CN117305551A - 一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法，具体包括以下步骤：步骤1：前处理，对试块工件进行切割、铣削，加工成固定尺寸形状，然后用超声波清洗机对加工后的工件进行清洗。步骤2：试样制备，使用金相抛光机对试块进行打磨至抛光。步骤3：电子束处理，采用电子束对试样进行电子束辐照处理。步骤4：组织与性能测试，采用扫描电子显微镜观察微观组织结构，利用显微硬度计测量硬度与摩擦磨损试验机检测其耐磨性。即本发明公开的方法可以显著提升4Cr13不锈钢表面硬度及其耐磨性、耐腐蚀性，具有极好的应用场景。
Description
【技术领域】
本发明属于不锈钢高能束表面改性技术领域，具体涉及一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法。
【背景技术】
随着制造业的发展，当前对于钢材的需求量仍然保持上升阶段，如何使机械结构和零部件满足恶劣的工作条件，延长其使用寿命，是提高国民经济的重要课题。4Cr13不锈钢为常见的一种马氏体不锈钢，它机械加工性能好，被广泛用于水泵、阀门、轴承、切削工具、医疗器械等。但随着社会工业的发展，模具、轴承等零件需要高精密、高硬度、高耐腐蚀性的工艺要求，普通的热处理方式已经不能满足日益发展的的工业要求，且使用寿命日益缩减。为解决这一问题，延长工件使用寿命，通常对工件进行表面强化处理，以提高表面的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀能力。传统的金属表面强化处理有表面淬火、电镀、渗碳、渗氮、热处理等，但这些强化方法，因耗时费力、成本高、污染严重等诸多原因，使其在实际应用中受到限制。因此，探索更高效、更低成本、更环保的处理工艺是一种必然趋势。
电子束表面改性处理是通过电子束作用于材料表面使材料浅表层发生强烈的熔化现象，由于基体还处于冷态，浅表层瞬间将热量传递给基体，快速冷却后产生成分、组织结构变化，从而达到所需性能的工艺方法。与其它材料表面改性技术相比，电子束表面改性处理优点为：
(1)功率密度高、控制灵活、重复性好，能够精准控制表面温度和穿透深度；
(2)在真空条件下进行，对金属保护好，可以获得较高的结合力和性能，从而保证质量。
因此，本专利提出采用高压电子束表面改性方法对4Cr13不锈钢进行表面改性，电子束表面改性是通过电子束轰击材料表面，使得材料表面温度迅速升高，再快速冷却，从而达到晶粒纳米化的效果，因为纳米颗粒的存在既能提升4Cr13不锈钢表面硬度，还可提高其耐磨性能以及耐腐蚀性，并将机理研究与实验结论应用于其他金属材料表面改性中，扩展高能束材料表面加工领域。
【发明内容】
本发明的目的是：
本发明将4Cr13不锈钢加工成固定尺寸形状，采用金相抛光机进行打磨，得到试样；再通过电子束表面改性处理得到试样成品。本发明在有效提升表面硬度的同时，也提高试块表面耐磨性、耐腐蚀性，具有极好的实际应用场景。
为解决上诉问题，本发明所采用的技术方案是：一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法，包括以下步骤：
1、一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法，包括以下步骤：
步骤1：前处理，对试块工件进行切割、铣削，加工成固定尺寸形状，然后用超声波清洗机对加工后的工件进行清洗，去除表面油污与杂质。
步骤1结束后进行步骤2；
步骤2：试样制备，使用金相抛光机从600目砂纸逐次打磨至3000目并进行抛光处理。
步骤2结束后进行步骤3；
步骤3：电子束处理，将试样放置于电子束焊机的热加工室内，进行抽真空，使得电子枪室真空度为1.33×10-3Pa，加工室真空度为5×10-2Pa。设定电子束焊机工艺参数，电子束加速电压为150kV，聚焦电流为800mA，电子束束流为16mA，电子下束频率为125Hz,下束时间4ms，电子束束斑半径为3mm。然后将处理后的试样切割成小块，使用超声波清洗机对试块进行清洗，并进行金相制样，得到成品。
步骤3结束后进行步骤4；
步骤4：组织与性能测试，利用Quanta FEG450场发射扫描电子显微镜(SEM)观测试样微观结构，利用HDX-1000TM显微硬度计以100g载荷、0.981N试验力、5s加载时间来测量试样截面显微硬度。
2、根据权利要求1所述的一种电子束处理4Cr13不锈钢的方法，特征在于：步骤1前需进行切割处理，将4Cr13不锈钢工件切割成10mm×15mm×5mm的试块，并进行金相抛光.
3、根据权利要求1所述的一种电子束处理4Cr13不锈钢的方法，特征在于：步骤3中需要调整电子束下束频率和下束时间进行表面改性。
4、根据权利要求1所述的一种电子束处理4Cr13不锈钢的方法，特征在于：步骤3中采用连续电子束对试样进行表面改性可以获得纳米颗粒以及晶粒细化效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用连续电子束对4Cr13不锈钢表面进行表面改性，在提高表面硬度的同时，还可有效提升试样表面耐磨性。本发明采用高压电子束处理方式，能量密度大，使4Cr13不锈钢快速加热达到材料熔点，而后迅速降温。急剧升温、骤冷过程使得试样改性层和基体组织发生转变，晶粒细化，同时不锈钢的合金碳化物产生了固溶强化和弥散强化，实现了试样表面硬度、耐磨性能的大幅提升。
2.本发明关于高压电子束处理4Cr13不锈钢的过程是在真空加工室内进行，可保证加工过程环境无污染，避免4Cr13不锈钢与外界接触；同时能量传递介质为电子，具有能量转换高、作用效果好等特点。
3.本发明制备的4Cr13不锈钢基体显微硬度为230HV0.1，改性层最高显微硬度为730HV0.1，是基体硬度的3.1倍。即经过本发明电子束处理，4Cr13不锈钢试块表面硬度得到显著提高。在30N载荷下，往复长度为3mm，测试15min，摩擦系数由基体的0.757降到0.395，下降了1.9倍。
【附图说明】
图1是本发明电子束工作原理图；
图2是本发明实施后得到的4Cr13不锈钢的横截面组织；
图3是本发明实施后得到的4Cr13不锈钢的纳米颗粒析出图；
【具体实施方式】
以下是本发明的具体实施例，参照附图对本发明的方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化，包括如下步骤：
1、一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化，包括以下步骤：
步骤1：前处理，对试块工件进行切割、铣削，加工成固定尺寸形状，然后用超声波清洗机对加工后的工件进行清洗，去除表面油污与杂质。
步骤1结束后进行步骤2；
步骤2：试样制备，使用金相抛光机从600目砂纸逐次打磨至3000目并进行抛光处理。
步骤2结束后进行步骤3；
步骤3：电子束处理，将试样放置于电子束焊机的热加工室内，进行抽真空，使得电子枪室真空度为1.33×10-3Pa，加工室真空度为5×10-2Pa。设定电子束焊机工艺参数，电子束加速电压为150kV，聚焦电流为800mA，电子束束流为16mA，电子下束频率为125Hz,下束时间4ms，电子束束斑半径为3mm。然后将处理后的试样切割成小块，使用超声波清洗机对试块进行清洗，并进行金相制样，得到成品。
步骤3结束后进行步骤4；
步骤4：组织与性能测试，利用Quanta FEG450场发射扫描电子显微镜(SEM)观测试样微观结构，利用HDX-1000TM显微硬度计以100g载荷、0.981N试验力、5s加载时间来测量试样截面显微硬度；采用CFT-I型材料表面性能综合测试仪对试样经砂纸打磨后的表面进行摩擦磨损试验，选用30N加载载荷、3mm往复长度、转速300r/min和15min持续时间。
利用HDX-1000TM显微硬度计以100g载荷、5s加载时间下测量工件显微硬度，改性层顶部显微硬度为730HV0.1，基体显微硬度为230HV0.1，整体硬度提升3.1倍。
利用Quanta FEG450场发射扫描电子显微镜(SEM)测试样微观结构。如图2所示，截面分为改性层与基体，各个区域熔合线明显，改性层晶粒明显细化，说明基体有良好的改性效果。图3为放大局部的改性效果，可以发现有纳米级别的颗粒析出且呈弥散分布，材料的机械性能得到很大提升。
上述说明是针对本发明可行实例的具体详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明涵盖的专利范围。
Claims (4)
1.一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法，包括以下步骤：
步骤1：前处理，对试块工件进行切割、铣削，加工成固定尺寸形状，然后用超声波清洗机对加工后的工件进行清洗，去除表面油污与杂质。
步骤1结束后进行步骤2；
步骤2：试样制备，使用金相抛光机从600目砂纸逐次打磨至3000目并进行抛光处理。
步骤2结束后进行步骤3；
步骤3：电子束处理，将试样放置于电子束焊机的热加工室内，进行抽真空，使得电子枪室真空度为1.33×10-3Pa，加工室真空度为5×10-2Pa。设定电子束焊机工艺参数，电子束加速电压为150kV，聚焦电流为800mA，电子束束流为16mA，电子下束频率为125Hz,下束时间4ms，电子束束斑半径为3mm。然后将处理后的试样切割成小块，使用超声波清洗机对试块进行清洗，并进行金相制样，得到成品。
步骤3结束后进行步骤4；
步骤4：组织与性能测试，利用Quanta FEG450场发射扫描电子显微镜(SEM)观测试样微观结构，利用HDX-1000TM显微硬度计以100g载荷、0.981N试验力、5s加载时间来测量试样截面显微硬度；采用CFT-I型材料表面性能综合测试仪对试样经砂纸打磨后的表面进行摩擦磨损试验，选用30N加载载荷、3mm往复长度、转速300r/min和15min持续时间。
2.根据权利要求1所述的一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法，特征在于：步骤1前处理需进行切割与铣削处理，将4Cr13不锈钢工件切割成10mm×15mm×5mm的试块，并进行金相抛光。
3.根据权利要求1所述的一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法，特征在于：步骤3采用不同频率和下束时间的电子束辐照进行表面处理。
4.根据权利要求1所述的一种变频式电子束处理4Cr13不锈钢纳米化的方法，特征在于：步骤3处理后材料会得到纳米颗粒和晶粒细化效果。
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