10第六章第五节 高能束表面处理.ppt

* * 2．离子注入提高抗氧化性的机理 离子注入显著提高了材料抗氧化性的原因： （1）注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道，防止氧进一步向内扩散； （2）形成致密的氧化物阻挡层。某些氧化物，如Al2O3、Cr2O3、SiO2能形成致密的薄膜，其他元素难以扩散通过这种薄膜，起到了抗氧化的作用； （3）离子注入改善氧化物的塑性，减少氧化产生的应力，防止氧化膜开裂； （4）注入元素进入氧化膜后改变了膜的导电性，抑制阳离子向外扩散，从而降低氧化速率。 * * 3．离子注入提高耐腐蚀性的机理 离子注入不但形成致密的氧化膜，而且改变表面电化学性能，提高耐蚀性。 如Cr+注入Cu，能形成一般冶金方法不能得到的新亚稳态表面相，改善了铜的耐腐蚀性能；用Pb+注入Ti后，在沸腾的浓度为1mol/L的H2SO4中耐蚀电位接近纯铅，使耐蚀性大大提高。 * * 五、离子注入的应用 （一）注入冶金学 注入冶金学包括两大研究领域：制备新合金系统；测定金属和合金的某些基本性质。 1．离子注入金属表面合金化 离子注入金属表面会改善材料的耐磨性、耐蚀性、硬度、疲劳寿命和抗氧化性等。其原因是多方面的。以下从微观角度分析离子注入改善性能的可能机制。 * * （1）辐照损伤强化 离子注入产生的辐照损伤增加了各种缺陷的密度，改变了正常的晶格原子的排列。 但研究表明，辐照本身不能改善材料耐磨性。耐磨性和耐蚀性的改善与注入元素的化学作用有关。注入离子阻止位错滑移，从而使表面层强化并降低表面疲劳裂纹的形成可能性，对疲劳裂纹的扩展影响不大。 * * （2）固溶强化 离子注入可获得过饱和度很大的固溶体，固溶强化效果较强。而且注入离子对位错的钉扎作用也使材料得到强化。 （3）沉淀强化 注入元素可能与基体材料中的元素形成各种化合物，使表面离子注入层产生沉淀强化。如Ti+注入含有C的钢或合金中，有可能形成TiC微粒沉淀。 * * （4）非晶态化 当离子注入剂量达到一定值时，可使基体金属形成非晶态表面层。因此可降低钢的摩擦系数，提高耐磨性。由于非晶态表面没有晶界等缺陷，可显著提高耐蚀性能。 * * （5）残余压应力 离子注入可产生很高的残余压应力，有利于提高材料表层的耐磨性和疲劳性能。 （6）表面氧化膜的作用 离子注入引起温度升高和元素扩散的增加，使氧化膜增厚和改性，从而降低摩擦系数；通过改变注入的离子种类可改变氧化膜的性质，如氧化膜的致密性、塑性和导电性等。 * * 2．离子注入用于材料科学研究 （l）注入元素位置的测定。 （2）扩散系数的测定。 （二）离子注入在表面改性中的应用 应用对象主要是金属固体，如钢、硬质合金、钛合金、铬和铝等材料。应用最广泛的金属材料是钢铁材料和钛合金。但是，用离子注入方法强化面心立方晶格材料是困难的。 注入的离子有Ni、Ti、Cr、Ta、Cd、B、N、He等的离子。 * * 经离子注入后可大大改善基体的耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性和抗氧化性。 我国生产的各类冲模和压制模一般寿命为2000～5000次，而英、美、日本的同类产品寿命达50000次以上。 国外生产的电冰箱、洗衣机等的活塞门，材料基本与我国的相同，甚至是普通低碳钢，由于采用了所谓“专利性”处理工艺，使用寿命是我国同类产品的几倍到几十倍。 有的钢铁材料经离子注入后耐磨性可提高100倍以上。 * * 激光相变硬化 激光相变硬化中的几个问题 1．工件的黑化处理 因一般情况下，大部分固体金属都会使波长为10.6μm（CO2）激光的绝大部分反射，如果进行黑化处理可使吸收率大幅度提高。 黑化处理主要有：涂碳法、胶体石墨法和磷酸盐法等； 其中磷酸盐法最好，其吸收率可达80～90%，膜厚仅为5μm，同时具有防锈性。 * * 2． 激光束的模式 激光束的能量分布和状态由光束的构型或模式来描述，与光束传输系统相关的激光构型可以有四种模式： 高斯模（单模）； 多模； 矩型模； 顶模 * * ??3. 焦距选择与焦深 激光热处理多要求淬火带在2mm以上，应选用长焦距的透镜和聚焦反射镜，焦距一般为2m左右。 在激光热处理中焦深也是一个非常重要的参数，焦距越大焦深也越大。 * * 扫描速度和方式对硬化带的影响 硬化带深度和宽度都随扫描速度的增加而减小。 * * 激光相变硬化的特点 1．? 加热和冷却速度高 加热速度可达105～109℃/s, 对应的加热时间为10-3～10-7s； 冷却速率可达104～107℃/s。 扫描速率越快，冷却速率也越快 * * 2． 高硬度 激光淬火层的硬度比常规淬火层提高15～20%。 淬火硬度与加热温度有关，与保温时间无关。 硬化