电子束加热表面处理的知识点

电子束亦属于一种高能密度的热源，它可在毫秒级时间内把金属由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度，并借助冷基体的自身热传导，其冷速也可达到10³～10⁶℃/s。如此快的加热和冷却就给材料表面改性提供了很好的条件。但电子束流和激光束流的产生原理和物理特性不同。电子束是由电子枪阴极灯丝加热发射的电子形成的高能电子流，经聚焦线圈和偏转线圈照射到金属表面，并深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。与激光加热相比较，能量利用率高，加热深度深，电子束对焦和束流偏转容易，操作控制方便，电子束设备功率稳定，输出功率大，最高功率可达150kW，设备运行成本便宜一半以上，电子束加热的工件表面不需黑化处理。电子束照射方式，可以是连续的，也可以是脉冲的。电子束加热速度快，淬火组织很细，可以得到细针马氏体、隐晶马氏体，甚至超细化组织，这是电子束热处理重要特点之一，电子束淬火一般不需要回火。

1.电子束表面淬火

电子束表面淬火是将工件置于低真空室中，用10³～10⁵W/cm²的高速电子流轰击工件表面，在极短的时间内，把钢件的表面加热到钢的相变点以上，由于电子束能量极高、集中，加热层很薄，可以靠自激冷却进行淬火，表面层转变为晶粒极细的马氏体。用线状电子束扫描装置可得到长方形的硬化层，这样能量分布较为均匀，可以得到较理想的硬化层。

电子束的功率密度和加热时间是电子束加热的主要参数。在其他因素相同情况下，随着功率密度的增加，淬硬层深度增加，淬硬层硬度提高。在相同的条件下，淬硬层深度随着加热时间的增加而加深。但是加热时间过长，会使金属基体变热，影响自激冷却效果。加热时间可用工件移动速度来调整，扫描速度过快起不到硬化效果，过慢会引起材料表面出现微熔。扫描速度一定时，功率增大则使实际奥氏体化温度升高，引起马氏体组织粗化。改变电子束的功率密度和扫描速度，可以改变淬火带的宽度和淬硬层深度。由于电子束的射程长，局部淬火部分的形状不受限制，即使是深孔底部及狭小的沟槽内部也能淬火。表面淬火加热所需能量密度只需10³W/cm²，控制表面温度低于熔点，在奥氏体转变温度下维持一定时间，以增加淬硬层深度。电子束工作时，依次照射每个特定的点，在一定点停留20～100ms后，以其热影区可以忽略的极快速度，在1ms之内将电子束移到下一个点，形成淬火工件要求的图案。图5-25所示为表面淬火时电子束走向，图5-26所示为电子束能量输入。

图5-25 表面淬火时电子束走向

电子束热处理是在真空中进行，所以无氧化脱碳现象发生，处理后表面呈白亮色。电子束淬火后，零件几乎不发生变形，可以作为最后一道工序，淬火后可直接装配使用。经电子束加热表面淬火后，工件表面层呈压应力状态，有利于提高疲劳强度，从而延长工件使用寿命。

图5-26 电子束能量输入(www.xing528.com)

电子束加热表面淬火，表层得到晶粒极细小的隐晶马氏体，可以提高材料的强度与韧性，其硬度比常规热处理高1～3HRC，如正火状态的45钢经电子束表面淬火后，硬度约为800～830HV，淬硬层深度可达0.2～0.3mm，T10A可达65～67 HRC，GCr15可达67HRC以上，Cr12MoV可达700～800HV_0.1。磨损试验表明，电子束淬火比常规热处理的耐磨性提高5倍。

对汽车离合器凸轮进行选择性表面淬火，每个工件需淬火8个部位，硬化层深度为1.5mm，表面硬度为58HRC。采用这种方法处理，避免了用感应加热表面淬火所难以克服的变形问题。用电子束表面淬火强化T10钢冲模，先用780～800℃油淬，180～200℃回火，硬度为58～60HRC；刃口部分用聚焦电流495mA，加速电压为45kV，束流为101mA，束宽为20mm，移动速度为30mm/s的电子束加热淬火，表面硬度为65～66HRC。

2.电子束熔凝处理

用比电子束淬火高的能量密度对工件表面进行加热，使其表面在瞬间处于熔化状态，当停止加热时，在冷基体的作用下以极快的冷速冷却，从而使表层组织细化，实现高硬度下有良好的韧性，可以大大降低原始组织的显微偏析，电子束熔凝处理在真空中进行，具有真空脱气效果，因此表层熔凝层质量高。同时零件表面无需黑化预处理，处理时不需要保护气体，使用成本比激光低。电子束熔凝层的组织与性能与激光熔凝层相似。电子束熔凝最适于铸铁、高碳高合金钢，目前该工艺主要用于工模具和铸铁零件的局部强化。经过电子束表面强化处理后，工件在获得表面高强韧性的同时，仍然能保持心部的高韧性，如HSS孔冲模的端部刃口经过电子束表面处理，获得深1mm，硬度为66～77HRC，碳化物弥散分布，组织细化具有强度和韧性最佳配合的性能。

3.电子束表面合金化及熔覆

使用比电子束表面淬火更高的能量密度对金属表面进行加热，将有特殊性能的镍基、钴基合金粉末和碳化钨粉末等涂敷在45钢表面，或在电子束作用的同时加入所需粉末使其熔融在工件表面上，在表面形成全新的合金化层；或在基体表面上形成具有某些特性的覆层，熔覆层与基体是冶金化结合，不产生明显的层间元素的混合与对流。在钢表面形成含镍、硼、钴、钨等合金元素的合金层或熔覆层。硼合金层硬度可达1200～1900HV，碳化钨合金层硬度可达980～1300HV。合金层为精细枝晶结构，向内为淬火组织，使金属表面具有很好的耐磨、耐腐蚀及耐热性能。

通过表面合金化，可以使普通碳钢的表面获得高合金钢的耐磨、耐热、耐湿性能合金钢的表面合金化，也能在细化表面晶粒的同时获得某些特殊性能，提高工件的强韧性，进一步提高使用寿命。熔覆在真空状态进行，比激光熔覆的气孔要少，组织致密，硬度高耐蚀性好，表面质量好，熔覆的工艺方法与激光熔覆的一样，也有预置法和头部送粉法，如以提高耐磨性为目的，应在合金粉末中加入WC、TiC等高硬度碳化物粉末。