【正文】 括表面堆焊、熱噴涂、表面熱處理、刷鍍、激光表面合金化、電火花表面沉積等技術(shù)[3]。其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更是令人矚目。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國自第 6 個五年計劃以來，通 過表面工程在設(shè)備維修領(lǐng)域和制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用，已 取得了幾百億元的經(jīng)濟(jì)效益。表面熱處理作為表面工程的一個分支，一直是受到科學(xué)界的關(guān)注?；瘜W(xué)熱處理既改變表層化學(xué)成分又改變表層組織，它包括滲碳、氮化、氰化、滲硼、滲金屬等。這類技術(shù)是利用快速淬火的方法使金屬表層發(fā)生相變，如碳鋼由奧氏 體轉(zhuǎn)化為馬氏體，產(chǎn)生硬度高、耐磨損、耐腐蝕的表面，從而極大的改善金屬表面的機(jī)械性能。表面熱處理的主要發(fā)展方向 ： 盡可能降低熱處理的消耗、采用新的加熱源和新的加熱方式、發(fā)展離子熱處理和涂覆超硬化物的表面改質(zhì)新技術(shù)、將計算機(jī)和機(jī)器人引入熱處理過程、向生產(chǎn)自動化發(fā)展以及防止對環(huán)境的污染。目前普遍采用的快速淬火的表面淬火技術(shù)包括 ： 火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火、激光表面淬火和等離子表面淬火等 [4]。 一般常用乙炔 — 氧火焰表面淬火，其優(yōu)點(diǎn)是 ：設(shè)備簡單、 投資少、 成本低 ；適用于單件或小批生產(chǎn)，也適用于大型工件的局部淬火要求，如大齒輪、軋輥、大型殼體 (馬達(dá)殼鉤 )、導(dǎo)軌等 [5]； 不易產(chǎn)生表面氧化與脫碳 ； 不受現(xiàn)場環(huán)境與工件大小的限制，適用性 廣，操作簡便。表面容易燒化、熱與淬裂，很難達(dá)到均勻的淬火層與高的表面硬度 ； 實(shí)現(xiàn)機(jī)械化流水生產(chǎn)較為困難。例如 ： 對工件材質(zhì)有一定的要求 ； 3 局部溫度控制比較困難，尤其是有銳邊或厚度不均的零件更是如此 ； 由于感應(yīng)加熱效果取決于在具體工件上的感應(yīng)電流。 激光表面淬火，是利用激光來處理技術(shù)表面。上世紀(jì) 70 年代開始發(fā)現(xiàn)激光輻照金屬能改變表面層的微觀結(jié)構(gòu)，并能提高金屬表面的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。激光表面改性處理已成為當(dāng)前最引人注目的表面強(qiáng)化處理技術(shù)之一，也是未來工業(yè)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一，具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效 益，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、電器、兵器和汽車等制造行業(yè)，利用激光處理技術(shù)在一些表面性能差和價格便宜的基體金屬表面上能制出耐磨，耐蝕和耐高溫的表面合金層，用于取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴重金屬和戰(zhàn)略材料，使廉價材料獲得應(yīng)用，從而大幅度降低成本。目前，美國正在研究用激光淬火處理硬化飛機(jī)的重載齒輪的技術(shù)，該技術(shù)不需要研磨工 藝，可以大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率。 等離子弧表面淬火，是應(yīng)用等離子束將金屬材料表面加熱到相變點(diǎn)以上，隨著材料自身的冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，在表面形成由超細(xì)化馬氏體組成的硬化帶，具有比常規(guī)淬火更高的表面硬度和強(qiáng)化效應(yīng)。利用這一特點(diǎn)對零件表面實(shí)施等離子淬火，可以提高材料的耐磨性和抗疲 勞性能。因此，可以減少后道工序 (矯正或磨制 )的工作量，降低工件的制造成本。此外對于解決引進(jìn)設(shè)備零部件修復(fù)及國產(chǎn)化問題，支持高技術(shù)和新技術(shù)發(fā)展以及節(jié)約材料，節(jié)約能源 4 等各方面都具有十分重要的意義。等離子弧表面淬火可用于用常規(guī)硬化方法不能處理、或者幾 乎不可能處理到的表面如 ：絲杠螺紋部分、齒輪和齒條的齒部、凸輪和靠模的工作面以及許多零件的各種槽、溝、孔的局部硬化處理。 激光表面淬火技術(shù)和等離子表面淬火技術(shù)均是高能量密度熱源表面熱處理。所以高能量表面熱處理具有以下特點(diǎn) ： l)高能量密度熱源作用在材料表面上的功率密度高，作用時間極其短暫，即加熱速度快，冷卻速度快，處理效率高。 3)其熱處理過程是靠工件自身冷卻，不需要任何冷卻介質(zhì)。 4)高能量密度加熱的可控性能好，通過磁場或電場信號對激光束，電子束，離子術(shù)的強(qiáng)度，位置聚焦等參數(shù)可用計算機(jī)精確控制，便于實(shí)現(xiàn)自動處理。同樣作為高密度能源表面熱處理，等離子弧熱源是僅次于激光熱源的高能量密度熱源，用等離子弧熱源進(jìn)行表面淬火具有與激光淬火相同的一些優(yōu)點(diǎn)，更具有激光淬火無法比擬的顯著優(yōu)點(diǎn) ： l)等離子弧表面淬火設(shè)備只需在普通應(yīng)用的等離子弧發(fā)生器的基礎(chǔ)上作些改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)表面淬火要求，在技術(shù)上、制造上都很容易實(shí)現(xiàn)。 2)在激光淬火前，工件需進(jìn)行 磷化 (即黑化 )處理，以提高光的吸收系數(shù)，這 樣就增加了淬火工序，并且，黑化質(zhì)量對激光熱處理的效果影響很大，而等離子 5 表面淬火不需類似的工序即可完成。 4)激光表面淬火設(shè)備的價格昂貴，體積龐大，對操作人員的技術(shù)要求高，造成安裝場地要求高，生產(chǎn)成本高，而等離子弧表面淬火設(shè)備價格便宜，體積小，降低了生產(chǎn)成本。 當(dāng)然，等離子弧表面淬火也存在一些不足。等離子弧表面淬火對于工件的小的局部，窄的溝、槽等表面實(shí)現(xiàn)比較困難，而且，硬化層深度較淺，有一定的應(yīng)用限制。在整體上呈現(xiàn)為近似電中性的電離的氣體物質(zhì)，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。當(dāng)粒子的平均動能大于電離能時，在軌道上運(yùn)動的束縛態(tài)的電子就能脫離原子或分子而成為自由電子，從而形成物質(zhì)的第四態(tài)，即等離子體。同時通過的高壓氣體介質(zhì)均勻地包圍在電弧周圍，使弧柱受到強(qiáng)烈地冷卻，迫使帶電粒子流向弧柱中心集中，弧柱被進(jìn)一步壓縮，這種作用稱“熱壓縮”。在上述三種壓縮作用下，弧柱被縮小到很細(xì)的范圍內(nèi)，并且由柔性變?yōu)閯傂裕芰棵芏雀叨燃?，稱為等離子弧。根 據(jù)導(dǎo)電方式，可按其結(jié)構(gòu)分成三種類型 : (1)非轉(zhuǎn)移型等離子弧，這種等離子弧的形成是在電極與噴嘴之間的氣室通以氣體，在外加電場作用下，從陰極激發(fā)出電子，使氣體電離產(chǎn)生等離子弧。缺點(diǎn)是這種電弧熱能的有效利用率不高，適用于噴涂、焊接金屬等，不適用于等離子弧表面淬火。在工作狀態(tài)時，噴嘴不接入電路，電流由工件經(jīng)噴嘴中心通向電極，噴嘴能對弧柱進(jìn)行良好的壓縮，使弧柱有 很高的能量密度，由于工件是陽極，表面溫度高，加熱深度大，可以獲得較大的硬化深度，熱能有效利用率高。本課題試驗(yàn)過程中即用轉(zhuǎn)移型等離子弧作為表面淬火的熱源。它的優(yōu)點(diǎn)在于擴(kuò)展電弧的工作電流范圍，保持電弧穩(wěn)定性。 淬火技術(shù)簡介 等離子弧表面淬火屬于一種利用高能量密度熱源對材料進(jìn)行表面熱 處理的方法。 目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的表面淬火方法有火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火和激光表面強(qiáng)化熱處理。其主要不足在于化學(xué)火焰溫度不高，溫度上升速度緩慢，易于使靠近處理部位的區(qū)域過熱，工件變形大。 20世紀(jì) 70 年代以來，激光表面淬火開始在航空、航天、機(jī)械、電器、兵器和汽車制造等行業(yè)獲 7 得了廣泛應(yīng)用，這種方法可以取得極佳的淬火效果，淬火層硬度高、工件變形小，但其缺點(diǎn)是設(shè)備的價格昂貴且體積龐大，對操作人員的技術(shù)要求高，而且生產(chǎn)成本較高。 等離子弧表面淬火可用于常規(guī)硬化方法不易處理的表面，如用于齒輪和齒條的齒部、