电子束热处理的优点和应用

　电子束照射到金属表面时，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，通过电子束与金属表层电子碰撞而完成能量传递，所传递的能量立即以热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。由此，可利用电子束对金属材料进行表面改性的热处理。电子束热处理有以下特点：加热、冷却速度快；设备结构简单；能量控制简便；电子束与金属表面作用藕合性好，能量利用率高；处理中工件不被污染，质量好。电子束改性和激光束改性的基本原理相似，但与激光加热有所不同的是，电子束加热时入射电子束的动能约有75%可以直接转化为热能，比激光束转化率高。按目前的设备水平，电子束加速电压达125kV，输出功率达150kW，能量密度达103 MW /m2。因此，电子束加热的深度和尺寸范围比激光束大。不过，电子束易激发X射线，在使用中应注意辐射防护。

　　与激光束改性相似，电子束热处理也有电子束退火、电子束相变硬化、电子束熔化/粉注、电子束熔敷、电子束表面合金化、电子束非晶化和细晶化等。电子束热处理常用的有以下一些。

　　一、电子束表面硬化。

　　利用电子束轰击金属工件表面，使表面加热到相变温度以上，高速冷却而产生马氏体相变强化。电子束表面硬化比较适合于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化。

　　二、电子束表面熔凝。

　　利用高能量密度的电子束轰击工件表面，使表面产生局部的重新熔化，并在冷基体的作用下快速凝固，从而使组织细化，实现硬度和韧性的最佳结合。电子束表面熔凝最适用于铸铁、高碳高合金钢。

　　三、电子束熔敷。

　　按需要在基体材料表面预先涂敷一层特殊性能的合金粉，并用电子束加热将其熔化，在基体表面形成具有某些特性的覆层。

　　四、电子束表面合金化。

　　预先将具有特殊性能的合金粉末涂敷在基体金属表面，再用电子束轰击加热，使特殊的合金粉末熔融在基体材料的表面上，从而在工件表面形成一层具有耐磨、耐蚀、耐热等性能的新合金表面层。

　　五、电子束表面非晶化和纳米化。

　　利用聚焦的电子束能量密度高以及作用时间短的特点，使工件表面在极短的时间内迅速形成小熔池，并在基体与熔化的表层间产生很大的温度梯度，使表层的冷却速度高达104~108℃/s，致使表层保留熔化时液态金属的均匀性，经高速冷却，在材料的表面形成良好的非晶层或者纳米结构。据报道，采用脉冲电子束在钛合金表面进行表面纳米化处理，可获得10~50μm厚的纳米改性层，使得表层强度和硬度得到明显提高，使耐磨性与抗疲劳性得以改善。

　　另据报道，采用脉冲电子束可净化表面，也可使表面粗糙度得到显著改善，可以用来抛光金属零部件，使表面达到镜面效果。