阅读说明：本技术 一种M50钢脉冲电子束辐照Cr-Mo-Nb-W合金化方法 (Cr-Mo-Nb-W alloying method by M50 steel pulse electron beam irradiation ) 是由 李学问 唐光泽 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种M50钢脉冲电子束辐照Cr-Mo-Nb-W合金化方法,属于M50钢表面处理领域。本发明为了解决M50钢高温摩擦磨损抗力低的问题。本发明基于磁控溅射与大面积强流脉冲电子束辐照合金化技术,在M50钢表面制备Cr-Mo-Nb-W合金化层。本发明方法降低M50钢的高温摩擦系数,提高高温摩擦磨损抗力。(The invention discloses an M50 steel pulse electron beam irradiation Cr-Mo-Nb-W alloying method, and belongs to the field of M50 steel surface treatment. The invention aims to solve the problem of low high-temperature frictional wear resistance of M50 steel. The Cr-Mo-Nb-W alloying layer is prepared on the surface of M50 steel based on magnetron sputtering and large-area high-current pulsed electron beam irradiation alloying technology. The method reduces the high-temperature friction coefficient of the M50 steel and improves the high-temperature friction and wear resistance.)

一种M50钢脉冲电子束辐照Cr-Mo-Nb-W合金化方法

技术领域

本发明属于M50钢表面处理的技术领域；具体涉及一种M50钢脉冲电子束辐照Cr-Mo-Nb-W合金化方法。

背景技术

作为一种新型的技术，大面积强流脉冲电子束辐照通过电子枪产生能量密度极高的电子束脉冲轰击材料表面，在电子束产生的瞬时高温下，使材料表面发生瞬时熔化与凝固，获得表面细小组织或非平衡相，实现材料表面性能的改变。通过采用磁控溅射在基体表面沉积一层合金化层，然后采用电子束辐照可以使得合金层与基体同时发生熔化与凝固，从而实现合金化。所获得的合金化层与基体间为冶金结合，彻底解决了其他方法制备涂层与基体之间结合力弱的问题。此外由于电子束辐照能量集中，时间极短，因此只有近表层极少的材料发生熔化，基体材料大部分仍处在室温，因此该方法不会改变材料表面的粗糙度。这尤其适用于轴承类精密材料的表面性能优化。

M50钢作为一种常用的轴承钢，常被用作航空发动机轴承，汽轮机轴承等高温摩擦工况。在这些工况下，比较好的轴承需要高温力学性能稳定性好，尤其是需要高温下摩擦系数小，尤其是要考虑润滑油中断情况下，轴承与轴瓦之间的摩擦系数要小，避免产生摩擦系数增加导致温度升高，温度升高又导致摩擦系数增加的情况。

发明内容

本发明针对M50钢高温摩擦磨损抗力的问题，提出将磁控溅射与强流脉冲电子束辐照工艺相结合在M50钢表面进行Cr-Mo-Nb-W合金化处理，以降低M50钢的高温摩擦系数，提高高温摩擦磨损抗力。

本发明中一种M50钢脉冲电子束辐照Cr-Mo-Nb-W合金化方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将M50钢工件表面研磨抛光后，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗；

步骤二、然后放置在真空室内的工作台上，将工件的待处理面面向电子枪；

步骤三、然后抽真空至4×10^-4Pa～7×10^-4Pa；

步骤四、然后向真空室内持续通入氩气，再在气压为0.04Pa～0.08Pa、加速电压控制在30kv条件下辐照50～100次；

步骤五、然后将工件的待处理面依次用W靶材、Nb靶材、Mo靶材、Cr靶材进行磁控溅射；

步骤六、再将工件的待处理面转向面对电子束；

步骤七、然后向真空室内通入氩气，再在气压为0.04Pa～0.06Pa、加速电压控制在30kv条件下辐照50～100次，冷却15～30min后取出在空气中冷却，即完成。

进一步地限定，步骤四中W靶材磁控溅射是按下述步骤操作的：抽真空至6×10^{- 4}Pa，待抽完真空之后，向真空室内持续通入氩气，在工作功率为50w、工作电流为131mA、工作电压为380v，充气量为505sccm条件下进行磁控溅射，沉积1.5min，停止通氩气，25min后停止磁控溅射，关闭电源，冷却10min～20min。

进一步地限定，步骤四中Nb靶材磁控溅射是按下述步骤操作的：抽真空至6×10^{- 4}Pa，待抽完真空之后，向真空室内持续通入氩气，在工作功率为50w、工作电流为161mA、工作电压为310v，充气量为580sccm条件下进行磁控溅射，沉积1.5min，停止通氩气，25min后停止磁控溅射，关闭电源，冷却10min～20min。

进一步地限定，步骤四中Mo靶材磁控溅射是按下述步骤操作的：抽真空至6×10^{- 4}Pa，待抽完真空之后，向真空室内持续通入氩气，在工作功率为50w、工作电流为143mA、工作电压为350v，充气量为450sccm条件下进行磁控溅射，沉积1.5min，停止通氩气，25min后停止磁控溅射，关闭电源，冷却10min～20min。

进一步地限定，步骤四中Cr靶材磁控溅射是按下述步骤操作的：抽真空至6×10^{- 4}Pa，待抽完真空之后，向真空室内持续通入氩气，在工作功率为50w、工作电流为125mA、工作电压为400v，充气量为600sccm条件下进行磁控溅射，沉积20.5min，停止通氩气，25min后停止磁控溅射，关闭电源，冷却10min～20min。

本发明采用上述工艺将Cr、Mo、Nb、W作为合金元素加入钢中制备Cr-Mo-Nb-W合金化涂层，产生联合作用，由于Cr-Mo-Nb-W的加入可在高温摩擦过程中形成magnéli相的氧化物，层状特征涂层具有较低的摩擦系数，与M50钢基体具有附着力，可以显著改善M50钢的高温摩擦磨损性能。

附图说明

图1是M50钢预辐照后的表面形貌；

图2是预辐照后的M50钢上沉积涂层后的表面形貌；

图3是表面合金化后的表面形貌；

图4是表面合金化后的截面形貌及线扫描；

图5是摩擦系数曲线。

具体实施方式

实施例1：本实施例中一种M50钢脉冲电子束辐照Cr-Mo-Nb-W合金化方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将M50钢工件表面研磨抛光：先采用320#，600#，800#，1000#，1500#和2000#的砂纸进行逐级打磨，并用金刚石抛光剂将试样抛光成表面粗糙度R_a≤0.1μm，之后依次在丙酮和无水乙醇中用超声波清洗仪清洗10min，吹风机吹干备用；

步骤二、然后放置在真空室内的工作台上，将工件的待处理面面向电子枪；

步骤三、然后抽真空至6×10^-4Pa；

步骤四、然后向真空室内持续通入氩气，再在气压0.06Pa、加速电压控制在30kv条件下辐照50～100次；

步骤五、然后将工件的待处理面依次用W靶材、Nb靶材、Mo靶材、Cr靶材进行磁控溅射，具体操作通过下述步骤实现的：

步骤5.1、将工件的待处理表面转向W靶材(质量纯度为99.9wt.％)，抽真空至6×10^-4Pa，待抽完真空之后，向真空室内持续通入氩气，在工作功率为50w、工作电流为131mA、工作电压为380v，充气量为505sccm条件下进行磁控溅射，沉积1.5min，停止通氩气，25min后停止磁控溅射，关闭电源，冷却20min(粉色辉光)；

步骤5.2、将工件的待处理表面转向Nb靶材(质量纯度为99.9wt.％)，抽真空至6×10^-4Pa，待抽完真空之后，向真空室内持续通入氩气，在工作功率为50w、工作电流为161mA、工作电压为310v，充气量为580sccm条件下进行磁控溅射，沉积1.5min，停止通氩气，25min后停止磁控溅射，关闭电源，冷却20min(粉色辉光)；

步骤5.3、将工件的待处理表面转向Mo靶材(质量纯度为99.9wt.％)，抽真空至6×10^-4Pa，待抽完真空之后，向真空室内持续通入氩气，在工作功率为50w、工作电流为143mA、工作电压为350v，充气量为450sccm条件下进行磁控溅射，沉积1.5min，停止通氩气，25min后停止磁控溅射，关闭电源，冷却20min(粉色辉光)；

步骤5.4、将工件的待处理表面转向Cr靶材(质量纯度为99.9wt.％)抽真空至6×10^-4Pa，待抽完真空之后，向真空室内持续通入氩气，在工作功率为50w、工作电流为125mA、工作电压为400v，充气量为600sccm条件下进行磁控溅射，沉积20.5min，停止通氩气，25min后停止磁控溅射，关闭电源，冷却20min(蓝色辉光)；

步骤六、再将工件的待处理面转向面对电子束；

步骤七、然后向真空室内通入氩气，再在气压0.06Pa、加速电压控制在22kv条件下辐照50～100次，冷却20min后取出，在空气中冷却，即完成。

图1说明M50表面预辐照后较为平坦，只有少量的直径较小的熔坑，熔坑上有一些尺寸较小的颗粒状物质，其中这些熔坑主要与表面碳化物溶解析出有关；图2说明涂层的表面较为光滑、平整，只存在极少量的因电子束预辐照后留下的熔坑；图3说明合金化层表面较为平整，只存在极少的熔坑，并没有因辐照能量或沉积层厚度过小而产生裂纹和沟壑；图4a)说明合金化层表层形成了3～4μm的重熔层，重熔层的具有良好的耐腐蚀性能，与基体形成了明显的分层线。同时图4b)说明了合金化层分为三层结构，完全重熔层、重熔层和基体，其中完全重熔层为合金化层的表层，厚度在1μm左右，重熔层为合金化层的近表层，厚度在2-3μm左右。

由图5可知，采用实施例1制备Cr-Mo-Nb-W合金化涂层的摩擦系数可明显降低，Cr-Mo-Nb-W的加入可在高温摩擦过程中形成magnéli相的氧化物，一方面这些氧化物具有较低的摩擦系数，另一方面，这些氧化物可增加氧化膜与M50钢基体的附着力。