一种中碳钢表面合金化的方法

【】本发明属于中碳钢高能束表面改性，具体涉及一种中碳钢表面合金化的方法。

背景技术

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背景技术：

1、中碳钢具有较高的强度、良好的切削性能等良好的综合性能，且加工价格低廉，工业中用途广泛。但是一般热处理后的中碳钢表面硬度较低，在高温和高应力环境下容易失效，在使用过程中存在极易被腐蚀的问题，因而使用范围受到了极大的限制。

2、电子束表面改性技术作为新型的高能束处理材料表面技术，利用高能量密度的电子束流轰击材料表面，可将90％的电能转化为热能，能量利用率高且强化效果显著等优点，在实际生产中有广阔前景。但是由于电子束作用于材料表面的单位面积内能量作用较大且不均匀，影响实际提升效果。因此，本专利提出一种中碳钢表面合金化的方法，可以同时提升中碳钢表面硬度以及耐磨性，并将强化机制与实验结论应用于其他金属材料表面改性中，进一步扩宽高能束在材料表面加工领域。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的是：

2、本发明对中碳钢工件进行切割铣槽，用丙酮和无水乙醇溶剂对铣削后的试块进行清洗；最后通过电子束处理得到试样成品。本发明在有效提升表面硬度的同时，可提高试块表面耐磨性，具有极好的实际应用场景。

3、为解决上诉问题，本发明所采用的技术方案是：一种中碳钢表面合金化的方法，包括以下步骤：

4、1、一种中碳钢表面合金化的方法，包括以下步骤：

5、步骤1：切割试样，退火处理后的中碳钢板料进行切割成为尺寸为50mm×50mm×50mm的方块工件，然后对工件表面进行铣削平整。

6、步骤1结束后进行步骤2；

7、步骤2：前处理，在铣削完成的工件表面铣槽，槽的长宽尺寸为47mm×7mm，深度尺寸分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.2mm、1.5mm。

8、步骤2结束后进行步骤3；

9、步骤3：预处理，对铣槽后的试块工件用丙酮和无水乙醇溶剂进行清洗,去除表面油污等杂质。

10、步骤3结束后进行步骤4；

11、步骤4：压覆处理，将镍钨粉末按照比例为ni30％w70％机械混合均匀后装满槽内，并用刀片刮平，然后装好定位销，再将凸模装好，最后将模具整体放在压片机下在实际压力为34.4mpa下保压10min。

12、步骤4结束后进行步骤5；

13、步骤5：电子束扫描，将粉末压覆后的工件置于电子束焊机工作台上，对焊接室进行抽真空。设定电子束焊机工艺参数如下：加速电压为60kv，电子束束流为24ma，电子枪移动速度为1mm/s，扫描环直径为4mm。使用电子束连续扫描工件表面，得到成品。

14、步骤5结束后进行步骤6；

15、步骤6：制样，对处理好的工件进行切割、镶样、抛光以及腐蚀以制备金相试样。

16、步骤6结束后进行步骤7；

17、步骤7：组织与性能检测，通过激光共聚焦显微镜进行截面形貌拍摄，通过场发射扫描电子显微镜观察内部组织，采用显微硬度计的以下测试参数：载荷100g，试验力为0.981n，保荷时间为15s，测试扫描电子束处理后试样的截面显微硬度。采用摩擦磨损试验机进行耐磨性测试，具体试验参数：加载载荷为30n，转速为300r/min，往复长度3mm，作用时间为60min。摩擦试验后清洗干净并烘干，用摩擦磨损试验机配套的测试组件探针式表面轮廓仪对磨损量进行了测试。

18、2、根据权利要求1所述的一种中碳钢表面合金化的方法，特征在于：步骤2镶样在铣削完成的工件表面铣槽，采用数控铣床在中碳钢工件表面铣出槽的长宽尺寸为47mm×7mm，深度尺寸分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.2mm、1.5mm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。

19、3、根据权利要求1所述的一种中碳钢表面合金化的方法，特征在于：步骤3所述的：去除铣槽后试块工件表面油污等杂质的清洗溶剂主要成分为丙酮和无水乙醇。

20、4、根据权利要求1所述的一种中碳钢表面合金化的方法，特征在于：步骤4所述的压覆处理，是将粉末按照比例为ni：w＝3:7充分机械混合后装入槽内，并用刀片刮平，然后装好定位销，再将凸模装好，最后将模具整体放在压片机下在实际压力为34.4mpa下保压10min。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、1.本发明采用电子束处理中碳钢表面的方式，不仅提高表面硬度，还可有效提升试样表面耐磨性。本发明采用电子束扫描处理，使中碳钢急剧加热达到材料熔点，而后迅速降温。急剧升温、骤冷过程使得试块表面快速硬化，实现试块表面硬度、耐磨性能整体提升。

23、2.本发明在连续电子束处理中碳钢时，电子束流作用于试块表面，短时间内产生大量热量而后扩散失。由于基体冷却速度较大，通过快速升温、急速冷却的方式使得材料合金区和热影响区域组织晶粒细化，表面硬度、耐磨性得到提升。试块基体则因受热温度较低，内部组织不变，材料内部仍具有的韧性。因此本发明可实现表面性能如硬度、耐磨性等整体提高。

24、3.本发明关于电子束处理中碳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，避免中碳钢与外界接触；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。

25、4.本发明制备的中碳钢基体显微硬度为225hv，槽深为0.9mm的试块合金层显微硬度为643hv，是基体硬度的2.86倍。即经过本发明电子束扫描处理，中碳钢试块表面硬度得到显著提高。在20n载荷下，往复长度为3mm，测试30min，试样表面的磨损量为0.0093mm3，是未处理基体试样磨损量的52％(相同条件下，基体的磨损量为0.0179mm3)，经过扫描电子束处理后，材料的耐磨性能有所提高。

技术特征：

1.一种中碳钢表面合金化的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种中碳钢表面合金化的方法，特征在于：步骤2镶样在铣削完成的工件表面铣槽，采用数控铣床在中碳钢工件表面铣出槽的长宽尺寸为47mm×7mm，深度尺寸分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.2mm、1.5mm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。

3.根据权利要求1所述的一种中碳钢表面合金化的方法，特征在于：步骤3所述的：去除铣槽后试块工件表面油污等杂质的清洗溶剂主要成分为丙酮和无水乙醇。

4.根据权利要求1所述的一种中碳钢表面合金化的方法，特征在于：步骤4所述的压覆处理，是将粉末按照比例为ni：w＝3:7充分机械混合后装入槽内，并用刀片刮平，然后装好定位销，再将凸模装好，最后将模具整体放在压片机下在实际压力为34.4mpa下保压10min。

技术总结
本发明公开一种中碳钢表面合金化的方法，具体包括以下步骤：步骤1：切割试样，对工件表面进行铣削平整。步骤2：前处理，在铣削完成的工件表面铣槽。步骤3：预处理，对铣槽后的试块工件用清洗溶剂进行清洗并烘干。步骤4：压覆处理，将机械混合后的粉末压覆于槽内。步骤5：电子束扫描，使用电子束连续扫描工件表面。步骤6：制样，对处理好的工件进行金相试样制备。步骤7：组织与性能检测，通过激光共聚焦显微镜进行截面形貌拍摄，通过场发射扫描电子显微镜观察内部组织，采用显微硬度计、摩擦磨损试验机对试样进行显微硬度测试及耐磨性测试。本发明公开的方法可以提升中碳钢表面硬度，具有很好的应用前景。

技术研发人员：严海玲,赵欢,王凯,张晶
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15