重新排列行成更加微小的亞晶粒。晶粒越細小，位錯密度越高，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度和疲勞性能得到顯著提高。

②表面質(zhì)量機理。金屬表面質(zhì)量的好壞常用表面粗糙度來衡量，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。滾壓強化就是利用滾輪對工件表面的滾壓作用，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動，填入到原始殘留的低凹波谷中，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，進而提高工件的疲勞壽命。

③殘余壓應(yīng)力機理。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)力可以延長工件的疲勞壽命。金屬材料表面的裂紋擴展的條件是外加交變載荷達到某一界限（即應(yīng)力強度達到材料本身的臨界應(yīng)力強度時）。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，其對工件的疲勞強度有很大的影響，但目前對其研究還不夠成熟，沒有數(shù)學(xué)公式能夠準(zhǔn)確地計算出較佳滾壓力。較佳滾壓力還與零件本身強度、零件尺寸、滾輪直徑等因素有關(guān)，生產(chǎn)中則是通過工藝試驗來確定較佳滾壓力；滾壓次數(shù)即為滾輪壓過工件同一位置的次數(shù)，它對工件的疲勞強度有很大影響，次數(shù)較少時，工件表面未能達到應(yīng)有的塑性變形，次數(shù)較多時，工件會產(chǎn)生接觸疲勞，嚴(yán)重時會使表面脫落；滾壓速度即為滾壓加工時工件的轉(zhuǎn)動速度，其對工件的疲勞強度影響不大，但影響滾壓加工的效率，若轉(zhuǎn)速過高，則會引起較大的塑性變形，轉(zhuǎn)速過慢又會降低生產(chǎn)效率。在生產(chǎn)中需要根據(jù)實際情況來確定合適的滾壓速度。

（3）孔擠壓強化

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

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。

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

等離子體擴滲技術(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)，又稱等離子體擴滲技術(shù)(PDT)或粒子轟擊擴滲技術(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)生變化的工藝過程。

與普通氣體熱擴滲技術(shù)相比，離子熱擴滲具有如下特點：

(1)離子轟擊濺射將會去除工件表面的氧（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)可通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制熱擴滲層的組織以及滲層的厚度；

(4)對環(huán)境沒有污染，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、太陽核心等屬于高溫等離子體。

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

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

在電場中，帶電粒子發(fā)生定向運動。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躍遷到較高能級，變成亞穩(wěn)態(tài)的受激原子；受激電子返回基態(tài)時，將能量以光子的形式釋放出來（輝光），若帶電粒子撞擊的能量較大，可能會將原子中的某個電子撞離原子（電離）。

1離子滲氮的機理

（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)通入少量含氮氣體，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，開始滲氮；

(5)保溫特定時間，達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離子滲氮的組織類型及影響因素

在小于590℃（共析溫度）的溫度環(huán)境下進行滲氮，隨著氮勢的增加，滲氮層的組織自外向內(nèi)依次為：ε→ε+γ’→γ’+擴散層→α擴散層，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)滲氮時間：滲氮初期（<30min）滲速遠大于氣體滲氮速度，隨時間延長，滲速減慢，逐漸接近氣體滲氮速度。

(3)滲氮氣體：常用的有氨、氮氣+氫氣等。

(4)滲氮氣壓、電壓和電流密度：氣壓越大，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價離子滲氮層的性能的指標(biāo)主要包括以下幾個方面：

(1)硬度：滲氮層的硬度取決于滲氮溫度、鋼中合金元素種類和鋼種。

(2)疲勞強度：滲氮可以提高工件的疲勞強度，并隨擴散層厚度的增加而提高。

(3)韌性：滲氮層中，僅有擴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，離子滲氮對滾動摩擦的耐磨性較好。

常用鋼種的離子滲氮工藝見表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，對材料表面進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

(1)激光束處理后，材料表面的化學(xué)均勻性很高，晶粒細小，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行處理。

(5)工藝過程無需真空，無化學(xué)污染。

(6)激光處理過程中，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、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、工作臺、數(shù)控系統(tǒng)和軟件編程系統(tǒng)。

3激光表面處理

技術(shù)的原理及特點激光是一種相位一致、波長特定、方向性極強的電磁波，激光束是由一系列反射鏡和透鏡來控制，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)。按激光強度和輻射時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)熱性達到冷卻的目的，從而實現(xiàn)其表面強化的工藝方法。它在材料加工中的如下優(yōu)點：

(1)能量傳遞方便，可以對被處理工件表面進行有選擇性的局部強化；

(2)能量作用集中，加工時間短，熱影響區(qū)小，激光處理后，工件變形小；

(3)能夠處理表面形狀復(fù)雜的工件，且容易實現(xiàn)自動化；

(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

后的組織類型由于激光加熱速率極快，相變過程是在很大的過熱度下進行的，所以晶核的形核率很大。因加熱時間短，碳原子的擴散及晶粒的長大均受到限制，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針馬氏體組織。通過對組織類型的觀察，可將激光束處理后的鋼表面進行區(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

（1）激光相變硬化

激光相變硬化又稱激光淬火，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，組織類型迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，經(jīng)快速冷卻后，獲得極細小馬氏體和其他組織，其特點如下：

①材料表面可高速加熱和高速自冷。加熱速度可達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，一般來說比常規(guī)淬火硬度高5%~20%，處理結(jié)束后可獲得極細的硬化層組織。

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度；但厚度小于5mm的零件其變形仍不可忽視。

④可以對形狀復(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，工藝過程易實現(xiàn)計算機控制，自動化程度高，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，無需冷卻介質(zhì)，對環(huán)境沒有污染。

（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)光束移開后自冷卻的一種表面強化方法。其特點如下：

①冷卻速度快且（高達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粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是低熔點金屬表面熔敷高熔點合金；

④能進行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有很好的性能價格比；

⑤光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷；

⑥工藝過程易于實現(xiàn)自動化。

（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，熔化層在凝固時獲得的冷卻速度可達10?~10?℃/s，相當(dāng)于急冷淬

4電子束表面處理技術(shù)的分類

電子束表面處理技術(shù)的分類如圖11所示。

（1）電子束表面相變強化

對于有馬氏體相變過程的金屬，其工藝過程的關(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10?~10?℃/s。

電子束快速熔凝造成過飽和固溶強化，并形成超細馬氏體，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)遠遠超過常規(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，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電子束表面強化技術(shù)的應(yīng)用

模具鋼經(jīng)電子束表面強化后，材料的表層發(fā)生熔化，表面重熔層的厚度達到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，造成過飽和固溶強化，并形成超細化馬氏體，試樣顯微硬度從955.2HK提高到1169HK，相對耐磨性提高了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)的基本原理是儲能電源通過電極，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，形成合金化表面強化層，改善工件表面的物理及化學(xué)性能。

電火花表面強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)過程圖12是電火花表面處理技術(shù)過程示意圖。當(dāng)電極與工件之間的距離較大時，電源經(jīng)電阻R對電容充電，電極在振動器的帶動下向工件靠近，如圖12(a)所示；當(dāng)電極與工件之間的間隙接近到某個距離時，間隙中的空氣在強電場的作用下電離，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，電極繼續(xù)接近工件并與工件接觸，這時火花放電停止，在接觸點流過短路電流，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工件，如圖12(d)所示。

圖12 電火花表面強化過程示意圖

（1）高溫高壓下的物理化學(xué)冶金過程。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）高溫擴散過程。擴散過程既發(fā)生在熔化區(qū)內(nèi)，也發(fā)生在液-固相界上。由于擴散時間非常短，液相元素向基體的擴散量有限的，擴散層很淺，但是基體與合金層也能達到較好的冶金結(jié)合。

（3）快速相變過程。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，細化了晶粒，提高了硬度，并產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，對提高疲勞強度有利。

2 電火花表面處理技術(shù)的特點

（1）優(yōu)點

①設(shè)備簡單，造價低；

②強化層與基體的結(jié)合非常牢固；

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

④能耗低，材料消耗少；

⑤對處理對象無大小限制，尤其適合大工件局部處理；

⑥表面強化效果顯著；

⑦可用來恢復(fù)磨損超差的工件；

⑧操作簡單，容易掌握。

（2）缺點

①表面強化層較淺，一般深度僅0.02~0.5mm；

②表面粗糙度不會很低；

③小孔、窄槽難處理，表層強化層均勻性連續(xù)性較差。