第八章材料的表面改性

1、第八章第八章 材料的表面改性材料的表面改性 1 表面淬火 根據(jù)加熱方式不同，表面淬火主要有：感應(yīng)加熱（高頻、中頻、工頻）表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光加熱表面淬火和電子束加熱表面淬火等幾種。 1、感應(yīng)加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬火是采用一定方法使工件表面產(chǎn)生一定頻率的感應(yīng)電流，將零件表面迅速加熱，然后迅速淬火冷卻的一種熱處理操作方法。 1.1 感應(yīng)加熱基本原理 當(dāng)工件放在感應(yīng)器（空心銅管繞成）內(nèi)，感應(yīng)器中一般通入中頻或高頻交流電（頻率一般為500300000Hz）以產(chǎn)生交變磁場，于是工件中就感應(yīng)產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流有這樣一個特性，即在工件

2、截面上的分布是不均勻的，心部電流密度幾乎等于零，而表面電流密度極大，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。頻率越高，電流密度極大的表面層越薄。由于鋼本身具有具有電阻， 因而集中于工件表面的電流可使表層迅速被加熱，在幾秒鐘內(nèi)即可使溫度上升至8001000，而心部溫度仍接近室溫。一待表層溫度上升至淬火溫度，便立即噴水冷卻，使工件表面層淬硬。 1.2 感應(yīng)加熱的頻率選用 由上式可知，頻率越高，電流透入深度越淺，即脆透層越薄。因此，可以選用不同頻率來達(dá)到不同要求的淬硬層深度。 根據(jù)所用電流的頻率不同，感應(yīng)加熱可分為三類： f/20 高頻加熱：電流頻率在100500kHz，一般最常用是200300kHz，電源設(shè)備為電子

3、管式高頻加熱裝置。 中頻加熱：電流頻率在50010000kHz，常用為25008000kHz，電源設(shè)備為機(jī)械式中頻加熱裝置或可控硅中頻發(fā)生器。 工頻加熱：電流頻率為50Hz，電源設(shè)備為機(jī)械式工頻加熱裝置。 1.3 感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn) 感應(yīng)加熱時，鋼的加熱速度極大，致使珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的轉(zhuǎn)變溫度升高，轉(zhuǎn)變溫度范圍擴(kuò)大，轉(zhuǎn)變所需時間縮短。 感應(yīng)加熱表面淬火可以在工件表層得到極細(xì)的所謂“隱晶馬氏體”組織，它使表面具有比普通淬火稍高的硬度（高23HRC）和較低的脆性，并具有較高的疲勞強(qiáng)度。 感應(yīng)加熱表面淬火的工件不宜氧化和脫碳，變形也小。 淬硬層深度易于控制，淬火操作容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。 1

4、、火焰加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火是用乙炔氧氣或煤氣氧的混合氣體燃燒的火焰，噴射在零件表面上，使它快速加熱，當(dāng)達(dá)到淬火溫度時立即噴水冷卻，從而獲得預(yù)期的硬度和淬硬層深度的一種表面淬火方法。 常用于中碳鋼如35、45鋼以及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr、65Mn等。碳含量太低，則淬火后硬度較低，碳和合金元素含量過高，則易淬裂。 火焰加熱表面淬火的淬硬層深度一般為26mm，若要獲得更深的淬硬層，往往會引起零件表面嚴(yán)重的過熱，且易產(chǎn)生淬火裂紋。 2 化學(xué)表面改性 1、鋼材化學(xué)表面改性 1.1概述 概念：鋼材化學(xué)表面改性，是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素滲入工件表面，以改變表

5、層的化學(xué)成分組織，從而使工件表面具有不同于工件心部性能的一種熱處理工藝。 特點(diǎn)：表面層不僅有組織的變化，而且有成分的變化。 性能變化：化學(xué)表面改性處理后的鋼件表面可以獲得比表面淬火所具有的更高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，同時心部仍保持良好的塑性和韌性。 分類：滲碳、滲氮、碳、氮共滲、多元共滲、滲硼、滲硫、滲金屬等等?；瘜W(xué)表面改性的基本過程： 滲劑中的反應(yīng)：在一定溫度下從滲劑中分解出含有被滲元素的“活性原子”的過程。 滲劑中的擴(kuò)散：外擴(kuò)散。包括滲碳反應(yīng)生成的滲入元素向工件表面擴(kuò)散及相界面反應(yīng)產(chǎn)物從界面逸散。 相界面反應(yīng)：滲入元素中的活性原子吸附于工件表面，被吸附的活性原子與工件表面的原子發(fā)生吸附與解

6、吸附反應(yīng)。 金屬工件中的擴(kuò)散：擴(kuò)散是工件表面吸收并溶解被滲活性原子后，由于造成表面與心部元素濃度差而發(fā)生的被滲入元素原子由高濃度表面向內(nèi)部的遷移過程。 金屬中的反應(yīng)：滲入元素滲入基體金屬后，在擴(kuò)散溫度下，隨著其在表面濃度的增加，當(dāng)其濃度超過工件基體溶解能力時，在金屬工件中形成新相的過程。 1.2 鋼的滲碳 滲碳的目的與意義：滲碳使低碳（C）0.150.30鋼件表面獲得高碳濃度（C）1.0，后續(xù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇慊鸷突鼗鹛幚恚蕴岣弑砻娴挠捕?、耐磨性及疲勞?qiáng)度，同時心部仍保持良好的韌性及塑性。 滲碳方法： 氣體滲碳法：將工件置于密封的加熱爐內(nèi)，加熱到900950，向爐內(nèi)滴入易分解有機(jī)液體（如煤油、甲醇

7、+丙酮等），或直接通入滲碳?xì)怏w（如煤氣、丙烷、石油液化氣等）。在氣體滲碳時，通過一系列氣相反應(yīng)，生成活性碳原子。活性碳原子溶入高溫奧氏體中，而后向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)滲碳。 固體滲碳法：把零件和固體滲碳劑裝入滲碳箱中，用蓋子和耐火泥封好，然后放在爐中加熱至滲碳溫度（900950），保溫足夠長時間，獲得一定厚度的滲碳層。固體滲碳劑通常是由一定粒度的木碳與1520的碳酸鹽（BaCO3或Na2CO3）組成。 真空滲碳及離子滲碳：進(jìn)行真空滲碳時，首先將工件裝爐后把爐內(nèi)抽到預(yù)定負(fù)壓狀態(tài)，然后將工件加熱到滲碳溫度（一般為9201040）并預(yù)熱一定時間，以使工件脫氣，凈化表面和均熱，再把滲碳?xì)獬淙霠t內(nèi)并達(dá)到預(yù)

8、定壓力進(jìn)行滲碳處理。滲碳過程結(jié)束后，再把爐內(nèi)抽成真空，此時表面高碳區(qū)的碳原子繼續(xù)向心部擴(kuò)散，達(dá)到預(yù)定 表面含碳量及滲層深度后，打開真空隔熱門，工件經(jīng)水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)送入冷卻室。室內(nèi)裝有冷風(fēng)扇，工件經(jīng)預(yù)冷后由升降機(jī)構(gòu)將其淬入油槽中，淬火后經(jīng)后爐門取出進(jìn)行回火處理。也可采用在預(yù)冷室內(nèi)冷卻后取出進(jìn)行重新加熱處理工藝。 離子滲碳是把零件放入真空加熱室中并作為離化電源陰極，通入滲碳?xì)怏w，使陰陽極之間產(chǎn)生輝光放電，滲碳?xì)怏w電離后向零件轟擊進(jìn)行滲碳。滲碳工藝： 滲碳溫度的選擇：通常采用滲碳溫度在900950之間。對于滲層較薄的精密零件，滲碳溫度可以降到880900，而采用真空滲碳、離子滲碳，溫度可以提高到950

9、1100。 滲碳時間： 滲碳層深度（一般規(guī)定從表面量到過渡區(qū)一半的組織處作為滲層深度），mm。 保溫時間，h。 T熱力學(xué)溫度，K。 )/3720(10/6 .802T 碳勢控制：碳勢是表征含碳?xì)夥赵谝欢囟认赂淖児ぜ砻婧剂磕芰Φ膮?shù)，通?？捎玫吞间摬诤?xì)夥罩械钠胶夂剂縼肀硎尽?滲碳用鋼：滲碳用鋼含碳量一般在0.150.25之間，為了提高心部強(qiáng)度，可以提高到0.30。 滲碳后的熱處理：工件滲碳后，僅使鋼件表層含碳量增加，要使工件表層具有高硬度和高耐磨性，必須進(jìn)行后續(xù)熱處理。常用的熱處理方法有以下三種： 直接淬火低溫回火：工件滲碳后從滲碳溫度冷卻到淬火起始溫度，直接淬火的方法稱為直接淬火

10、。 滲碳后直接淬火工藝簡單，生產(chǎn)效率高，節(jié)約能源，成本低，脫碳傾向小。但由于滲碳溫度高，奧氏體晶?？赡荛L大，造成淬火后馬氏體晶粒粗大殘余奧氏體數(shù)量增多，表面耐磨性變差，變形加大。因此，該方法僅使用于奧氏體本質(zhì)晶粒度細(xì)鋼或耐磨性要求低、承受載荷輕的零件。 一次淬火低溫回火：零件滲碳后隨爐冷卻或出爐空冷、坑冷到室溫，再重新加熱到淬火溫度進(jìn)行淬火的處理方法稱為一次淬火。 兩次淬火低溫回火：保證心部與表面獲得較高的機(jī)械性能，可采用滲碳緩冷后進(jìn)行兩次加熱淬火的處理工藝，其工藝曲線如圖109所示。第一次淬火加熱溫度稍高于零件心部成分Ac3點(diǎn)，以保證心部 晶粒細(xì)化，不產(chǎn)生游離鐵素體，同時消除滲碳后緩冷表面出

11、現(xiàn)的先共析網(wǎng)狀滲碳體。第二次淬火溫度稍高于Ac1溫度，以保證淬火后表層獲得細(xì)晶馬氏體及粒狀碳化物，滿足工件表面高硬度、高耐磨性要求。 滲碳熱處理后的組織性能：滲碳熱處理后，零件表面獲得回火馬氏體少量殘余奧氏體及一定數(shù)量的粒狀碳化物。表層硬度可達(dá)到HRC5864。心部組織為低碳馬氏體，零件較大時心部組織可能出現(xiàn)屈氏體或索氏體。得到低碳馬氏體時硬度可達(dá)HRC3050，未淬火時，硬度約為HB137183。由于滲碳及后續(xù)熱處理后表層為高碳馬氏體，體積膨脹大，而心部為低碳馬氏體（或鐵素體加屈氏體、索氏體），體積膨脹小，所以表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，這有利于零件疲勞強(qiáng)度的提高。 1.3 鋼的氮化 概念：在一定溫度下

12、（一般在Ac1以下）使活性氮原子滲入工件表面，形成富氮硬化層的化學(xué)熱處理工藝稱為氮化。 根據(jù)氮化時加熱方式及氮化機(jī)理不同，可分為普通氮化及離子氮化兩大類。 氣體氮化 基本原理：將氨氣通入加熱到滲氮溫度的密封滲氮罐中，氨氣在450以上溫度時與鐵接觸發(fā)生分解，所產(chǎn)生活性氮原子不斷自表層向心部擴(kuò)散，在氮化表層依次產(chǎn)生氮在中的間隙固溶體相，鐵、氮化合物相（Fe4N）及相（Fe23N）。所形成的滲層組織可以根據(jù)Fe-N相圖及擴(kuò)散條件進(jìn)行分析。 氮化用鋼：目前廣泛使用的氮化用鋼為38CrMoAl。特點(diǎn)是滲氮后可獲得很高的硬度（約為HV1000）及具有良好的淬透性，不易產(chǎn)生二類回火脆性。氮化工藝 抗磨氮化：

13、等溫滲氮工藝在氮化開始的1520h是氮化物形成階段，此時采用較低的氨分解率（18%25%），為的是使工件 表面迅速吸收大量氮原子，建立高的氮濃度，加速原子向內(nèi)部擴(kuò)散，并使表面形成彌散度大的氮化物，以獲得表面高硬度。第二階段是擴(kuò)散階段，目的是增加滲層厚度，獲得平緩的過渡層。開始用氨分解率為3040，氨化結(jié)束前24小時，將氨分解率提高到80以上，進(jìn)一步降低氮濃度，減少脆性，這一階段稱為退氮。 抗蝕氮化：耐蝕氮化是通過氣體氮化法在零件表面形成0.010.06mm厚的相層，以提高鋼及鑄鐵零件耐水、潮濕空氣及弱堿溶液腐蝕能力。具體工藝為：600650，氨分解率為4050，時間為4090分鐘，或70072

14、0，氨分解率為5560，時間為2030min。 離子氮化： 概念：在低于常壓下的滲氮?dú)夥罩?，利用工件（陰極）和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電進(jìn)行滲氮的工藝。 離子氮化層形成原理：輝光放電時，電子在向陽極運(yùn)動的過程中與氣體分子碰撞，使其電離N與H+,在陰陽極電場作用下，N與H+離子加速射向陰極。到達(dá)陰極工件后，離子所具有的能量一部分轉(zhuǎn)變?yōu)?熱能，使工件升溫，一部分使離子直接滲入工件內(nèi)部，有一部分轟擊工作表面時從陰極表面打出電子和原子，產(chǎn)生陰極濺射。被濺射下來的鐵原子和帶電原子態(tài)氮相結(jié)合而放出氮。氮原子一部分滲入工件表面并向內(nèi)擴(kuò)散形成氮化層。一部分氮回到放電的等離子區(qū)氣體中，和其它氮原子一樣重新參與氮化作

15、用。離子氮化工藝： 電參數(shù)：電流密度 氣參數(shù)：氣體的組成、氣壓、流量 熱參數(shù)：溫度和時間 主要是溫度、時間和氣體的組成 溫度：38CrMoAr鋼用520540，其它合金結(jié)構(gòu)鋼用480530，高合金工具鋼用480540，不銹鋼用550580。 氣氛：常用純氨，熱分解氨或N2+H2的混合氣。 電參數(shù)：維持在異常輝光放電區(qū)工作。 離子氮化滲層組織與性能特點(diǎn)：獲得比其它氮化更高的表面硬度。表面硬度在450500范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值。與氣體氮化工藝相比較，由于離子氮化工件表層氮化物白亮層比較薄，使得氮化層具有較好的韌性、耐磨性及較高的疲勞強(qiáng)度。 1.4 鋼的碳氮共滲 向鋼件表層同時滲入碳和氮的過程稱為碳氮共滲

16、，習(xí)慣上又稱氰化。主要方法有液體和氣體碳、氮共滲兩種。常用的是氣體碳氮共滲。 中溫氣體碳氮共滲：將鋼件放入密封爐內(nèi)，加熱至820860，向爐內(nèi)通入煤油或滲碳?xì)怏w，同時通入氨氣。 中溫氣體碳氮共滲工藝以滲碳為主，但與滲碳工藝相比較，它又具有以下特點(diǎn)： 由于氮擴(kuò)大鐵碳相圖相區(qū)，因而使A c 3 溫 度 降 低 ， 所 以 滲 碳 溫 度 低（820860），奧氏體晶粒不會長大，處理后可直接淬火。 滲速比單一滲碳、滲氮工藝快。 由于氮增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，碳氮共滲后可采用油淬，工件變形小。 比滲碳層具有更高的耐磨性、疲勞強(qiáng)度和低的脆性。 低溫氣體碳氮共滲：是以滲氮為主的碳氮共滲過程。當(dāng)?shù)吞荚油?/p>

17、時滲入鋼中時，很快在表面形成細(xì)小的含氮滲碳體，這些碳、氮化合物構(gòu)成鐵的氮化物形成核心，從而加速氮化過程，縮短氮化時間。低溫碳氮共滲一般采用甲酰胺、三乙醇胺、尿素、醇類加氨等，這些滲劑在軟氮化溫度下發(fā)生分解，產(chǎn)物為活性C、N原子。 2、玻璃的表面處理 2.1 玻璃表面處理的三大類型 通過表面處理，控制玻璃表面凹凸， 形成玻璃的光滑面或散光面。 改變玻璃表面的薄層組成，改善表面的性質(zhì)，以得到新的性能，如表面著色。 在玻璃表面上用其它物質(zhì)形成薄層而得到新的性質(zhì)，即表面涂層。 2.2 玻璃的化學(xué)蝕刻 玻璃的化學(xué)蝕刻是用氫氟酸溶掉玻璃表面層的硅氧，根據(jù)殘留鹽類溶解度的不同，而得到有光澤的表面或無光澤的毛

18、面。 蝕刻后玻璃的表面性質(zhì)決定于氫氟酸與玻璃作用后所生成的鹽類性質(zhì)、溶解度大小、結(jié)晶的大小以及是否容易從玻璃表面清除，此外，玻璃的化學(xué)組成和蝕刻液的組成也是影響蝕刻表面的兩個主要因素。 2.3 化學(xué)拋光 化學(xué)拋光的方法：單純的化學(xué)浸蝕作用（除氫氟酸外，還要加入能使浸蝕生成物溶解的添加物，一般采用硫酸）；化學(xué)浸蝕和機(jī)械的研磨相結(jié)合。 影響化學(xué)拋光的因素：玻璃的成分；氫氟酸和硫酸的比例；酸液的溫度；處理時間。 2.4 表面金屬涂層方法： 化學(xué)法常用于玻璃表面鍍銀。用某些有機(jī)物的還原反應(yīng)，從銀絡(luò)化合物的氨溶液中沉淀出金屬銀，并使銀均勻分布在玻璃的表面。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單；缺點(diǎn)：銀層厚，原料消耗大，均勻性

19、不如真空沉積法好，且易產(chǎn)生污染。（還原法、水解法）、真空沉積法包括真空蒸發(fā)鍍膜法、陰極濺射法、真空電子槍蒸渡法。 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 法 ： 在 低 于136.8106Pa的真空條件下，把被蒸發(fā)的金屬加熱到蒸發(fā)溫度，使之揮發(fā)沉積到玻璃表面，形成所需要的膜層。 真空電子槍蒸渡法：將蒸鍍材料盛放在導(dǎo)電的坩堝內(nèi)，在高真空狀態(tài)下用電子束轟擊加熱，使之蒸發(fā)的方法。特點(diǎn)：可以使蒸鍍材料局部加熱，避免了蒸鍍材料的分解，并且可以避免蒸鍍材料與蒸發(fā)舟相浸蝕，易于制備高要求的優(yōu)質(zhì)膜，避免了真空電阻加熱法蒸鍍的一些困難。 陰極濺射法：在低真空中（一般為10-110-2Pa），陰極在荷能粒子（通常為氣體正離子，這

20、通過氣體放電而產(chǎn)生）的轟擊下，陰極表面的原子從中逸出的現(xiàn)象稱為濺射。逸出的分子原子一部分受到氣體分子的碰撞而回到陰極，另一部分則凝結(jié)于陰極附近的基板上而形成薄膜。 2.5 表面導(dǎo)電膜 概念：在玻璃表面涂上金屬氧化物或金屬的薄膜，使玻璃具有很好的導(dǎo)電性，稱為表面導(dǎo)電玻璃。 用途：飛機(jī)、車輛、船舶、冷凍設(shè)施的觀察窗，以及加熱板、電子顯示裝置上的透明電極、集成電爐制造的工業(yè)譜線圖板、絕緣子的防電暈涂層、靜電遮蔽板以及熱射線遮斷窗等方面。 材料：SnO2、In2O3、CdO;Au、LaB6、鎢銅等。為了提高導(dǎo)電性能，在氧化物中進(jìn)行摻雜，即加入活化劑，如Sn4+加Sb5+，In3+加Sn4+、Ti4+、

21、Zn2+、Cd2+加In3+。導(dǎo)電膜的制造方法： 熱噴霧法：玻璃在電爐中加熱到700左右，用噴槍將金屬鹽的溶液噴涂在玻璃表面，鹽溶液分解，在玻璃表面形成氧化物導(dǎo)電薄膜。 鹽溶液中的成分有基礎(chǔ)溶液、活性劑、修飾劑等。加入活性劑后電阻明顯降低。修飾劑可起到調(diào)節(jié)電阻的作用，如在SnO2-Sb2O3膜的組成中加入V、Fe、Cu、Zn等，則電阻急劇提高，加入Mn、Co、Ni時，電阻變化不明顯，加入HF、NH4F等則電阻明顯下降。修飾劑還可以使薄膜穩(wěn)定，改變電阻溫度系數(shù)與透過光的顏色。 浸漬法：冰醋酸1份、無水酒精1份、氯化亞錫2份，經(jīng)120130煮沸成為混合物，再將玻璃加熱到軟化溫度，浸入此混合物中幾秒

22、鐘后，即得到SnO2的表面涂層，透光率可達(dá)92。浸漬液也可用無水氯化亞錫1份加無水酒精1份。 真空沉積法：在1.3310-3Pa的真空中，用1015/s的速度進(jìn)行金屬膜的真空沉積，可以得到表面電阻3001000的金屬膜（膜厚100500 ）。 優(yōu)點(diǎn)：均勻、重復(fù)性好、平滑度和透明度好，材料消耗少，不需防止公害措施；缺點(diǎn)是設(shè)備費(fèi)用大。 還原法：把玻璃加熱到200250，通入金屬鈦、硅的氧化物，生成高電阻的膜，然后放在還原氣氛中，如TiCl4在H2、N2及H2S氣氛中于550600加熱2h，得到表面電阻為10002500的透明導(dǎo)電膜。 2.6 表面憎水涂層 在玻璃表面施加硅有機(jī)化合物等涂層可起到憎水

23、的作用。這類涂層用于高濕度下的觀察窗、電氣絕緣材料以及防止玻璃表面漏電及防止風(fēng)化的場合。 清潔處理：先在弱堿中清洗，然后用5的鹽酸處理30min，這樣在玻璃表面形成微孔和極薄的SiO2薄膜，以便用硅有機(jī)物處理時更好的與表面結(jié)合。 處理方法：噴霧法與浸漬法。 噴霧法：先將硅有機(jī)化合物溶于乙醇，再用水適當(dāng)稀釋，然后用噴槍在加熱到100的玻璃表面上，根據(jù)需要采用雙面噴涂或單面噴涂設(shè)備，噴涂完畢還必須在100下熟化10min。 浸漬法是將清潔處理后的玻璃進(jìn)入硅有機(jī)物溶液中，然后在100、200或300 保溫1h，再在空氣中冷卻，以形成有機(jī)硅薄膜。 2.7 表面著色 在高溫下用著色離子的金屬、熔鹽、鹽類

24、的糊膏涂覆在玻璃表面上，使著色離子與玻璃中的離子進(jìn)行交換，擴(kuò)散到玻璃表層中去使玻璃著色；有些金屬離子還需要還原為原子，原子聚成膠體著色。 應(yīng)用電浮法可連續(xù)生產(chǎn)表面著色玻璃，其主要原理是在浮法成形熔融錫槽上的高溫玻璃上面，另外設(shè)置需要著色的熔融金屬槽，這兩種熔融金屬槽通以直流電壓，上面的金屬離子就擴(kuò)散到玻璃中，進(jìn)行離子交換。因?yàn)橹車h(huán)境是還原氣氛，使用低電壓、離子就容易擴(kuò)散，而且還原為膠體狀，形成表面著色的玻璃或熱反射玻璃。 2.8 表面光學(xué)薄膜 根據(jù)用途可分為：增透膜、反射膜、分光膜、濾光膜。增透膜：減少光的反射，增加光的透過。 原理：利用膜和玻璃兩個介質(zhì)中反射光的相位干涉而使反射光線相互抵消

25、。極端情況是：如這些反射率能適當(dāng)?shù)仄胶?，則兩種反射波返回透鏡內(nèi)部的總能量為零，此時絕對不會有反射光發(fā)生，光波沒有能量損失。 單層增透膜的材料有MgF2、SiO2、CaF2、冰晶石等。MgF2膜的折射率為1.38，可用真空沉積法涂膜，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，是常用的增透材料。SiO2膜折射率1.44，對高折射玻璃，如nd1.7172的ZF3玻璃涂SiO2增透膜后，反射率可降低到1.2。SiO2膜有良好的牢固性和物理化學(xué)穩(wěn)定性。涂SiO2膜可用真空沉積法也可用水解法，由硅酸乙脂水解，得到硅酸，失水后成SiO2膜。 反光膜： 材料：金屬（銀、鋁、金、鎳等）、氧化物（CeO2-MgF2）、硫化物氟化

26、物（ZnS-MgF2、ZnS-ThF4）等。 分光膜： 濾光膜： 3 三束表面改性 三束是指激光束、離子束、電子束。 三束對材料表面進(jìn)行改性的特點(diǎn)： 激光束的能量密度大，被處理的材料表面向里能夠產(chǎn)生1068K/cm的溫度梯度，從而使表面薄層迅速熔化。由于溫度梯度大，這樣冷的基體又會使熔化部分以10611K/s的速度冷卻，這種極高的加熱和冷卻速度，可在材料表面制得微晶、非晶及其它一些奇特的、熱平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)合金（非平衡相），從而賦予材料表面以特殊的性能。 利用離子束注入技術(shù)，可把異類原子直接引入表面層中進(jìn)行表面合金化，引入的原子種類和數(shù)量不受任何常規(guī)合金化熱力學(xué)條件的限制。 三束用于材料

27、表面處理時，由于加熱速度極快，所以基材的整體溫度在加熱過程中可以不受影響。 1、激光束表面改性技術(shù) 概念：應(yīng)用光學(xué)透鏡將激光束聚集到很高的功率密度與很高的溫度，照射各種材料表面，借助于材料的自身傳導(dǎo)冷卻，來實(shí)現(xiàn)材料表面改性的方法。 1.1 激光束的產(chǎn)生： 激活介質(zhì)：某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)（如氦、氖、二氧化碳）受外界能量激發(fā)時，使其處于亞穩(wěn)態(tài)能級的原子數(shù)目大于處于低能級的原子數(shù)目。 將激活介質(zhì)置于兩個反射鏡之間，如圖8-23所示，其中一個反射鏡為100的全反射鏡，相對的一個是反射率為5090的部分反射 鏡。在光學(xué)諧振腔內(nèi)，激活介質(zhì)受到激發(fā)而產(chǎn)生光子輻射，在輻射過程中，傳播方向與諧振腔軸向相

28、同的光子將引起其它激活介質(zhì)產(chǎn)生連鎖性的受激輻射，使輻射不斷加強(qiáng)。由于反射鏡的存在，光子在兩個反射鏡間不斷傳播、反射，沿軸向方向不斷傳播下去，形成光振蕩，最后由部分反射鏡的輸出端發(fā)射出來的頻率、位相、傳播和振動方向完全相同的光子稱為激光束。 1.2 激光束的特點(diǎn)： 高功率密度 方向性好 高單色性 1.3 激光束表面處理的特點(diǎn) 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。 表面層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而存在殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。 在不損失韌性的情況下獲得了高的表面性能。 處理部位可任意選擇。 輸入熱量少，熱變形小。 能量密度高，加工時間短。 表面光潔度高。 工藝過程無需真空、無化學(xué)污

29、染。 1.4 常見的激光表面處理工藝 激光表面淬火：又稱激光相變強(qiáng)化，指碳鋼或合金鋼在室溫下經(jīng)激光輻照，表層被迅速加熱至奧氏體化溫度以上，在激光停止輻照后，快速自冷淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法。 激光表面淬火對材料性能的影響： 硬度升高。由于激光鋼表面快速加熱到奧氏體化溫度以上并快速自冷淬火得到馬氏體組織，因此鋼的表面硬度大大升高。 改善疲勞性能。鋼經(jīng)激光表面淬火后，表層發(fā)生馬氏體相變而體積膨脹，從而在表層形成殘余壓應(yīng)力，這種表層壓應(yīng)力可大大提高疲勞強(qiáng)度。 提高耐磨性能。激光表面淬火后，表層晶粒明顯細(xì)化，有利于提高強(qiáng)韌性綜合性能指標(biāo)，同時硬度明顯升高，可顯著提高耐磨性，且被處理的零部件不受

30、尺寸限制。 殘余應(yīng)力。經(jīng)表面淬火后，零件表面由于獲得馬氏體組織發(fā)生膨脹，而內(nèi)部限制其膨脹，從而在表面形成殘余壓應(yīng)力，到一定深度后，殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。表面殘余壓應(yīng)力的存在，有利于提高零部件的疲勞強(qiáng)度，推遲零部件在服役過程中裂紋的萌生與擴(kuò)展。 激光表面合金化：預(yù)涂在材料表面的混合元素粉末，在激光束的輻照下熔化，并向基材推移，直至預(yù)涂粉末與界面處的基材達(dá)到熔化。合金化涂層一般為耐蝕、耐磨或減磨涂層。 激光熔覆：將預(yù)先配好的合金粉末（或在合金粉末中添加硬質(zhì)陶瓷顆粒）預(yù)涂到基材表面。在激光的輻照下，混合粉末熔化（硬質(zhì)陶瓷顆粒可以不熔化）形成熔池，直到基材表面微熔。激光停止輻照后，熔化區(qū)凝固，并

31、在界面處與基材達(dá)到冶金結(jié)合。 熔覆基材：廉價的鋼鐵材料，有時也可選擇鋁合金、銅合金、鎳合金、鈦合金。 涂覆材料：Co、Ni、Fe基自熔合金粉末。 目的：提高零部件表面的耐磨、耐熱與耐蝕性能。 激光非晶化：金屬表面在激光束輻照下熔化并快速冷卻，熔化合金在快速凝固過程中來不及結(jié)晶，從而在表面形成厚度為110um的非晶相，這種非晶薄層不僅具有高強(qiáng)度、高韌度、高耐磨性和高耐蝕性，而且具有獨(dú)特的電磁性和氧化性。 激光沖擊硬化：金屬表面在激光束輻照下迅速汽化，在表面原子逸出期間，發(fā)生動量脈沖而產(chǎn)生了強(qiáng)的機(jī)械沖擊波和應(yīng)力波，使表面硬化。提高材料的強(qiáng)度，提高鋼、鋁、鈦等合金的抗疲勞性能。 激光晶粒細(xì)化：利用激

32、光束輻照，使材料表面微熔而快速自冷，獲得微細(xì)晶粒組織，從而改善表面質(zhì)量，提高硬度與耐磨性等機(jī)械性能。 2、離子束表面強(qiáng)化 離子束注入：把所需要元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進(jìn)行加速，進(jìn)而轟擊零部件表面，使離子注入表層一定深度的真空處理工藝技術(shù)，從而改變材料表面層的物理化學(xué)和機(jī)械性能。 2.1 離子束注入的基本過程 以氣態(tài)形式存在的原子或分子被電離為離子，離子在幾萬伏至幾十萬伏電壓的加速系統(tǒng)中獲得高能量。具有高能量的離子束轟擊零部件表面，離子注入表面后，與零部件內(nèi)部的原子和電子發(fā)生各種碰撞。 注入離子與基體內(nèi)的電子發(fā)生彈性碰撞。 注入離子與基體內(nèi)的電子發(fā)生非彈性碰撞。 2.

33、2 提高材料機(jī)械性能的基本原理 損傷強(qiáng)化：在離子注入過程中，高能量的離子與組成基體的原子核發(fā)生彈性碰撞，從而使晶格受到損傷畸變而強(qiáng)化。 間隙固熔強(qiáng)化：原子半徑接近于晶格的某些間隙的非金屬元素注入金屬表層，它們在金屬的晶格中處于間隙位置，使晶格產(chǎn)生畸變，阻礙位錯運(yùn)動，提高表面層的強(qiáng)度與硬度。 偏聚強(qiáng)化：若被注入的基體中存在位錯，則在位錯附近能量較高，若注入原子半徑較小的原子（如C、N），這些原子往往偏聚在位錯附近，降低位錯能量狀態(tài)，這樣在外力的施加過程中位錯不易起動，從而提高屈服強(qiáng)度。 沉淀強(qiáng)化：離子注入過程中，當(dāng)基體中注入元素的含量超過其固溶度時，注入元素與基體中的某些元素以化合物的形式在基體

34、中彌散沉淀析出，這種在較低溫度（100200）下形成的化合物尺寸較小，與基體保持關(guān)系，形成彈性應(yīng)力場，從而提高表面硬度。 殘余壓應(yīng)力：零部件表面注入離子后，由于表層的體積增大受到內(nèi)部的約束而形成殘余壓應(yīng)力，使其在疲勞載荷的作用下，裂紋不容易在表面產(chǎn)生與擴(kuò)展，從而提高疲勞強(qiáng)度。 2.3 改變材料表面化學(xué)性能的原理 表面鈍化層：在鋼基體表面注入易產(chǎn)生鈍化的元素，如Cr、Al、Si、Ta等元素，使表層的化學(xué)成分接近于耐腐蝕鋼的化學(xué)成分，從而在腐蝕過程中形成鈍化膜而提高耐腐蝕性。 表面惰性層：注入惰性元素，如Cu、Ni等，形成抗腐蝕性強(qiáng)的惰性表層，提高表層的化學(xué)穩(wěn)定性，改善耐腐蝕性能。 單相結(jié)構(gòu)表層：由于高能量離子束的注入作用，可獲得冶金方法得不到的單相固溶體，表層的單相組織結(jié)構(gòu)避免了不同相之間的電極電位差，從而獲得耐腐蝕性能。 表面層非晶化：采用重離子，以較大的能量進(jìn)行注入，使基體表層的原子周期性排列結(jié)構(gòu)被打亂，形成非晶態(tài)。在非晶相中不存在晶界、位錯等缺陷，降低表層的微電池數(shù)目，提高耐腐蝕性能。 表面氧化膜致密與增厚：離子注入的撞擊使表層的溫度升高，使原子擴(kuò)散速度增