扫描电子束30CrMnSi表面Fe-Al合金化工艺参数的确定

王 荣， 黄嘉悦， 魏德强， 齐文亮

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004)

电子束表面合金化技术是利用电子束辐照金属表面，将一种或多种合金物质快速融入金属表面薄层熔区，使之发生物理或化学变化，从而使金属表面具有特定的合金成分的材料表面强化技术[1-2]。电子束表面合金化技术可提高材料硬度、耐磨性等机械性能[3-5]。30CrMnSi钢是一种中碳合金调质结构钢，常用于制造高速、重负载的重要零件，如汽车、飞机等轴类特殊耐磨零配件[6-7]，经常出现表面磨损、撕裂、脱落等形式失效，通常采用表面淬火和碳氮共渗等工艺方法进行热处理，但易导致工件变形，影响工件精度和使用寿命。为提高使用寿命，需进行表面强化处理。

在钢表面添加Al可提高材料表面强度、抗冲击能力、耐蚀性、耐高温能力，添加Fe可提高淬透性[8-10]。Tomida等[11]利用激光束在A5052铝镁合金表面进行Al-Fe合金化，结果表明，随Al-Fe粉末配比中Fe含量的增加，合金层组织依次出现针状FeAl3、细针状FeAl3和块状Fe2Al5，其中具有块状Fe2Al5的合金层硬度约为1 000 HV，具有细针状FeAl3的合金层硬度为400 HV，而具有针状FeAl3的合金层硬度仅为200～280 HV。王荣等[12]利用扫描电子束技术在ADC12铝合金表面进行Al-Fe合金化，试验结果表明，合金层硬度和耐磨性随Al-Fe混合粉末中Fe粉含量的增加而增大，硬度最高可达800 HV。Valkov等[13]利用电子束技术对纯铝表面进行Ti-Nb合金化，结果表明，表面形成(Ti, Nb)Al3金属间化合物，随机分布在Al固溶体中，合金化后最大表面硬度为775 HV，平均表面硬度为673 HV。Lazurenko等[14]利用电子束技术在钛合金表面进行Ti-Al合金化，通过改变合金粉末配比，合金层分别由TiAl、Al2Ti和Ti3Al相组成，由Ti3Al相构成的合金层显微硬度和耐磨性最佳，涂层的抗氧化性随铝粉含量增加而增大。Lvbo等[15]利用正交试验法对GH4169高温合金板进行电子束焊接，得到优化工艺参数为60 kV加速电压、20 mA电子束电流和20 mm/s焊接速度。

鉴于此，采用正交试验法对30CrMnSi钢进行扫描电子束表面Fe-Al合金化，通过极差分析法分析扫描电子束表面合金化对显微硬度和耐磨性的影响，进而优化合金粉末配比与电子束工艺参数方案。

1 材料与方法

试验用材料为30CrMnSi钢，其化学成分如表1所示。试验前对试块进行调质处理，即870 ℃保温30 min淬油，600 ℃回火1 h，而后用立式铣床将其加工成50 mm×50 mm×50 mm的立方体。利用等离子喷涂技术将Fe-Al混合粉末喷涂在基体材料表面。利用L9(3)4正交试验优化Fe-Al粉末配比及电子束工艺参数，对粉末配比、电子束束流和工件移动速度做三因素三水平进行研究，因素与水平如表2所示，L9(3)4正交表如表3所示。

表1 30CrMnSi钢化学成分 wt%

表2 因素水平

表3 正交试验表

实验采用桂林某研究所自制的HDZ-6F高压数控真空电子束焊机进行表面合金化处理，其性能指标为：加速电压0～60 kV，电子束电流0～120 mA，扫描频率0～3 kHz，聚焦电流0～1 000 mA。试验工艺参数为：功率1 500 W，扫描频率300 Hz，聚焦电流375 mA[8]。电子束焊机结构及电子束扫描过程如图1所示。工作时，电子枪发射电子，在加速电压形成的静电场作用下，从阴极向阳极做加速运动，经过聚焦线圈，形成高能量密度的电子束，通过调节附加偏转线圈频率，使电子束在偏转线圈产生的磁场中产生相应的偏转，周期性地在X-Y平面内按设定的轨迹和方式运动，形成外径7 mm、内径5 mm的扫描圆环，通过工件移动形成扫描区域。

图1 电子束焊机结构与扫描过程示意图

将合金化后的试样加工成尺寸为7 mm×7 mm×7 mm的金相试样，用砂纸打磨试样，4%硝酸酒精溶液腐蚀表面，金相抛光机抛光。用美产Quanta FEG 450型扫描电子显微镜观察显微组织；用HDX-1000TM显微硬度计测量表面硬度，为降低误差，在同一表面随机取12点，去掉最高值与最低值后求平均值得到表面硬度最终值；用CFT-1型材料表面性能综合测试仪进行摩擦磨损试验。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

以表面显微硬度和磨损失质量为考察指标，正交试验结果如表4所示。

表4 正交试验结果

2.2 优化参数确定

以表面显微硬度为考察指标，根据表4，利用极差分析法得到分析表面硬度如表5所示。从表5可看出，优化方案为K1K2K1，即Fe-Al粉末比例为25∶75，电子束束流大小8 mA，工件移动速度360 mm/min。以表面耐磨性为考察指标，根据表4，利用极差分析法得到分析表面磨损失质量如表6所示。从表6可看出，优化方案为K1K2K1，即Fe-Al粉末比例为25∶75，电子束束流大小8 mA，工件移动速度360 mm/min。

表5 极差分析法分析表面硬度 HV

2.3 Fe-Al粉末配比对显微组织与机械性能的影响

2.3.1 Fe-Al粉末配比对显微组织的影响

粉末配比对合金层显微组织及机械性能的影响如图2所示。图2(a)～(c)为Fe-Al粉末配比对显微组织的影响，所选取试样依次为2、5和8号试样。从图2(a)～(c)可看出，合金化后截面显微组织由合金层、热影响区和基体三部分组成，合金层显微组织由Fe-Al合金相和马氏体组成，当Al粉含量高于50%时，材料表层形成Fe-Al合金相，当Al粉含量低于50%时，Fe-Al合金相分布在亚表层，表层是马氏体，热影响区显微组织主要由马氏体组成，基体显微组织为索氏体。

表6 极差分析法分析表面磨损失质量 g

2.3.2 Fe-Al粉末配比对机械性能的影响

从图2(d)可看出，随Fe-Al粉末配比增加，表面显微硬度先降低后升高，当Fe-Al粉末配比为25∶75时，表面硬度最大，为645 HV，约为基体硬度的2.5倍，当Fe-Al配比为50∶50时，表面硬度最小，为631 HV；随Fe-Al粉末配比增加，表面磨损失质量逐渐增加，当Fe-Al配比为25∶75时，磨损失质量最小，仅为0.005 g，表面耐磨性最好，当Fe-Al粉末配比为50∶50时，表面磨损失质量最大，为0.007 g，超过这一比例时磨损失质量变化不明显。

2.4 电子束工艺参数对显微组织与机械性能的影响

2.4.1 电子束束流对显微组织的影响

电子束束流对显微组织的影响如图3所示。从图3可看出，电子束束流变化对合金层显微组织产生影响，合金化后截面显微组织由合金层、热影响区和基体三部分组成，合金层显微组织由Fe-Al合金相和马氏体组成，当电子束束流为8 mA时，Fe-Al合金相分布在材料表层，当电子束束流大于12 mA时，Fe-Al合金相分布在亚表层，表层主要为马氏体组织，热影响区显微组织主要由马氏体组成，基体显微组织为索氏体。

2.4.2 电子束束流对机械性能的影响

电子束束流对机械性能的影响如图4所示。从图4可看出，随这束流的增加，表面硬度先降低后升高，束流为8 mA时，表面硬度最大，为638.33 HV，基体硬度为263 HV；束流12 mA时，表面硬度最小，为635.33 HV；束流超过12 mA时，表面硬度有所提高。从图4还可看出，随着束流的增加，磨损失质量增加，束流为8 mA时，磨损失质量最小，为0.005 g，此时耐磨性最佳；束流为12 mA时，磨损失质量最大，为0.007 g；束流持续增加时，磨损失质量变化不明显。

图2 粉末配比对合金层显微组织及机械性能的影响

图3 电子束束流对显微组织的影响

图4 电子束束流对机械性能的影响

图5 工件移动速度对机械性能的影响

2.4.3 工件移动速度对显微组织的影响

从图2(b)、图3可看出，工件移动速度变化对合金层显微组织产生影响，合金化后截面显微组织仍由合金层、热影响区和基体三部分组成，合金层显微组织由Fe-Al合金相和马氏体组成，当工件移动速度小于300 mm/min时，Fe-Al合金相分布在亚表层，表层为马氏体组织。工件移动速度为360 mm/min时，Fe-Al合金相分布在材料表层。

2.4.4 工件移动速度对机械性能的影响

工件移动速度对机械性能的影响如图5所示。从图5可看出，随工件移动速度增加，表面硬度先降低后升高，工件移动速度为300 mm/min时，表面硬度最小，为623 HV，工件移动速度为360 mm/min时，表面硬度最大，为657 HV，与基体硬度相比显著提升，随工件移动速度增加，表面耐磨性先降低后升高，表面磨损失质量先升高后降低。从图5还可看出，工件移动速度为300 mm/min时，磨损失质量最大为0.009 g，工件移动速度为360 mm/min时，磨损失质量最小，为0.004 g，即表面耐磨性最佳。

综上所述，通过正交试验与极差分析法得到的优化方案为：Fe-Al粉末配比25∶75，束流8 mA，工件移动速度360 mm/min。

出现上述组织和性能特性的主要原因是合金化过程中电子束功率密度变化造成材料熔化温度不同，引起密度变化，因此不同粉末配比和电子束工艺参数对显微组织和机械性能造成不同影响。

3 试验验证

以10号试样为样本，利用正交试验得到的优化方案进行实验验证，观察其显微组织，并进行硬度与耐磨性测试。

图6为10号试样截面显微组织结构。由图6(a)可知，合金化后截面由合金层、热影响区和基体三部分组成。由图6(b)可知，合金层由Fe-Al合金相和马氏体组成，Fe-Al合金相分布在表层和亚表层。由图6(c)可知，热影响区显微组织主要为马氏体。由图6(d)可知，基体组织为索氏体。

为更直观地表达合金层与热影响区元素分布情况，对图6(b)所示的合金层和热影响区显微组织进行EDS面分布分析，结果如图7所示。从图7可看出，Fe-Al合金相处的EDS能谱出现Al元素峰值，此处显微组织主要为Fe-Al合金相，且Al元素在合金层中大量且均匀地分布，此外C、Fe、Si、Mn、Cr五种元素在合金层中也均匀分布，表明预涂敷的Fe、Al元素在合金化过程中与基体形成良好的冶金结合。此外，热影响区中Al元素分布较少，C、Fe、Si、Mn、Cr五种元素在热影响区中也均匀分布。

测量10号试样表面洛氏硬度和磨损失质量，与1～9号试样相比，10号试样的表面硬度最高，平均为695 HV，10号试样的磨损失质量最小，为0.000 9 g，即表面耐磨性最佳。

4 结束语

利用正交试验法研究30CrMnSi钢扫描电子束表面Fe-Al合金化，通过极差分析法分析合金化后试样的显微组织和机械性能，得到优化粉末配比与电子束工艺参数方案，并进行试验验证，结论如下：

1)当Fe-Al粉末配比大于50∶50时，材料表层形成Fe-Al合金相；当Fe-Al粉末配比低于50∶50时，Fe-Al合金相分布在亚表层，表层为马氏体组织。随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，当粉末配比超过50∶50时，耐磨性变化不明显。

2)当束流为8 mA时，材料表层形成Fe-Al合金相；当束流大于12 mA时，Fe-Al合金相分布在亚表层，表层为马氏体组织。随束流增加，表面硬度先降低后升高，磨损失质量增加，当束流超过12 mA时，磨损失质量变化不明显。

图6 10号试样横截面显微组织结构

图7 EDS面分布分析结果

3)当工件移动速度为360 mm/min时，材料表层形成Fe-Al合金相；当工件移动速度小于300 mm/min时，Fe-Al合金相分布在亚表层，表层为马氏体组织。随工件移动速度增加，表面硬度和耐磨性先降低后升高。

4)利用极差分析法得到优化方案为：Fe-Al粉末比例25∶75，束流大小8 mA，工件移动速度360 mm/min。此时试样表面硬度和耐磨性达到最佳，表面硬度为695 HV，较基体硬度提高2.6倍，表面磨损失质量仅为0.000 9 g。