CN117821980A - 一种电子束多次重复处理提高42CrMo钢表面性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电子束多次重复处理提高42CrMo钢表面性能的方法，具体包括以下步骤：步骤1：前处理，对切割后的试块工件进行铣削，然后用清洗溶剂对铣削后的工件进行清洗；步骤2：电子束多次重复同向扫描处理，用电子束流反复对工件表面进行改性处理；步骤3：组织与性能测试，通过激光显微镜测得表面三维起伏形貌，粗糙度测量仪测得表面粗糙度，显微硬度计测量硬度，摩擦磨损试验机检测其耐磨性，用扫描电镜观察金相组织；即本发明公开的方法不仅能提升42CrMo钢表面粗糙度，还可提高试块的显微硬度和耐磨性，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于合金钢高能束表面改性技术领域，具体涉及一种电子束多次重复处理提高42CrMo钢表面性能的方法。
背景技术
42CrMo钢是目前国内工业上使用最为普遍、综合性能较好的一种中碳结构钢，主要用来制造高运转速度和高负载荷工作环境下的轴、连杆、齿轮和离合器、高压容器盖板的螺栓等。随着工业制造技术的快速发展，传动零件的工作运动速度不断提高，对零件表面机械性能的要求也越来越高。为了延长机械零件的使用寿命，适应高负荷、高温等工作条件，制造机械零件的材料不但要具备更高的抗疲劳强度和耐磨性，而且要求其表面具有更高的表面硬度和光洁度。为了满足实际生产的要求，市面上多采用传统热处理方法对铬锰钢进行加工，然而经过传统热处理工艺后，钢材表面硬度无明显提升，难以达到广泛适用的目的；
以电子束为代表的高能束流加工技术作为新型材料处理手段被广泛应用于金属材料加工领域。相较于传统热加工较为繁琐的加工过程，电子束抛光技术具有加工效率高、抛光速度可控、 真空加工绿色无污染等优点，且表面质量提升效果更好。铬钼钢经电子束表面抛光处理后性能得到有效提高，更适应生产制造要求。因此，本专利提出一种电子束多次重复处理提高42CrMo钢表面性能的方法，来提升42CrMo钢表面综合性能，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
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明采用电子束重复多次处理42CrMo钢表面的方式，将电子动能转换为金属表面的热能从而使得金属表面温度短时间内迅速升高至高于材料熔点，熔融金属在重力及表面张力的作用下微熔流动填补凹处，来达到降低表面粗糙度的目的。
2.本发明采用电子束重复多次处理42CrMo钢表面的方式，在降低材料表面粗糙度的同时还可以提高表面硬度，并有效提升试样表面耐磨性；本发明采用电子束多次重复扫描的处理方式，第一次扫描时， 42CrMo钢急剧加热达到材料熔点，而后迅速降温，急剧升温、骤冷的过程中产生了粗大的晶粒，而多次扫描处理后表面经过了多次快速重熔冷却过程，相当于进行了多次短时间的回火处理，这使得材料表面的熔融区发生重结晶，粗大晶粒的得到细化；这使得试块表面组织细密，实现试块表面硬度、耐磨性能的整体提升。
3.本发明关于电子束处理42CrMo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42CrMo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。
4.本发明制备的42CrMo钢基体显微硬度为321.2HV，改性层显微硬度为855.1HV，改性层硬度是基体硬度的2.7倍；在20N载荷下，往复长度为4mm,测试20min，未电子束处理的试块磨损重量为1.5mg，处理后表面磨失重量仅为0.6mg；经过电子束多次重复同向扫描处理后，42CrMo钢样品的表面粗糙度降至0.5431μm，相较于未处理样品的表面粗糙度3.200μm，表面粗糙度值降幅为83%；即经过本发明电子束处理，42CrMo钢表面综合性能得到显著提高。
【附图说明】
图1是本发明实施前的42CrMo钢的摩擦磨损形貌图；
图2是本发明实施后得到的42CrMo钢的摩擦磨损形貌图；
图3是本发明实施后得到的42CrMo钢的截面显微组织；
图4是本发明实施后得到的42CrMo钢的改性层显微组织；
图5是本发明实施前的42CrMo钢的表面三维起伏形貌；
图6是本发明实施后得到的42CrMo钢的表面三维起伏形貌；
【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；
一种电子束多次重复处理提高42CrMo钢表面性能的方法，包括如下步骤：
步骤1：前处理，对切割后的试块工件进行铣削，然后用丙酮和无水乙醇溶剂对铣削后的工件进行清洗,去除表面油污与杂质；
步骤1结束后进行步骤2；
步骤2：电子束处理，将调质处理及清洗后的工件放置于电子束焊机的热加工室
内，用扩散泵串联罗茨泵对电子枪室和焊接加工室进行抽真空，使得电子枪室真空度为
1.33×Pa,加工室真空度为5×Pa。设定电子束焊机工艺参数，电子束流加速电压为
60KV，电子束聚焦电流为390mA,电子束加工束流为8mA,电子枪移动速度为4mm/s,电子束束
斑直径为10mm，重复扫描次数为3次，重复扫描的处理方式为待到第一次扫描处理的试块冷
却至室温以保证初始条件一致后，在第一次扫描的区域同向重复扫描，以此类推。
步骤2结束后进行步骤3。
步骤3：组织与性能测试，采用Quanta FEG450型场发射扫描电子显微镜（SEM）拍摄42CrMo钢经电子束扫描处理后的显微组织；利用OLS4100型激光共聚焦显微镜进行表面三维形貌测绘；用TR-200型手持式粗糙度仪测量处理前后试样的表面粗糙度，取样长度L为0.8mm，评定长度3L为1.2mm；利用HDX-1000TM显微硬度计以1.96N载荷、15s加载时间来测量工件显微硬度；HSR-2M摩擦磨损试验机在载荷20N，往复长度为4mm,测试20min的条件下测量工件表面耐磨性能；用FA1104N型电子天平测量试样的磨损失重量，天平精度为0.0001g；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，42CrMo钢基体显微硬度为321.2HV，改性层显微硬度为855.1HV，改性层硬度是基体硬度的2.7倍；在3D测量激光显微镜下观察采用未电子束处理的42CrMo钢试块和经过电子束处理试块的表面形貌，如图1和图2所示；由图1和图2可知：在图1中，未经扫描电子束处理的42CrMo钢磨损表面犁沟数量较多、深度大且颗粒物剥落现象较明显，图2中本发明实施后的42CrMo钢表面犁沟变细且不连续，剥落颗粒物变少；因此，本发明实施的处理方法可显著增强42CrMo钢试块的表面耐磨性。利用GeminiSEM300电子显微镜观测试块组织，如图3和图4所示。其中图3为放大至500倍的试块截面显微组织图，截面形貌分为重融层、热影响区与基体，改性层与基体分布界限较为明显；图4为放大至2000倍的试块重融层组织图，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。HSR-2M摩擦磨损试验机在20N载荷下，往复长度为4mm,测试20min，测量工件耐磨性能，用FA1104N型电子天平测量试样的磨损失重量；相比未电子束处理前试块磨损失重1.5mg，磨损20min后试块磨损减少0.9mg,耐磨性得到提升。利用OLS4100型激光共聚焦显微镜进行表面三维形貌测绘，经过电子束多次重复同向扫描处理后，42CrMo钢样品的表面粗糙度降至0.5431μm，相较于未处理样品的表面粗糙度3.200μm，表面粗糙度值降幅为83%。
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 (3)
1.一种电子束多次重复处理提高42CrMo钢表面性能的方法，包括以下步骤：
步骤1：前处理，对切割后的试块工件进行铣削，然后用丙酮和无水乙醇溶剂对铣削后的工件进行清洗,去除表面油污与杂质；
步骤1结束后进行步骤2；
步骤2：电子束处理，将调质处理及清洗后的工件放置于电子束焊机的热加工室内，用
扩散泵串联罗茨泵对电子枪室和焊接加工室进行抽真空，使得电子枪室真空度为1.33×Pa,加工室真空度为5×Pa；设定电子束焊机工艺参数，电子束流加速电压为60KV，
电子束聚焦电流为390mA,电子束加工束流为8mA,电子枪移动速度为4mm/s,电子束束斑直
径为10mm，重复扫描次数为3次，重复扫描的处理方式为待到第一次扫描处理的试块冷却至
室温以保证初始条件一致后，在第一次扫描的区域同向重复扫描，以此类推；
步骤2结束后进行步骤3；
步骤3：组织与性能测试，采用Quanta FEG450型场发射扫描电子显微镜（SEM）拍摄42CrMo钢经电子束扫描处理后的显微组织；利用OLS4100型激光共聚焦显微镜进行表面三维形貌测绘；用TR-200型手持式粗糙度仪测量处理前后试样的表面粗糙度，取样长度L为0.8mm，评定长度3L为1.2mm；利用HDX-1000TM显微硬度计以1.96N载荷、15s加载时间来测量工件显微硬度；HSR-2M摩擦磨损试验机在载荷20N，往复长度为4mm,测试20min的条件下测量工件表面耐磨性能；用FA1104N型电子天平测量试样的磨损失重量，天平精度为0.0001g。
2.根据权利要求1所述的一种电子束多次重复处理提高42CrMo钢表面性能的方法，特征在于：步骤1前需进行切割处理，采用数控铣床将42CrMo钢工件切割成50mm×50mm×50mm的试块，铣削过程中保持每个工件的进刀量一致、铣削速度相同，得到铣削后的试块大小尺寸一致。
3.根据权利要求1所述的一种电子束多次重复处理提高42CrMo钢表面性能的方法，特征在于：步骤1所述的清洗溶剂主要成分为丙酮和无水乙醇。
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