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摘要：通过强流脉冲电子柬对Ni200进行表面改性处理，并对处理后试样的表面形貌、表面硬度、截面硬度、摩擦磨损性能进行了分析。结果表明：不同照射次数下试样表面的熔坑数量、表面硬度、截面硬度都有一定的变化，25次照射后，试样的表面粗糙度极大降低，摩擦磨损性能有了很大的提高。

强流脉冲电子束(HCPEB)表面处理技术是用高能量密度(10⁸一10⁹W／cm²)的电子轰击材料表面，使材料表面瞬间被加热、熔化和凝固，进而使材料表面获得较高的强度、硬度，以及较高的耐磨性的技术，其处理过程具有清洁、无污染的特点。近年来，强流脉冲电子束表面处理技术作为一种现代化的加工技术得到了较快的发展。

摩擦磨损会导致设备失效，产生巨大的经济损失。传统的提高材料表面耐磨性的方法有渗碳、渗氮、渗硼等。这些方法虽然可以使材料表面硬化，提高材料表面的耐磨性，但其存在处理时间长、工作环境恶劣和污染环境等缺点。

本文利用俄罗斯产RITM-2M型强流脉冲电子束表面改性设备对Ni200进行表面改性处理，并对其表面性能及磨损机理进行了研究。

1实验材料和方法

选择Ni200为实验材料，其化学成分如表1所示。试样用电火花切割成15mm×20mm×5mm规格，表面处理前先在高温炉中进行退火处理，保温时间为2h。退火处理后的试样表面硬度为HV110～120。将试样进行机械抛光处理，处理后试样表面粗糙度为0.85左右。试样经过机械抛光和无水乙醇、丙酮清洗后在RITM-2M型强流冲电子束表面改性设备上进行表面改性处理，实验参数如表2所示。用TR-200手持式粗糙度仪表测量粗糙度，用HVS-1000型维氏硬度计测量表面硬度和截面硬度。

摩擦磨损实验在MFT-4000型高速往复摩擦实验机上完成。实验条件∶干摩擦，摩擦频率为5Hz，载荷为20N，摩擦时间为5min。钢球采用GCr15轴承钢，直径为5mm，表面粗糙度为0.019μm，硬度为HRC62～64。材料磨损体积M由NanoMap500Ls测得，磨损率（W，单位为mm^-3•N^-1•m^-1）由W=M/（LD）计算得到。

式中∶L为接触载荷（N）D为摩擦总路程（m）。采用日本电子株式会社生产的JSM-6460LV型扫描电子显微镜观察试样磨损后的表面形貌。

2结果与讨论

2.1表面形貌与粗糙度

当电子束作用在材料表面时，材料表面发生重熔和熔坑现象。熔坑和重熔对样品表面粗糙度影响具有双重作用∶熔坑的出现会增加表面粗糙度，材料表面的重新熔化又会降低材料的表面粗糙度。随着电子束照射次数的增加，这两种现象反复作用，使材料产生表面粗糙度。

图1是电子束照射后试样的表面形貌。图1（a）为试样经过5次脉冲轰击后的表面形貌，样品表面机械抛光后的划痕清晰可见，并且熔坑有沿划痕方向爆发的趋势。经过15次脉冲轰击（图1（b）），试样表面的划痕基本消失不见，试样表面产生大量熔坑，并且熔坑数量达到最大，这时可以把试样表面分为熔坑区和非熔坑区。经过25次脉冲轰击后（图1（c）），熔坑数量达到最少，试样表面熔坑区面积大量减少，非熔坑区面积达到最大。25次脉冲轰击后，熔坑数量有所增加，并在一定范围波动。

图2是电子束处理后的试样表面粗糙度随脉冲次数变化的曲线。经分析，电子束处理后的试样表面粗糙度随轰击次数的增加逐渐降低。25次轰击后，试样的表面粗糙度值最低，比原样品下降了38.2％。此后试样的表面粗度在一定范围内波动。这是由于原始样品表面较为粗糙，随着轰击次数的增加，试样表面发生重熔和熔坑喷发现象。前25次轰击试样表面产生的重熔是其粗糙度减少的主要原因，25次轰击后则是重熔和熔坑喷发交替占主导地位的结果。

2.2表面与截面显微硬度

硬度对材料的摩擦磨损性能有重要的影响。 图3为表面显微硬度随脉冲轰击次数的变化趋势。 试样表面的显微硬度在HV130处上下波动，随轰 击次数的变化硬度变化不大。由于电子束作用在 材料表面时大量的能量瞬间沉积在材料表层中，使 表层温度迅速升高，产生熔化和气化等现象。材料 的瞬间熔化和凝固过程使材料表面的晶粒细化，从 而使材料表面的显微硬度增加。随着照射次数的 增加，电子束型腔的温度上升，减少了材料表面的 温度梯度，造成了材料表面显微硬度的波动趋势。

从图4可以看出：电子束处理后的截面显微硬度随着距表面距离的增加而呈现不规则的震荡分 布；表层1mm的范围内出现硬化现象；25次轰击后 截面大硬度值出现在表面下约40m处；15次轰击 后截面最大硬度值则出现在表面下方约160m 处，并且距表面下方90m处硬度出现次峰值。从 图4还可以看出：15、25次轰击后，试样的最大硬度 峰值都在HV150附近，说明在轰击电压不变的情况 下，截面硬度峰值随脉冲次数的增加变化不大。

2.3、摩擦磨损性能分析

2.3.1摩擦因数和磨损率的分析

从图5可以看出：摩擦因数随电子束轰击次数 的增加逐渐降低。20次轰击后，试样的摩擦因数达 到最小值，这一方面是由于电子束轰击后试样表面 的粗糙度有所下降，表面质量得到改善，另一方面 是由于试样在轰击后，其表面和截面硬度得到提 高。试样摩擦因数的下降是硬度、粗糙度和表面组 织性能变化等共同作用的结果。

图6为电子束轰击后，试样的磨损率随脉冲次数变化的曲线。在5次脉冲轰击后，试样的磨损率略有上升，这是由于电子束轰击后在试样表面产生大量熔坑，恶化了试样的表面质量，这时熔坑对磨损率的影响占主导地位。10次轰击后，磨损率随脉冲次数的增加而下降。25次轰击后，试样的磨损率最低，比原始试样下降了86.8%。由于随着脉冲轰击次数的增加，试样的表面粗糙度逐渐下降，并且随着照射次数的增加，电子束的影响层深有所增加，大大提高了试样耐磨性。25次轰击后，试样的磨损率有一定程度的上升是试样的粗糙度在一定范围内波动的结果。

2.3.2磨痕形貌表面的分析

由图7（a）可以看出∶原始样品表面磨损后出现一些片状剥落，并伴随有撕裂的痕迹，表面凸凹不平，为严重的粘着磨损。由图7（b）可以看出∶25次轰击后，样品表面较为平整，出现一些小片剥落，并伴随有一些较浅的沟槽出现，为轻微磨粒磨损和粘着磨损，其中粘着磨损占主导地位。由图7（c）可以看出∶30次轰击后样品表面出现许多深浅不一的沟槽和一些球状颗粒，并伴随有片状剥落，为较严重的磨粒磨损和粘着磨损，其中磨粒磨损占主导地位。

原始样品为纯镍，由于钢球的不断摩擦，材料表面温度升高，导致材料表面发生软化，呈现严重的粘着磨损特征。用电子束轰击样品后，随着轰击次数的增加，材料表面发生熔凝现象，材料的粗糙度、硬度、表面组织都发生一定的改变，从而使材料的摩擦机理发生改变。

3 结论

1）电子束轰击下，Ni200表面粗糙度随轰击次数的增加逐渐降低。25次轰击后粗糙度最小，比原始试样下降了38.2%。

2）电子束轰击后，Ni200的耐磨性有所提高。25次轰击后，磨损率下降了86.8%。

3）Ni200呈现严重的粘着磨损。25次轰击后，试样表面为轻微的磨粒磨损和粘着磨损。30次轰击后，试样表面为较严重的磨粒磨损和粘着磨损。