強流脈沖電子束40CrNiMo7鋼表面合金化

韓 丹，郝勝智

（1.呂梁學院物理系，山西呂梁 033000；2.大連理工大學物理與光電工程學院，遼寧大連 116024）

強流脈沖電子束40CrNiMo7鋼表面合金化

韓 丹1，郝勝智2

（1.呂梁學院物理系，山西呂梁 033000；2.大連理工大學物理與光電工程學院，遼寧大連 116024）

使用強流脈沖電子束（HCPEB）對40CrNiMo7鋼的表面進行合金化。使用金相顯微鏡、X射線衍射（XRD）、電子探針（EPMA）方法分析表層形貌和組織變化規律，測試改性表面的顯微硬度。得出，重熔層內碳元素含量的平均值要比鐵素體碳元素含量的平均值高78%，表面合金化效果較好，目的實現。對應表面預先HCPEB脈沖處理的樣品，再將其進行合金化處理后，硬度提高十分明顯，達到355 HV。在使用HCPEB進行表面合金化處理工藝時，對樣品的預處理是必要步驟，從而可以使得表面進行合金化前，其成分差異較少，組織較為均勻，熔坑噴發的誘因數量因而減少。

強流脈沖電子束；表面合金化；40CrNiMo7鋼；顯微硬度

強流脈沖電子束（HCPEB）作為一種較為新型的表面改性技術，前景甚為可觀[1-2]。強流脈沖電子束對材料進行轟擊時，在熱影響區的空間內，其元素的分布、顯微的一些組織以及整體的應力狀態會有明顯變化，并且生成超細晶，亞穩相等屬于非平衡結構的現象，這些表面改性效果，對于常規方法來說難以達到[3]。

40CrNiMo7鋼作為鉻鎳鉬系調質鋼，主要用于高負荷、大截面的軸類和承受沖擊載荷的構件，如汽輪機、噴氣渦輪機軸，以及火箭發動機外殼等[4-7]。本文采用強流脈沖電子束對40CrNiMo7鋼進行表面合金化，對表面合金化處理前，是否需要預處理，從而使得成分以及表層組織較為均勻，使造成表面熔坑噴發的不利因素盡量減少。

1 實驗材料及方法

取工業用40CrNiMo7鋼，主要化學成分為0.37～0.43 C%，1.60～1.90 Ni%，0.50%～0.80%Mn%，0.60～0.90 Cr%，0.15～0.40 Si%，0.20～0.35 Mo%，余量為Fe。樣品大小為10×10×8 mm，去污并拋光。

樣品表面預涂碳環節，控制火焰使其不完全燃燒，從而產生碳黑的方法可以使樣品表面得納米碳粉均勻涂覆且結合力較好。文中實驗均采用這種方法，控涂覆厚度控制約為10 mm。

采用HOPE-I型強流脈沖電子束裝置對40CrNiMo7鋼樣品進行表面合金化，實驗參數為加速電壓27 kV，靶極距6 cm，脈沖次數分別為涂碳后處理5次和預先改性10次后涂碳后處理5次，以及未涂碳直接處理5次和10次。

樣品表層組織形貌使用MEF-4型金相顯微鏡觀察，4%的硝酸乙醇溶液作為腐蝕劑。相結構分析設備為EMPYREA型X射線衍射儀，利用銅靶，掃描范圍20°～100°，步長0.03°。樣品表面顯微硬度的測試使用HV-1000型維氏硬度計，樣品表層合金元素分布采用EPMA-1600型電子探針顯微分析儀測量。

1.1 表面顯微形貌

圖1為強流脈沖電子束處理40CrNiMo7鋼的表面金相形貌。圖中看出，直接脈沖轟擊和對表面進行預涂碳環節后，再利用HCPEB對樣品表面合金化處理，40CrNiMo7鋼樣品表面都會產生熔坑。而且，對于HCPEB脈沖處理都為5次的樣品，合金化的樣品表面其熔坑數量更多，尺寸也較大。研究得出，入射電子束的能量沉積形式被表面涂覆的碳層改變，使得亞表層中的先熔位置更接近樣品表層，導致熔體更容易噴發，從而造成合金化的樣品表面其熔坑數量更多，尺寸也較大[8]。而對于預先10次HCPEB脈沖處理后的樣品，其表層的結構和成分在預涂碳時已得到細化和均勻化，結構差異和局部成分在涂覆碳層中較不明顯，因此，接著5次HCPEB處理后，表面熔坑的數量明顯減少，其表面平整性以及致密性也有了很大提高。

圖1 強流脈沖電子束轟擊40CrNiMo7鋼表面形貌（(a)脈沖轟擊5次，(b) 脈沖轟擊10次，(c)涂碳后）

1.2 顯微截面形貌

圖2是40CrNiMo7鋼的截面形貌，其屬于經過強流脈沖電子束轟擊后的典型形貌。材料最外均勻層稱為重熔層，其結構較為致密，平均厚度為～7μm，表面各處重熔層厚度并不相同，其中原始珠光體組織處較鐵素體位置處明顯要深，厚度差別為～2μm。研究得出，由于珠光體為層片狀混合組織，成分為滲碳體和鐵素體，鐵素體（純鐵1535oC）滲碳體熔點（1227oC），因此混合組織中的相界面和成分過渡區很多，相同加熱條件下，熔化較易發生。而在鐵素體面積較大，導熱條件和元素擴散很難發生，所以表面改性層得厚度在不同的組織處不盡相同，脈沖轟擊次數越多，由原始組織引起的重熔層厚度差異越大。

圖2 強流脈沖電子束處理40CrNiMo7鋼的截面金相（轟擊10次后涂碳，再轟擊5次）

1.3 XRD分析

圖3作為X射線衍射分析圖譜，是40CrNiMo7鋼經過HCPEB不同參數處理后的結果。可以看出，原始樣品中的滲碳體（Fe3C）含量極少，其對應衍射峰幾乎不可見。合金化后的樣品表面生成了奧氏體和馬氏體相。對于同樣5次HCPEB脈沖處理的樣品表面，樣品是否涂碳進行合金化，其衍射峰種類和數量幾乎沒有變化，說明表面涂覆碳層幾乎沒起作用，合金化基本沒有效果，研究表明，在HCPEB處理過程中，由于表層溫度過高，涂覆碳層隨劇烈熔坑噴發或被汽化。對應預先對未涂炭樣品進行10次脈沖HCPEB處理，再涂碳并5次HCPEB脈沖處理后，衍射峰變化明顯，其中，γ-Fe的衍射峰變強，殘余奧氏體在改性表面上留存較多，表明此時的碳合金化產生了明顯效果。由此得出，熔坑噴發而造成的表面合金成分脫離樣品表面，是合金化失敗的主要原因，因此使用HCPEB合金化工藝，需要必要預先步驟，此時合金化效果才能較好。

圖3 40CrNiMo7鋼經強流脈沖電子束處理前后的X射線衍射圖譜

1.4 截面EPMA分析

圖4作為電子探針成分分析圖像，是40CrNi-Mo7鋼經強流脈沖電子束處理后的截面分析結果。樣品中未涂碳便進行10次HCPEB脈沖轟擊的，重熔層中碳元素含量的平均值要比鐵素體中碳元素含量的平均值高50%，比珠光體中碳元素含量的平均值少67%。研究得出，在含碳較多的相界面位置處，受到HCPEB處理過程時，熔坑較其它位置容易產生，在此過程中，鐵素體熔化的位置便會吸收表面層中熔體所含的碳元素，從而造成重熔層中碳元素含量的平均值要比珠光體中碳元素含量的平均值少。而對應的合金化樣品，如圖4所示，重熔層內碳元素含量的平均值要比鐵素體碳元素含量的平均值高78%，比珠光體碳元素含量的平均值少51%。由此得出，經過預先10次HCPEB脈沖處理的樣品，表面改性層即重熔層的碳元素含量明顯增加，表面合金化效果較好，目的實現。

圖4 強流脈沖電子束合金化處理40CrNiMo7鋼截面成分線掃描，10次直接改性（左圖），轟擊10次后涂碳，再轟擊5次（右圖）

1.5 40CrNiMo7鋼采用HCPEB進行表面合金化后的性能檢測

圖5作為表面顯微硬度測量圖表，是40CrNi-Mo7鋼采用強流脈沖電子束處理后的硬度測量結果。可以看出，對于原始樣品，其表面的整體平均顯微硬度較低，為190 HV，HCPEB處理后樣品表面硬度值的提高都非常明顯。同樣5次HCPEB脈沖處理的樣品，不論是否進行合金化，其顯微硬度幾乎沒有變化，依然表明，這種處理參數，其樣品合金化幾乎沒有效果。而對應表面預先10次HCPEB脈沖處理的樣品，再將其進行合金化處理后，硬度提高十分明顯，達到355 HV，較原始40CrNi-Mo7鋼樣品提高約86.6%，可以得出，此參數處理后，樣品表面實現了合金化的目的。

圖5 強流脈沖電子束處理40CrNiMo7鋼表面顯微硬度，(a)表面總體平均值，(b)分區測量值

2 結論

綜合上述研究結果，由于合金元素與表面的結合力是合金化是否成功的關鍵因素，所以在使用HCPEB進行表面合金化處理工藝時，為了達到合金元素在表面有效添加的目的，對原始材料表面預先進行必要的HCPEB處理是必須步驟，從而可以使得表面進行合金化前，其成分差異較少，組織較為均勻，熔坑噴發的誘因數量因而較少，使用HCPEB合金化使表面總體顯微硬度明顯提高的目的得以實現。

[1]安永昌.最近的表面改性技術[J].國外金屬加工,1990,(32)：52-57.

[2]王金昌.高功率粒子束及其應用[J].強激光與粒子束,1989,2(1)：1-21.

[3]唐敦乙,林書銼,劉志敏.強流荷電粒子束技術與應用[M].北京:電子工業出版社,1995.

[4]趙家萍,李保成.高能率熱處理[M].北京：兵器出版社,1992.

[5]劉晉春,趙家齊.特種加工[M].2版.北京:機械工業出版社,1994.

[6]劉振輝,楊嘉楷.特種加工[M].重慶:重慶大學出版社,1991.

[7]范玉殿.電子束和離子束[M].北京:機械工業出版社,1989.

[8]郝勝智,徐洋,賀冬云,等.強流脈沖電子束輻照YG8硬質合金的組織與性能[J].金屬熱處理學報,2011,36(3):68-71.

〔責任編輯 高彩云〕

Surface Modification of 40CrNiMo7 Steel by High Current Pulsed Electron Beam

HAN Dan1,HAO Sheng-zhi2

(1.Physics Department of Luliang College,Luliang Shanxi,033000;2.Laboratory of Material Modification by Laser,Ion and Electron Beams,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning,116024)

Surface alloying of 40CrNiMo7 steel was carried out by high current pulsed electron beam(HCPEB)technique.The microstructure and phase state in modified surface layer were observed by optical microscopy，X-ray diffraction methods and EPMA technique.Test the modified surface microhardness.The results show that the carbon content in the surface remelting layer is ferrite increased by 78%,the surface alloying purpose has been achieved.Use HCPEB 40 crnimo7 alloying processing samples,the average microhardness on the surface of the original sample it possesses much higher than initial state of microhardness,reach 355 HV.Using surface alloying HCPEB)for the pretreatment of the sample is a necessary step,composition and organization can make the surface organization is relatively uniform,reduce melting pit eruption of adverse factors.

high current pulsed electron beam;surface alloying;40CrNiMo7 steel;microhardnes

TG174.44

A

1674-0874(2015)06-0024-04

2015-09-20

韓丹(1988-)，女，山西呂梁人，碩士，助教，研究方向:強流脈沖電子束材料表面改性技術研究。