专利名称：电子束表面合金化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子束表面合金化工艺及其应用，属于材料表面改性技术领域。
近十几年来，随着用于表面淬火的激光热处理技术的出现，促使人们对电子束热处理产生了同样的兴趣，从而形成了激光和电子束表面强化的新领域。其中，表面合金化工艺是表面强化技术中最有前途的工艺方法，同时它的技术难度也最大。这种工艺可根据零件表面性能的要求，合理地选择合金元素，从而在普通基材表面获得特殊性能的合金层。它所带来的经济效益是大量地节约昂贵的合金材料，同时，这项工艺的优点还表现在它的处理区域的高度局部性和合金粉末选择的灵活性上。
在表面合金化技术领域，近几年的研究，多集中在以激光作为高密度能量源的表面合金化工艺方面。这种以激光为高密度能量源的表面合金化技术，存在着以下问题，首先，现有的激光表面合金化研究，多采用单光束斑，由于束斑的能量密度分布不均匀，难以获得表面平整的合金层，另外，由于激光宽带扫描装置尚未成熟，难以得到宽带的硬质表面合金层，而且，激光器的能量转换效率低，只有10～15%，受激光器功率及相关技术的限制，因此，激光表面合金化技术，目前还处于实验室基础研究阶段，还未进入实用化阶段。
本发明的目的，是提供一种采用宽带扫描方式的电子束为高密度能量源的表面合金化工艺方法，能够获得宽带硬质合金层，并能实现高熔点硬质碳化物的合金化，从而可以用普通碳钢制成具有各种特殊性能表面合金层的有实用价值的工件。
本发明工艺过程包括，基材表面合金粉末预涂敷方法，利用高密度能量源加热的表面合金化过程。本发明的特征是，所述的高密度能量源为采用宽带扫描方式的电子束。
下面详细陈述本发明的工艺过程。
一、合金粉末的配比及涂敷方法本发明工艺中，合金粉末可选择镍、碳化铬、碳化钨、碳化钛粉末，对于高熔点的硬质碳化物粉末可按一定比例与熔点较低的钴、镍等包覆粉混合，以改善合金化工艺性能。基材为碳钢，如45钢、T10钢、60铸钢等。
合金粉末的预涂敷方法为，将合金粉末与粘接剂混合，调成稀糊状，一次均匀刷在试样表面，涂层厚度为0.1～0.2毫米。粘接剂一般采用无机粘接剂。
二、电子束合金化工艺及参数电子束表面合金化工艺参数，包括功率、电子束斑尺寸，工件移动速度等。影响这些电参数的主要因素是基材和粉末的物理特性(特别是熔点)，和涂层厚度。基材和合金粉末的熔点越高，电子束合金化所需功率密度相应就要高。涂层厚时，功率密度要低，工件移动速度要慢。可一般，电子束表面合金化工艺参数范围在功率0.5～2.5KW，束斑尺寸(3～9)×(5～10)毫米，工件移动速度4～10毫米/秒。对于不同的基材、合金粉末涂层在上述范围内均存在一个适宜的参数组合。
本发明电子束表面合金化工艺，由于采用了电子束作为高密度能量源，能量转换率高，(达90%)，且能获得实用的表面合金化材料，具有重大的经济和社会效益。
下面给出本发明应用于三种不同基材的具体实施例，包括优化的工艺参数及效果。
实施例一基材45钢，表面涂敷层为WC和TiC的混合粉，功率1.5～2.5KW，束斑尺寸4×4～6×6(mm)，移动速度4～10mm/S，试样尺寸(宽×厚)10×40(mm)。
试验结果，表面得到平整的合金层，合金层深0.5～0.8mm，表面显微硬度HV 1000～1200。
实施例二用电子束表面合金化技术提高料道的使用寿命。
料道为卧式自动螺母攻丝机中配对攻丝模。使用时要求工作面具有很强的耐磨损性能。一般采用T10钢经常规热处理后使用，平均寿命仅为一个月。
电子束表面合金化处理是先将常规热处理后料道清洗去油，用已调成糊状的钴包碳化钨粉(WC/Co)粉刷在零件工作面上，自然干燥24小时以后，进行电子束处理，工艺参数为，功率0.6～1.4KW，束斑尺寸5×3～7×9mm，工件移动速度为4～10mm/S。
料道经上述电子束表面合金化工艺处理后，表面形成一层0.5mm左右厚的高性能合金层，硬度可达HV1000以上，比常规热处理硬度提高HV200左右。由于表面合金化层硬度提高，并且含有大量的含钨合金碳化物，耐磨性能大大提高，经使用寿命考核，比常规料道可提高10倍以上。
实施例三用电子束表面合金化技术，提高导咀的使用寿命。
导咀是线材轧机上的重要部件之一。它在高温(1200℃)高速摩擦的条件下工作。现有导咀材料为60铸钢，平均使用寿命只有5～6小时。
导咀电子束表面合金化工艺为，合金化粉末采用钴包碳化钨粉(WC/Co)，工艺过程为，先将导咀清洗去油，工作面上涂上调好的糊状WC/Co粉，室温干燥48小时，然后在工作面上并排处理四条宽9mm的电子束合金带。工艺参数为，功率1.5～2.0KW，束斑尺寸5×5～9×9mm，移动速度4～6mm/S。
经电子束表面合金化处理的导咀，合金层的硬度在HV 1000以上，耐磨性能显著提高，使用时钢丝拉毛及粘钢现象大为减少，平均使用寿命提高到24小时以上，是原来的4～5倍。
权利要求
1.一种电子束表面合金化工艺方法，以碳钢为基材在基材表面涂敷合金粉末，用高密度能量源，加热表面，实现基材的表面合金化，本发明的特征是，所述的高密度能量源为采用宽带扫描方式的电子束。
2.按照权利要求1所述的表面合金化工艺方法，其特征是，所述的合金粉末为镍、铬、钨、钛、钴及它们的碳化物，其涂敷方法是，用无机粘接剂，将合金粉末调成糊状，刷在基材表面;干燥后，用电子束加热表面，电子束的工艺参数为功率0.5～2.5KW，电子束斑的尺寸为(3～9)×(5×10)mm，基材表面移动速度为4～10mm/S。
3.按照权利要求2所述的表面合金化工艺方法，其特征是，所述的基材为45钢，表面涂敷层为WC和TiC混合粉，电子束功率1.5～2.5KW，束斑尺寸4×4～6×6(mm)，移动速度4～10mm/S。
4.按照权利要求2所述的表面合金化工艺方法，其特征是，所述的基材为T10钢，表面涂敷层为钴包碳化钨粉，电子束功率为0.6～1.4KW，束斑尺寸3×5～7×9mm，移动速度为4～10mm/S。
5.按照权利要求2所述的表面合金化工艺方法，其特征是，所述的基材为60铸钢，表面涂敷层为钴包碳化钨粉，电子束功率为1.5～2.0KW，束斑尺寸5×5～9×9mm，移动速度4～6mm/S。
全文摘要
本发明涉及一种电子束表面合金化工艺及其应用，属于材料表面强化技术领域。本发明工艺方法，包括在基材表面涂敷合金粉末，利用电子束加热实现表面合金化。所述的基材为碳钢，合金粉末为镍、铬、钨、钛、钴及它们的碳化物粉，电子束工艺参数为功率0.5～2.5KW，束斑尺寸(3～9)×(5～10)mm，工件移动速度为4～10mm/s。本发明表面合金化工艺方法，可在普通碳钢表面形成具有各种特殊性能的合金化层，具有巨大的经济和社会效益。
文档编号C23C24/10GK1054275SQ9010066
公开日1991年9月4日 申请日期1990年2月14日 优先权日1990年2月14日
发明者唐传芳, 赵海鸥, 冯燕武 申请人:机械电子工业部北京机电研究所