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(材料物理与化学专业论文)强流脉冲电子束处理模具钢skd11的形貌和性能研究.pdf.pdf 免费下载
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大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文利用“n a d e z _ h d a - 2 ”型强流脉冲电子束装置处理模具钢s k d l1 ,分析强流脉冲 电子束处理产生的表面形貌和微观组织变化及其对材料表面性能的影响,以提高其使用 寿命。 研究表明,模具钢s k d l1 富集( c r ,f e ) 7 c 3 型碳化物,它与材料基体的热物理性能存 在显著差异,强流脉冲电子束处理会引发碳化物的熔体喷发,这是处理该材料时形成表 面熔坑的主要原因。经强流脉冲电子束不同工艺参数处理,样品表面的熔坑分布呈现以 下规律:在相同加速电压下,熔坑面密度随脉冲处理次数的增加而减少,而熔坑平均尺 寸呈现先随脉冲次数增加到最大值而后减小的趋势;对于相同处理次数时,使用高加速 电压的样品表面形成的熔坑面密度较低,而且要比低电压更快的进入到平稳阶段。表面 粗糙度呈现随脉冲次数增加而降低的现象。 在强流脉冲电子束处理时,s k d l l 样品表层碳化物经过熔坑喷发和液相溶解扩散等 过程,原始形态各异、颗粒粗大、分布不均匀的碳化物会变得圆润、细小、分布均匀; 表面的c r 、c 元素成分均匀化。此外,基体铁素体组织被瞬时加热到奥氏体温度以上, 在极快速冷却时,高温态的奥氏体组织会保留到常温状态,并且冷却时碳化物固溶于奥 氏体中,形成高奥氏体含量的重熔组织;随着脉冲次数的增加,铁素体和碳化物含量不 断降低,而奥氏体的含量逐步增加;经1 5 次脉冲轰击后,奥氏体的含量达到最大,铁 素体完全转化成奥氏体;使用更多脉冲次数处理时,由于多脉冲的热量累积导致热影 响区的温度与表层相差不大,使表层冷却速度减慢,铁素体得以再次析出,而奥 氏体含量也会相应地降低。 表面形貌和微观组织变化使得材料表面性能呈现以下变化:处理样品表面硬度较原 始样品有所降低,且随着脉冲次数的增加先降低再回升;而耐磨性和耐腐蚀性能将随着 脉冲次数的增加先增加后降低:性能变化趋势的极值均对应于强流脉冲电子束轰击1 5 次的样品。 关键词:强流脉冲电子束;表面形貌;熔坑;微观组织;表面性能 强流脉冲电子束处理模具钢s k dii 的形貌和性能研究 s u r f a c em o r p h o l o g ya n dp r o p e r t i e so fm o l ds t e e ls k d11a f t e rh i g h c u r r e n tp u l s e de l e c t r o nb e a mt r e a t m e n t a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , o n ek i n do f m o l ds t e e l ,s k d l1 w a st r e a r e db yh i 西c k u r e n tp u l s e de l e c t r o n b e a m 口c p e b ) w i t hd i f f e r e n tt r e a t i n gr e g i m e so na n e d a z h d a - 2 t y p ee q u i p m e n t t h em a i n t a s ko ft h i sw o r ki st oi n v e s t i g a t et h ef u n d a m e n t a lr e g u l a r i t i e so fs u r f a c em o r p h o l o g ya n d m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n si n d u c e db yh c e p bt r e a t m e n ta n dt h e i re f f e c to nt h es u r f a c e p r o p e r t ya n ds e r v i c ep e r f o r m a n c eo fs k i ) 1 1m o l ds t e e l u n d e rt h eh c p e bt r e a t m e n t t h ed i f f e r e n c eo f 也e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e n c r - i i c hc a r b i d e ( c r ,f e 1 7 c 31 0 c a t e di ns u b s u r f a c ea n dm a t e r i a lm a t r i xw i l lc a u s et h ee r u p t i o n o fc a r b i d em e l td r o p l e ta n dl e a v et h et y p i c a lc r a t e rf o r m so nt h em o d i f i e ds u r f a c e t h e d i s t r i b u t i o no fc r a t e r so nt h et r e a t e ds a m p l e se x h i b i t st h ef o l l o w i n gr e g u l a r i t y :f o rt h es a m e a c c e l e r a t i n g v o l t a g e ,t h ea r e ad e n s i t yo fc r a t e r sd e c r e a s e s 谢t 1 1t h ei n c r e a s i n gn u m b e ro f p u l s e s ;w h i l et h ec r a t e rs i z ei n c r e a s e st oi t sm a x i m u m ,t h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n g n u m b e ro fp u l s e s a sf o rt h es a m ep u l s e s ,t h eh i g h e rv o l t a g eg i v e sf e w e rc r a t e r sa n de n t e r e d t h es t a b l es t a g ee a r l i e rt h a nt h ec a s eo fl o w e r t h es u r f a c er o u g h n e s sd e c r e a s e sw i 血t h e i n c r e a s i n gn u m b e ro fp u l s e s 1 kc a r b i d ei nt h ei n i t i a ls a m p l ei sl a r g es i z e da n di r r e g u l a rs h 印e d i te x h i b i t sa n i n h o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n m e l lt r e a t e db yh c p e b t h ec a r b i d ei nt h es u r f a c el a y e rc o u l d b ee r u p t e da n dd i s s o l v e d t h ec a r b i d ei nt h et r e a t e ds a m p l eb e c o m er e f i n e d ,s p h e r i c a la n d e x h i b i t sah o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fc ra n dcb e c o m e sh o m o g e n e o u s a f t e rh c p e bt r e a t m e n t f e r r i t ei st r a n s f o r m e dt oa u s t e n i t ei n s t a n t l yi nt h ef a s th e a t i n gp r o c e s s d u r i n gh c p e bi r r a d i a t i o n d u r i n gt h ef a s tc o o l i n gp r o c e s s ,t h ea u s t e n i t ei ss u p p r e s s e du n t i l r o o mt e m p e r a t u r ea n d c a r b i d ei si n c l u d c di 1 1 也0a u s t e n i t e r e m e l t e dl a y e rw i t t lt l i 曲v o l u m e a u s t e n i t ei sf o r m e d t h cc o n t e n to ff e r r i t ea n dc a r b i d ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e r o fp u l s e s c o n t r a r i l y ,t h ec o n t e n to fa u s t e n i t ei n c r e a s eg r a d u a l l y a f t e r15p u l s e st r e a t m e n t , f e r r i t eh a sa l r e a d yt r a n s f o n n e dt oa u s t e n i t ea n dt h ec o n t e n to fa u s t e n i t eg e t si t sm a x i m u m n ed e c o m p o s i t i o no fa u s t e n i t ew o u l do c c l l l a g a i nw h e nu s i n gt o om a n yn u m b e r so fp u l s e s b e c a u s et h ea c c u m u l a t i o no fh e a ti nt h em a t r i xw o u l d1 c a dt ot h ed e c r e a s eo fc o o l i n gr a t e a sa r e s u l tt h ep r o c e s so ft r a n s f o r m a t i o nf r o ma u s t e n i t et of e r r i t ec o u l dn o tb es u p p r e s s e d b e c a u s eo ft h es u r f a c em o r p h o l o g ya n dm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na f t e rh c p e bt r e a t m e n t , t h es u r f a c ep r o p e r t i e se x h i b i tt h ef 0 1 l o w i n ge v o l u t i o n 1 1 1 em i e r o h a r d n e s sv a l u e sm e a s u r e do n i i 大连理工大学硕士学位论文 t h et r e a t e ds r l f a c ea lea l ls m a l l e rt h a ni n i t i a ls a m p l e ;i tw o u l dd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n g n u m b e ro fp u l s e sf i r s t l y , a n dt h e nd e c r e a s e w e a ra n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew o u l di n c r e a s e f i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fp u l s e s ;t h eh c e p bt r e a t e ds a m p l ea t 15p u l s e st r e a t m e n te x h i b i t st h ee x t r e m u mo ft h er e s i s t a n c ev a l u e s k e yw o r d s :h c e p b ;s u r f a c em o r p h o l o g y ;c r a t e r ;m i c r o s t r u e t u r e ;s u r f a c ep r o p e r t i e s 独创性说明 作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名:差章堇 日期:三坠盘:6 :盆 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名:萎军羔作者签名:鲨笪圭 翩虢壹通导师签名:二巴! :型 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1电子束表面改性技术及其研究发展概况 利用高能量密度电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工。它是利 用加速电子的能量对材料进行加工,是完全不同于机械加工的一种新型加工方法【l 】,包 括电子束焊接【2 川】、打孔【1 2 】、表面处理【t 3 t 9 、熔炼 2 0 - 2 4 、镀膜【2 5 ,2 6 1 、物理气相沉积 2 7 _ 3 3 1 、 切割【3 4 1 以及电子束曝光【3 5 旬9 1 等。其中电子束焊接、打孔、物理气相沉积以及电子束表面 处理等在工业上的应用最为广泛,也最具竞争力。 电子束加工作为特种加工方法的一种,起源于德国。德国物理学家s t e i g e r w a l d 1 9 4 8 年发明了第一台电子束加工设备( 主要用于焊接) 。1 9 4 9 年德国的斯太格瓦尔 德在o 5 m m 厚的不锈钢板上打出直径0 2 r a m 的孔,开始了电子束加工技术的应用。电 子束于2 0 世纪5 0 年代中期开始用于热加工,最初只是利用电子束在真空条件下对铁锡 合金制的原子核燃料棒容器的焊接和活性金属的溶解【1 2 1 。此后随着电子束功率密度的提 高,可以利用电子束对金属进行深熔,实现热影响区小、变形小的高效焊接。 6 0 年代初,随着电子束加工的多种可行性在生产中不断得到证实,电子束打孔、铣 切、焊接、熔炼、镀膜等技术相继开展,并在工业生产中得到应用,促进了先进技术的 发展【4 0 】。6 0 年代开始,电子束加工技术又在半导体加工领域中得到应用,并应用到集 成电路的加工制造中【4 1 - 4 3 1 。随着电子束时间、空间的高速处理技术和各种加工参数控制 技术的发展,电子束在高速化及微细化加工方面得到了更为广泛的应用【1 2 】。 与其他电子束工艺相比,电子束表面改性技术是7 0 年代才发展起来的较新技术。 电子束表面改性处理包括金属材料的表面淬火、表面合金化、表面清洗及熔覆、薄极退 火,以及半导体材料的退火和掺杂等。目前,电子束表面非晶态处理及冲击淬火等先进 处理工艺的研究也已经在一些发达国家得到开展删。 国内从6 0 年代开始研究电子束焊接,随后开发了电子束熔炼,到8 0 年代,电子束 表面改性处理的研究与开发也迅速展开,电子束镀膜机、熔炼炉等设备均己投入实际加 工或生产【4 5 ,4 6 】。9 0 年代以后,随着科学技术和制造水平的进步,具有不同参数范围和工 作特点的电子束设备大量涌现,从而使电子束加工技术的应用领域不断扩大【4 7 】。 近年来,电子表面改性技术,作为新兴的表面改性方法,弥补了传统表面改性方法 的一些不足,得到迅速发展。电子束表面处理是一种选择性区域处理,其工作过程类似 于电子束焊接。从电子枪阴极表面发射的电子,经加速后直接轰击在需要处理的工件表 面,瞬间的能量转换和沉积使表面层( 几个岬到几个m m ) 温度急剧升高,而基体仍 强流脉冲电子束处理模具钢s k d l1 的形貌和性能研究 保持冷态。电子束照射结束时,加热区域的热量迅速向基体扩散,表面层的温度急剧下 降,从而在表面改性层中形成特定的加热、冷却过程。除此之外,快速的升温冷却过程 中形成的巨大温度差会在改性过程中同步诱发热应力,并形成一定的应力分布状态【4 8 1 。 以上述过程为基础,通过控制入射电子束的形成、能量幅值及空间分布,同时附以必要 合金元素( 气体或固体) 的添加,就构成了电子束表面改性处理的独特工艺。 1 2电子束表面改性处理的特点 电子束表面处理是一种较为先进的表面工程技术,与传统表面处理工艺相比具有以 下优点【4 9 】: 1 工件变形小。电子束表面改性处理过程中,只对工件表面局部区域进行升降温处 理,整个零件并没有进入高温状态,输入零件的总能量少,几乎不会产生宏观变形,对 于大型零件更是如此。因此,对于精密加工之后的零件,特别适合采用电子束表面处理 工艺进行处理,可大大减小精加工的研磨余量。 2 节约能量、效率高。电子束表面处理的局部能量密度很高,但处理时间很短。电 热转换效率可以高达9 0 以上,故耗费的能量很少。 3 清洁。电子束力n - r - 处理通常是在真空室中进行,氧气、氮气所产生的有害影响极 小,可以获得非常洁净的表面处理层。另外,处理过程中不需要油、水、盐等媒质,所 以不会污染处理的零件和操作环境。 4 处理方式灵活。电子束的输出能量密度及其在工件表面的处理位置均可灵活、准 确地调节,因而表面改性的部位和处理层的深度可得到精确控制。 5 重复性好。因为电子束的总能量与功率密度的控制精度很高,扫描范围与处理位 置可准确定位,所以可保证批量处理零件时的良好重复性。 除此之外,采用电子束表面改性技术还可以在客观上带来节省贵重金属的使用、简 化生产工序及周转时间等可观的经济效益。 相对于其他的高能束表面改性技术,电子束表面处理也具有其独特的优点。与离子 柬和激光束相比,电子束注入的能量在电子束的射程范围内,其作用深度远大于离子束 和激光束,因此可以获得较深的改性层,并且不存在激光的反射和离子束注入的溅射等 问题。在表面改性过程中,电子束和激光束处理只引入能量而不引入杂质,而离子注入 则可在沉积能量的同时直接改变材料表面的成分【5 0 】。 1 3电子束表面改性技术的分类 按照不同的工艺或技术角度,可以对电子束表面改性技术进行分类。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 1 按电子束能量注入形式 电子束用于材料的表面改性处理,主要是利用其所具有的高能量密度热源的特性, 所以材料表面的温度和改性层的尺寸( 包括加工面积和加工深度) ,将直接取决于入射 电子束的作用形式( 包括功率密度分布、作用时间等) 。根据入射电子束与时间之间的 关系,可以将其划分为连续型和脉冲型两种。 图1 1 连续型电子束表面改性装置示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fc o n t i n u o u se l e c t r o nb e a me q u i p m e n t 一、连续型电子束 在连续型电子束处理方式下,电子枪发射的电子束是连续固定的,材料表面所获得 的能量主要由与材料的作用时间及对入射电子束的控制来确定。下面以日本岩田笃等人 所采用的电子束表面处理装置为例进行说明【5 1 1 ,如图1 1 所示。从图中可以看出,电子 束在工件表面的作用时间主要由工件相对于电子束的运动速度、偏转线圈的工作情况决 定。其中偏转线圈在入射能量的控制上往往具有较大的作用。一方面,电子束横截面上 的功率密度分布通常是高斯型的,电子束中心部分和边缘部分的加热强度有差别,因此 会造成表面改性的不均匀性。利用偏转线圈使电子束振动,可以形成截面功率密度分布 更为均匀的入射电子束;另一方面,由于电子束可以在x 、y 两个方向上单独进行移动, 因此可以利用李萨如原理形成圆形、三角形以及其他各种偏转振动图形,使得图形中的 边线功率密度分布产生多种变化。这种方法具有与发射宽截面电子束相同的作用结果。 二、脉冲式电子束 从工艺角度来看,电子束表面改性区域的大小只取决于在时间、空间上对电子束能 量的控制,而改性层的深度要进一步受到电子束功率密度的影响。加工宽度虽然是依赖 强流脉冲电子束处理模具韦艮s k d l l 的形貌和性能研究 于电子束的直径,但是由于电子束能量密度分布、电子束与材料间的相互作用以及热传 导等原因,加工宽度还会受到作用于材料上电子束能量密度低的部分所引起的加工变质 层以及来自加工区域传热的影响。所以,在电子柬表面改性过程中,理想的情况是既能 保持一定的改性深度,又能精确控制加工区域的宽度。因此要求采用相应措施,一方面 控制电子束截面的能量密度分布,另一方面还应有效地控制电子束能量的作用时间。 宅子 加热热量袈蓄变质患增大 如 相q 出 宅 n门r 时间 加热扩散冷却力热 ( a ) 淫续输出( b ) 脉冲输出 图1 2电子束表面改性原理示意图:( a ) 连续型( b ) 脉冲型 f i g 1 2 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h es u r f a c em o d i f i c a t i o np r o c e s s e sw i t hc o n t i n u o u s ( a ) a n dp u l s e d e l e c t r o nb e a m ( b ) 如图1 2 所示,在连续输出工作方式下,由于电子束能量的连续供给,在加热区域 的周边产生热量积蓄,与此同时在电子束照射后,滞后一段时间产生的蒸汽会使入射电 子束发生散射,结果电子束能量密度降低,加工变质层增大。如果能在确保加工深度的 前提下,既维持所需要的能量峰值,同时脉冲地控制能量输入,则单位时间内来自加工 区域的传热量减少,进入到加工区周围的热量在电子束停止照射时,可以迅速扩散。这 样不仅可以避免过多的能量损失,同时可以有效地增加冷却速度,减少热影响区的范围。 由于电子束以极短时间脉冲输出,也可以减少甚至避免金属蒸汽的产生,继续照射时蒸 汽已经消失,这样电子束就不会产生散射。另外,脉冲工作方式也可以在很大程度上改 善入射电子束截面能量密度分布,有效地切断了低能量密度部分,因此能确保得到高能 量密度的电子束。 大连理工大学硕士学位论文 目前,两种方式的电子束表面改性处理均被广泛采纳和使用【5 2 5 3 1 。从各自的运行特 点出发,连续型处理比较适合输入功率不是很高、处理区域较规则的工件。而脉冲型处 理更加适合高功率、大束斑、复杂零件的特殊位置处理等场合。从操作性方面看,脉冲 电子束属于一种新概念的加工方法,它除了以常用的功率密度、作用时间等作为控制因 子外,还可以通过电子束照射点的位置组合、脉冲照射次数等控制因子使加工处理方式 更为灵活、精确。 1 3 2 按表面改性效果 根据采用的工作参数范围及表面处理后的效果不同,可将目前的电子束表面改性技 术分为以下几种类型: 一、表面淬火 如果电子束斑平均功率密度在1 0 3 - 1 0 * w c m 2 的范围内,通过控制轰击作用时间 l o ,可以使金属受轰击表面达到相变温度或熔点以上,电子束停止加热后,由于“基 体”基本上为室温,表面层所获得的热量通过工件自身的热传导迅速散去,使加热表面 很快冷却,冷却速度可达1 0 4 1 0 6 c s ,这样就可以获得“自淬火的效果。表面层加 热温度超过相交温度但未及熔点温度时,相变过程中工件处于奥氏体状态的时间很短, 晶粒还来不及长大,故可获得金相结构为超细晶粒的组织:同样,当表面温度超过熔点 时,熔化薄层在极短时间内经历凝固过程,也可以得到细化均匀的超细乃至纳米晶组织, 从而使材料表面层的强度、硬度、耐磨性及耐疲劳性等方面的性能大大提高,故往往也 把这种方法成为“表面强化 【5 4 1 。 二、表面合金化 在工件表面涂上一薄层其他材料,仍然采用1 0 3 - - - 1 0 r c m 2 的功率密度,相对于表 面淬火适当延长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,从而达到表面合金化的目的。合金层可 具有一些特殊的性能,如高硬度、高耐磨、强抗腐蚀性等等。薄层的涂覆方法很多,例 如镀膜、热喷涂、粉末烧结、涂刷等均可,但处理后表面的光洁度不大一样。另外,可 以根据工艺需要,直接选择相应具有特殊性能的合金粉末( 例如w c 、c r c 、n i c 、t i c 、 c o c r - w 等) 涂覆在零件表面,通过电子束使其熔化后形成具有二者混合成分的合金层 或表层仅有粉末所含元素的合金层【5 5 】。当在材料表面获得相当厚度的合金层时,也可将 其称为“表面熔覆 。 三、表面非晶态处理 强流脉冲电子束处理模具钢s k d1l 的形貌和性能研究 将电子束的平均功率密度提高到1 0 6 1 0 7 w c m 2 ,缩短电子束与工件作用时间至 1 0 5 s 左右。首先,使金属工件表面很薄的一层( 几个j a m ) 熔化,然后停止电子束照射, 金属表面立即会由于热量向基体的热扩散以极快的速度冷却( 1 0 7 一。c l s ) ,即可得到 非晶态的组织。非晶的金相组织形态致密,具有优异的抗疲劳及抗腐蚀性能【5 7 1 。 四、表面薄层退火 当电子束作为表面薄层退火热源使用时,所需要的功率密度要较上述方法低得多, 其根本目的是降低材料的冷却速度。对于金属材料,主要应用于薄带处理。另外,电子 束退火还成功地用于半导体材料上。目前,离子注入方法是进行半导体掺杂的有利手段, 不但可以控制掺杂深度及杂质浓度,而且能得到特殊的杂质浓度分布。然而,高能量的 离子注入会造成晶格损伤,使半导体表面出现无序层和大量的位错,严重影响其使用性 艇5 8 1 。通过脉冲或扫描电子束表面薄层退火处理,半导体表面可通过固态或液态外延作 用消除损伤,同时保证杂质不会再分布,电激活率接近1 0 0 5 9 - 6 0 。 目前,表面非晶态处理仍处于实验研究阶段,而其他几种方法已经部分地应用于工 业生产【6 1 - 6 3 】,而且人们仍在努力探索新的电子束表面处理工艺【6 禾鲥,扩大电子束表面改 性技术的应用范围。 1 4 电子束表面改性技术的研究现状 从研究角度来看,连续型电子束表面改性技术作为一种相对成熟的高能量密度源处 理技术在应用方面的研究相对较多,尤其是在德国、俄罗斯、美国、日本及法国,基本 是多学科协同进行研究。 强流脉冲电子束源于原子核聚变的实验研究,近几年才开始在材料表面改性方面 获得重视和使用,而且由于设备的原因,只有俄罗斯、德国、美国、日本等的个别科 研单位在这方面进行了一些探索性工作【67 1 。 俄罗斯t o m s k 强电流研究所的m a r k o v ,p r o s k u r o v s k y 及o z u r 等与德国、日 本的许多学者合作,致力于脉冲电子束系统电物理特性原理探讨,技术原理改造, 及电子束与各种材料相互作用特性研究【6 8 。7 8 1 。m a r k o v 等首先建立了强流脉冲电子 束轰击在金属材料内引发温度场的物理模型,并且得到了与实验符合较好的数值 计算结果。p r o s k u r o v s k y 等在纯铁、膜层体系、钢和合金等材料的表面改性方面作 了大量的工作。主要包括对碳钢与合金钢进行表面强化以提高材料表面的耐磨性 和耐腐蚀性等,他们发现在材料熔化的外表面层内,原始组织中的第二相被部分 或完全溶解,从而形成了过饱和的固溶体以及残余的纳米级第二相颗粒,这些微 大连理工大学硕士学位论文 结构的变化提高了材料表层的强度和电化学性能。为了更好地理解这些现象,他 们进一步发展了m a r k o v 等的模型,对温度场和应力场同时进行了数值模拟,给出 了材料表层升温、熔化、凝固及冷却的大致过程。 波兰、乌克兰等的研究学者也相继加入到该技术的研究讨论中。乌克兰的 p o g r e b n j a k 等人着重研究了强流脉冲电子束对材料结构的影响,以及表面合金化对 不同材料表面性能的提高作用1 7 9 - 8 5 。他们采用电子束蒸镀金属薄膜与强流脉冲电 子束后处理相结合的方法在纯铁表面实现了钽、钼、铬、铝等元素的合金化,同 时提高了纯铁的耐磨性和耐腐蚀性。并且使用n a d e z h d a 2 型强流脉冲电子束源, 利用r b s 、s p b ( s l o wp o s i t r o nb e a m ) 和正电子寿命的测量以及t e m 和s e m 等技术, 对电子束轰击后的纯铁表面层进行研究,发现了大量的非平衡空位向表面移动, 空位的密度达到1 0 一,因此在缺陷区域材料的局部密度降低,并且认为这些局部的 低密度区域是熔坑在材料表面形成的根源。 在国内,利用俄罗斯n a d e z h d a - 2 强流脉冲电子束( h c p e b ) 源,大连理工大学三 束材料改性国家重点实验室先后进行了大量的实验研究。郝胜智在博士论文研究期间以 纯铝为基材,深入研究了不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的 影响规律,进而获得了强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制【86 ,7 1 。他通过深 入分析载能电子与固体表面的相互作用过程,建立了较为合理的实际加工中的物理模 型,利用二维模型数值计算方法模拟了试样中的动态温度场及应力场分布,并选用 1 c r l s n i 9 t i 和g c r l 5 进行了初步的改性尝试。结果表明:表层快速升降温( 1 0 8 k s ) 与 熔凝以及入射束的瞬时热冲击作用是导致表层材料改性的直接原因,表面改性层的抗腐 蚀、硬度、抗磨损性能均有明显提高。尤其在对t i 离子注入后的轴承钢表面进行脉冲 电子束微熔轰击处理时发现,在实现表面强化效果的同时,注入离子的分布范围得到大 幅度提高,显示出明显的增强扩散效应【8 引。 吴爱民在博士论文研究期间以h 1 3 和d 2 两种典型的模具钢为基材,通过脉冲电子 束直接淬火和电子束表面合金化等方法进行表面改性处理,结果表明,处理后的模具钢 表层硬度、耐磨性,特别是抗微动磨损性能大幅度提高【89 1 。他在研究中还发现,经过脉 冲电子束适当处理后,钢的表层数微米范围内为超细晶甚至纳米晶;而通过纯铝的电子 束表面渗碳实验,发现了碳粉在电子束轰击下有向类金刚石结构转变的迹象。 秦颖在博士论文研究期间主要用数值模拟的方法研究了脉冲电子束在材料表层诱 发的温度场及相关的火山坑形成机制,揭示了亚表层率先熔化从而通过表层向外喷发的 火山坑形成机制【9 0 1 。同时对脉冲电子束材料表面改性过程中的应力产生及演化过程进行 了研究。 强流脉冲电子束处理模具钢s k d l1 的形貌和性能研究 高波在博士论文研究期间以纯镁以及镁合金为基材,通过脉冲电子束直接轰击及表 面合金化等方法进行表面改性研究,结果表明强流脉冲电子束处理能够有效地提高纯镁 及镁合金的耐蚀性、耐磨性并达到表面强化的效果【9 1 1 。 张可敏首次将脉冲电子束应用于生物材料表面改性及生物相容性方面。通过3 1 6 l 医用不锈钢和n i t i 合金的脉冲电子束表面改性机理和相关性能的研究,结果显示处理 后的样品表面得到强化的同时具有更好的耐蚀性和生物相容性【9 2 1 。 邹建新在博士阶段主要研究脉冲电子束对材料表面改性处理的“未熔 ,“熔化 和“汽化”三种不同处理模式【9 3 】;研究材料表层在三种不同处理模式下的组织和效果的 变化。 1 5 本文研究的内容和目的 模具在现代工业中扮演着相当重要的角色。世界各国的制造业为了降低产品成本、 提高产品质量和生产效率,改善材料利用率,节约能源,广泛地采用各种模具成形工艺 代替传统的切削加工工艺,因此模具得到了迅速发展和广泛的应用。很多产品的质量、 尺寸精度、表面粗糙度,很大程度取决于模具的质量、使用寿命。因此提高模具的使用 寿命受到广泛的重视和研究。 由于模具服役条件的特殊性,它必须具有高的机械强度,高温硬度,高强韧性、良 好的耐磨性和耐蚀性,所以模具在采用合理的热处理后对高精密模具往往再加上合理的 表面强化处理手段,以提高模具寿命降低加工成本。表面强化能在保持模具心部原有成 分和性能的基础上,赋予模具表面特殊使用性能( 主要是耐磨性、耐蚀性) ,大幅度提 高模具使用寿命,拓宽模具的应用范围,还可以降低模具的成本,具有广阔的应用前景。 模具经过合适的热处理工艺后,一般采用渗碳、渗氮、渗硼、渗金属等化学热处理, c v d 、p v d 等表面涂层方法和高能束表面强化,这三类表面强化处理手段来提高模具 的表面性能。化学热处理表面强化的缺点是质量不容易控制、劳动条件差、生产效率低、 成本高;表面涂层表面强化表面的缺点是涂层和模具的表面结合力较差。 强流脉冲电子束处理模具具有工件变形小,节约能量、效率高,清洁,处理方式灵 活,重复性好等一系列优点;处理后的模具表面没有结合力问题;吴爱民博士在强流脉 冲电子束处理模具钢d 2 和h 1 3 样品后,发现处理样品的抗微动磨损性能大幅度提高 8 9 】; 前人大量的研究工作表明,强流脉冲电子束处理钢样品时,反复重熔可以降低样品的表 面粗糙度。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 本实验选用强流脉冲电子束处理模具钢s k d i i 。模具钢s k d l l 是日本日立广泛应 用的特殊冷作模具钢,属于高碳、高铬钢。以高硬度、良好的耐磨性和韧性,广泛应用 于冲裁模具、冷作成型模具、冷拉模、成型轧辊、冲头、难加工材料的塑性变形用具及 各种用途冲压模。模具钢s k d i1 热处理后具有很高的硬度磨性,并具有淬透性强,尺 寸稳定性好的特点,适宜制作高精度长寿命冷作模具及热固成型塑料模具。它的出厂状 态:先预热7 0 0 7 5 0 ,再加热至9 8 0 1 0 3 0 油淬;加热至1 5 0 2 0 0 回火;加热至8 0 0 8 5 0 ,保温2 小时,退火。它的化学成分见表1 1 。 表1 1 模具钢$ k d l l 的化学成分 t a b 1 1 c o m p o s i t i o no f m o l ds t e e ls k d i 1 1 4 1 6 0 5 0 4l1 1 30 8 0 1 20 2 , - , 0 5 o 5p s 0 0 3 对s k d ll 钢材性能影响最大的元素应该是c 、c r 、m o 、v 等几类合金元素。高含 量的碳元素可以保证形成足够的碳化物,在s k d l1 钢中主要是( c r ,f e ) t c 3 ,而钢耐磨的 主要原因是在马氏体基体上分布着这些数量较多、硬度很高的颗粒状碳化物。碳元素使 m s 点下降,使钢具有较大的淬透性和回火稳定型。c r 是s k d l l 钢中含量最多的合金元 素,它不仅能提高s k d l1 钢耐腐蚀性能,也能提高其抗氧化性能,c r 与碳形成的碳化 物具有极高的硬度,c r 元素的固溶强化也保证了冷作模具钢的性能要求。钢种m o 、v 的作用除了提高钢的回火稳定性和淬透性,还能细化晶粒、固溶强化、改善碳化物分布 不均匀,提高钢的机械性能。 综上所述,本论文工作定位于强流脉冲电子束处理模具钢s k i ) 1 1 ,以提高s k i ) 1 1 钢用作模具钢的使用寿命。利用金相显微镜、t a l y s u r fc l l 2 0 0 0 三维表面形貌仪、x 射 线衍射仪及电子探针分析等手段分析强流脉冲电子束处理样品的表层形貌和组织。利用 显微硬度测试仪、摩擦磨损实验和电化学阳极极化实验,对强流脉冲电子束处理前后的 样品进行显微硬度、耐磨损性能和耐腐蚀性能测试:并分析样品改性前后各项性能变化 的因素,以探讨该技术在提高模具抛光寿命的应用前景。 强流脉冲电子束处理模具钢s k di1 的形貌和性能研究 2 强流脉冲电子束设备 对于具体的电子束表面改性处理工艺来说,所使用的电子束设备决定了电子 束的能量特性及加工处理方式,进而影响到可处理材料的范围、工艺参数的选择 及最终表面改性的效果及质量等问题。本章主要就论文工作中所使用的“n a d c z h d a 2 ”型强流脉冲电子束系统的组成、工作原理及其性能参数等方面进行阐述。 2 1装置组成 略 图 k霄h l f l s o 驰 啦屿窟 蹰狒 o o v ei 岁 l 曼, l tl 。噬鹳( i fi l 宝2l 、r - 一,l f 暑_ i i 2 0 孟o - 2 雕3 乙l卫j 一。 1 一 。幂。 r 下i t 3 3 k v l 9 3 l 。 1 , 嗽 亭! 年3 s k ¥ n s o o v - _f 一 阳伞7 7 ” 7 2 k v 7 tl l - 1 内玎p 一 - - - i f z o b 吁? ,t 大连理工大学硕士学位论文 加速电压、入射束平均能量密度等的有关仪器仪表。电子枪包括阴极、阳极、火花源、 罗戈夫斯基线圈、磁场线圈等。其中,用来产生强流脉冲电子束的电子枪是整个设备的 核心部分【蚓。 k 态 + 砺 = r ( a n o a 2 ) 图2 2 脉冲高压发生器工作原理示意图 1 一脉冲高压发生器,2 一脉冲触发器,s 1 、s 2 一火花间隙,c s 一储能电容,c t 一转移电容,f l 一格 式线,1 l 一传输线,r 1 、i 匕一阻抗式分压器,r 3 、r 4 一负载 f i g 2 2w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ep u l s eh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r0 h v g ) :1 一p u l s eh i g h - v o l t a g eg e n e r a t o r ( p h v g ) ,2 - t r i g g e ru n i t ,s 1a n d $ 2 - s p a r ks w i t c h e s ,c s = 0 4 1 2 f - s t o r a g ec a p a c i t o r ,c t 5 0 p f - t r a n s f e rc a p a c i t o r ,f l - f o r m a t t i n gl i n e ,n ,- t r a n s f e r r i n gl i n e ,r 1a n dr 2 - v o l t a g ed i v i d e r , r 3a n dr 4 - c h a r g er e s i s t o r s 2 2 工作原理 强流脉冲电子束装置是一种特殊的电物理装置,可产生短脉冲、高能量、大面积、 强束流的电子束,主要用于金属、半导体材料的表面改性处理。下面主要就此设备的运 行机制及工作过程进行简要论述。 2 2 2 强流脉冲电子束的运行机制 利用电子束为热源进行材料表面改性处理时,设备的工作参数与材料表面的处理范 围( 面积、深度) 及加热程度( 熔化、汽化、相变温度等) 密切相关。一般情况下,改 性层的深度不超过几十个微米,对应于电子在不同材料中的射程,电子的加速电压在 4 0 k v 以下便可以满足要求,同时也可在一定程度上降低辐射危害。为使表面层获得足 强流脉冲电子束处理模具钢s k d l1 的形貌和性能研究 够高的温度,同时又避免过多入射能量的传导损失,应选择脉冲方式工作,但要求脉冲 加热的速度要快,持续时间不超过1 0 咱s 。另外,由于采用了强流非聚焦型电子束的设计, 电子束流面积可达2 0 c m 2 ( 5 0 r a m ) 。根据上述几个重要参数,可以通过计算推算出, 电子束的能量密度应在1 - - 6 j e r a 2 范围内,电子柬流达到1 0 k a t 9 5 】。因此,本装置被称为 爆炸发射强流脉冲电子束装置( 又名“低能电子炮”) 。 在传统装置中,一般都采用真空二极管产生电子束。如果仍使用真空二极管获得爆 炸电子发射,电场强度须达到3 0 0 - 4 0 0 k v c m 。这样一方面,绝缘受到限制,电子也会 因为空间电荷效应导致发散严重,不能进行长距离传播。另外一方面,要达到上述场强, 阳极与阴极之间的距离d 就要很短( 扣0 1 e n a ) ,而且电子束脉冲持续时间不允许超过 1 0 7 s 。如此短时间的电子发射,阴极表面上会形成不连续发射中心,因此电子柬截面上 的能量分布不均匀。为克服上述缺点,本装置中使用特殊设计的强流脉冲电子束源,即 在电子的产生和传输中使用等离子体系统。当二极管和电子束漂移空间预先充满与阳极 等电势的等离子体时,阴极附近的电场以及电子的漂移距离都较单纯使用真空二极管的 情况明显改善。当脉冲加速电压加载到等离子体二极管时,电场首先
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