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中碳结构钢因其具有良好的综合力学性能,因而用途广泛。对中碳钢,工业上一般采用调质的处理方法,但是经过调质处理后,中碳结构钢表面硬度和耐磨性能往往难以达到要求,大大地限制了其使用范围。电子束表面处理能够提高中碳结构钢材料的表面硬度、改善其耐磨性能。 本研究选用45钢(碳素结构钢)和40Cr钢(合金结构钢)两种典型的中碳结构钢,对其进行电子束扫描表面强化处理。试验采用 HDZ-6F型真空电子束焊机对中碳结构钢进行表面扫描处理,用布洛维硬度计测试试样表面硬度,用金相显微镜观察组织结构,用 JSM-5610LV型扫描电子显微镜拍摄金相组织照片和成分分析,用 ML-10磨料磨损试验机进行摩擦磨损实验。研究了中碳结构钢电子束扫描相变硬化处理对材料表面硬度、耐磨性、耐回火性能的影响,探讨了电子束束流和扫描速度等工艺参数对硬化层组织、硬度以及宽度和深度的影响;研究了中碳结构钢电子束扫描熔凝强化处理对材料表面组织和性能的影响,探讨了电子束束流和扫描速度等工艺参数对熔凝层组织、硬度以及宽度和深度的影响;研究了在中碳结构钢表面分别添加 Co-Cr-W粉末和 WC-12Co粉末后,电子束合金化处理对材料表面组织和性能的影响。研究结果表明:45钢和40Cr钢经电子束扫描表面相变硬化处理后,表层组织晶粒细化,硬度比调质处理提高2~3倍,耐磨性能得到提高,但耐回火性能改善并不明显。在其他参数不变的情况下,硬化层的宽度与深度随着电子束束流的增加而增加,组织也更加细化,当增大到一定程度材料表面出现熔化现象;硬化层的宽度和深度随着电子束扫描速度的增加而减小,且组织均匀性变差。与相变硬化处理相比,中碳结构钢经电子束扫描熔凝强化处理后,强化层的宽度和深度均增大,耐磨性能和耐回火性能均得到提高,但熔凝层的组织晶粒粗大,残余奥氏体含量增多。45钢熔凝处理后,表面熔凝区的硬度低于次表层相变硬化区;而由于在熔凝区生成大量 C、Cr化合物,40Cr钢熔凝区的硬度略有上升。在45钢和40Cr钢的表面添加 Co-Cr-W粉末和 WC-12Co粉末,电子束合金化处理后,材料表面的硬度提高4~5倍,耐磨性能提高10倍左右。添加 Co-Cr-W粉末合金化处理后,材料表面的耐磨性能比基体提高12倍;而添加 WC-12Co粉末合金化处理后,材料表面硬度更高,达到1450 HV。 采用电子束扫描对中碳结构钢表面进行强化处理,提高了材料的表面硬度、耐磨性能和耐回火性能。为扩大中碳结构钢在实际生产中的应用范围提供行之有效的工艺方法,并对中碳结构钢表面强化的研究具有一定的意义。