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1、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
2、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 加热热电热电 子 在电场电场 作用下阳极 加速穿过过阳极孔 后向下发发射电磁 透镜使电电 子束 聚焦 缩缩小偏转线 圈使电电子束偏转转照射到 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
3、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
4、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103106W/cm2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
5、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(FeCr)3C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1.273.1
6、3%，大大低于基体组织中的(FeCr)3C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 x370002、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
7、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0200A,加速电压为015kV,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
8、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，
9、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/cm2，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！
