第一章 绪 论
1.1 引言
随着工业的快速发展，模具工业是工业生产中不可缺少的重要工艺装备。目前机械制造、电子工业、轻工业等工业部门的产品约有 60～80%的工件采用模具成形。塑料、橡胶、陶瓷、建材和玻璃制品，也大部分采用模具成形，很多产品的质量、尺寸精度、表面粗糙度，更新换代的速度和产品的成本，很大程度上取决于模具的质量，使用寿命和制造周期。美国和日本甚至把模具工业称之为“工业发展的基础”，“促进繁荣的动力”。世界各国的模具工业也为降低产品成本、提高产品质量和生产效率，改善材料利用率，节约能源，广泛的地采用各种新型的模具成形工艺代替传统的加工工艺，使模具产业得到了迅速发展，模具得到了更广泛的应用。对于我国的模具工业而言，有很多生产厂家生产的模具使用寿命还很低，如热作模具的使用寿命仅为工业发达国家模具的1/2～1/3，长期的技术和管理上的滞后，使得我国的模具产业在激烈的市场竞争下往往只能依靠价格取胜，降低了模具产业的效益，同时也造成了资源的严重浪费，估计每年不下亿元人民币。
到目前为止，我国很多大型、精密、复杂、长寿命的模具，仍然依靠从国外大量进口。据中国模具工业协会不完全统计 1996 年我国进口模具用外汇达 9.18亿美元，我国已成为世界上进口模具最多的国家。而且现代模具的形状、结构越来越复杂，这就对模具的制造和加工技术提出了更高的要求。以老工业区重庆为例，其模具工业有一定的基础，主要分布在国防三线企业，近年来也涌现了不少的民营和私营模具企业。重庆目前有 1000 多家模具企业，从业人员 3 万多人。我市模具产值每年有 70 亿元人民币，其中，冲压模具约 25 亿，锻压模具约 10 亿，塑料模具约 20 亿元，铸造模具约 10 亿。重庆市模具工业的现状与重庆市汽车、摩托车以及轻工零件业的发展极不适应。这种需求迫切地需要把我国的模具工业提升到一个更高的水平，有更高的要求，创造更大的经济效益和社会效益。在模具工业的整个发展过程中，模具寿命问题一直困扰着模具行业工作者。
现代模具的工作条件日益苛刻，高温、高压与腐蚀的工作环境，使得模具在服役过程中经常出现磨损，变形、开裂及腐蚀等失效现象，模具寿命降低，并且伴随着制造业的发展，对产品及零部件精度、性能及外观等要求的提高，相应对于模具的综合性能要求也越来越高。现在模具工业中采用的提高模具寿命的主要方法包括：(1)采用高质量的钢体材料；(2)改变模具热处理工艺；（3）采用表面渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学处理的方法提高模具表面性能。以上三种方式中以改变模具表面性能提高模具寿命的方法是最直接和有效的。但这种方法存在耗时、耗能、变形及自动化程度低等缺陷，而电子束表面改性技术作为当前引人注目的特种加工技术之一，这种技术的特点：工件变形小、效率高、能量利用率高、处理表面清洁以及重复性好等优点而在现代表面改性技术中得到迅速发展。
1.2 电子束加工技术
人们对于传统的机械加工方法和技术已经达到了非常熟悉和了解的程度。但是还是不能够满足更高要求的机械加工条件，这就促使人们特种加工技术展开了广泛而深入的研究。诸如激光加工技术、离子束加工技术和电子束加工技术等高精度、高效率、低能耗、低污染的新型加工方法越来越受到重视。如何更好地控制和利用这些极限加工行为，对于材料物理性能的改变、使用寿命的增长和机械性能的增强起到至关重要的作用。
1.2.1 电子束加工技术的发展
1948 年，德国物理学家 Steigerwald K.H 发明了世界第一台电子束加工设备（当时主要用于焊接研究）。1949 年，德国科学家首次利用电子束加工设备在 0.5mm 厚的不锈钢钢板上加工出了直径为 0.2mm 的小孔。进而开辟了电子束加工技术在材料加工中应用的新天地。1957 年法国原子能委员会所属的萨克莱核子研究中心成功研制出了世界上第一台用于加工、生产的电子束焊接机，当时只用于原子核燃料棒容器的焊接和活性金属的熔解，其优良的焊接质量引起其他科学家的广泛重视。随着研究的深入、经验的积累和技术的发展，到 20 世纪 60 年代初期，电子束加工技术已经成功地应用到打孔、铣切、焊接、镀膜、熔炼等工业部门中，同时也促进了其它尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高，因而对光刻工艺提出了更高的要求，20 世纪 70 年代扫描电子束曝光机的研制成功并进入市场，使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于 0.5 μm。到 20 世纪 80 年代，一些科研单位和组织开展了电子束对材料表面进行改性的试探性研究，主要是集中在半导体退火、离子注入金属后的热处理和辐照损伤等方面。
第二章 电子束作用下模具材料表面形貌及组织结构变化
2.1 引言
材料的表面形貌和组织的变化是材料表面的宏观机械性能最直接的影响因素。电子束表面改性，就是通过改变材料表面原有组织形态和应力分布来达到改善材料表面性能的作用。本课题的路线设计也是从材料表面改性后的微观形态开始分析，微观联系宏观，研究电子束表面改性对模具脱模性能的影响。
图 2.4 是经过脉冲电子束处理后的 40Cr 钢表面金相图片，图 2.4（a）为只经过 1 次电子束轰击后的样品表面，从图中可以观察到表面大面积的熔化再凝结现象，没有产生明显的熔坑形貌，且原始表面中存在的机械划痕仍然清晰的存在。这是高能量电子撞击样品表面时产生的热效应造成的。电子束轰击次数达到 10 时（图 2.4b），电子束处理时特有的熔坑形貌出现，熔坑的区域密度也较高，关于熔坑形成机理，目前主要的解释是以下四种：1）在电子束能量的作用下，材料次表层最先熔化，体积开始膨胀，导致材料表面类似于火山喷发而形成熔坑；2）由于材料中存在不规则结构、杂质或难熔的相而形成熔坑；3）晶界、位错和空位等结构缺陷影响；4）塑性变形达到极限。当电子束轰击次数达到 20 时（图 2.4c），电子束处理时特有的熔坑形貌开始发生变化，熔坑的区域密度降低，这是由于前一次轰击形成的熔坑被后来进行的轰击重新抛光、再熔合的结果，多次轰击后的表面可分为 T1、T2 三个不同的区域，T1 区为熔坑区，其面积约占表面积的 30%，T2 区为熔融光滑区，是电子束处理后最为理想的区域，其面积约占表面积的60%。表面产生的大量熔坑，尺寸不均，直径从几十 μm 到 200μm，且电子束束斑中心区域熔坑直径较大，区域密度低；束斑边缘位置熔坑直径小，但是区域密度更大，这是由于电子束在束斑范围内能量分布不均匀的影响。
第三章 电子束表面改性后材料粗糙................. 35-43
3.1 引言 .................35
3.2 实验材料、仪器与方法................. 35-36
3.3 结果与讨论 .................36-40
3.4 小结................. 40-43
第四章 电子束表面改性后材料截面................. 43-55
4.1 引言 .................43
4.2 实验材料、设备与方法 .................43-44
4.3 摩擦磨损理论................. 44-46
4.3.1 粘着磨损 .................44-45
4.3.2 磨料磨损 .................45-46
4.4 结果与讨论................. 46-52
4.5 小结................. 52-55
第五章 基于电子束表面合金化的温度................. 55-61
5.1 引言 .................55
5.2 热传导数学物理模型的建立................. 55-56
5.3 实体模型选择与建立................. 56-57
5.4 材料热物理性能 .................57-58
5.5 模拟结果与讨论................. 58-59
5.6 小结................. 59-61
结论
模具工业是整个机械工业快速发展的保障，模具是机械工业不可或缺的重要部件，它的性能和寿命直接影响了工业产品的整体性能和质量，因此对模具材料性能的研究和改善对于整个机械行业都具有深远的影响。本论文在系统分析了现有的模具使用过程中粘模问题的产生与防止措施，模具表面处理现有的方法与缺点，以及电子束表面改性的优点后，着重研究了电子束表面改性对模具脱模性能的改善；同时又优化了电子束表面合金化涂层种类、厚度以及电子束表面改性工艺参数。并对电子束表面合金化温度场进行数值模拟，为电子束表面合金化工艺在模具材料表面改性上的应用做基础性研究。在整个电子束表面改性模具脱模性能的研究过程中得到以下几点结论：
（1）电子束直接表面改性时，高能量沉积会在材料表面形成熔坑的特殊结构；在加速电压、靶距一定的情况下，熔坑的面密度是随轰击次数增加呈现先增大后减小的趋势，但是熔坑是电子束表面改性时的必然产物，无论轰击次数怎么变化这一特征结构不会消失；
（2）熔坑结构对材料表面粗糙度有一定的影响，当熔坑面密度较大时，所对应的表面粗糙度也较大，当熔坑的面密度小的时候，相应的粗糙度也小。这也使得在加速电压、靶距一定的情况下，电子束表面改性时粗糙度的变化趋势与熔坑面密度随轰击次数的变化趋势是一样的；
（3）电子束直接表面改性后材料的耐腐蚀性能在低次数轰击时是减弱的，增加轰击次数，耐腐蚀性能逐渐提高。腐蚀性能的提高主要是由于电子束轰击表面使原始表面晶粒更细小，组织更均匀，同时也生成了新的相和耐腐蚀的组织；
（4）电子束直接表面改性处理后，材料截面显微硬度明显升高。照射 20 次后，材料截面的应力影响范围可以达到 1500μm，最大硬度值达到 555HV，与原始截面硬度相比增幅达 50%左右；
（5）电子束表面改性处理后的摩擦系数随加速轰击次数的增大波浪型改变趋势，总体下降，摩擦系数小的，相对的磨损量小。摩擦系数与硬度和粗糙度有直接关系，当硬度值升高、粗糙度下降，摩擦系数也随之降低；
参考文献
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