表面工程學(xué)三.表面淬火

1、第四章第四章 表面淬火和表面形變強(qiáng)化表面淬火和表面形變強(qiáng)化 熱處理的4種工藝：退火、正火、淬火、回火。熱處理知識(shí)熱處理知識(shí)（復(fù)習(xí)） 熱處理的本質(zhì)：通過(guò)改變組織達(dá)到改善金屬的機(jī)械性能。 熱處理的4個(gè)工藝參數(shù)：加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度。一、表面淬火技術(shù)的原理1 表面淬火 用特殊的加熱方式將鋼表面快速加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上，隨后快速冷卻，使鋼鐵表層發(fā)生馬氏體相變，生成硬化層。第一節(jié)第一節(jié) 表面淬火技術(shù)的原理與特點(diǎn)表面淬火技術(shù)的原理與特點(diǎn)2 表面淬火的分類表面淬火的分類一般按加熱源的名稱分類火焰表面淬火 高頻感應(yīng)表面淬火 等離子弧表面淬火 激光表面淬火 電阻表面

2、淬火 表 41 常用表面淬火常用鋼及鑄鐵牌號(hào) 類 別 鋼 號(hào) 應(yīng) 用 碳素結(jié)構(gòu)鋼 35, 40, 45, 50 小模數(shù)、輕載齒輪及軸類零件 40Cr, 45MnB 中等模數(shù)、 輕載齒輪和高強(qiáng)度傳動(dòng)軸 30CrMo, 42CrMo,42SiMn 模數(shù)較大、負(fù)載較大的齒輪與軸類 合金結(jié)構(gòu)鋼 5CrMnMo, 5CrNiMo 負(fù)荷大的零件 灰口鑄鐵 機(jī)床導(dǎo)軌、氣缸套 鑄 鐵 球墨鑄鐵, 合金球墨鑄鐵 曲軸、機(jī)床主軸、凸輪軸 一般用于處理中碳調(diào)質(zhì)鋼和球墨鑄鐵。3 適合表面淬火的金屬材料適合表面淬火的金屬材料 加熱速度越快，奧氏體晶粒越細(xì)、硬度越高。二、表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別二、表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)

3、別 (1) 快速加熱使奧氏體成分不均勻，易形成貧碳的奧氏體，合金元素也難實(shí)現(xiàn)成分均勻化。 表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別 (2) 提高加熱速度將使Ac3與Acm線上移，可以防止過(guò)熱。（1） 奧氏體中未溶碳化物和高碳偏聚區(qū)的存在將促進(jìn)過(guò)冷奧氏體分解，使奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏诳s短，C曲線向左移動(dòng)。表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別 (3) 不均勻的奧氏體在冷卻過(guò)程對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物產(chǎn)生很大影響：（2） 亞共析鋼中原鐵素體領(lǐng)域形成低碳奧氏體，原珠光體領(lǐng)域形成高碳奧氏體。兩種奧氏體在淬火后分別得到低碳馬氏體及高碳馬氏體。表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別

4、 (4)4 快速加熱淬火后的回火溫度一般應(yīng)比普通回火溫度略低。表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別表面淬火與常規(guī)淬火的區(qū)別 (5)1 表面淬火層的組織和硬度分布 表面淬火層分為：（1） 淬硬區(qū) （完全相變區(qū) ）（2） 過(guò)渡區(qū) （部分相變區(qū) ）（3） 心部區(qū) （無(wú)相變區(qū) ）三、表面淬火層的組織和性能三、表面淬火層的組織和性能 45鋼的淬硬區(qū)組織為馬氏體；過(guò)渡區(qū)組織為馬氏體鐵素體；心部組織為珠光體鐵素體。 硬化層的厚度可用金相法和硬度法測(cè)定。 表面淬火層的組織和硬度分布表面淬火層的組織和硬度分布硬度法測(cè)定硬化層的厚度金相法測(cè)定硬化層的厚度（1） 表面硬度：經(jīng)高頻加熱淬火的工件其表面硬度比普通淬火高25個(gè)HRC

5、。這是由于表面淬火晶粒細(xì)化和高的殘余壓應(yīng)力。2 表面淬火層的性能表面淬火層的性能（1）（2） 耐磨性：高頻淬火件的耐磨性比普通淬火要高。這是由于淬硬層中馬氏體晶粒極為細(xì)小，碳化物高度彌散，淬硬層硬度和強(qiáng)度都比較高。表面淬火層的性能表面淬火層的性能（2）（3） 疲勞強(qiáng)度：高頻淬火可顯著提高零件的疲勞強(qiáng)度。這是由于表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力可以抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，使其缺口敏感性下降。表面淬火層的性能表面淬火層的性能（3）表 42 40Cr 鋼不同處理狀態(tài)下疲勞強(qiáng)度的比較 處理狀態(tài) 疲勞強(qiáng)度 1 Nmm2 正火 調(diào)質(zhì) 調(diào)質(zhì)+表面淬火= 5mm 調(diào)質(zhì)+表面淬火= 9mm 200 240 290 330 表 4

6、3 40Cr 鋼不同處理工藝對(duì)缺口敏感度的影響 疲勞強(qiáng)度 1 Nmm2 試樣形式 調(diào)質(zhì) 調(diào)質(zhì)+表面淬火 = 20mm 光滑試樣 = 20mm 缺口試樣 450480 140 630 600 一、感應(yīng)加熱淬火基本原理 鐵制零件在高頻交變磁場(chǎng)中，鐵的內(nèi)部將產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流。電流在金屬體內(nèi)自行閉合，稱為渦流。由于工件阻抗很小，渦流很大。受集膚效應(yīng)的影響，越靠近工件表面電流越大。感應(yīng)電流快速將零件的表面加熱到Ac3或Acm以上，快速冷卻后即可在零件表層獲得馬氏體組織。 第二節(jié)第二節(jié) 感應(yīng)加熱淬火技術(shù)感應(yīng)加熱淬火技術(shù) 在理想狀態(tài)下，單匝感應(yīng)圈加熱1厘米高的柱形工件表面吸收功率P 式中 R0工件直徑mm

7、；I感應(yīng)圈內(nèi)電流A；鋼的電阻率；磁導(dǎo)率；f頻率。 (f)1/2為吸收因子。 電流（渦流）導(dǎo)入深度與、f的關(guān)系是 mm 感應(yīng)加熱頻率越高，淬硬層越淺，但加熱速度越快。2/1203)(1025. 1fIRPf41003. 5一、感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的基本原理一、感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的基本原理（1）表69 感應(yīng)加熱淬火用交流電頻率 名 稱 頻率范圍/Hz 淬硬深度/mm 高 頻 （100500）103 0.52 超音頻 （20100）103 25 中 頻 （1.510）103 25 工 頻 50 1015 感應(yīng)加熱頻率與淬硬層的關(guān)系感應(yīng)加熱頻率與淬硬層的關(guān)系 磁導(dǎo)率和電阻率又與工件的溫度有關(guān)，在Ac1以上(

8、770)磁導(dǎo)率幾乎降至為零。這樣鋼中電流導(dǎo)入深度可簡(jiǎn)化為 20時(shí)： mm 800時(shí)： mm 所以溫度越高，加熱速度越慢，避免了表面過(guò)熱。 f500800f2020圖43 鋼的磁導(dǎo)率、電阻率與加熱溫度的關(guān)系感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的基本原理感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的基本原理（3）以齒輪加工為例鍛打毛坯正火處理(220HB)粗加工調(diào)質(zhì)處理（250HB）精加工（滾齒）感應(yīng)加熱淬火回火（55HRC）磨削二、二、 感應(yīng)加熱表面淬火工藝流程感應(yīng)加熱表面淬火工藝流程齒輪高頻淬火 熱效率高、加熱時(shí)間短； 工件表面氧化、脫碳比較輕，變形??； 比普通熱處理具有更優(yōu)異的機(jī)械性能； 設(shè)備易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高； 零件棱邊

9、易過(guò)熱，形狀復(fù)雜的零件難以保證溫度均勻； 設(shè)備投資較大。三、感應(yīng)加熱的優(yōu)缺點(diǎn)三、感應(yīng)加熱的優(yōu)缺點(diǎn)高頻感應(yīng)加熱裝置（電子管式）高頻感應(yīng)加熱裝置（電子管式）電子管式高頻感應(yīng)加熱電路圖電子管式高頻感應(yīng)加熱電路圖晶體管式高頻感應(yīng)加熱設(shè)備晶體管式高頻感應(yīng)加熱設(shè)備晶體管式高頻感應(yīng)加熱示例晶體管式高頻感應(yīng)加熱示例1 超高頻感應(yīng)加熱淬火 利用27.12MHz超高頻率的極強(qiáng)的趨膚效應(yīng)使0.05mm 0.5mm的零件表層在極短的時(shí)間內(nèi)加熱，然后靠自身迅速冷卻，達(dá)到淬火目的。 特點(diǎn)：變形量較小，不必回火。主要用于小、薄的零件，可明顯提高質(zhì)量，降低成本。四、感應(yīng)加熱淬火新技術(shù)四、感應(yīng)加熱淬火新技術(shù)（1）技術(shù)參數(shù) 普通

10、高頻淬火 超高頻沖擊淬火 頻 率 (200 300) kHz 27.12 MHz 功率密度 200 W/cm2 (10-30) kW/cm2 加熱時(shí)間 (0.1 5) s (1 500) ms 硬化層深度 (0.5 2.5) mm (0.05 0.5) mm 工件冷卻 噴水或其他冷卻 自身冷卻 淬火層組織 正常馬氏體組織 極細(xì)針狀馬氏體 畸 變 不可避免 極小 普通高頻淬火和超高頻淬火比較普通高頻淬火和超高頻淬火比較2 雙頻感應(yīng)加熱淬火 對(duì)于凹凸不平的工件可采用兩種頻率交替加熱，較高頻率加熱時(shí)，凸出部位溫度較高；較低頻率加熱時(shí)，低凹部位溫度較高。這樣可達(dá)到均勻硬化的目的。感應(yīng)加熱淬火新技術(shù)（感

11、應(yīng)加熱淬火新技術(shù)（2）3 超音頻感應(yīng)加熱淬火 采用20kHz 50kHz的頻率（超音頻波）感應(yīng)加熱淬火可解決凹凸不平工件表面淬硬層不均勻的問(wèn)題。感應(yīng)加熱淬火示例感應(yīng)加熱淬火示例Die HardeningInduction hardening of forming tool (Volvo)Die HardeningDie HardeningDie HardeningFinal result.Die HardeningDie HardeningDie Hardening第三節(jié)第三節(jié) 火焰表面加熱淬火技術(shù)火焰表面加熱淬火技術(shù) (flame surface hardening) 用火焰將工件表面快速加

12、熱到Ac3或Acm以上，然后用水快速冷卻，以在表層獲得馬氏體組織。 分焰心1、內(nèi)焰2和外焰3三個(gè)區(qū)。 內(nèi)焰溫度最高。 有較大的溫度梯度。（根據(jù)氧與乙炔的比例不同，氧乙炔焰還可分為氧化焰、還原焰、中性焰三種）1 火焰加熱的特點(diǎn)火焰加熱的特點(diǎn) 要有較高的發(fā)熱值，來(lái)源容易，價(jià)格低廉，貯存和使用安全可靠，污染小。表 410 常用火焰加熱表面淬火用燃料特性 火焰溫度 燃料名稱 發(fā)熱值 kcal/m3 氧助燃 空氣助燃 氧與燃料 氣體積比 空氣與燃料 氣體體積比 乙炔 天然氣(甲烷) 丙烷 城市煤氣 煤油 12754 8900 2435 2670 8010 * 3100 2700 2640 2540 23

13、00 2320 1875 1925 1985 1.0 1.75 4.0 * 2.0 9.0 25.0 * 2 火焰加熱淬火用燃料火焰加熱淬火用燃料（1） 旋轉(zhuǎn)法：火焰噴嘴或工件旋轉(zhuǎn)。 適合中小型工件。3 火焰加熱淬火方法火焰加熱淬火方法（1）為了使工件表面加熱均勻,可采取如下方法：（2） 推進(jìn)法：工件和火焰噴嘴做相對(duì)移動(dòng)。 適合導(dǎo)軌、大齒輪等工件；火焰加熱淬火方法火焰加熱淬火方法（2）（3） 聯(lián)合法(旋轉(zhuǎn)推進(jìn)法)： 使火焰噴嘴及冷卻裝置沿著轉(zhuǎn)動(dòng)的工件作相對(duì)移動(dòng)。 適合長(zhǎng)軸類工件?；鹧婕訜岽慊鸱椒ɑ鹧婕訜岽慊鸱椒ǎ?） 單位時(shí)間消耗的燃?xì)庠蕉啵訜崴俣仍娇臁?火焰停留的時(shí)間越長(zhǎng)，表面溫度越高。

14、火焰停留時(shí)間越長(zhǎng)淬硬層越厚。 淬硬層深度還和鋼的淬透性、工件比表面積大小有關(guān)。4 影響火焰表面淬火硬化層的工藝因素影響火焰表面淬火硬化層的工藝因素 硬化層較厚，硬度梯度較平緩，耐磨性好；5 火焰加熱表面淬火的優(yōu)缺點(diǎn)火焰加熱表面淬火的優(yōu)缺點(diǎn)（1） 投資少，簡(jiǎn)單易行，處理費(fèi)用低； 大小零件均可處理，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作； 溫度均勻性差，難以控溫，質(zhì)量波動(dòng)大。 因有軟帶的問(wèn)題，只能進(jìn)行局部淬火。5 火焰加熱表面淬火的優(yōu)缺點(diǎn)火焰加熱表面淬火的優(yōu)缺點(diǎn)（2）表面淬火中的軟帶問(wèn)題表面淬火中的軟帶問(wèn)題特大軸承表面淬火的軟帶問(wèn)題特大軸承表面淬火的軟帶問(wèn)題 利用高能束（激光束、電子束、等離子束）在被處理工件表面的能量

15、轉(zhuǎn)換加熱工件，使其快速加熱到Ac3或Acm相變溫度以上，然后利用自身快速冷卻，在材料表面獲得硬化層。第四節(jié)第四節(jié) 高能束表面淬火技術(shù)高能束表面淬火技術(shù)第七章 氣相沉積技術(shù)5.4.1 5.4.1 高能束表面改性高能束表面改性高能束的共同特征是，供給材料表面的功率密度高能束的共同特征是，供給材料表面的功率密度10103 3W/cmW/cm2 2。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 1. 功率密度高、作用時(shí)間短，易于獲得亞穩(wěn)態(tài)組功率密度高、作用時(shí)間短，易于獲得亞穩(wěn)態(tài)組織；織；2. 2. 非接觸式加熱，熱應(yīng)力小；非接觸式加熱，熱應(yīng)力??；3. 3. 可控性好，易于傳輸，處理環(huán)境清潔，污染少可控性好，易于傳輸，處理環(huán)境清潔

16、，污染少511960年在加利福尼亞州馬里年在加利福尼亞州馬里布的休斯研究實(shí)驗(yàn)室，西奧布的休斯研究實(shí)驗(yàn)室，西奧多多梅曼梅曼(Theodore Maiman)設(shè)計(jì)和建造了一臺(tái)小型的激設(shè)計(jì)和建造了一臺(tái)小型的激光發(fā)生器。光發(fā)生器。他將閃光燈線圈纏繞在指尖他將閃光燈線圈纏繞在指尖大小的紅寶石棒上，產(chǎn)生了大小的紅寶石棒上，產(chǎn)生了第一束激光，激光時(shí)代由此第一束激光，激光時(shí)代由此開啟，從此和人們的生活息開啟，從此和人們的生活息息相關(guān)。息相關(guān)。梅曼的實(shí)驗(yàn)顯示，閃光燈發(fā)出的足以致盲的強(qiáng)光可以使紅寶石棒充能，梅曼的實(shí)驗(yàn)顯示，閃光燈發(fā)出的足以致盲的強(qiáng)光可以使紅寶石棒充能，這些能量隨后以純粹的紅色光脈沖的形式釋放，這些

17、相干光有恒定的相這些能量隨后以純粹的紅色光脈沖的形式釋放，這些相干光有恒定的相位差，就像是列隊(duì)前進(jìn)的士兵們。位差，就像是列隊(duì)前進(jìn)的士兵們。52隨著激光的誕生，軍事隨著激光的誕生，軍事機(jī)構(gòu)和小說(shuō)家看到射線機(jī)構(gòu)和小說(shuō)家看到射線槍能夠成為現(xiàn)實(shí)，就開槍能夠成為現(xiàn)實(shí)，就開始著手打造激光武器。始著手打造激光武器。19641964年，年，007007電影電影金金手指手指中大反派中大反派“金手金手指指”奧瑞克威脅詹姆斯奧瑞克威脅詹姆斯- -邦德，要用激光將他鋸邦德，要用激光將他鋸成兩半成兩半這在當(dāng)時(shí)，這在當(dāng)時(shí)，還是純粹的幻想。還是純粹的幻想。53埃米特埃米特利斯利斯(Emmett Leith)(Emmett

18、Leith)和和朱瑞斯朱瑞斯烏帕特尼克斯烏帕特尼克斯(Juris (Juris Upatnieks )Upatnieks )在在19641964年使用激光年使用激光對(duì)全息技術(shù)進(jìn)行了徹底改造，發(fā)對(duì)全息技術(shù)進(jìn)行了徹底改造，發(fā)明了第一個(gè)不需要特制眼鏡就能明了第一個(gè)不需要特制眼鏡就能看到的三維圖像?？吹降娜S圖像。 他們用分裂的激光光束將全息圖他們用分裂的激光光束將全息圖記錄在感光片上，其中一束激光記錄在感光片上，其中一束激光先被從被攝物體上反射開來(lái)，然先被從被攝物體上反射開來(lái)，然后再與另一束會(huì)合，在感光片上后再與另一束會(huì)合，在感光片上成像。用一束與成像時(shí)相同方向成像。用一束與成像時(shí)相同方向的激光照射

19、感光片，就會(huì)在觀看的激光照射感光片，就會(huì)在觀看者眼前產(chǎn)生一幅逼真的三維圖像。者眼前產(chǎn)生一幅逼真的三維圖像。這張玩具火車圖是這兩位科學(xué)家這張玩具火車圖是這兩位科學(xué)家在密歇根大學(xué)的威洛在密歇根大學(xué)的威洛魯恩實(shí)驗(yàn)魯恩實(shí)驗(yàn)室第一次記錄的全息圖。室第一次記錄的全息圖。54最初時(shí)，激光的色彩是相當(dāng)最初時(shí)，激光的色彩是相當(dāng)有限的：氦氖激光器和紅寶有限的：氦氖激光器和紅寶石發(fā)出紅光，其他激光器則石發(fā)出紅光，其他激光器則產(chǎn)生不可見的紅外線。產(chǎn)生不可見的紅外線。人們借助離子激光器第一次人們借助離子激光器第一次實(shí)現(xiàn)了如彩虹般的七彩激光，實(shí)現(xiàn)了如彩虹般的七彩激光，它通過(guò)在氬或氪中的高壓放它通過(guò)在氬或氪中的高壓放電產(chǎn)生

20、激光。氬氣產(chǎn)生藍(lán)色電產(chǎn)生激光。氬氣產(chǎn)生藍(lán)色和綠色的光，氪產(chǎn)生其他幾和綠色的光，氪產(chǎn)生其他幾種顏色，兩種氣體的混合可種顏色，兩種氣體的混合可以產(chǎn)生整個(gè)可見光譜中的顏以產(chǎn)生整個(gè)可見光譜中的顏色。夢(mèng)幻的激光秀從此誕生。色。夢(mèng)幻的激光秀從此誕生。55激光技術(shù)第一次走進(jìn)日常激光技術(shù)第一次走進(jìn)日常生活，是美國(guó)超市使用發(fā)生活，是美國(guó)超市使用發(fā)出紅色氦氖激光的條形碼出紅色氦氖激光的條形碼掃描槍實(shí)現(xiàn)收款自動(dòng)化。掃描槍實(shí)現(xiàn)收款自動(dòng)化。若爾斯若爾斯阿爾費(fèi)羅夫阿爾費(fèi)羅夫(Zhores Alferovand )(Zhores Alferovand )和和赫伯特赫伯特克勒默克勒默(Herbert (Herbert Kro

21、emer)Kroemer)改進(jìn)了制作半導(dǎo)改進(jìn)了制作半導(dǎo)體二極管激光器的方法，體二極管激光器的方法，讓激光真正地?zé)o處不在。讓激光真正地?zé)o處不在。這兩位科學(xué)家因此獲得了這兩位科學(xué)家因此獲得了20002000年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。 ( (圖中所示為一個(gè)半導(dǎo)體二極管激光器和五圖中所示為一個(gè)半導(dǎo)體二極管激光器和五美元鈔票大小的對(duì)比。美元鈔票大小的對(duì)比。) )如今，這樣的芯片如今，這樣的芯片隨處可見，比如說(shuō)隨處可見，比如說(shuō)CDCD播放器、藍(lán)光播放器、播放器、藍(lán)光播放器、紅色激光筆并構(gòu)成了全球電信網(wǎng)絡(luò)的骨干。紅色激光筆并構(gòu)成了全球電信網(wǎng)絡(luò)的骨干。56在工業(yè)上，激光被用作永遠(yuǎn)不會(huì)變鈍在工業(yè)上，激

22、光被用作永遠(yuǎn)不會(huì)變鈍的鋸和鉆頭。最初人們使用激光來(lái)加的鋸和鉆頭。最初人們使用激光來(lái)加工硬度很高的材料，如鉆石，或非常工硬度很高的材料，如鉆石，或非常柔軟的材料，例如嬰兒奶瓶的奶嘴。柔軟的材料，例如嬰兒奶瓶的奶嘴。 低功率激光可以切割和焊接塑料；高低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金屬。功率激光可以切割和焊接金屬。早期的工業(yè)激光器，必須要有非常龐早期的工業(yè)激光器，必須要有非常龐大的體形，才能產(chǎn)生足夠的能量，但大的體形，才能產(chǎn)生足夠的能量，但新型固態(tài)激光器卻非常小巧，給人印新型固態(tài)激光器卻非常小巧，給人印象深刻：如今一段細(xì)光纖或幾分之一象深刻：如今一段細(xì)光纖或幾分之一毫米厚、撲

23、克大小的盤片就能產(chǎn)生千毫米厚、撲克大小的盤片就能產(chǎn)生千瓦級(jí)的能量，足以切開幾厘米厚的金瓦級(jí)的能量，足以切開幾厘米厚的金屬片。屬片。57激光的首次在醫(yī)學(xué)上的成功應(yīng)用是進(jìn)激光的首次在醫(yī)學(xué)上的成功應(yīng)用是進(jìn)行眼內(nèi)手術(shù)，無(wú)需要切開眼球。行眼內(nèi)手術(shù)，無(wú)需要切開眼球。早在早在19621962年，一臺(tái)紅寶石激光器將年，一臺(tái)紅寶石激光器將病人脫落的視網(wǎng)膜與眼球重新連接，病人脫落的視網(wǎng)膜與眼球重新連接，使他恢復(fù)了視力。使他恢復(fù)了視力。更大的成功在更大的成功在19681968年到來(lái)，外科醫(yī)年到來(lái)，外科醫(yī)生弗朗西斯生弗朗西斯萊斯佩朗斯和貝爾實(shí)驗(yàn)萊斯佩朗斯和貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師使用氬離子激光器破壞異室的工程師使用氬離子激

24、光器破壞異常的血管，以避免這些血管在視網(wǎng)膜常的血管，以避免這些血管在視網(wǎng)膜中擴(kuò)散，這種病癥后果非常嚴(yán)重，會(huì)中擴(kuò)散，這種病癥后果非常嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致糖尿病人失明。這種治療方法已導(dǎo)致糖尿病人失明。這種治療方法已經(jīng)挽救了數(shù)百萬(wàn)人的視力。經(jīng)挽救了數(shù)百萬(wàn)人的視力。如今，激光也被用來(lái)切割角膜，以矯如今，激光也被用來(lái)切割角膜，以矯正視力，或者消除胎記和刺青。正視力，或者消除胎記和刺青。5858很久以來(lái)可控核聚變都是人們最理想很久以來(lái)可控核聚變都是人們最理想的清潔能源產(chǎn)生方式。的清潔能源產(chǎn)生方式。19621962年，在加利福尼亞州的勞倫斯利年，在加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，物理學(xué)家約弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，

25、物理學(xué)家約翰翰納科爾斯納科爾斯(John Nuckolls)(John Nuckolls)提出提出用激光脈沖加熱和壓縮重氫同位素塊用激光脈沖加熱和壓縮重氫同位素塊來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變。來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變。 自此之后，勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室一自此之后，勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室一直追尋著這個(gè)理念，他們使用的激光直追尋著這個(gè)理念，他們使用的激光器也越來(lái)越大，終于在美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火器也越來(lái)越大，終于在美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置裝置(National Ignition Facility)(National Ignition Facility)中中達(dá)到巔峰。這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可達(dá)到巔峰。這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可以同時(shí)發(fā)出以同時(shí)發(fā)出

26、192192束激光，束激光，去年，在十億分之幾秒的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生了能去年，在十億分之幾秒的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生了能量達(dá)到量達(dá)到100100萬(wàn)焦耳的激光脈沖，使之成為有萬(wàn)焦耳的激光脈沖，使之成為有史以來(lái)能量最強(qiáng)的激光器。國(guó)家點(diǎn)火裝置是史以來(lái)能量最強(qiáng)的激光器。國(guó)家點(diǎn)火裝置是美國(guó)科學(xué)家研制的、世界最大的激光核聚變美國(guó)科學(xué)家研制的、世界最大的激光核聚變裝置。據(jù)悉，這個(gè)被稱為裝置。據(jù)悉，這個(gè)被稱為“人造太陽(yáng)人造太陽(yáng)”的裝的裝置能產(chǎn)生類似恒星內(nèi)核溫度和壓力，使美國(guó)置能產(chǎn)生類似恒星內(nèi)核溫度和壓力，使美國(guó)在無(wú)需核試的情況下保持核威懾力。在無(wú)需核試的情況下保持核威懾力。 基本過(guò)程基本過(guò)程: :v將某種元素的原子或攜帶該元

27、素的分子經(jīng)離化變成帶電離將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電離子子v在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）v以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)源（源（SourceSource）：）： 一般采用氣體源，如一般采用氣體源，如 BFBF3 3，BClBCl3 3，PHPH3 3，A AS SHH3 3等。如用固等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。入放電區(qū)。離子源（離子源（Ion SourceIon Sourc

28、e）：）： 燈絲（燈絲（filamentfilament）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器氣體源：氣體源：BF3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.離子源：離子源：As，Ga，Ge，Sb，P，.離子注入過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，高能離子離子注入過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，高能離子進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，進(jìn)入靶后不斷與原子核及其核外電子碰撞，逐步損

29、失能量，最后停下來(lái)。停下來(lái)的位置逐步損失能量，最后停下來(lái)。停下來(lái)的位置是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒有電是隨機(jī)的，大部分不在晶格上，因而沒有電活性?；钚?。1激光淬火過(guò)程：將104105W/cm2高功率密度的激光束作用在工件表面，以105106/s的加熱速度將工件表面迅速升溫至相變點(diǎn)以上，然后依靠冷態(tài)基體以105/s的速度自冷淬火。一、一、 激光表面淬火激光表面淬火2 激光淬火設(shè)備激光淬火設(shè)備工業(yè)上常用的激光發(fā)生器有橫流CO2和YG兩種。CO210.60.12大，可達(dá)幾十千瓦連續(xù)、脈沖基膜或多模1-315-20YAG1.061.16小，最大幾千瓦連續(xù)、脈沖多模5-203（1）與基體力學(xué)性能有

30、關(guān)的熱處理：被處理金屬的原始組織對(duì)激光淬硬層的硬度和深度都有影響。3 材料表面預(yù)處理材料表面預(yù)處理（2） 提高零件表面激光吸收率的黑化處理：80的激光被平整金屬表面反射，黑化處理可以增加激光吸收率。 黑化處理的方法有：涂碳素墨汁、磷化處理、氧化處理或激光專用黑色涂料。相變硬化層的深度H與工藝參數(shù)的關(guān)系為：)(DvPH 4 激光淬火的工藝參數(shù)激光淬火的工藝參數(shù) 激光淬火適用范圍：硬化層深度0.75mm，寬度1.2mm，表面硬化效率8085mm2/min，一般激光表面淬火功率為16kw/cm2。 激光淬火主要工藝參數(shù)有激光功率P、光斑直徑D和掃描速度v。（1） 激光淬火組織相變硬化區(qū)：極細(xì)的馬氏體

31、；過(guò)渡區(qū)：為復(fù)雜的多相組織；基體：原始的基體組織。5 激光淬硬層的組織和性能激光淬硬層的組織和性能圖47 45鋼表面激光淬火 區(qū)橫截面金相組織圖48 45鋼激光淬火區(qū)顯微 硬度與淬硬層深度的關(guān)系（2） 激光淬硬層的硬度（激光淬硬層的硬度（1）激光淬硬層的硬度（激光淬硬層的硬度（2） 因極快速的加熱和冷卻，致使激光淬硬層的硬度比常規(guī)淬火高1520。淬硬層的硬度與和鋼的淬硬性有關(guān)。（3） 激光淬硬層的耐磨性激光淬硬層的耐磨性幾種材料激光淬火與其它處理的耐磨性比較 材 料 處理規(guī)范 強(qiáng)化面積/ 磨損量/mg 調(diào)質(zhì) 整體 30.9 40.9 45 激光強(qiáng)化 30 2.2 2.9 滲碳淬火 整體 2.2

32、 2.9 20Cr 激光強(qiáng)化 30 1.3 3.3 滲氮 全表面 3.4 4.9 38CrMoAl 激光強(qiáng)化 30 2.3 2.7 淬硬層組織細(xì)化，硬度比常規(guī)淬火高1520，耐磨性提高110倍。 能精確控制硬化層深度，工件變形小，表面無(wú)氧化脫碳。 只要激光能照射到的部位都可實(shí)現(xiàn)表面硬化處理。 加熱速度快、自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率高。 需對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)處理，以增加工件吸收激光的能力。 設(shè)備較貴。6 激光淬火的特點(diǎn)激光淬火的特點(diǎn)四、四、 激光表面淬火技術(shù)在汽車制造行業(yè)中的應(yīng)用激光表面淬火技術(shù)在汽車制造行業(yè)中的應(yīng)用表 476 激光表面硬化實(shí)例 加工零件 應(yīng)用單位 采用的激光設(shè)備 應(yīng)用效果 齒輪轉(zhuǎn)向器箱

33、體內(nèi)孔 美國(guó)通用 汽車公司 5 臺(tái) 500W 和 12 臺(tái) 1kW的 CO2 激光處理設(shè)備 每天處理 3.3 萬(wàn)件，每件處理時(shí) 18s，耐 磨性提高 9 倍。 柴油機(jī)汽缸套(灰鑄鐵) 美國(guó)通用 汽車公司 5 臺(tái) 5kWC02 激光器 15min 處理一件，提高耐磨性。 此工藝已定為該公司標(biāo)準(zhǔn)工藝 軸承圈 美國(guó)通用 汽車公司 采用一套千瓦級(jí) CO2 激光處理機(jī) 用于生產(chǎn)線上， 每分鐘處理 12 個(gè) 汽車缸套 意大利菲亞特汽車公司 采用 3.5kWC02 激光器 處理一件需要 21s。 發(fā)動(dòng)機(jī) 汽缸體 中國(guó)第一 汽車制造廠 四條自動(dòng)生產(chǎn)線2kWCO2 激光處理器 激光淬火使發(fā)動(dòng)機(jī) 壽命提高 1 倍

34、以上， 行車超過(guò) 20 萬(wàn) km 缸套的網(wǎng)紋淬火缸套的網(wǎng)紋淬火激光表面淬火實(shí)例激光表面淬火實(shí)例 激光束將基材表面快速加熱到熔化溫度以上，由基材內(nèi)部傳熱冷卻而使熔化層表面快速冷凝結(jié)晶的表面處理工藝技術(shù)。 工件橫截面沿深度方向的組織依次為：熔凝層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材。熔凝層為鑄態(tài)組織（也可能出現(xiàn)非晶態(tài)組織）。二、激光表面熔凝技術(shù)二、激光表面熔凝技術(shù)（1） 激光熔凝處理特別適合于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的表面強(qiáng)化，熔凝層為碳含量很高的白口鑄鐵，顯微硬度可以高達(dá)10001100HV，耐磨性非常優(yōu)越。激光表面熔凝技術(shù)激光表面熔凝技術(shù)（2） 激光熔凝層比激光淬火層的硬化層深，硬度高，耐磨性更好。缺點(diǎn)是基

35、材表面的粗糙度較大，需精加工后才能使用。 類似于激光表面淬火技術(shù)。工件對(duì)電子束的吸收能力大于激光束，所以淬硬層深度高于激光淬火。電子束淬火必須在真空環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)備投入大，還要防止x射線輻射，所以應(yīng)用范圍受到限制。四、電子束表面淬火四、電子束表面淬火 （略略）補(bǔ)充內(nèi)容：補(bǔ)充內(nèi)容： 等離子弧加熱表面淬火技術(shù)等離子弧加熱表面淬火技術(shù)直流等離子弧示意圖 直流等離子弧功率大、電弧溫度高、弧焰流速快、能量集中。等離子弧溫度弧焰流速1 直流熱等離子弧直流熱等離子弧轉(zhuǎn)移弧：加熱效率高，常用于等離子焊接和切割。非轉(zhuǎn)移?。汗ぜ唤与姡訜嵝实?，常用于等離子噴涂、等離子弧表面淬火；聯(lián)合?。弘娀》€(wěn)定，常用于等離子

36、噴焊。2 直流等離子弧分類直流等離子弧分類 利用等離子弧將工件快速加熱到Ac3或Acm相變溫度以上，然后靠基體本身冷卻（小功率）或邊加熱邊用水冷卻（大功率）淬火。 3 等離子弧加熱表面淬火等離子弧加熱表面淬火4 多功能等離子弧加熱設(shè)備多功能等離子弧加熱設(shè)備（2） 等離子槍結(jié)構(gòu)圖 加熱速度快，處理效率高； 處理表面無(wú)氧化，質(zhì)量高； 不適合整個(gè)平面硬化處理； 比激光淬火裝置投資少（約8萬(wàn)元/套）。4 等離子弧加熱表面淬火特點(diǎn)等離子弧加熱表面淬火特點(diǎn) 等離子弧淬火技術(shù)在80年代后開始獲得應(yīng)用，如處理缸套、曲軸等。5 等離子束加熱表面淬火的應(yīng)用等離子束加熱表面淬火的應(yīng)用1 電阻加熱表面淬火技術(shù)：（1）電接觸加熱法：電極工件之間通低壓大電流，利用電流產(chǎn)生電阻熱加熱工件表面，然后用水冷卻淬火。如機(jī)床導(dǎo)軌表面硬化處理。第五節(jié)第五節(jié) 電阻加熱表面淬火技術(shù)電阻加熱表面淬火技術(shù)（1） 利用電接觸界面之間低壓大電流產(chǎn)生的電阻熱快速加熱到相變溫度以上并淬火的工藝方法。（2）電解液加熱法：工件（陰極）置入電解質(zhì)液（陽(yáng)極）中，在電解作用下工件表面與電解質(zhì)之間形成一層電阻較大