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1、 第一章 前言1.1 引言随着航空、航天、电子等尖端科技的不断发展，人们对金属表面性能的要求越来越高，传统的金属材料表面改性方法（如渗碳，渗氮，表面高频处理和离子氮化等等）对一些结构比较复杂或有性能特殊要求的工件就显得有些无力了，三束（离子束、电子束、激光束）表面改性作为新兴的表面改性方法，弥补了传统表面改性方法的不足，并得到迅速发展。其中，可以产生低能40KeV、强流10KA和脉冲1S的强流脉冲电子束（HCPEB）装置于上个世纪九十年代中期研制成功，并在材料表面改性方面的应用研究过程中引起广泛关注。1.2电子束技术概述联邦德国、法国在上世纪40-50年代已成功地研制出多种用途电子束加工机和电
2、子束焊接机。电子束于上世纪50年代中期应用于热加工。当初只是利用电子束在真空的条件下能加热材料的特征来进行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12。以后由于电子束的功率密度可提高到106W/cm2，因而可进行深熔，并能高效率地实现热影响区小、变形小的焊接。除此之外，还确立了提高电子束输出功率、延长电子枪寿命、局部或连续形成真空、用计算机控制加工参数等电子束加工的基本技术。并且已在汽车、宇航、重型机械等工业领域中得到应用，但作为加工的方法来说，大体限于焊接应用。1957年法国用电子束焊机焊接原子能反应堆燃料元件镐包套封口成功。上世纪60年代初，电子束打孔、铣切、焊接、熔炼、镀膜等技
3、术相继开展，并在工业生产中推广应用，促进了先进技术的发展40。上世纪60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，但这些应用都不是大功率的4143。电子束表面改性技术是上世纪70年代才发展起来的新技术。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、熔覆以及半导体材料的退火和掺杂等。其中又以电子束淬火应用最为广泛。表面处理的实质是通过特殊的工艺方法，或直接改变原来表面的组织和成分，或在原来表面上复合一个具有特殊性能的表面，从而达到表面改性和提高表面性能的目的。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世界各国广泛展
4、开44。电子束具有高能量密度、易于控制和调节等优点，电子束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。它具有高能量密度，能量非常集中，电子束的功率密度（即单位时间输入单位面积材料的能量）可高达 107 W/cm2。高速运动的电子具有波的性质。从电子枪阴极表面发射的电子，经加速后直接轰击到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mm到几个mm）温度急剧升高，而“基体”仍保持“冷态”，电子束结束照射时，加热区域的热量迅速向基体扩散，表面层温度急剧下降，从而在表面改性层中形成特定的加热、冷却过程，类似于常见的热处理过程。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
5、过程中同步造成热应力的产生，并形成一定的应力分布状态。以上述过程为基础，通过控制入射电子束的形式、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。强流脉冲电子束作为一种新的电子束处理技术已成为国外科研机构日益重视的一项表面改性技术。1.3 电子束表面改性处理的特点1.3.1 与传统工艺相比较电子束工艺是一种较为先进的表面改性技术，与传统的表面处理工艺相比，它具有以下优点50：1 工件变形小。因为电子束表面改性处理过程中，只对工件的表面局部区域进行升降温处理，整个零件并未进入高温状态，输入零件的总能量少，因此几乎不可能产生变形，尤其是对于大型零
6、件更是如此。所以，对于精密加工之后的零件特别适合，可大大减少精加工的研磨留量。2加工效率较高。电子束表面处理局部能量密度高，但处理时间短，加工时电热转化效率很高。3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、准确的调节。因而表面改性的部位和处理层的深度均可得到精确控制。4清洁。由于加工处理在真空室中进行，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。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，
7、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。1.3.2 与激光处理相比较电子束表面改性处理与激光加热处理在能量密度、工艺控制以及作用原理等方面有许多相同之处，例如都可以进行金属表面淬火、表面合金化处理、退火等，都可以进行局部处理、进行自身淬火。但是，实际应用中它们还是各有其特点的，表1-1列出二者在几方面的比较。表1-1 电子束和激光束的比较Table 1-1 Comparison of Electron beam and Laser beam项目电子束激光束能量效率9010防止反射不需要防止反射需涂反射防止剂，反射率40气氛条件在真空中
8、进行在大气中进行（但有时需要辅助气体）能量传送通过移动透镜或电子枪的移动来传送能量平行光路系统的激光束传送对 焦通过控制聚束透镜的电流（100600mm）由于透镜的焦距是固定的，所以要移动工作台（150mm）束 偏 转通过调节偏转线圈的电流可选择任意图形利用反射镜使激光束偏转设备运行费1（以电子束设备运行费为1）714（电、激光气体、辅助气体）总而言之，这两种表面改性处理方法都是七十年代初发展起来的新技术，由于它们独特的加热方式，给金属的表面改性技术带来新的概念和特点。应用高能密束进行表面热处理的最新发展，已开辟了导向改进成品质量的工业可能性。高能量密度射束有利地补充了热处理的常规方法，确实有
9、大量难以用常规方法处理的几何形状复杂的工件，可以用射束技术成功地解决。1.4 电子束表面改性技术的分类随着电子束技术本身的不断发展，电子束表面改性技术的应用领域也在日益扩大。到目前为止，已经有许多成熟的电子束表面改性技术成功地应用于工业生产中，另外，还有相当一部分电子束表面改性技术正处于实验阶段。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。1.4.1 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，将直接取决于入射电子束的作用形式。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及脉冲式工作。1.
10、 连续型电子束在这种方式下，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。从运行特点看，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；2. 脉冲式电子束脉冲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，而改性层的深度又要受电子束功率密度的影响。加工宽度虽然是依赖于电子束的直径，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传热的影响。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
11、求采取相应措施，一方面控制电子束截面的能量密度分布，另一方面有效地控制电子束能量的作用时间。目前，这两种方式的电子束表面改性处理均被广泛采纳和使用。从运行特点看，脉冲型处理更加适合于高功率、大束斑、复杂零件的特殊处理。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。1.4.2 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：1. 表面淬火：这种淬火是一种自淬火。表面层加热温度超过相变温度而未达到熔点
12、时，对于钢铁材料来说，将发生相变转化为奥氏体。由于脉冲作用时间很短，晶粒来不及长大，于是获得超细晶粒的组织；当表面温度超过熔点时，熔化薄层在极短时间凝固，也可以达到晶粒细化的目的，从而使材料表面强度、硬度、耐磨性等性能大为提高。2. 表面合金化：在工件表面涂上一薄层其它材料，仍采用103104W/cm2的功率密度，适当延长电子束在表面的作用时间，使表面涂敷层熔化，基体材料表面的一小薄层也熔化，二者混合后形成表面的区域冶炼得到新的合金。这种新的合金可以具有高的硬度、高耐磨性、强抗蚀性等。3. 表面非晶态处理将电子束的平均功率密度提高到106107W/cm2，缩短作用时间至10-5s左右。首先，使
13、金属工件表面很薄的一层（几个mm）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（107-9/s），即可得到非结晶态的组织。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594. 冲击淬火当电子束的功率密度提高到108109W/cm2，而照射时间为10-610-8s时，轰击之后，金属的原子结构会发生变化，可能导致材料性能的根本性变化。5. 表面薄层退火58,59,78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6063。目前
14、，表面非晶态处理、冲击淬火方法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8183，而且人们仍在努力探索新的电子束表面处理工艺8486，扩大电子束技术的应用范围。1.5 电子束表面改性处理的应用及研究现状早在70年代初，美、苏两国首先将电子束用于薄钢带、细丝的连续真空退火，同时开始了对电子束淬火问题的研究，这标志着电子束技术开始被用于材料表面改性处理。80年代是电子束技术蓬勃发展的时期，世界各国都开始了对电子束表面改性技术的研究，成果屡见不鲜。目前，在表面改性工艺中所使用的电子束加速电压已达到1Mv，功率密度接近109W/cm2，大面积及短脉冲（ns量级）打点等新技术不断出现。从
15、文献报道来看，目前对强脉冲电子束流入射引起的材料微观结构及性能变化等方面的研究工作开展得还较少，强流脉冲电子束入射引起的材料改性机制还基本建立在简单实验测试及经验理论上，缺乏系统地材料显微结构分析及相应的实验验证结果。在已报道的文献中，材料的微观变化包括以下几个方面：晶体结构变化，主要指新相或特殊相的产生，还包括非晶的形成；晶粒细化；高密度的晶体缺陷，包括位错、层错及空位；残余应力等82。强流脉冲电子束表面改性作为一种现代的材料加工手段，无论在机理研究还是在应用上均处于初始发展阶段，远未成熟，许多问题亟待解决：1.对改性过程和作用机制的认识还不完整；2.材料微观结构及性能变化方面缺乏系统性的实验观察和测试；3.强流脉冲电子束表面改性技术的实际应用很少。1.6本文的主要研究内容在了解和掌握电子束表面改性设备强流脉冲电子束装置的基础上，针对其在表面改性方面的应用开展强流脉冲电子束对模具钢SKD-11的材料表面改性的研究工作。通过对不同工艺参数处理后模具钢SKD-11样品的显微形貌(熔坑出现，形状及分布特性)，缺陷种类与分布微结构，元素成分(选择喷发，蒸发，均匀化)，相结构(非平衡反应特殊晶体学变化)等方面的分析，重点研究模具钢SKD-11经过强流脉冲电子束处理之后摩擦学性能的变化情况。第二章 强流脉冲电子束装置
