强流脉冲电子束40CrNiMo7钢表面合金化

韩 丹，郝胜智

（1.吕梁学院物理系，山西吕梁 033000；2.大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁大连 116024）

强流脉冲电子束40CrNiMo7钢表面合金化

韩 丹1，郝胜智2

（1.吕梁学院物理系，山西吕梁 033000；2.大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁大连 116024）

使用强流脉冲电子束（HCPEB）对40CrNiMo7钢的表面进行合金化。使用金相显微镜、X射线衍射（XRD）、电子探针（EPMA）方法分析表层形貌和组织变化规律，测试改性表面的显微硬度。得出，重熔层内碳元素含量的平均值要比铁素体碳元素含量的平均值高78%，表面合金化效果较好，目的实现。对应表面预先HCPEB脉冲处理的样品，再将其进行合金化处理后，硬度提高十分明显，达到355 HV。在使用HCPEB进行表面合金化处理工艺时，对样品的预处理是必要步骤，从而可以使得表面进行合金化前，其成分差异较少，组织较为均匀，熔坑喷发的诱因数量因而减少。

强流脉冲电子束；表面合金化；40CrNiMo7钢；显微硬度

强流脉冲电子束（HCPEB）作为一种较为新型的表面改性技术，前景甚为可观[1-2]。强流脉冲电子束对材料进行轰击时，在热影响区的空间内，其元素的分布、显微的一些组织以及整体的应力状态会有明显变化，并且生成超细晶，亚稳相等属于非平衡结构的现象，这些表面改性效果，对于常规方法来说难以达到[3]。

40CrNiMo7钢作为铬镍钼系调质钢，主要用于高负荷、大截面的轴类和承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴，以及火箭发动机外壳等[4-7]。本文采用强流脉冲电子束对40CrNiMo7钢进行表面合金化，对表面合金化处理前，是否需要预处理，从而使得成分以及表层组织较为均匀，使造成表面熔坑喷发的不利因素尽量减少。

1 实验材料及方法

取工业用40CrNiMo7钢，主要化学成分为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%，余量为Fe。样品大小为10×10×8 mm，去污并抛光。

样品表面预涂碳环节，控制火焰使其不完全燃烧，从而产生碳黑的方法可以使样品表面得纳米碳粉均匀涂覆且结合力较好。文中实验均采用这种方法，控涂覆厚度控制约为10 mm。

采用HOPE-I型强流脉冲电子束装置对40CrNiMo7钢样品进行表面合金化，实验参数为加速电压27 kV，靶极距6 cm，脉冲次数分别为涂碳后处理5次和预先改性10次后涂碳后处理5次，以及未涂碳直接处理5次和10次。

样品表层组织形貌使用MEF-4型金相显微镜观察，4%的硝酸乙醇溶液作为腐蚀剂。相结构分析设备为EMPYREA型X射线衍射仪，利用铜靶，扫描范围20°～100°，步长0.03°。样品表面显微硬度的测试使用HV-1000型维氏硬度计，样品表层合金元素分布采用EPMA-1600型电子探针显微分析仪测量。

1.1 表面显微形貌

图1为强流脉冲电子束处理40CrNiMo7钢的表面金相形貌。图中看出，直接脉冲轰击和对表面进行预涂碳环节后，再利用HCPEB对样品表面合金化处理，40CrNiMo7钢样品表面都会产生熔坑。而且，对于HCPEB脉冲处理都为5次的样品，合金化的样品表面其熔坑数量更多，尺寸也较大。研究得出，入射电子束的能量沉积形式被表面涂覆的碳层改变，使得亚表层中的先熔位置更接近样品表层，导致熔体更容易喷发，从而造成合金化的样品表面其熔坑数量更多，尺寸也较大[8]。而对于预先10次HCPEB脉冲处理后的样品，其表层的结构和成分在预涂碳时已得到细化和均匀化，结构差异和局部成分在涂覆碳层中较不明显，因此，接着5次HCPEB处理后，表面熔坑的数量明显减少，其表面平整性以及致密性也有了很大提高。

图1 强流脉冲电子束轰击40CrNiMo7钢表面形貌（(a)脉冲轰击5次，(b) 脉冲轰击10次，(c)涂碳后）

1.2 显微截面形貌

图2是40CrNiMo7钢的截面形貌，其属于经过强流脉冲电子束轰击后的典型形貌。材料最外均匀层称为重熔层，其结构较为致密，平均厚度为～7μm，表面各处重熔层厚度并不相同，其中原始珠光体组织处较铁素体位置处明显要深，厚度差别为～2μm。研究得出，由于珠光体为层片状混合组织，成分为渗碳体和铁素体，铁素体（纯铁1535oC）渗碳体熔点（1227oC），因此混合组织中的相界面和成分过渡区很多，相同加热条件下，熔化较易发生。而在铁素体面积较大，导热条件和元素扩散很难发生，所以表面改性层得厚度在不同的组织处不尽相同，脉冲轰击次数越多，由原始组织引起的重熔层厚度差异越大。

图2 强流脉冲电子束处理40CrNiMo7钢的截面金相（轰击10次后涂碳，再轰击5次）

1.3 XRD分析

图3作为X射线衍射分析图谱，是40CrNiMo7钢经过HCPEB不同参数处理后的结果。可以看出，原始样品中的渗碳体（Fe3C）含量极少，其对应衍射峰几乎不可见。合金化后的样品表面生成了奥氏体和马氏体相。对于同样5次HCPEB脉冲处理的样品表面，样品是否涂碳进行合金化，其衍射峰种类和数量几乎没有变化，说明表面涂覆碳层几乎没起作用，合金化基本没有效果，研究表明，在HCPEB处理过程中，由于表层温度过高，涂覆碳层随剧烈熔坑喷发或被汽化。对应预先对未涂炭样品进行10次脉冲HCPEB处理，再涂碳并5次HCPEB脉冲处理后，衍射峰变化明显，其中，γ-Fe的衍射峰变强，残余奥氏体在改性表面上留存较多，表明此时的碳合金化产生了明显效果。由此得出，熔坑喷发而造成的表面合金成分脱离样品表面，是合金化失败的主要原因，因此使用HCPEB合金化工艺，需要必要预先步骤，此时合金化效果才能较好。

图3 40CrNiMo7钢经强流脉冲电子束处理前后的X射线衍射图谱

1.4 截面EPMA分析

图4作为电子探针成分分析图像，是40CrNi-Mo7钢经强流脉冲电子束处理后的截面分析结果。样品中未涂碳便进行10次HCPEB脉冲轰击的，重熔层中碳元素含量的平均值要比铁素体中碳元素含量的平均值高50%，比珠光体中碳元素含量的平均值少67%。研究得出，在含碳较多的相界面位置处，受到HCPEB处理过程时，熔坑较其它位置容易产生，在此过程中，铁素体熔化的位置便会吸收表面层中熔体所含的碳元素，从而造成重熔层中碳元素含量的平均值要比珠光体中碳元素含量的平均值少。而对应的合金化样品，如图4所示，重熔层内碳元素含量的平均值要比铁素体碳元素含量的平均值高78%，比珠光体碳元素含量的平均值少51%。由此得出，经过预先10次HCPEB脉冲处理的样品，表面改性层即重熔层的碳元素含量明显增加，表面合金化效果较好，目的实现。

图4 强流脉冲电子束合金化处理40CrNiMo7钢截面成分线扫描，10次直接改性（左图），轰击10次后涂碳，再轰击5次（右图）

1.5 40CrNiMo7钢采用HCPEB进行表面合金化后的性能检测

图5作为表面显微硬度测量图表，是40CrNi-Mo7钢采用强流脉冲电子束处理后的硬度测量结果。可以看出，对于原始样品，其表面的整体平均显微硬度较低，为190 HV，HCPEB处理后样品表面硬度值的提高都非常明显。同样5次HCPEB脉冲处理的样品，不论是否进行合金化，其显微硬度几乎没有变化，依然表明，这种处理参数，其样品合金化几乎没有效果。而对应表面预先10次HCPEB脉冲处理的样品，再将其进行合金化处理后，硬度提高十分明显，达到355 HV，较原始40CrNi-Mo7钢样品提高约86.6%，可以得出，此参数处理后，样品表面实现了合金化的目的。

图5 强流脉冲电子束处理40CrNiMo7钢表面显微硬度，(a)表面总体平均值，(b)分区测量值

2 结论

综合上述研究结果，由于合金元素与表面的结合力是合金化是否成功的关键因素，所以在使用HCPEB进行表面合金化处理工艺时，为了达到合金元素在表面有效添加的目的，对原始材料表面预先进行必要的HCPEB处理是必须步骤，从而可以使得表面进行合金化前，其成分差异较少，组织较为均匀，熔坑喷发的诱因数量因而较少，使用HCPEB合金化使表面总体显微硬度明显提高的目的得以实现。

[1]安永昌.最近的表面改性技术[J].国外金属加工,1990,(32)：52-57.

[2]王金昌.高功率粒子束及其应用[J].强激光与粒子束,1989,2(1)：1-21.

[3]唐敦乙,林书锉,刘志敏.强流荷电粒子束技术与应用[M].北京:电子工业出版社,1995.

[4]赵家萍,李保成.高能率热处理[M].北京：兵器出版社,1992.

[5]刘晋春,赵家齐.特种加工[M].2版.北京:机械工业出版社,1994.

[6]刘振辉,杨嘉楷.特种加工[M].重庆:重庆大学出版社,1991.

[7]范玉殿.电子束和离子束[M].北京:机械工业出版社,1989.

[8]郝胜智,徐洋,贺冬云,等.强流脉冲电子束辐照YG8硬质合金的组织与性能[J].金属热处理学报,2011,36(3):68-71.

〔责任编辑 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

韩丹(1988-)，女，山西吕梁人，硕士，助教，研究方向:强流脉冲电子束材料表面改性技术研究。