电子束表面处理.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/5/5,#,电子束表面处理,周婷婷,主要内容,电子束表面处理原理及设备,电子束与激光束技术的对比,电子束表面处理工艺及实例,应用前景,一、电子束,表面处理原理及,设备,1,、原理,高速运动的电子具有波的性质，当高速电子束照射到金属表面时，入射电子能深入,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。由于入射电子与原子核的质量差别极大，和原子核的碰撞可以看作是,弹性碰撞,。,因此，,能量传递主要是通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的,，所传递的能量立即以,热能的形式,传给金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高，使,表层成分,和,组织结构,发生变化，达到表面改性的效果。,2,、设备,高速,电子由,电子枪,发射，,在加速电压的作用下，速度高达光速的,2/3,。目前电子束加速电压达,150KV,，输出功率为,150KW,，这些参数是激光器无法比拟的。,图,为,电子束表面处理设备,，包括高压箱、电子枪、真空工作室、传动机构及控制系统等部分。,下图为,电子枪结构示意图,，电子枪由加热灯丝（电子发射源）、阴极、阳极（电子加速）、聚束极（电子束收束）、,偏转系统（电子束偏转）,、电磁透镜和合轴系统等组成。,灯丝加热,阳极加速,电磁透镜,偏转线圈,照射到工件表面,电子枪的偏转线圈是根据需要采用的，但在电子束表面,强化处理,中，这种偏转往往具有较大的作用。,3,、电子束表面处理的特性,（,1,）,优点,a),功率密度,高、控制灵活、重复性好，,能够精确,控制表面温度和,穿透深度,；,b),在真空,条件下进行，对金属保护特别好，可以获得,较高的,结合力和性能,，从而保证,质量。,（,2,）,作用,提高了材料的表面,硬度,，增强,耐磨性,，改善,耐腐蚀性,能，从而延长处理件的服役寿命。,二、电子束与激光束的对比,5,电子束辐照,与激光束辐照的主要区别在于,产生,最高温度位置,和,最小熔化,层厚度,：,1,、熔化层厚度,电子束辐照加热,时熔化层至少有,几个微米,厚,，这会,影响,冷却时,固相,-,液,相,界面的推进,速度；,2,、温度分布位置,在,随后的冷却过程中,电子束辐照,加热的温度分布大体与激光辐照的,相似,，,但,加热阶段差异,很大,，,电子束辐照,时的,能量沉积范围,较,宽,，,而且,约有,一半电子作用区,几乎同时,熔化,。,3,、,能量透入深度,激光,的能量透入深度很小，一般为,0.1m,，而电子束的能量透入深度大得多，一般为,10m,。因此，激光为,表面热源,，电子束为,次表面热源,。,三、电子束表面处理工艺,1,、电子束表面淬火,（,1,）改性过程,将,工件置于,低真空室,中，,用,103,106W/cm,2,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,高且集中,，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,。,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,，适用于有相变过程的合金,6,。,（,2,）参数分析,电子束,的,功率密度,和,加热时间,是电子束加热的主要,参数,，在其他因素不变的前提下：,功率密度,增加,，,淬,硬层深度,增加,，,淬,硬层硬度,提高,；,加热时间,的,增加,，,淬,硬层深度,加深,；,加热时间,过,长,，,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,。,（,3,）实例,1,）丛欣,1,等,.,对齿状,9SiCr,冷作模具钢作电子束表面处理淬火组织及性能进行分析，发现电子束处理可以显著提高淬火层硬度。,由,图,a,、图,b,可知，在电子束淬硬层中,(Fe,Cr),3,C,大部分已溶解，原碳化物颗粒位置形成了区域较大的,富铬区,，其含铬量为,1.27,3.13%,，大大低于基体组织中的,(Fe,Cr),3,C,的铬含量，而靠近富铬区的,基体含铬量明显高于常规淬火回火组织中基体的铬含量。,图,a 9SiCr,常规,淬火回火,组织,图,b,9SiCr,电子束,淬火,组织,由图,c,、图,d,可见,，富铬区内为极细小的隐针马氏体,。,因此,在电子束加热淬火过程中，,碳化物溶解程度超过了常规加热淬火,，使基体含铬量上升，同时因,加热速度极,快、组织,细化,，这是电子束淬火提高表面硬度的两个主要,因素。,图,c 9SiCr,常规淬火回火组织,37000,图,d 9SiCr,电子束,淬火组织,x37000,2,、电子束,表面熔凝处理,（,1,）改性,过程,用,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,下具有良好,的,韧性,，可以大大降低原始组织的显微偏析。,（,2,）适用范围,电子束熔凝,处理,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。,（,3,）实例,赵晖,2,等,利用,真空脉冲,电子束技术处理高速钢工具表面,，其,脉冲电流为,0,200A,加速电压为,0,15kV,脉冲时间为,30s,，,得到,几微米厚的熔凝层,层组织明显细化,。,右图,是,试样经过,脉冲,电子束处理,后,的,金相,照片。可以,看出,在,其,他,条件相同的情况下,随着,脉冲电流,强度,的,减,少,高速钢试样,表面,熔,凝层厚度,显著,减,少,表面,熔化区域,(,“光斑”,),也,随之减,小,同时,表层,下的,热影响区,逐渐减,少,。,从右图可以看出，,在其他条件不变,的,情,况,下,随着,脉冲次数,的,减,少,表面熔凝层,厚度,也随着,减,少,表层,下,的,热影响区逐渐减,小,但,“光斑”面积,变化,不,大,。,3,、电子束表面合金化及熔覆,（,1,）改性过程,电子束表面合金化是将,合金粉末,涂覆在金属表面上，然后控制电子束与表面的,作用时间,，使表面,涂覆层熔化,，基体材料的表面薄层也微熔，形成表面,局部区域的冶炼,得到新的合金，从而提高工件表面性能。,（,2,）合金原料,一般选择,W,、,Ti,、,Mo,等元素及其碳化物作为合金化原料提高,材料耐磨性,；选择,Ni,、,Cr,等元素则可提高材料的,抗腐蚀性能,；而适当添加,Co,、,Ni,、,Si,等元素能,改善合金化效果,。,（,3,）实例,张,可,敏,3,等,人采用,强流脉冲电子束,对,316L,不锈钢表面进行钛合金化处理，实验用俄产,Nadezhda-2,型强流脉冲电子,束源,脉冲,电子束合金化处理参数如下,:,加速电压,27keV,，能量密度,3J/cm,2,，脉宽,1.5s,，脉冲间隔,10s,，脉冲次数分别为,10,次,20,次,。,如图,a,所示,，为,预,涂钛,样品,经电子束,10,次轰击后,的,低倍,扫描,电镜,形貌,处理,后的表,面呈快速熔,凝,的典型形貌特征,并且出现了,大,量,的,火山坑,这种特殊形貌是,金属,在,脉冲束流处理下的特有,形貌。,图,b,为同一样品的,高倍形貌,熔化的,表面上,可见一些,很小的,空,洞和缺陷,它们可能来自于,未能,完全熔化弥合,的,钛,颗粒,。,图,c,所示的是经,电子束,20,次,轰击,后的,低倍,扫描电镜,形貌,，,可以看出火山坑的密度明显,降低,样品,表面变得,更加,平整,。,这,是由于,多次的,表面重,熔,及,火山喷发,更加,彻底地,清除,了,表面,的夹杂,物。,图,d,为同一样品的,高倍,形貌，可看出表面,存在,一,些,微,裂纹,这表明合金层,在,冷却,过程,中受到,了,拉应力,作用,而最终在室温下,存在,很,高的,残余应力,。,四、应用前景,4,目前，电子束在,食品辐射、医疗用具的消毒杀菌、环,境保护、半导体、交联技术、固化技术、接枝聚合技术,等诸多方面均有使用。,总之，,电子束,应用技术作为许多产业领域对材料改良的基本技术，其领域将不断扩大。此外，由于,电子束,装置符合操作性、节能、节省空间这一时代性的要求，以及,电子束,装置的制造成本的不断降低，,其,应用技术会涉及,许,多领域，工业利用会更加活跃。,谢,谢！,