表面处理加热源

表面处理设备加热源表面处理随着工业技术的快速发展，人们往往对材料的性能提出了更高的要求。而材料的表面处理就是增强材料性能的一种重要方法。经过适当的处理，工件的机械性能和使用寿命往往会大幅度增加。因而，提高了劳动生产率，节约了大量的人力物力。大体上，目前表面处理设备的加热源有应用普遍的离子束、激光束、电子束以及新型的聚焦光束加热源等。离子束激光束电子束聚焦光束（新型）

离子束离子注入表面处理：把某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百伏的电压下进行加速，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件表面的一种离子束加工技术。

离子束电子束产生原理图

离子束离子注入形成的表层合金不受相平衡、固溶度等传统合金化规则的限制，因此，原则上任何元素都可以注入到任何基体金属中。当一定能量的离子射入固体零件后，与其中的原子核和电子发生碰撞，并与原子进行电荷交换。离子不断消耗能量，运动方向不断改变，当能量消耗殆尽时就会停留在靶材中。

离子束离子注入示意图：注入元素在离表面X处的浓度N(x):

离子束

离子束离子注入特点：在高真空、较低温度下进行，基体不受污染，也不会引起热变形、退火和尺寸的变化。并且注入原子与基体金属没有界面，注入层不存在剥落问题。并经过处理后的材料其表面硬度显著提高、耐磨耐腐蚀及抗疲劳性能也有明显的提高。但是离子注入层很薄，在处理小孔时很困难，设备复杂昂贵，故其应用受到限制。激光束激光是由受激辐射引起的并通过谐振放大了的光，由于激光亮度极高，大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度极高。因此常被用于医学，工业中。如图所示，激光器一般的组成：激光束产生原理：光学谐振腔由放置在工作物质两侧的平面反射镜组成，这两个反射镜严格平行。其中一个是反射率为100%的全反射镜，另一个是反射率为50%~90%的部分反射镜。工作物质位于两反射镜之间。当工作物质受到外界激发产生辐射时，其传播方向与腔体轴向相同的光子将引起其他激发态的工作物质产生连锁性的受激辐射，再到达部分反射镜时放出一部分光子。其他大部分仍反射回来进行反馈，从而形成光振荡，并不断从部分反射镜的输出端发出光子成为激光束。激光束实用激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等固体激光器和CO2气体激光器。由于CO2激光器输出的激光波长为10.6μm,属于中红外线范围，易于控制。故工业中经常使用其中最常用的是后者，所以我们着重介绍CO2激光器。CO2气体激光器主要由放电系统、循环气体系统、谐振光处理系统三部分组成。激光束CO2气体激光器的基本结构图：激光束激光处理前的步骤由于一般零件是在精加工之后才强化处理的，而光亮的表面则会提高对激光的反射率，从而导致激光的吸收率低。因此，激光处理之前必须进行表面预处理。预处理：通常采用黑化方法，即在表面得到一层黑色薄膜以增加表面的吸收能力。激光束一般方法：表面预处理方法磷化法：将清洗的零件放在磷酸盐为主的溶液中，浸渍或加温后的到磷化膜。此种方法简单，适合大批量生产以及低碳钢、中碳钢和铸铁的机加工面。通过处理后，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胶体石墨悬浮于一定粘接剂溶液中，用喷涂的方法施加在零件表面。特点：适应性强，能在任何材料上喷涂，还可以用在大零件的局部处理，吸收率高达90%以上油漆法：采用黑色乌光漆涂敷在工件表面。方法简单，适用于任何材料。吸收率高达85%以上激光束优点：金属对激光的吸收系数可达吸收过程主要发生在表面0.01~0.1μm厚的薄层内。激光表面处理的深度决定于由表面向内部热扩散的距离，其值很小，易于控制。激光光斑的功率密度很大，可准确的引导工件不同的位置，且工件的变形小，处理后可不再进行机加工或只需少量的机加工。经过激光处理后的零件，其硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能都有显著的改变，大大的提高了产品的质量，加倍的延长产品的使用寿命。因此，有效地降低了成本。故其应用较广。电子束电子束：利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压（25-300kV）加速电场作用下被加速至很高的速度（0.3-0.7倍光速），经透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。电子束电子束产生图解：电子束

产生原理：在电子枪里，灯丝9通电加热后，灯丝表面产生大量的热电子。在阴极8和阳极7之间的高压电的作用下，热电子加速向阳极高速移动，并获得很高的动能，其具体速度值取决于加速电压的高低。一般可达到光速的2/3左右。在聚焦线圈6的作用下可使电子流聚焦。在偏转线圈7的作用下可使电子束发生偏移，从而在一定范围内扫描。通常将产生、加速以及汇聚束流的装置称为电子枪。电子枪的工作电压通常在几十到四百千伏之间。为防止高压击穿，有时需要对电子束的束流散射或减损其能量。电子枪的真空度必须保持在6.67*10-2pa以上。这样得到了能量密度极高的实用的电子束流.电子束电子束应用电子束表面改性：利用空间高速定向运动的电子流，在撞击工件后将部分动能转化为热能，以改善工件表面状态。由于电子束更容易被金属吸收，因此大约有75%以上的能量直接转化为热能，提供局部热处理所需能量。所以电子束加热时间极短，而且不会造成大面积的变形。电子束表面改性：类型电子束表面淬火：利用高能电子束快速扫描工件，使基体材料表层快速吸收能量而升温至钢的相变点之上，发生马氏体相变而进行的表面强化电子束熔凝处理：利用电子束辐照金属表面，使其温度迅速达到熔点以上，形成局部过热状态，而基体尚处于冷态，相当于熔化金属的”淬火剂“，将其迅速冷却至室温。电子束表面合金化及熔敷：采用高能量密度的电子束快速作用在金属表面，通过精准控制电子束的功率密度和作用时间，将一种或多种合金元素快速熔入金属表面薄层熔区，使之发生物理或化学变化，从而使金属表面具有特定的合金成分来强化金属近年来，国际上对表面强化所采用的热源手段开展了大量的研究工作，从常规热源到激光等特种热源的应用研究十分活跃。自上世纪60年代末原西德学者首次将聚焦灯束用于连接技术领域以来，国际上对聚焦光束热加工技术已非常重视聚焦光束可采用太阳光、碳弧、白炽灯以及大功率气体放电灯作为光辐射源。聚焦光束目前一般用大功率氙灯作光源，其发光效率高，功率大（可达10Kw以上），且可瞬时启动、发光稳定。它的光谱是波长为0.2~2.0μm的混合光，且0.8~1.0μm波长范围内的辐射含量达78%，可见光占12%，紫外线仅为1%。金属材料对这样的短波光谱的吸收率非常高。另外，氙灯能将50~60%的电能通过极间放电转化为光辐射，因而能量转化密度大于激光等辐射光源。由Nordri®（

）设计提供聚焦光束氙光灯原理：由于灯内放电物质是惰性气体氙气，其激发电位和电离电位相差较小。氙灯辐射光谱能量分布与日光相接近,色温约为6000K。氙灯均为连续光谱部分的光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变。氙灯的光、电参数一致性好，工作状态受外界条件变化的影响小。氙灯一经燃点，几乎是瞬时即可达到稳定的光输出；灯灭后，可瞬时再燃点。氙灯的光效较低，电位梯度较小。聚焦光束氙光辐射聚焦光束优点：A:被处理的材料可以使金属及其合金，也可以是玻璃、陶瓷、建筑材料、电介质等非金属材料B:可在大气、可控气氛及真空条件下通过透明介质进行非接触性局部加热C:光斑对被处理表面无机械作用力，加热过程平静，可以保证良好的粗糙度要求D:采用相对简单的聚焦手段即可获得高能量密度的光源。通过调节光学结构，可任意改变光束的空间导向聚焦光束目前聚焦光束已经有了初步的应用，但现在使用的