表面處理加熱源

表面處理設備加熱源表面處理隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們往往對材料的性能提出了更高的要求。而材料的表面處理就是增強材料性能的一種重要方法。經(jīng)過適當?shù)奶幚?，工件的機械性能和使用壽命往往會大幅度增加。因而，提高了勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了大量的人力物力。大體上，目前表面處理設備的加熱源有應用普遍的離子束、激光束、電子束以及新型的聚焦光束加熱源等。離子束激光束電子束聚焦光束（新型）

離子束離子注入表面處理：把某種元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百伏的電壓下進行加速，在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件表面的一種離子束加工技術(shù)。

離子束電子束產(chǎn)生原理圖

離子束離子注入形成的表層合金不受相平衡、固溶度等傳統(tǒng)合金化規(guī)則的限制，因此，原則上任何元素都可以注入到任何基體金屬中。當一定能量的離子射入固體零件后，與其中的原子核和電子發(fā)生碰撞，并與原子進行電荷交換。離子不斷消耗能量，運動方向不斷改變，當能量消耗殆盡時就會停留在靶材中。

離子束離子注入示意圖：注入元素在離表面X處的濃度N(x):

離子束

離子束離子注入特點：在高真空、較低溫度下進行，基體不受污染，也不會引起熱變形、退火和尺寸的變化。并且注入原子與基體金屬沒有界面，注入層不存在剝落問題。并經(jīng)過處理后的材料其表面硬度顯著提高、耐磨耐腐蝕及抗疲勞性能也有明顯的提高。但是離子注入層很薄，在處理小孔時很困難，設備復雜昂貴，故其應用受到限制。激光束激光是由受激輻射引起的并通過諧振放大了的光，由于激光亮度極高，大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度極高。因此常被用于醫(yī)學，工業(yè)中。如圖所示，激光器一般的組成：激光束產(chǎn)生原理：光學諧振腔由放置在工作物質(zhì)兩側(cè)的平面反射鏡組成，這兩個反射鏡嚴格平行。其中一個是反射率為100%的全反射鏡，另一個是反射率為50%~90%的部分反射鏡。工作物質(zhì)位于兩反射鏡之間。當工作物質(zhì)受到外界激發(fā)產(chǎn)生輻射時，其傳播方向與腔體軸向相同的光子將引起其他激發(fā)態(tài)的工作物質(zhì)產(chǎn)生連鎖性的受激輻射，再到達部分反射鏡時放出一部分光子。其他大部分仍反射回來進行反饋，從而形成光振蕩，并不斷從部分反射鏡的輸出端發(fā)出光子成為激光束。激光束實用激光器：紅寶石激光器、釹玻璃激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器等固體激光器和CO2氣體激光器。由于CO2激光器輸出的激光波長為10.6μm,屬于中紅外線范圍，易于控制。故工業(yè)中經(jīng)常使用其中最常用的是后者，所以我們著重介紹CO2激光器。CO2氣體激光器主要由放電系統(tǒng)、循環(huán)氣體系統(tǒng)、諧振光處理系統(tǒng)三部分組成。激光束CO2氣體激光器的基本結(jié)構(gòu)圖：激光束激光處理前的步驟由于一般零件是在精加工之后才強化處理的，而光亮的表面則會提高對激光的反射率，從而導致激光的吸收率低。因此，激光處理之前必須進行表面預處理。預處理：通常采用黑化方法，即在表面得到一層黑色薄膜以增加表面的吸收能力。激光束一般方法：表面預處理方法磷化法：將清洗的零件放在磷酸鹽為主的溶液中，浸漬或加溫后的到磷化膜。此種方法簡單，適合大批量生產(chǎn)以及低碳鋼、中碳鋼和鑄鐵的機加工面。通過處理后，其表面吸收率可由10~15%提高到70~95%碳素法：利用碳素墨汁以及炭黑膠體石墨懸浮于一定粘接劑溶液中，用噴涂的方法施加在零件表面。特點：適應性強，能在任何材料上噴涂，還可以用在大零件的局部處理，吸收率高達90%以上油漆法：采用黑色烏光漆涂敷在工件表面。方法簡單，適用于任何材料。吸收率高達85%以上激光束優(yōu)點：金屬對激光的吸收系數(shù)可達吸收過程主要發(fā)生在表面0.01~0.1μm厚的薄層內(nèi)。激光表面處理的深度決定于由表面向內(nèi)部熱擴散的距離，其值很小，易于控制。激光光斑的功率密度很大，可準確的引導工件不同的位置，且工件的變形小，處理后可不再進行機加工或只需少量的機加工。經(jīng)過激光處理后的零件，其硬度、強度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能都有顯著的改變，大大的提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，加倍的延長產(chǎn)品的使用壽命。因此，有效地降低了成本。故其應用較廣。電子束電子束：利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽極間的高壓（25-300kV）加速電場作用下被加速至很高的速度（0.3-0.7倍光速），經(jīng)透鏡會聚作用后，形成密集的高速電子流。電子束電子束產(chǎn)生圖解：電子束

產(chǎn)生原理：在電子槍里，燈絲9通電加熱后，燈絲表面產(chǎn)生大量的熱電子。在陰極8和陽極7之間的高壓電的作用下，熱電子加速向陽極高速移動，并獲得很高的動能，其具體速度值取決于加速電壓的高低。一般可達到光速的2/3左右。在聚焦線圈6的作用下可使電子流聚焦。在偏轉(zhuǎn)線圈7的作用下可使電子束發(fā)生偏移，從而在一定范圍內(nèi)掃描。通常將產(chǎn)生、加速以及匯聚束流的裝置稱為電子槍。電子槍的工作電壓通常在幾十到四百千伏之間。為防止高壓擊穿，有時需要對電子束的束流散射或減損其能量。電子槍的真空度必須保持在6.67*10-2pa以上。這樣得到了能量密度極高的實用的電子束流.電子束電子束應用電子束表面改性：利用空間高速定向運動的電子流，在撞擊工件后將部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，以改善工件表面狀態(tài)。由于電子束更容易被金屬吸收，因此大約有75%以上的能量直接轉(zhuǎn)化為熱能，提供局部熱處理所需能量。所以電子束加熱時間極短，而且不會造成大面積的變形。電子束表面改性：類型電子束表面淬火：利用高能電子束快速掃描工件，使基體材料表層快速吸收能量而升溫至鋼的相變點之上，發(fā)生馬氏體相變而進行的表面強化電子束熔凝處理：利用電子束輻照金屬表面，使其溫度迅速達到熔點以上，形成局部過熱狀態(tài)，而基體尚處于冷態(tài)，相當于熔化金屬的”淬火劑“，將其迅速冷卻至室溫。電子束表面合金化及熔敷：采用高能量密度的電子束快速作用在金屬表面，通過精準控制電子束的功率密度和作用時間，將一種或多種合金元素快速熔入金屬表面薄層熔區(qū)，使之發(fā)生物理或化學變化，從而使金屬表面具有特定的合金成分來強化金屬近年來，國際上對表面強化所采用的熱源手段開展了大量的研究工作，從常規(guī)熱源到激光等特種熱源的應用研究十分活躍。自上世紀60年代末原西德學者首次將聚焦燈束用于連接技術(shù)領域以來，國際上對聚焦光束熱加工技術(shù)已非常重視聚焦光束可采用太陽光、碳弧、白熾燈以及大功率氣體放電燈作為光輻射源。聚焦光束目前一般用大功率氙燈作光源，其發(fā)光效率高，功率大（可達10Kw以上），且可瞬時啟動、發(fā)光穩(wěn)定。它的光譜是波長為0.2~2.0μm的混合光，且0.8~1.0μm波長范圍內(nèi)的輻射含量達78%，可見光占12%，紫外線僅為1%。金屬材料對這樣的短波光譜的吸收率非常高。另外，氙燈能將50~60%的電能通過極間放電轉(zhuǎn)化為光輻射，因而能量轉(zhuǎn)化密度大于激光等輻射光源。由Nordri?（

）設計提供聚焦光束氙光燈原理：由于燈內(nèi)放電物質(zhì)是惰性氣體氙氣，其激發(fā)電位和電離電位相差較小。氙燈輻射光譜能量分布與日光相接近,色溫約為6000K。氙燈均為連續(xù)光譜部分的光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關(guān)，在壽命期內(nèi)光譜能量分布也幾乎不變。氙燈的光、電參數(shù)一致性好，工作狀態(tài)受外界條件變化的影響小。氙燈一經(jīng)燃點，幾乎是瞬時即可達到穩(wěn)定的光輸出；燈滅后，可瞬時再燃點。氙燈的光效較低，電位梯度較小。聚焦光束氙光輻射聚焦光束優(yōu)點：A:被處理的材料可以使金屬及其合金，也可以是玻璃、陶瓷、建筑材料、電介質(zhì)等非金屬材料B:可在大氣、可控氣氛及真空條件下通過透明介質(zhì)進行非接觸性局部加熱C:光斑對被處理表面無機械作用力，加熱過程平靜，可以保證良好的粗糙度要求D:采用相對簡單的聚焦手段即可獲得高能量密度的光源。通過調(diào)節(jié)光學結(jié)構(gòu)，可任意改變光束的空間導向聚焦光束目前聚焦光束已經(jīng)有了初步的應用，但現(xiàn)在使用的