王 榮，龔玉輝，殷學(xué)俊，魏德強(qiáng)

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

40Cr鋼是我國目前應(yīng)用最廣泛的合金調(diào)質(zhì)鋼，具有良好的淬透性、切削性，廣泛應(yīng)用于齒輪、套筒、軸等尺寸小、力學(xué)性能要求較高的機(jī)械零部件中，工件長期處于惡劣的工作環(huán)境下，大多數(shù)失效形式發(fā)生在材料表面[1-3]。表面改性技術(shù)可以改善零部件表面的力學(xué)性能[4-5]。電子束表面改性技術(shù)由于具有變形小、精度高、無裂紋和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)異特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[6-9]。

單道掃描電子束工藝主要用于小面積零件的表面改性，無法解決大面域改性問題。本文通過多道搭接來實(shí)現(xiàn)材料表面大面積改性。國內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)高能束多道搭接進(jìn)行了研究。張德強(qiáng)等[10]研究激光多層熔覆層間交界處的硬度，發(fā)現(xiàn)層間交界處往上，硬度先降低再增大，層間交界處往下，硬度先增大后減小再增大到最大值。Sundqvist等[11]對(duì)11%Cr鐵素體不銹鋼的多道激光表面硬化的研究中發(fā)現(xiàn)表面硬度是基材的兩倍。Kumar等[12]研究了通過鎢極氬弧焊工藝制備的AISI 4340鋼板的多道次改性表面，其表面硬度從250 HV增加到445 HV，彎曲屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度相比母材顯著提高。Yu等[13]通過對(duì)經(jīng)單道次和多道次掃描電子束處理的40CrMn鋼試樣和原始試樣的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)改性后的表面顯微硬度和耐磨性有了明顯提高。本文采用掃描電子束對(duì)40Cr鋼表面進(jìn)行改性處理，研究搭接率對(duì)其表面形貌、顯微組織及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

材料選用40Cr鋼，其化學(xué)成分如表1所示。用立式銑床將試塊加工成45 mm×45 mm×45 mm的立方體試塊。預(yù)先熱處理采用調(diào)質(zhì)處理，工藝規(guī)程為加熱到(850±10)℃保溫120 min，油冷，回火加熱到(520±10)℃保溫120 min，出爐油冷至室溫。

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)設(shè)備為HDZ-6F型高壓真空數(shù)控電子束焊機(jī)。在電子束掃描過程中，電子槍室真空度保持在 9×10-4Pa，防止試樣表面被氧化，以獲得更佳的表面力學(xué)性能。

電子束多道掃描處理方法如圖1(a)所示。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，選定多道掃描電子束工藝參數(shù)為加速電壓60 kV、束流4 mA、掃描速度240 mm/min、掃描頻率300 Hz、掃描環(huán)外徑φ8 mm。在多道電子束掃描過程中，搭接率與相鄰兩道次的重疊距離有關(guān)。電子束多道掃描重疊示意圖如圖1(b)所示，搭接率λ的計(jì)算公式[14]為：

圖1 電子束多道掃描處理方法(a)及多道掃描搭接率示意圖(b)

(1)

式中：D為掃描環(huán)外徑，mm；d為相鄰兩道掃描環(huán)圓心的距離，mm；W為相鄰兩道掃描環(huán)搭接的寬度，mm。

討論搭接率分別為0%、25%、50%、75%時(shí)對(duì)40Cr鋼組織和性能的影響。將電子束掃描處理后的試樣制成金相試樣，用激光顯微鏡和掃描電鏡對(duì)試樣橫截面形貌和顯微組織進(jìn)行分析，用HXD-1000TM顯微硬度計(jì)在200 g載荷砝碼下測(cè)量試樣表面的顯微硬度分布，保荷時(shí)間10 s。用HRS-2M裝置在40 N的工作載荷和4 mm的滑動(dòng)距離下測(cè)量試樣的磨損量。用TR-200型手持式粗糙度儀測(cè)量試樣表面粗糙度，取樣長度L為0.8 mm，評(píng)定長度為3L。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 橫截面形貌與顯微組織

2.1.1 無搭接掃描時(shí)橫截面形貌及顯微組織

當(dāng)搭接率為0%時(shí)，無搭接區(qū)域，為電子束單道掃描表面處理，改性層組織只經(jīng)歷了一次快速加熱和冷卻過程。由圖2(a)可見，橫截面形貌由粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、熱影響區(qū)及基體組成。改性層顯微組織主要由粗晶馬氏體、細(xì)晶馬氏體和鐵素體組成。這是由于電子束掃描加熱過程中，材料表面溫度快速升至臨界溫度線以上，其組織進(jìn)行了奧氏體化，在基體的快速導(dǎo)熱冷卻過程中，奧氏體降到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms時(shí)，轉(zhuǎn)變成粗晶馬氏體，如圖2(b)所示。隨著距離表層深度的增加，奧氏體化溫度降低或產(chǎn)生部分奧氏體化，且基體導(dǎo)熱率加大，過冷度增大，馬氏體晶粒細(xì)化，改性層與基體交匯處有未熔鐵素體和碳化物，如圖2(c，d)所示。

2.1.2 多道搭接掃描時(shí)橫截面形貌及顯微組織

隨著搭接率的增大，相鄰兩道出現(xiàn)搭接區(qū)域，以搭接率為25%時(shí)為例，分析多道掃描改性層顯微組織的演變過程。圖3為搭接率為25%時(shí)兩道次掃描的橫截面形貌及顯微組織。由圖3(a)可見，A區(qū)域改性層經(jīng)歷了一次淬火和兩次回火循環(huán)，其分析結(jié)果如圖3(b，c)所示。由圖3(b)可見，第一道電子束掃描處理，熔融層最高溫度在Ac3線以上較高溫度區(qū)間，組織全部奧氏體化，過熱度較大，基體快速導(dǎo)熱冷卻后形成較粗大馬氏體，而熱影響區(qū)過熱度低，且冷卻速率大，形成的馬氏體較為細(xì)小。第二道電子束掃描處理時(shí)，會(huì)對(duì)A區(qū)域與搭接區(qū)交匯處形成兩次短時(shí)間的回火循環(huán)。第一次回火溫度高于Ms，熔融層發(fā)生重結(jié)晶，粗晶粒消失，鐵素體基體上的細(xì)粒狀滲碳體不斷聚集長大，形成回火屈氏體及回火索氏體。第二次回火循環(huán)溫度降低，馬氏體中的過飽和碳開始逐步以ε-碳化物的形式析出，碳的過飽和程度不斷降低，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體；由圖3(c)可見，A區(qū)域存在細(xì)晶加熱區(qū)及熱影響區(qū)，細(xì)晶加熱區(qū)奧氏體化溫度為Ac3臨界溫度稍上，奧氏體晶粒細(xì)小，致使冷卻后馬氏體晶粒細(xì)小。隨著冷卻速率降低，峰值溫度降低，熱影響區(qū)形成顆粒狀的碳化物和未熔的鐵素體組織。

圖3 搭接率為25%時(shí)40Cr鋼電子束掃描處理后橫截面形貌及各區(qū)域顯微組織

由圖3(a)可見，B區(qū)域是兩道電子束掃描處理的搭接區(qū)域，經(jīng)歷了兩次淬火和一次回火，此區(qū)域峰值溫度高，改性層呈凹弧形。圖3(d)為B區(qū)域放大圖，重熔層峰值溫度高，組織主要由板條馬氏體構(gòu)成，熱影響區(qū)由于存在回火，顯微組織主要由馬氏體、回火馬氏體和部分鐵素體構(gòu)成。圖3(a)中C區(qū)域經(jīng)歷了一次淬火，然后快速冷卻。圖3(e)為C區(qū)域放大圖，改性層顯微組織主要由馬氏體組成。熔融層奧氏體化溫度高，奧氏體晶粒粗大，馬氏體相變成粗大的板條馬氏體，隨著距離表層深度的增加，基體導(dǎo)熱率增大，奧氏體晶粒細(xì)小，馬氏體晶粒細(xì)化。

2.2 重熔層組織

搭接率對(duì)40Cr鋼搭接區(qū)重熔層顯微組織的影響如圖4所示。隨著搭接率的增大，重熔層中板條馬氏體的晶粒尺寸增加。搭接率為25%時(shí)，重熔層馬氏體晶粒最為細(xì)小。這是由于第一道電子束掃描結(jié)束時(shí)，試樣不足以冷卻到室溫，第二道電子束就開始掃描，隨著搭接率的增加，試樣表面能量密度增大。當(dāng)電子槍移動(dòng)速度不變時(shí)，試樣冷卻速度隨輸入熱量的增加而減小，此時(shí)奧氏體化溫度高，保溫時(shí)間長，奧氏體組織粗大，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，馬氏體組織粗大，且隨著溫度的上升，重熔層再結(jié)晶溫度升高，再結(jié)晶晶粒長大。

圖4 不同搭接率下40Cr鋼電子束掃描處理后重熔層的顯微組織

2.3 表面顯微硬度

搭接率對(duì)40Cr鋼表面顯微硬度的影響如圖5所示。40Cr鋼調(diào)質(zhì)處理后的顯微硬度為280～310 HV0.2，不同搭接率下，多道次掃描區(qū)域的表面顯微硬度不同。由圖5可見，搭接率為0%時(shí)，無搭接區(qū)，處理區(qū)域硬度分布呈“一”型，平均顯微硬度為627.4 HV0.2。搭接率分別為25%、50%和75%時(shí)，出現(xiàn)搭接區(qū)域，顯微硬度在431～658 HV0.2范圍內(nèi)變化，A、C淬火區(qū)域的顯微硬度高于搭接區(qū)B和交匯區(qū)的顯微硬度，硬度分布呈“V”型。對(duì)比4種搭接率下掃描區(qū)域硬度分布，發(fā)現(xiàn)多道搭接會(huì)出現(xiàn)二次加熱回火軟化。這是由于搭接率為0%時(shí)，試樣表面以極快的速度熔化和凝固，表面改性層發(fā)生晶粒細(xì)化和馬氏體相變，表面顯微硬度增加。隨著搭接率的增大，搭接區(qū)域B在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過多次淬火及回火，形成回火軟化區(qū)，顯微硬度明顯降低，且搭接率增大，搭接區(qū)的能量密度增大，改性層奧氏體化溫度高，奧氏體晶粒粗大，馬氏體相變形成粗大的馬氏體，顯微硬度降低。未搭接區(qū)域A和C只經(jīng)歷了一次快速的熔凝過程，發(fā)生馬氏體相變，顯微硬度高于搭接區(qū)域。

圖5 不同搭接率下40Cr鋼電子束掃描處理后的表面顯微硬度

2.4 表面形貌及粗糙度

圖6為搭接率對(duì)40Cr鋼表面形貌的影響規(guī)律。搭接率為0%時(shí)，無搭接區(qū)域，第一道與第二道掃描交匯處存在凹凸不平現(xiàn)象，這是由于掃描電子束的重熔區(qū)邊界處快束凝固過程中產(chǎn)生熔凝收縮，致使交匯處形成上述現(xiàn)象。搭接率為25%時(shí)，熔融的金屬從頂部流向谷底，熔融機(jī)制有效地降低了波峰與波谷的高度差，搭接區(qū)域平整。當(dāng)搭接率增大到50%、75%時(shí)，兩道電子束掃描搭接區(qū)又出現(xiàn)新的凹凸不平現(xiàn)象。這是因?yàn)閽呙桦娮邮目偰芰坎蛔?，而掃描的總面積減小，產(chǎn)生能量聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣溫度梯度減小，熔融的金屬表面張力降低，不利于液態(tài)金屬的流動(dòng)，形成凹凸不平的表面[15-16]。其他研究學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了此類試驗(yàn)現(xiàn)象，即電子束能量密度過高或過低都不利于試樣表面粗糙度的降低[17]。

圖6 不同搭接率下40Cr鋼電子束掃描處理后的表面形貌

由圖7可見，表面粗糙度隨著搭接率的增大，先減小后增大。搭接率為25%時(shí)，表面粗糙度最低為1.083 μm。對(duì)比圖6和圖7可知，表面粗糙度與電子束掃描處理的表面宏觀形貌變化規(guī)律相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)表面形貌凹凸不平時(shí)，表面粗糙度增大，表面形貌相對(duì)平整時(shí)，表面粗糙度降低。

圖7 不同搭接率下40Cr鋼電子束掃描處理后的表面粗糙度

2.5 摩擦因數(shù)

圖8為搭接率對(duì)40Cr鋼摩擦因數(shù)的影響規(guī)律。摩擦因數(shù)隨著搭接率的增大，先減小后增大，搭接率為25%時(shí)摩擦因數(shù)最低。摩擦因數(shù)曲線在初始階段急劇上升，最后分別穩(wěn)定在0.90、0.70、0.77、1.00左右。這是由于摩擦磨損試驗(yàn)初始階段，磨損機(jī)理為磨粒磨損，圓柱銷首先與改性層上表面熔凝的表面相接觸，實(shí)際接觸面積小，從而導(dǎo)致接觸壓力遠(yuǎn)大于40Cr鋼的屈服極限，摩擦因數(shù)曲線急劇上升。隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，接觸應(yīng)力小于材料的壓縮屈服極限時(shí)，摩擦副間的實(shí)際接觸面積達(dá)到穩(wěn)定，磨損機(jī)理變?yōu)轲ぶp，摩擦因數(shù)曲線開始上下波動(dòng)趨于穩(wěn)定。搭接率為25%時(shí)，由圖6可知，試樣表面光滑平整，相較于0%、50%和75%的搭接率，接觸表面溝壑效應(yīng)明顯降低，摩擦接觸面剪切力減小，摩擦力減小，摩擦因數(shù)減小。

圖8 搭接率對(duì)電子束掃描處理40Cr鋼摩擦因數(shù)的影響

2.6 耐磨性分析

圖9為搭接率對(duì)40Cr鋼表面磨損量的影響規(guī)律。40Cr鋼的磨損量隨著搭接率的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。未經(jīng)掃描電子束處理的試樣磨損量高達(dá)1.8 mg，搭接率為25%時(shí)試樣的磨損量僅為0.3 mg，此時(shí)耐磨性好。

圖9 搭接率對(duì)電子束掃描處理40Cr鋼磨損量的影響

圖10為不同搭接率下40Cr鋼電子束掃描處理后的表面XRD圖譜。由圖10不同搭接率電子束掃描處理40Cr鋼表面XRD圖譜可見，搭接率為25%時(shí)，馬氏體峰值強(qiáng)度最高，相對(duì)于搭接率為0%、50%、75%的衍射峰寬化且偏移。這說明試樣表層晶粒相對(duì)較細(xì)，馬氏體含量較高，硬度得到較大提高，且由圖8可知，搭接率在25%時(shí)摩擦因數(shù)最小，此時(shí)耐磨性得到較大提升。搭接率增大，磨損量相對(duì)增加，耐磨性有所下降。

3 結(jié)論

1)多道與單道電子束掃描表面處理時(shí)，試樣表面改性層經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)過程。電子束多道掃描處理，會(huì)出現(xiàn)重復(fù)加熱的搭接區(qū)域，且第二道掃描加熱會(huì)對(duì)第一道的部分區(qū)域組織產(chǎn)生回火作用，組織演變復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生回火馬氏體、回火索氏體及回火屈氏體等多種組織。重熔層中馬氏體晶粒尺寸隨著搭接率的增大而增大。

2)在不同的搭接率條件下，經(jīng)電子束多道掃描處理，掃描區(qū)域的顯微硬度有所不同，搭接率為25%、50%、75%時(shí)，顯微硬度在431～658 HV0.2范圍內(nèi)變化，淬火區(qū)域的顯微硬度高于搭接區(qū)和交匯區(qū)的顯微硬度。

3)試樣表面粗糙度隨著搭接率的增大，先減小后增大。搭接率為25%時(shí)，表面形貌光滑平整，粗糙度最低，摩擦因數(shù)低。搭接率過大，搭接處變得凹凸不平，表面粗糙度增大，試樣摩擦因數(shù)也增大。

4)電子束多道掃描處理試樣的耐磨性較原始試樣更好，隨著搭接率的增大，磨損量先減小后增大。搭接率為25%時(shí)，耐磨性最好。