【摘 要】
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30CrMnSi钢具有强度高、韧性高、淬透性良好和抗过热稳定性等特点,广泛应用于制造轴和齿轮类零部件。利用传统的热处理工艺处理30CrMnSi钢具有表面硬度差、冲击韧性较差、易导致工件变形等缺点,难以达到使用要求。电子束表面合金化技术具有能量转换效率高、工件变形小等优点,可用于对30CrMnSi钢进行合金化处理。本课题采用等离子热喷涂技术在30CrMnSi钢表面分别制备不同粉末配比的Ni-A1和F
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51665009）； 广西自然科学基金重点项目（2017GXNSFDA198007）；
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30CrMnSi钢具有强度高、韧性高、淬透性良好和抗过热稳定性等特点,广泛应用于制造轴和齿轮类零部件。利用传统的热处理工艺处理30CrMnSi钢具有表面硬度差、冲击韧性较差、易导致工件变形等缺点,难以达到使用要求。电子束表面合金化技术具有能量转换效率高、工件变形小等优点,可用于对30CrMnSi钢进行合金化处理。本课题采用等离子热喷涂技术在30CrMnSi钢表面分别制备不同粉末配比的Ni-A1和Fe-Al复合涂层,然后进行扫描电子束处理。通过正交试验法优化工艺参数和粉末配比方案,讨论粉末配比与电子束工艺参数与对截面显微组织与元素分布以及机械性能等影响,利用Quanta FEG450场发射扫描电子显微镜、D8 Advance型X射线衍射仪、HDX-1000TM显微硬度计、HSR-2M型立式万能摩擦磨损试验机分析与测试截面显微组织、表面物相组成以及机械性能。讨论合金化后合金层中出现的比重偏析现象;讨论粉末配比对合金层显微组织比重偏析及比重偏析对机械性能的影响规律;探讨电子束工艺参数对合金层显微组织比重偏析与比重偏析对机械性能的影响规律。研究结果表明:合金化处理后,截面显微组织由合金层、热影响区和基体三部分组成,Ni-Al合金化后合金层显微组织由Ni-Al金属间化合物和Ni基固溶体组成,平均显微硬度约为750HV;Fe-Al合金化后合金层显微组织由Fe-Al金属间化合物与马氏体组成,平均显微硬度约为695HV;热影响区主要由马氏体组成,平均显微硬度约为654HV;基体为索氏体,平均显微硬度约为275.7HV。利用正交试验分析Ni-Al粉末配比及电子束参数对机械性能的影响,随A1粉含量增加,表面硬度和耐磨性先上升后下降;随束流增大,表面硬度和耐磨性下降;随工件移动速度增加,表面硬度和耐磨性升高。得到Ni-Al合金化的优化方案为Ni-Al粉末比例50:50,束流大小8mA,工件移动速度3 60mm/min。此时合金层显微组织由Ni-Al金属间化合物与Ni基固溶体组成,截面显微硬度由表及里从748HV到265.7HV非线性分布,表面硬度较基体硬度提高近3倍。利用正交试验分析Fe-Al粉末配比及电子束参数对机械性能的影响,随A1粉含量增加,表面硬度与耐磨性先下降后升高;随束流增大,表面硬度与耐磨性先下降后升高;随工件移动速度增加,表面硬度和耐磨性先下降后升高。获得Fe-Al合金化的优化方案为Fe-Al粉末比例25:75,束流8mA,工件移动速度360mm/min。此时合金层显微组织由针状FeAl和块状Fe2Al5金属间化合物和马氏体组成,截面硬度由表及里从695HV 下降至270.3HV,表面硬度较基体硬度提高约2.6倍。当75%Al粉时、或50%Al粉8mA束流或360mm/min工件移动速度时,Fe-Al金属间化合物分布在材料表面和亚表面,此时,随深度增加,截面硬度先升高后下降;当25%Al粉、50%Al粉束流大于12mA或工件移动速度小于300mm/min时,合金层显微组织出现比重偏析,Fe-Al金属间化合物分布在亚表面,截面硬度随深度增加先下降后升高再降低。当Al粉添加量为35%～75%时,Fe-Al金属间化合物随机分布在表面和亚表面的马氏体中,未出现比重偏析;Al粉添加量为25%时,合金层显微组织出现比重偏析现象,Fe-Al金属间化合物分布在亚表面,马氏体分布在表面。75%Al粉含量时表面硬度最大为703HV,表面磨损失重量最小为0.00014g;60%Al粉含量时表面硬度最小为585HV,表面磨损失重量最大为0.00136g。
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