CN114350925A - 一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，包括以下步骤：步骤一，前处理；步骤二，将圆柱工件水平置于旋转机构上，使电子束中心点对齐圆柱工件母线最高点；步骤三，抽真空；步骤四，开启扫描电子束发射装置，扫描电子束沿圆柱工件的长度方向移动对圆柱工件母线最高点进行表面改性处理，然后旋转机构带动圆柱轴向转动，扫描电子束继续沿对转动后的圆柱工件母线最高点进行扫描，重复该过程直至完成对圆柱工件的曲面表面的扫描；步骤五，待扫描完成后清理。本发明的有益效果是：本发明在扫描的过程中，电子枪头的中心线始终处于圆柱工件的母线最高点上移动，电子枪头与圆柱工件之间的距离始终保持不变，确保得到均有连续的处理表面。
Description
技术领域
本发明涉及非平面金属扫描电子束表面改性技术领域，尤其涉及一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法。
背景技术
圆柱型金属材料在工业生产加工中经常会被使用到，其中轴类零件使用圆柱型金属最为广泛，上到航天航空飞行器，下到汽车轮船各种设备，都离不开轴类零件，作为回转运动传递最高效的形状，面对不同的工况环境，对轴类零件的质量要求也会有所不同，如发动机轴，汽车连杆，凸轮轴等工况环境较为恶劣，摩擦磨损以及疲劳点蚀都会严重影响轴上的能量传递。由于轴类回转零件在加工为成品的过程中，会有很多的工艺步骤，这明显增加了零部件的制造成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，能有效提升表面光洁度、硬度的同时，可提高圆柱工件表面的耐磨性以及耐腐蚀性，且能得到均有连续的处理表面。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，包括以下步骤：
步骤一，前处理，对圆柱状材质表面进行车削处理后切割成同一尺寸的圆柱工件，对圆柱工件表面进行清洗后吹干处理；
步骤二，扫描电子束处理，将经过前处理的圆柱工件水平置于预热完成的扫描电子束表面改性装置工作室内的旋转机构上，且置于电子束枪头射线正下方，使电子束中心点对齐圆柱工件母线最高点；
步骤三，使用油扩散泵串联罗茨泵对扫描电子束工作腔室及加工腔室进行抽真空；
步骤四，对扫描电子束表面改性装置进行工艺参数设定，然后开启扫描电子束发射装置，使得扫描电子束沿圆柱工件的长度方向移动对圆柱工件母线最高点进行表面改性处理，在圆柱工件母线最高点扫描完后，旋转机构带动圆柱轴向转动，然后扫描电子束继续沿圆柱工件的长度方向移动对转动后的圆柱工件母线最高点进行扫描，重复该过程直至完成对圆柱工件的曲面表面的扫描；
步骤五，待扫描完成后，关闭扫描电子束发射装置，取出扫描后的圆柱工件，对圆柱工件进行清洗后进行吹干处理，完成对圆柱曲面表面的处理。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤三中，所述扫描电子束工作腔室内真空度为1.33×10-3Pa，加工腔室内真空度为5×10-2Pa。
进一步，所述步骤四中，对扫描电子束表面改性装置进行工艺参数设定为：扫描电子束扫描电子束流的加速电压为60KV，扫描电子束聚焦电流为380-420mA，扫描电子束加工束流为10-13mA，电子枪移动速度2-8mm/s，扫描电子束环内径为8mm，外径10mm。
进一步，所述步骤四中，对扫描电子束表面改性装置进行工艺参数设定为：扫描电子束扫描电子束流的加速电压为60KV，扫描电子束聚焦电流为396mA，扫描电子束加工束流为10-13mA，电子枪移动速度4mm/s，扫描电子束环内径为8mm，外径10mm。
进一步，所述步骤一和步骤五中，对圆柱工件表面进行清洗的方法均为使用醇类有机溶剂和酮类有机溶剂对圆柱工件表面进行清洗。
进一步，所述步骤五中，在关闭扫描电子束发射装置后，保持圆柱工件在扫描电子束表面改性装置工作室内30min以上，然后取出扫描后的圆柱工件。
本发明的有益效果是：圆柱工件的不同位置的母线距离电子枪头的距离不同，而在本发明在扫描的过程中，电子枪头的中心线始终处于圆柱工件的母线最高点上移动，电子枪头与圆柱工件之间的距离始终保持不变，通过旋转圆柱工件实现对整个圆柱表面的处理，确保得到均有连续的处理表面；
本发明采用扫描电子束处理金属圆柱表面的方法，在提高金属表面光洁度的同时，还明显提升了圆柱表面的硬度，以及耐磨性能。采用了扫描电子束的处理方法，使得金属圆柱表面迅速达到金属试件的熔点，随着扫描电子束枪头的移动，金属圆柱表面又急速冷却。这种激冷激热的过程，使得工件表面快速形成硬化层，在降低表面粗糙度的同时，金属试件的硬度以及耐磨性能都得到了显著的提升；
在扫描电子束处理45#中碳钢圆柱金属表面时，扫描电子束作用于金属圆柱试件表面时，短时间的激冷激热过程，使得试件表面形成一层很薄的熔融层，由于熔融层金属自身的自流动性和重力导向，可以将表层的金属碎屑熔融后填补至表面的凹坑中，以达到提升表面光洁度的作用。由于金属材料的导热速率较高，在扫描电子束后，表面的熔融层以及热影响区会实现淬火效果，而材料的芯部则不会被影响到，从而达到表面组织晶粒细化，提升了表面硬度和耐磨性能。由于金属材料芯部受热影响较低，所以内部组织不会有所改变，能够保持材料原本的性能，只提升表面光洁度、硬度及耐磨性，并保持芯部韧性；
扫描电子束处理圆柱金属表面的过程是在真空环境下进行的，因此在处理表面的时候能够隔绝空气等杂质对材料表面影响，杜绝氧化反应；同时能量传递为电子轰击，能量传递效率高，且不引入其余元素。
附图说明
图1为本发明的流程图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明的实施例包括以下步骤：步骤一，前处理，对圆柱状材质表面进行车削处理后切割成同一尺寸的圆柱工件，对圆柱工件表面使用醇类有机溶剂和酮类有机溶剂对圆柱工件表面进行清洗，然后使用洗耳球吹干，防止快速氧化；
步骤二，扫描电子束处理，将经过前处理的圆柱工件水平置于预热完成的扫描电子束表面改性装置工作室内的旋转机构上，且置于电子束枪头射线正下方，使电子束中心点对齐圆柱工件母线最高点；
步骤三，使用油扩散泵串联罗茨泵对扫描电子束工作腔室及加工腔室进行抽真空，使得扫描电子束工作腔室内真空度为1.33×10-3Pa，加工腔室内真空度为5×10-2Pa；
步骤四，对扫描电子束表面改性装置进行工艺参数设定，其中扫描电子束扫描电子束流的加速电压为60KV，扫描电子束聚焦电流为380-420mA，扫描电子束加工束流为10-13mA，电子枪移动速度2-8mm/s，扫描电子束环内径为8mm，外径10mm，然后开启扫描电子束发射装置，使得扫描电子束沿圆柱工件的长度方向移动对圆柱工件母线最高点进行表面改性处理，在圆柱工件母线最高点扫描完后，旋转机构带动圆柱轴向转动，然后扫描电子束继续沿圆柱工件的长度方向移动对转动后的圆柱工件母线最高点进行扫描，重复该过程直至完成对圆柱工件的曲面表面的扫描；
步骤五，待扫描完成后，关闭扫描电子束发射装置，将圆柱工件在扫描电子束表面改性装置工作室内停留30min以上，并且保持真空状态，然后取出扫描后的圆柱工件，对圆柱工件表面使用醇类有机溶剂和酮类有机溶剂对圆柱工件表面进行清洗，然后使用洗耳球吹干，完成对圆柱曲面表面的处理。
在本发明中，圆柱工件的不同位置的母线距离电子枪头的距离不同，而在本发明在扫描的过程中，电子枪头的中心线始终处于圆柱工件的母线最高点上移动，电子枪头与圆柱工件之间的距离始终保持不变，通过旋转圆柱工件实现对整个圆柱表面的处理，确保得到均有连续的处理表面
在本发明的一种具体实施例中，包括以下步骤：步骤一，前处理，对车削后的45#中碳钢圆柱工件进行切断处理，制作成50mm长的圆柱工件，使用醇类有机溶剂和酮类有机溶剂对圆柱工件表面进行清洗，去除表面杂质以及油污，然后使用洗耳球吹干；
步骤二，扫描电子束处理，将经过前处理的圆柱工件水平置于预热完成的扫描电子束表面改性装置工作室内的旋转机构上，且置于电子束枪头射线正下方，使电子束中心点对齐圆柱工件母线最高点；
步骤三，使用油扩散泵串联罗茨泵对扫描电子束工作腔室及加工腔室进行抽真空，使得扫描电子束工作腔室内真空度为1.33×10-3Pa，加工腔室内真空度为5×10-2Pa；
对扫描电子束表面改性装置进行工艺参数设定，其中扫描电子束扫描电子束流的加速电压为60KV，扫描电子束聚焦电流为396mA，扫描电子束加工束流为10mA，电子枪移动速度4mm/s，扫描电子束环内径为8mm，外径10mm，然后开启扫描电子束发射装置，使得扫描电子束沿圆柱工件的长度方向移动对圆柱工件母线最高点进行表面改性处理，在圆柱工件母线最高点扫描完后，旋转机构带动圆柱轴向转动，然后扫描电子束继续沿圆柱工件的长度方向移动对转动后的圆柱工件母线最高点进行扫描，重复该过程直至完成对圆柱工件的曲面表面的扫描；
步骤五，待扫描完成后，关闭扫描电子束发射装置，将圆柱工件在扫描电子束表面改性装置工作室内停留30min，并且保持真空状态，然后取出扫描后的圆柱工件，对圆柱工件表面使用醇类有机溶剂和酮类有机溶剂对圆柱工件表面进行清洗，然后使用洗耳球吹干，完成对圆柱曲面表面的处理。
在本实施例中，对表面处理后圆柱工件做组织以及性能的测试，具体包括以下方法：使用ZEISS Gemini SEM 300扫描电镜观测扫描圆柱工件的组织，利用HDX-1000TM显微硬度计以1.96N载荷、15s加载时间下测量工件显微硬度，使用TR-200型手持式粗糙度仪对扫描后的圆柱工件表面进行粗糙度测量，利用HSR-2M摩擦磨损试验机在室温下，设置载荷9.8N，往复距离3mm来进行耐磨性测试。
经过测试，本实施例的45#中碳钢圆柱工件在经过扫描电子束处理前表面粗糙度为1.4μm，基体硬度为237HV，经扫描电子束过后，改性层表面粗糙度为0.689μm，硬度为580HV，相较于基体粗糙度提升2倍，硬度提升2.5倍。光洁度和硬度都得到了明显的提升。在40N载荷下，往复长度为3mm，测试30min，磨失重量仅为0.3mg，相较于未被扫描电子束处理的圆柱工件磨损重量1mg有了较为明显的提升。使用激光显微镜观测未使用扫描电子束处理的试件表面和经过扫描电子束处理后的试件表面形貌，未经处理的试件样品表面较为粗糙，经过扫描电子束处理后的试件样品表面较为细腻，其粗糙程度较未处理有了显著的改善，由此可知，采用扫描电子束处理45#中碳钢圆柱形试件，能够明显地降低试件表面的粗糙度。使用Quanta FEG 450电子显微镜观测试件截面组织图，界面形貌分为重熔层、热影响区与基体，重熔层与基体之间的分布界限较为明显，晶界消失，组织均匀分布，表层晶粒显著细化，因而使得表面性能如硬度、耐磨性得到提高。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，前处理，对圆柱状材质表面进行车削处理后切割成同一尺寸的圆柱工件，对圆柱工件表面进行清洗后吹干处理；
步骤二，扫描电子束处理，将经过前处理的圆柱工件水平置于预热完成的扫描电子束表面改性装置工作室内的旋转机构上，且置于电子束枪头射线正下方，使电子束中心点对齐圆柱工件母线最高点；
步骤三，使用油扩散泵串联罗茨泵对扫描电子束工作腔室及加工腔室进行抽真空；
步骤四，对扫描电子束表面改性装置进行工艺参数设定，然后开启扫描电子束发射装置，使得扫描电子束沿圆柱工件的长度方向移动对圆柱工件母线最高点进行表面改性处理，在圆柱工件母线最高点扫描完后，旋转机构带动圆柱轴向转动，然后扫描电子束继续沿圆柱工件的长度方向移动对转动后的圆柱工件母线最高点进行扫描，重复该过程直至完成对圆柱工件的曲面表面的扫描；
步骤五，待扫描完成后，关闭扫描电子束发射装置，取出扫描后的圆柱工件，对圆柱工件进行清洗后进行吹干处理，完成对圆柱曲面表面的处理。
2.根据权利要求1所述的一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述扫描电子束工作腔室内真空度为1.33×10-3Pa，加工腔室内真空度为5×10-2Pa。
3.根据权利要求1或2所述的一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，其特征在于，所述步骤四中，对扫描电子束表面改性装置进行工艺参数设定为：扫描电子束扫描电子束流的加速电压为60KV，扫描电子束聚焦电流为380-420mA，扫描电子束加工束流为10-13mA，电子枪移动速度2-8mm/s，扫描电子束环内径为8mm，外径10mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，其特征在于，所述步骤四中，对扫描电子束表面改性装置进行工艺参数设定为：扫描电子束扫描电子束流的加速电压为60KV，扫描电子束聚焦电流为396mA，扫描电子束加工束流为10-13mA，电子枪移动速度4mm/s，扫描电子束环内径为8mm，外径10mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，其特征在于，所述步骤一和步骤五中，对圆柱工件表面进行清洗的方法均为使用醇类有机溶剂和酮类有机溶剂对圆柱工件表面进行清洗。
6.根据权利要求1或2所述的一种扫描电子束处理金属圆柱曲面表面的方法，其特征在于，所述步骤五中，在关闭扫描电子束发射装置后，保持圆柱工件在扫描电子束表面改性装置工作室内30min以上，然后取出扫描后的圆柱工件。
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