基于逐点扫描的电子束表面硬化方法技术

本发明专利技术涉及一种在金属表面热处理中基于逐点扫描的电子束表面局部硬化方法。方法为：根据工件形状设计一点阵，该点阵与工件待硬化表面几何相似，点与点之间的疏密可以根据不同部位的传热和热容量特点作调整，通过Ｘ、Ｙ向偏转控制使电子束依次作用于点阵中的每一个点，在各点处驻留预定的时间，然后在极短的时间内转移至另一个预先规定点，重复这种循环用一簇点填充规定的面积。完成一个轮次的加热需要几毫秒，重复这种加热模式可在几秒内完成对工件表面的均匀加热。本发明专利技术通过设计点阵形状、调整点间距和电子束在各点的驻留时间，可以对工件待硬化表面的能量输入分布进行控制，获得所需的硬化层厚度分布，从而实现对复杂形状零件的表面局部精密热处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在金属表面热处理中基于逐点扫描的电子束表面局部硬化方法。
技术介绍
由于电子束的能量密度非常高，它所覆盖的区域被迅速加热，超过相转变温度，而周围区域仍维持较低温度。因此当电子束停止作用时，它所产生的热量能够迅速向周围低温区域扩散，这种由工件自身造成的冷却也叫做“自淬火”。该淬火速度大大快于钢的马氏体转变临界淬火速度，因而能够仅对电子束作用的有限区域进行硬化。目前有几种方法可以将电子束用于表面硬化。第一种方法是散焦法，通过调整聚焦电流扩大电子束在工件表面的斑点直径，以此增大电子束加热面积。这种方法中，电子束的能量密度呈高斯分布，作用于中央区域和周边区域的束能量有所差别，会造成硬化层厚度和硬度的不均匀。第二种方法是电子束线扫描法，采用电子束设备自身具有的扫描功能，扫描出几种固定图形，如圆、椭圆、直线等，这种方法可以增大电子束加热的范围，但无法调节加热范围内的能量密度。第三种方法，即采用李萨如图案的连续扫描法，这种方法提高了扫描范围内的能量密度的均匀性，还可以增加扫描宽度边缘的能量密度，使硬化层厚度的均匀性提高，但是它的调节扫描范围内能量密度的能力仍十分有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种表面硬化厚度和硬度均匀、加热范围内能量密度可调的。本专利技术是通过以下技术方案实现的，在待硬化工件表面设计与之几何相近的点阵，电子束对点阵进行逐点扫描，点阵间各点的距离依工件表面的形状设定；以0.5～10毫秒的时间完成一个轮次的扫描，直至工件表面均匀加热。其具体步骤是，1根据工件需要硬化的表面形状和特点，设计电子束逐点扫描的次序及电子束在各点驻留的时间；2根据点阵中各点的X、Y坐标、扫描次序和驻留时间，编制X向和Y向偏转控制波形；3调整电子束使其在无偏转时对准工件上与点阵原点相对应的参考点；4将编制的X向和Y向偏转控制波形输入扫描控制器的双路信号发生器，并通过双路功率放大器为偏转线圈提供偏转电流；5在信号发生器上设定偏转控制波形频率；6根据工件上的X向和Y向偏转距离，选择X、Y向偏转范围所需的偏转电流；7启动电子束设备，使电子束以预定电流在工件上持续作用预定时间，即可完成工件的局部表面硬化热处理。基于方法的装置由双路可编程信号发生器、双通道功率放大器、偏转线圈、匹配电阻和电子束设备组成，偏转线圈安装于电子束枪下端，偏转控制系统独立于电子束设备电气系统。通过可编程信号发生器产生偏转波形信号，该波形信号经过放大为偏转线圈提供偏转电流，从而使电子束按所需扫描方式进行高速逐点扫描。本专利技术可以将逐点扫描点阵作为一能量密度分布可设计的移动面热源，随电子束枪相对于工件作机械运动，对工件进行更大面积的表面局部硬化本专利技术采用在工件表面布置与待加工零件几何形状相近似的点阵，并根据待加工零件表面局部的热容量及传热特点设定电子束的驻留时间，对工件进行逐点扫描，使加热范围内能量密度可调，工件表面硬化厚度和硬度均匀。本专利技术具有实质性的特点和显著进步，与散焦法、线扫描法和李萨如图案连续扫描法相比，它可以适应复杂表面形状工件的表面局部硬化要求，具备更强的调整待硬化表面能量输入分布的能力。它可以采用电子束枪固定的方式，对工件进行局部表面硬化，也可以将逐点扫描点阵作为一能量密度分布可设计的移动面热源，配合电子束枪相对于工件作机械运动，对工件进行更大面积的表面局部硬化。附图说明图1是表示本专利技术的实施例一电子束在工件上的扫描点阵及逐点扫描次序的说明图；图2是表示本专利技术的实施例一电子束X向偏转波形的说明图；图3是表示本专利技术的实施例一电子束Y向偏转波形的说明图；图4是表示本专利技术的实施例二电子束在工件上的扫描点阵及逐点扫描次序的说明图；图5是表示本专利技术的实施例二电子束X向偏转波形的说明图；图6是表示本专利技术的实施例二电子束Y向偏转波形的说明图。具体实施例方式根据工件形状设计一点阵，该点阵与工件待硬化表面几何相似，点与点之间的疏密可以根据不同部位的传热和热容量特点作调整，通过X、Y向偏转控制使电子束依次作用于点阵中的每一个点，在各点处驻留预定的时间3微秒至250微秒可调，然后在极短的时间内1微秒至5微秒转移至另一个预先规定点，重复这种循环用一簇点填充规定的面积。完成一个轮次的加热需要几毫秒，重复这种加热模式可在0.5秒～10秒内完成对工件表面的均匀加热。通过设计点阵形状、调整点间距和电子束在各点的驻留时间，可以对工件待硬化表面的能量输入分布进行控制，获得所需的硬化层厚度分布，从而实现对复杂形状零件的表面局部精密热处理。基于方法的装置由由双路可编程信号发生器、双通道功率放大器、偏转线圈、匹配电阻和电子束设备组成。偏转线圈安装于电子束枪下端，偏转控制系统独立于电子束设备电气系统。通过可编程信号发生器产生偏转波形信号，该波形信号经过放大为偏转线圈提供偏转电流，从而使电子束按所需扫描方式进行高速逐点扫描。具体步骤如下(1)根据工件需要硬化的表面形状和特点，设计与工件待硬化的表面几何相似的电子束逐点扫描的点阵图形，点阵中布点的疏密应与不同部位的传热和热容量特点相适应，内凹处散热快、热容量小，布点密一些，中心部位、外凸处散热慢、热容量小，布点疏一些。(2)设计点阵逐点扫描的次序，规定电子束在各点驻留的时间。驻留时间应与不同部位的传热和热容量特点相适应，需要能量多的部位，各点驻留时间加长。(3)根据点阵中各点的X、Y坐标、扫描次序和驻留时间，编制X向和Y向偏转控制波形。X、Y的取值范围均为0～255，其原点为(128，128)。周期波形长度可根据点阵所需点数选取255、511、1024、2047，点阵所需点数多，应选取大的周期波形长度，如2047，可供选用的周期波形长度取决于信号发生器。(4)调整电子束使其在无偏转时对准工件上与点阵原点相对应的参考点。(5)将设计的偏转控制波形输入扫描控制器的双路信号发生器，使信号发生器的左侧通道产生X向波形，右侧通道产生Y向波形。(6)在信号发生器上选择所需的输出波形频率。(7)将信号发生器左、右两侧输出分别与扫描控制器的双路功率放大器左右两侧输入连接。(8)根据事先测得的偏转距离标定结果，计算X、Y向偏转范围所需的偏转电流，旋转功率放大器增益调节电位器，获得所需的X向和Y向偏转电流。(9)启动电子束设备，使电子束以预定电流在工件上持续作用预定时间，即可完成工件的局部表面硬化热处理。实施例一对一方形17mm×17mm×10mm的4Cr13钢上表面进行电子束表面硬化。设计如图1所示的点阵，点间距均匀，中心点驻留9.8微秒，内圈各点驻留13.7微秒，次外圈各点驻留17.6微秒，外圈各点驻留21.5微秒。编制如图2所示的电子束X向偏转波形和如图3所示的电子束Y向偏转波形。设置扫描频率为1kHz，工作距离180mm，偏转线圈中的电流1.38A，聚焦电流820mA，电子束加速电压60kV，电子束工作电流17～20mA，热处理时间0.5～1秒。在试件表面获得了方形的硬化区，硬化层硬度由基体硬度HV0.2(320～340)提高至HV0.2(450～550)，硬化层深宽比由采用散焦法时的0.30减小至0.10，说明硬化层厚度均匀性显著提高。实施例二对一35Ni4Cr2MoA钢齿轮的齿面进行表面硬化。齿轮齿数37，模数2.5，压力角25本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于逐点扫描的电子束表面硬化方法，其特征在于，在待硬化工件表面设计与之几何相近的点阵，电子束对点阵进行逐点扫描，点阵间各点的距离依工件表面的形状设定；以０．５～１０毫秒的时间完成一个轮次的扫描，直至工件表面均匀加热。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭绍庆，袁鸿，谷卫华，余槐，张学军，
申请(专利权)人：中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]