強流脈沖電子束拋光模具鋼的研究

楊君寶，劉 高，樊永軍，陳 梨

(1.沈陽理工大學(xué)，沈陽 110159；2.重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶400054)

強流脈沖電子束拋光模具鋼的研究

楊君寶1，劉 高2，樊永軍2，陳 梨2

(1.沈陽理工大學(xué)，沈陽 110159；2.重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶400054)

為探索模具鋼表面拋光新工藝，采用強流脈沖電子束(HCPEB)對奧氏體模具鋼Cr12MoV粗糙表面進(jìn)行輻照處理。通過OM、SEM、XRD分析處理試樣表面形貌及結(jié)構(gòu)，采用RM-20表面粗糙度儀、FM-300顯微硬度計和摩擦磨損試驗機測試試樣表面的粗糙度、顯微硬度和摩擦系數(shù)的變化。結(jié)果表明：在較大束流強度作用下，試樣表面的山脊形貌、熔坑等各種缺陷得到控制，表面粗糙度降低，結(jié)構(gòu)細(xì)化；同時，提高了試樣表面的顯微硬度，改善了摩擦性能。

強流脈沖電子束；拋光；粗糙度；顯微硬度；摩擦系數(shù)；模具鋼

表面拋光一直是模具制造中的關(guān)鍵工序，也是提高模具表面質(zhì)量的重要途徑。傳統(tǒng)的手工拋光和機械拋光往往受到操作技術(shù)限制，且耗費大量的時間，嚴(yán)重影響模具的制造周期和成本[1]。自動化拋光雖然有較高的效率，但只能處理形狀相對規(guī)則、簡單的模具[2]。因此，表面拋光是制約模具發(fā)展的重要因素。

強流脈沖電子束(HCPEB)是近年來興起的一種新技術(shù)[3]，該技術(shù)能夠在瞬間(微秒級)將較高能量(108～109W/cm2)注入金屬表層，實現(xiàn)表層的熔化[4]。本實驗擬采用強流脈沖電子束多脈沖轟擊模具鋼的表面，通過金屬表層的反復(fù)重熔，實現(xiàn)表面拋光，提高表面質(zhì)量。

1 實驗材料及研究方法

實驗材料選用商業(yè)冷作模具鋼Cr12MoV板材，其名義化學(xué)成分為Cr:11.5～13；C:2～2.3；Co≤1；Si≤0.4；Mn≤0.4；Cu≤0.3；Ni≤0.25；S≤0.03；P≤0.03；余量為Fe。初始靶材經(jīng)線切割成15mm×15mm×7mm大小試樣，再經(jīng)打磨拋光，以備輻照所用。初始試樣經(jīng)腐刻后，可以觀察到主要由奧氏體和碳化物構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 初始試樣腐刻表面

采用俄羅斯SOLO-型強流脈沖電子束(HCPEB)設(shè)備對試樣進(jìn)行輻照處理，參數(shù)見表1。

表1 輻照處理參數(shù)

采用Axiovert 200MAT金相顯微鏡和日立S-3400N型掃描電鏡表征試樣表面形貌；時代RM-20表面粗糙度儀測定表面粗糙度；Ultima IV型X射線衍射儀分析試樣表層結(jié)構(gòu)變化。采用FM-300顯微硬度計在初始試樣和處理試樣表面隨機選取三個點(均避開表面的碳化物顆粒)，取平均值獲得表面顯微硬度；用MMW-1A萬能摩擦磨損試驗機測試試樣表面摩擦性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌變化

圖2為隨束流強度變化的試樣表面SEM形貌。

圖2 隨束流強度變化的試樣表面SEM形貌

由圖2a可以看出，未處理試樣(線切割后)表面呈明顯的燒蝕痕跡，凸凹不平。在束流強度較低時(圖2b)，試樣表面發(fā)生明顯的熔化現(xiàn)象，表面不規(guī)則的突起被削去，形成交織的平滑起伏狀山脊形貌。從高倍形貌可以看出，凹陷位置中心均為大量的微裂紋，不存在圓形孔洞(熔坑)；且中心的山脊頂端坡度平緩，不存在明顯的突起形變(圖2c、2d)。因此，可以判斷出，在強流脈沖電子束輻照過程中，表面的突起優(yōu)先熔化，并向周圍擴散、甚至汽化爆炸(圖中散落的半球形液滴狀顆粒證明了這種可能的存在)，覆蓋在整個輻照面上；隨后的快速冷凝作用，使被熔體覆蓋的凹陷位置發(fā)生塌陷，并造成中心位置的微裂紋，形成起伏的山脊形貌；反沖出表面的液滴在重力作用下散落到試樣的表面，消耗了更長的時間；不能完全融入試樣表面的熔體，彌散的分布在試樣表面。與初始試樣相比，輻照后試樣A1表面變得更平坦，在條件合適時平整的表面能夠減小電子束的散射作用，允許能量進(jìn)入基體表層，造成第二相碳化物等顆粒的優(yōu)先熔化、噴發(fā)形成熔坑(圖2c、2d)，并且在熔坑的中心可以觀察到未完全熔化的碳化物噴發(fā)物[5-6]。隨著束流強度的進(jìn)一步增加，試樣表面的熔坑發(fā)生了增殖(圖2d、2e)和消亡(圖2f)，這與文獻(xiàn)[5]相一致。最終獲得殘存熔坑(熔孔)痕跡的相對平整表面(圖2f)，且這種表面存在明顯的條形形變痕跡。這是由于表層的第二相顆粒等得到充分的凈化后，熔坑難以形成，也就不存在第二相或亞表層熔體的噴發(fā)作用，繼續(xù)輻照引起表層強烈的應(yīng)力難以釋放，造成表面的形變痕跡。

2.2 表面粗糙度變化

圖3為初始試樣與處理試樣表面宏觀形貌。

圖3 表面宏觀形貌

由圖3不難看出，輻照處理后試樣表面明顯變得光亮，達(dá)到了表面拋光的效果。

圖4為試樣表面粗糙度隨束流強度的變化規(guī)律。

圖4 表面粗糙度隨束流強度的變化

由圖4可以看出，輻照后試樣表面粗糙度大幅降低，這與圖2觀察到表面不規(guī)則形貌的熔化一致。但在試樣A3達(dá)到極小值后，又有所提高，這是由于試樣A3的表面形成了大量的熔坑所引起的(圖2d)。在束流強度達(dá)到最大值后，試樣表層的碳化物等第二相顆粒幾乎完全通過噴發(fā)作用而清除，新的熔坑難以形成；而這種粗糙的表面會對電子束產(chǎn)生強烈的散射作用，造成能量在這些缺陷層的聚集，并優(yōu)先出現(xiàn)熔化、擴展，發(fā)生于試樣A1表面相同的重熔作用。即，在后續(xù)脈沖輻照作用下，試樣的表面發(fā)生反復(fù)的重熔是試樣表面平整化的主要原因。

2.3 表面結(jié)構(gòu)的變化

圖5為初始試樣基體與試樣A5表層XRD譜的對比。

圖5 初始試樣基體與試樣A5表層XRD譜的對比

由圖5可以看出，初始試樣由奧氏體、碳化物顆粒和殘余馬氏體組成。輻照后，試樣表層的殘余馬氏體和碳化物幾乎完全消失，這與圖2c～2f所觀察到的熔坑及其所伴隨的顆粒變化趨勢相一致；另一方面，譜線變寬，說明試樣表層在輻照過程中發(fā)生了劇烈的熔化和冷凝作用，使得表層晶粒得到細(xì)化；而且奧氏體峰值向右發(fā)生輕微的偏移，這與圖2f所觀察到的形變條紋一致，表明試樣表層殘余應(yīng)力存在。

2.4 表面顯微硬度的變化

圖6為試樣表面顯微硬度隨束流強度的變化曲線。

圖6 試樣表面顯微硬度隨束流強度的變化曲線

由圖6可以看出，試樣表面的顯微硬度先隨束流強度的增加而變大；在A2試樣表面獲得最大值后，隨束流強度的增大反而降低，但仍遠(yuǎn)大于基體顯微硬度。根據(jù)熔坑的形成理論，只要表層存在第二相碳化物顆粒，熔坑形成是不可避免的現(xiàn)象；而且熔坑形成的結(jié)果會導(dǎo)致表層含碳量的大幅降低。由于本實驗中初始試樣表面過于粗糙，在低束流強度輻照時，試樣表面主要發(fā)生重熔作用，而沒有熔坑的形成，碳化物得以進(jìn)入熔體，并隨冷卻保存下來，不能觀察到顆粒狀的碳化物(圖2b、2c)。即，輻照的結(jié)果一方面實現(xiàn)了熔化細(xì)化作用；同時，形成碳化物的過飽和固溶體。在這兩種作用下，試樣表面的顯微硬度會顯著提高，且在熔坑剛出現(xiàn)的臨界值處取得最大值(圖2c)。隨著熔坑的大量出現(xiàn)與消失，試樣表層的碳化物含量大幅降低，實現(xiàn)硬化的方式只有細(xì)化作用；但這種作用也更加強烈，因此，表面顯微硬度雖有所降低，但仍遠(yuǎn)大于基體硬度。

2.5 表面摩擦性能的變化

圖7為初始試樣和A5試樣摩擦系數(shù)曲線。

圖7 初始試樣和A5試樣摩擦系數(shù)曲線

由圖7可以看出，在整個摩擦過程中，未輻照試樣表面摩擦系數(shù)波動較大，穩(wěn)定摩擦系數(shù)在0.4以上；輻照后試樣表面的摩擦系數(shù)大幅降低僅在0.2上下輕微波動，摩擦性能得到大幅提高。

圖8為初始試樣和A5試樣表面的磨損形貌。

圖8 初始試樣和A5試樣表面的磨損形貌

由圖8可以看出，初始試樣表面存在大量磨屑，磨損表面粗糙，犁溝較深，主要為磨粒磨損(圖8a)；而輻照試樣(圖8b)表面相對平滑，磨屑較少，犁溝較淺，為磨粒磨損與粘著磨損相結(jié)合。這種耐磨性能的改善主要歸結(jié)為三個方面：(1)表層中的碳化物顆粒通過形成熔坑的噴發(fā)作用而除去，避免了摩擦過程中碳化物顆粒脫落及對基體的切削作用，同時殘余碳化物顆粒固溶于基體中形成彌散強化；(2)表層發(fā)生的細(xì)化作用，從而使表面的顯微硬度大幅提高；(3)表面粗造度的大幅降低。

3 結(jié)論

(1)強流脈沖電子束輻照產(chǎn)生的表層快速重熔作用，能夠有效的凈化金屬表面，降低表面粗糙度，是一種有效的模具鋼表面拋光方法；

(2)強流脈沖電子束拋光奧氏體Cr12MoV過程中，試樣的粗糙表面依次出現(xiàn)了山脊形貌、微裂紋、熔坑及形變條紋，但最終趨于平整，且表層結(jié)構(gòu)得到細(xì)化；

(3)強流脈沖電子束拋光試樣表面的粗糙度可降低到2.5μm以下，顯微硬度提高接近1倍，摩擦系數(shù)降低到0.2左右，耐磨性能得到改善。

[1] 鄭文斌.模具拋光機構(gòu)運動仿真及拋光工藝參數(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2006:5-6.

[2] 邱卉,許小村.基于Pro/E和ADAMS的新型模具拋光機構(gòu)的運動仿真[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報,2009,23(1):8-10.

[3] 王慧慧,郝勝智,賀冬云,等.強流脈沖電子束表面處理對金屬材料表層顯微硬度的影響[J].核技術(shù),2011,34(1):5-8.

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[5] Guan Q,Zhang Q,Dong C.Physical Model of Stress and Deformation Microstructures in AISI 304L Austenitic Stainless Steel Induced by High-current Pulsed Electron Beam Surface Irradiation[J].Isij International,2008,48(2):235-239.

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InvestigationofPolishingMoldSteelbyHighCurrentPulsedElectronBeam

YANG Junbao1,LIU Gao2,FAN Yongjun2,CHEN Li2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Chongqing Construction Industry (Group) Limited Liability Company,Chongqing 400054,China)

In order to explore the new process of mold steel polishing,the rough surface of austenitic mold steel Cr12MoV was irradiated by high current pulsed electron beam (HCPEB).The morphology and structure of the irradiated surface were analyzed by optical microscope (OM),scanning electron microscope (SEM),X-Ray Diffraction (XRD),and the change of roughness,microhardness and friction coefficient of the samples were tested by RM-20 surface roughness tester,FM-300 microhardness tester and friction-wear testing machine.The results showed that the roughness reduces and the structure refines due to controlling all kinds of the defects of the samples,such as ridge morphologies,melting pits,etc.;at the same time,the microhardness increases and the friction performance improves on the sample surface.

HCPEB；polishing；roughness；microhardness；frictional coefficient；mold steel

2017-03-20

遼寧博士科研啟動基金資助項目(20141088)

楊君寶(1977—)，男，博士，工程師，研究方向：高溫合金、材料表面改性等。

1003-1251(2017)06-0005-05

TG174.4

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王子君)