掃描電子束30CrMnSi表面Fe-Al合金化工藝參數(shù)的確定

王 榮， 黃嘉悅， 魏德強(qiáng)， 齊文亮

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

電子束表面合金化技術(shù)是利用電子束輻照金屬表面，將一種或多種合金物質(zhì)快速融入金屬表面薄層熔區(qū)，使之發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而使金屬表面具有特定的合金成分的材料表面強(qiáng)化技術(shù)[1-2]。電子束表面合金化技術(shù)可提高材料硬度、耐磨性等機(jī)械性能[3-5]。30CrMnSi鋼是一種中碳合金調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，常用于制造高速、重負(fù)載的重要零件，如汽車、飛機(jī)等軸類特殊耐磨零配件[6-7]，經(jīng)常出現(xiàn)表面磨損、撕裂、脫落等形式失效，通常采用表面淬火和碳氮共滲等工藝方法進(jìn)行熱處理，但易導(dǎo)致工件變形，影響工件精度和使用壽命。為提高使用壽命，需進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。

在鋼表面添加Al可提高材料表面強(qiáng)度、抗沖擊能力、耐蝕性、耐高溫能力，添加Fe可提高淬透性[8-10]。Tomida等[11]利用激光束在A5052鋁鎂合金表面進(jìn)行Al-Fe合金化，結(jié)果表明，隨Al-Fe粉末配比中Fe含量的增加，合金層組織依次出現(xiàn)針狀FeAl3、細(xì)針狀FeAl3和塊狀Fe2Al5，其中具有塊狀Fe2Al5的合金層硬度約為1 000 HV，具有細(xì)針狀FeAl3的合金層硬度為400 HV，而具有針狀FeAl3的合金層硬度僅為200～280 HV。王榮等[12]利用掃描電子束技術(shù)在ADC12鋁合金表面進(jìn)行Al-Fe合金化，試驗(yàn)結(jié)果表明，合金層硬度和耐磨性隨Al-Fe混合粉末中Fe粉含量的增加而增大，硬度最高可達(dá)800 HV。Valkov等[13]利用電子束技術(shù)對(duì)純鋁表面進(jìn)行Ti-Nb合金化，結(jié)果表明，表面形成(Ti, Nb)Al3金屬間化合物，隨機(jī)分布在Al固溶體中，合金化后最大表面硬度為775 HV，平均表面硬度為673 HV。Lazurenko等[14]利用電子束技術(shù)在鈦合金表面進(jìn)行Ti-Al合金化，通過改變合金粉末配比，合金層分別由TiAl、Al2Ti和Ti3Al相組成，由Ti3Al相構(gòu)成的合金層顯微硬度和耐磨性最佳，涂層的抗氧化性隨鋁粉含量增加而增大。Lvbo等[15]利用正交試驗(yàn)法對(duì)GH4169高溫合金板進(jìn)行電子束焊接，得到優(yōu)化工藝參數(shù)為60 kV加速電壓、20 mA電子束電流和20 mm/s焊接速度。

鑒于此，采用正交試驗(yàn)法對(duì)30CrMnSi鋼進(jìn)行掃描電子束表面Fe-Al合金化，通過極差分析法分析掃描電子束表面合金化對(duì)顯微硬度和耐磨性的影響，進(jìn)而優(yōu)化合金粉末配比與電子束工藝參數(shù)方案。

1 材料與方法

試驗(yàn)用材料為30CrMnSi鋼，其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)前對(duì)試塊進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，即870 ℃保溫30 min淬油，600 ℃回火1 h，而后用立式銑床將其加工成50 mm×50 mm×50 mm的立方體。利用等離子噴涂技術(shù)將Fe-Al混合粉末噴涂在基體材料表面。利用L9(3)4正交試驗(yàn)優(yōu)化Fe-Al粉末配比及電子束工藝參數(shù)，對(duì)粉末配比、電子束束流和工件移動(dòng)速度做三因素三水平進(jìn)行研究，因素與水平如表2所示，L9(3)4正交表如表3所示。

表1 30CrMnSi鋼化學(xué)成分 wt%

表2 因素水平

表3 正交試驗(yàn)表

實(shí)驗(yàn)采用桂林某研究所自制的HDZ-6F高壓數(shù)控真空電子束焊機(jī)進(jìn)行表面合金化處理，其性能指標(biāo)為：加速電壓0～60 kV，電子束電流0～120 mA，掃描頻率0～3 kHz，聚焦電流0～1 000 mA。試驗(yàn)工藝參數(shù)為：功率1 500 W，掃描頻率300 Hz，聚焦電流375 mA[8]。電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)及電子束掃描過程如圖1所示。工作時(shí)，電子槍發(fā)射電子，在加速電壓形成的靜電場作用下，從陰極向陽極做加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過聚焦線圈，形成高能量密度的電子束，通過調(diào)節(jié)附加偏轉(zhuǎn)線圈頻率，使電子束在偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場中產(chǎn)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，周期性地在X-Y平面內(nèi)按設(shè)定的軌跡和方式運(yùn)動(dòng)，形成外徑7 mm、內(nèi)徑5 mm的掃描圓環(huán)，通過工件移動(dòng)形成掃描區(qū)域。

圖1 電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)與掃描過程示意圖

將合金化后的試樣加工成尺寸為7 mm×7 mm×7 mm的金相試樣，用砂紙打磨試樣，4%硝酸酒精溶液腐蝕表面，金相拋光機(jī)拋光。用美產(chǎn)Quanta FEG 450型掃描電子顯微鏡觀察顯微組織；用HDX-1000TM顯微硬度計(jì)測量表面硬度，為降低誤差，在同一表面隨機(jī)取12點(diǎn)，去掉最高值與最低值后求平均值得到表面硬度最終值；用CFT-1型材料表面性能綜合測試儀進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

以表面顯微硬度和磨損失質(zhì)量為考察指標(biāo)，正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 優(yōu)化參數(shù)確定

以表面顯微硬度為考察指標(biāo)，根據(jù)表4，利用極差分析法得到分析表面硬度如表5所示。從表5可看出，優(yōu)化方案為K1K2K1，即Fe-Al粉末比例為25∶75，電子束束流大小8 mA，工件移動(dòng)速度360 mm/min。以表面耐磨性為考察指標(biāo)，根據(jù)表4，利用極差分析法得到分析表面磨損失質(zhì)量如表6所示。從表6可看出，優(yōu)化方案為K1K2K1，即Fe-Al粉末比例為25∶75，電子束束流大小8 mA，工件移動(dòng)速度360 mm/min。

表5 極差分析法分析表面硬度 HV

2.3 Fe-Al粉末配比對(duì)顯微組織與機(jī)械性能的影響

2.3.1 Fe-Al粉末配比對(duì)顯微組織的影響

粉末配比對(duì)合金層顯微組織及機(jī)械性能的影響如圖2所示。圖2(a)～(c)為Fe-Al粉末配比對(duì)顯微組織的影響，所選取試樣依次為2、5和8號(hào)試樣。從圖2(a)～(c)可看出，合金化后截面顯微組織由合金層、熱影響區(qū)和基體三部分組成，合金層顯微組織由Fe-Al合金相和馬氏體組成，當(dāng)Al粉含量高于50%時(shí)，材料表層形成Fe-Al合金相，當(dāng)Al粉含量低于50%時(shí)，F(xiàn)e-Al合金相分布在亞表層，表層是馬氏體，熱影響區(qū)顯微組織主要由馬氏體組成，基體顯微組織為索氏體。

表6 極差分析法分析表面磨損失質(zhì)量 g

2.3.2 Fe-Al粉末配比對(duì)機(jī)械性能的影響

從圖2(d)可看出，隨Fe-Al粉末配比增加，表面顯微硬度先降低后升高，當(dāng)Fe-Al粉末配比為25∶75時(shí)，表面硬度最大，為645 HV，約為基體硬度的2.5倍，當(dāng)Fe-Al配比為50∶50時(shí)，表面硬度最小，為631 HV；隨Fe-Al粉末配比增加，表面磨損失質(zhì)量逐漸增加，當(dāng)Fe-Al配比為25∶75時(shí)，磨損失質(zhì)量最小，僅為0.005 g，表面耐磨性最好，當(dāng)Fe-Al粉末配比為50∶50時(shí)，表面磨損失質(zhì)量最大，為0.007 g，超過這一比例時(shí)磨損失質(zhì)量變化不明顯。

2.4 電子束工藝參數(shù)對(duì)顯微組織與機(jī)械性能的影響

2.4.1 電子束束流對(duì)顯微組織的影響

電子束束流對(duì)顯微組織的影響如圖3所示。從圖3可看出，電子束束流變化對(duì)合金層顯微組織產(chǎn)生影響，合金化后截面顯微組織由合金層、熱影響區(qū)和基體三部分組成，合金層顯微組織由Fe-Al合金相和馬氏體組成，當(dāng)電子束束流為8 mA時(shí)，F(xiàn)e-Al合金相分布在材料表層，當(dāng)電子束束流大于12 mA時(shí)，F(xiàn)e-Al合金相分布在亞表層，表層主要為馬氏體組織，熱影響區(qū)顯微組織主要由馬氏體組成，基體顯微組織為索氏體。

2.4.2 電子束束流對(duì)機(jī)械性能的影響

電子束束流對(duì)機(jī)械性能的影響如圖4所示。從圖4可看出，隨這束流的增加，表面硬度先降低后升高，束流為8 mA時(shí)，表面硬度最大，為638.33 HV，基體硬度為263 HV；束流12 mA時(shí)，表面硬度最小，為635.33 HV；束流超過12 mA時(shí)，表面硬度有所提高。從圖4還可看出，隨著束流的增加，磨損失質(zhì)量增加，束流為8 mA時(shí)，磨損失質(zhì)量最小，為0.005 g，此時(shí)耐磨性最佳；束流為12 mA時(shí)，磨損失質(zhì)量最大，為0.007 g；束流持續(xù)增加時(shí)，磨損失質(zhì)量變化不明顯。

圖2 粉末配比對(duì)合金層顯微組織及機(jī)械性能的影響

圖3 電子束束流對(duì)顯微組織的影響

圖4 電子束束流對(duì)機(jī)械性能的影響

圖5 工件移動(dòng)速度對(duì)機(jī)械性能的影響

2.4.3 工件移動(dòng)速度對(duì)顯微組織的影響

從圖2(b)、圖3可看出，工件移動(dòng)速度變化對(duì)合金層顯微組織產(chǎn)生影響，合金化后截面顯微組織仍由合金層、熱影響區(qū)和基體三部分組成，合金層顯微組織由Fe-Al合金相和馬氏體組成，當(dāng)工件移動(dòng)速度小于300 mm/min時(shí)，F(xiàn)e-Al合金相分布在亞表層，表層為馬氏體組織。工件移動(dòng)速度為360 mm/min時(shí)，F(xiàn)e-Al合金相分布在材料表層。

2.4.4 工件移動(dòng)速度對(duì)機(jī)械性能的影響

工件移動(dòng)速度對(duì)機(jī)械性能的影響如圖5所示。從圖5可看出，隨工件移動(dòng)速度增加，表面硬度先降低后升高，工件移動(dòng)速度為300 mm/min時(shí)，表面硬度最小，為623 HV，工件移動(dòng)速度為360 mm/min時(shí)，表面硬度最大，為657 HV，與基體硬度相比顯著提升，隨工件移動(dòng)速度增加，表面耐磨性先降低后升高，表面磨損失質(zhì)量先升高后降低。從圖5還可看出，工件移動(dòng)速度為300 mm/min時(shí)，磨損失質(zhì)量最大為0.009 g，工件移動(dòng)速度為360 mm/min時(shí)，磨損失質(zhì)量最小，為0.004 g，即表面耐磨性最佳。

綜上所述，通過正交試驗(yàn)與極差分析法得到的優(yōu)化方案為：Fe-Al粉末配比25∶75，束流8 mA，工件移動(dòng)速度360 mm/min。

出現(xiàn)上述組織和性能特性的主要原因是合金化過程中電子束功率密度變化造成材料熔化溫度不同，引起密度變化，因此不同粉末配比和電子束工藝參數(shù)對(duì)顯微組織和機(jī)械性能造成不同影響。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

以10號(hào)試樣為樣本，利用正交試驗(yàn)得到的優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，觀察其顯微組織，并進(jìn)行硬度與耐磨性測試。

圖6為10號(hào)試樣截面顯微組織結(jié)構(gòu)。由圖6(a)可知，合金化后截面由合金層、熱影響區(qū)和基體三部分組成。由圖6(b)可知，合金層由Fe-Al合金相和馬氏體組成，F(xiàn)e-Al合金相分布在表層和亞表層。由圖6(c)可知，熱影響區(qū)顯微組織主要為馬氏體。由圖6(d)可知，基體組織為索氏體。

為更直觀地表達(dá)合金層與熱影響區(qū)元素分布情況，對(duì)圖6(b)所示的合金層和熱影響區(qū)顯微組織進(jìn)行EDS面分布分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7可看出，F(xiàn)e-Al合金相處的EDS能譜出現(xiàn)Al元素峰值，此處顯微組織主要為Fe-Al合金相，且Al元素在合金層中大量且均勻地分布，此外C、Fe、Si、Mn、Cr五種元素在合金層中也均勻分布，表明預(yù)涂敷的Fe、Al元素在合金化過程中與基體形成良好的冶金結(jié)合。此外，熱影響區(qū)中Al元素分布較少，C、Fe、Si、Mn、Cr五種元素在熱影響區(qū)中也均勻分布。

測量10號(hào)試樣表面洛氏硬度和磨損失質(zhì)量，與1～9號(hào)試樣相比，10號(hào)試樣的表面硬度最高，平均為695 HV，10號(hào)試樣的磨損失質(zhì)量最小，為0.000 9 g，即表面耐磨性最佳。

4 結(jié)束語

利用正交試驗(yàn)法研究30CrMnSi鋼掃描電子束表面Fe-Al合金化，通過極差分析法分析合金化后試樣的顯微組織和機(jī)械性能，得到優(yōu)化粉末配比與電子束工藝參數(shù)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：

1)當(dāng)Fe-Al粉末配比大于50∶50時(shí)，材料表層形成Fe-Al合金相；當(dāng)Fe-Al粉末配比低于50∶50時(shí)，F(xiàn)e-Al合金相分布在亞表層，表層為馬氏體組織。隨Fe-Al粉末配比增加，表面硬度先降低后升高，耐磨性有所降低，當(dāng)粉末配比超過50∶50時(shí)，耐磨性變化不明顯。

2)當(dāng)束流為8 mA時(shí)，材料表層形成Fe-Al合金相；當(dāng)束流大于12 mA時(shí)，F(xiàn)e-Al合金相分布在亞表層，表層為馬氏體組織。隨束流增加，表面硬度先降低后升高，磨損失質(zhì)量增加，當(dāng)束流超過12 mA時(shí)，磨損失質(zhì)量變化不明顯。

圖6 10號(hào)試樣橫截面顯微組織結(jié)構(gòu)

圖7 EDS面分布分析結(jié)果

3)當(dāng)工件移動(dòng)速度為360 mm/min時(shí)，材料表層形成Fe-Al合金相；當(dāng)工件移動(dòng)速度小于300 mm/min時(shí)，F(xiàn)e-Al合金相分布在亞表層，表層為馬氏體組織。隨工件移動(dòng)速度增加，表面硬度和耐磨性先降低后升高。

4)利用極差分析法得到優(yōu)化方案為：Fe-Al粉末比例25∶75，束流大小8 mA，工件移動(dòng)速度360 mm/min。此時(shí)試樣表面硬度和耐磨性達(dá)到最佳，表面硬度為695 HV，較基體硬度提高2.6倍，表面磨損失質(zhì)量僅為0.000 9 g。