电子束表面处理周婷婷主要内容•电子束表面处理原理及设备•电子束与激光束技术的对比•电子束表面处理工艺及实例•应用前景一、电子束表面处理原理及设备1、原理高速运动的电子具有波的性质，当高速电子束照射到金属表面时，入射电子能深入金属表面一定深度，与基体金属的原子核及电子发生相互作用。由于入射电子与原子核的质量差别极大，和原子核的碰撞可以看作是弹性碰撞。因此，能量传递主要是通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的，所传递的能量立即以热能的形式传给金属表层原子，从而使被处理金属的表层温度迅速升高，使表层成分和组织结构发生变化，达到表面改性的效果。2、设备高速电子由电子枪发射，在加速电压的作用下，速度高达光速的2/3。目前电子束加速电压达150KV，输出功率为150KW，这些参数是激光器无法比拟的。图为电子束表面处理设备，包括高压箱、电子枪、真空工作室、传动机构及控制系统等部分。下图为电子枪结构示意图，电子枪由加热灯丝（电子发射源）、阴极、阳极（电子加速）、聚束极（电子束收束）、偏转系统（电子束偏转）、电磁透镜和合轴系统等组成。灯丝加热热电子在电场作用下阳极加速穿过阳极孔后向下发射电磁透镜使电子束聚焦缩小偏转线圈使电子束偏转照射到工件表面电子枪的偏转线圈是根据需要采用的，但在电子束表面强化处理中，这种偏转往往具有较大的作用。3、电子束表面处理的特性（1）优点a)功率密度高、控制灵活、重复性好，能够精确控制表面温度和穿透深度；b)在真空条件下进行，对金属保护特别好，可以获得较高的结合力和性能，从而保证质量。（2）作用提高了材料的表面硬度，增强耐磨性，改善耐腐蚀性能，从而延长处理件的服役寿命。二、电子束与激光束的对比[5]电子束辐照与激光束辐照的主要区别在于产生最高温度位置和最小熔化层厚度：1、熔化层厚度电子束辐照加热时熔化层至少有几个微米厚，这会影响冷却时固相-液相界面的推进速度；2、温度分布位置在随后的冷却过程中,电子束辐照加热的温度分布大体与激光辐照的相似，但加热阶段差异很大，电子束辐照时的能量沉积范围较宽，而且约有一半电子作用区几乎同时熔化。3、能量透入深度激光的能量透入深度很小，一般为0.1m，而电子束的能量透入深度大得多，一般为10m。因此，激光为表面热源，电子束为次表面热源。三、电子束表面处理工艺1、电子束表面淬火（1）改性过程将工件置于低真空室中，用103～106W/cm2的高速电子流轰击工件表面，在极短的时间内，把钢件的表面加热到钢的相变点以上，由于电子束能量极高且集中，加热层很薄，可以靠自激冷却进行淬火，表面层转变为晶粒极细的马氏体。经电子束加热表面淬火后，工件表面层呈压应力状态，有利于提高疲劳强度，从而延长工件使用寿命，适用于有相变过程的合金[6]。（2）参数分析电子束的功率密度和加热时间是电子束加热的主要参数，在其他因素不变的前提下：①功率密度增加，淬硬层深度增加，淬硬层硬度提高；②加热时间的增加，淬硬层深度加深；③加热时间过长，使金属基体变热，影响自激冷却效果。④加热时间可用工件移动速度来调整，扫描速度过快起不到硬化效果，过慢会引起材料表面出现微熔。扫描速度一定时，功率增大，则使实际奥氏体化温度升高，引起马氏体组织粗化。（3）实例1）丛欣[1]等.对齿状9SiCr冷作模具钢作电子束表面处理淬火组织及性能进行分析，发现电子束处理可以显著提高淬火层硬度。由图a、图b可知，在电子束淬硬层中(Fe·Cr)3C大部分已溶解，原碳化物颗粒位置形成了区域较大的富铬区，其含铬量为1.27～3.13%，大大低于基体组织中的(Fe·Cr)3C的铬含量，而靠近富铬区的基体含铬量明显高于常规淬火回火组织中基体的铬含量。图a9SiCr常规淬火回火组织图b9SiCr电子束淬火组织由图c、图d可见，富铬区内为极细小的隐针马氏体。因此在电子束加热淬火过程中，碳化物溶解程度超过了常规加热淬火，使基体含铬量上升，同时因加热速度极快、组织细化，这是电子束淬火提高表面硬度的两个主要因素。图c9SiCr常规淬火回火组织×37000图d9SiCr电子束淬火组织x370002、电子束表面熔凝处理（1）改性过程用高的能量密度对工件表面进...
