金屬材料納米化強化改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬納米化QPQ技術(shù)，尤其涉及一種金屬材料納米化強化改性方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬納米化QPQ技術(shù)是在保留原有普通氮化技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加納米化工序的化 合物深度，使之由原來的10-25ym加深到1000ym以上。金屬納米化QPQ技術(shù)包括納米深 度在1000ym以上的多級梯度超細納米晶組織層，化合物層深度在100ym以上的滲氮工 序，或碳氮共滲及其隨后的鹽浴或氣體的氧化工序，不需要原有的拋光工序。用該工藝對金 屬進行處理不需要噴涂任何防護材料，并且工藝簡單，成本低廉，節(jié)能環(huán)保無公害，工作環(huán) 境清潔，外觀美觀等特點。該技術(shù)做到了原材料無毒不污染環(huán)境，各項環(huán)保指標經(jīng)環(huán)保部門 測定均達到國家標準，同時使金屬表面的耐磨性、抗腐蝕性及力學性能硬度強度都有更大 幅度的提高。
[0003] 現(xiàn)有的普通氮化技術(shù)在應用方面有很大的局限性，其原因就是化合物層深度太 淺，不能承受重負荷，不能承受高速負荷，不能承受較大的磨損。如果把化合物層深度成數(shù) 量級的提高，滲層的耐磨性也會得到相應的提高。金屬納米化QPQ技術(shù)可以用于比普通氮 化技術(shù)更大負荷、更高速度、磨損量更大的零件。普通氮化處理的零件不能承受磨削，但金 屬納米化QPQ技術(shù)處理的零件可以承受磨削，因此金屬納米化QPQ技術(shù)更可以用于高精度 精密零件。
[0004] 現(xiàn)有的普通氮化雖耐蝕性很好，但是如果把化合物層深度成數(shù)量級的加深，金屬 材料組織極大細化由原來的分子結(jié)構(gòu)改變?yōu)槌毤{米晶結(jié)構(gòu)，耐蝕性也會得到顯著的提 高，普通氮化耐蝕性時間一般48H-72H，納米化QPQ技術(shù)耐腐蝕時間達到1000H及以上。 [0005]現(xiàn)有的普通氮化產(chǎn)品的外觀質(zhì)量必須依靠拋光或噴拋丸等手段，但是仍然表面粗 糙度很大，一般在Ra50微米以上。納米化QPQ技術(shù)處理產(chǎn)品外觀效果可以達到鏡面級，表 面粗糙度極低，一般在RaO. 1微米以內(nèi)。
[0006] 加深化合物層深度現(xiàn)在主要是把氮化溫度由550°C~590°C提高到650°C以上。但 是氮化溫度提高到650°C以上在金屬學領(lǐng)域是一個全新的課題，通常鋼鐵滲氮區(qū)域的溫度 是550°C~650°C，碳氮共滲區(qū)域的溫度在730°C以上，很長時間以來600°C~730°C是鋼鐵 材料表面處理的技術(shù)空白區(qū)。納米化QPQ技術(shù)處理溫度僅需要200°C~300°C，真正意義實 現(xiàn)了短周期低溫處理，該納米化QPQ技術(shù)首次填補了國內(nèi)該技術(shù)空白區(qū)。
[0007] 目前很多與國外有關(guān)的產(chǎn)品都要求極高的耐蝕性，普通氮化技術(shù)已經(jīng)很難滿足要 求。例如現(xiàn)在很多涉外產(chǎn)品中性鹽霧試驗的耐蝕性要求達到300h以上，這是普通氮化技術(shù) 無法達到的，采用納米化QPQ技術(shù)完全可以達到該指標。
[0008] 納米化QPQ技術(shù)具有更廣泛的應用前景，首先是原來有很多產(chǎn)品想采用氮化技 術(shù)，但因其滲層太薄而不能采用，現(xiàn)在納米化QPQ技術(shù)可以在這方面擴大應用規(guī)模；其次是 現(xiàn)有采用普通氮化技術(shù)的產(chǎn)品，如果采用納米化QPQ技術(shù)會大幅度提高產(chǎn)品的耐磨性、耐 蝕性和疲勞強度，延長產(chǎn)品的使用壽命，因此在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面有較大市場。35ym以上 的化合物層可以承受某些精密磨削，這樣納米化QPQ技術(shù)可以擴大在很多高精度產(chǎn)品的應 用方面會有非常廣泛、非常重要的用途?？傊?，納米化QPQ技術(shù)的潛在市場是十分巨大的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供了一種本發(fā)明的目的是提供全新的納米化復合環(huán)保深層改 性方法，它具有深層改性效果，在工件表面形成具有足夠深度和一定硬度的高質(zhì)量納米化 深層，并能極大改善其性能，滿足金屬氮化的技術(shù)要求，進一步改善氮化工件的表面性能， 從而降低能耗，提高效率和效益，能夠提高金屬表面的硬度、強度、沖擊性能，耐磨性和耐腐 蝕性，延長產(chǎn)品的使用壽命各方面均有顯著的效果，廣泛應用到工程機械、農(nóng)業(yè)機械、食品 機械、塑料機械、石油機械、汽車、摩托車、紡織機械、輕化工機械、儀器儀表、船舶、機床、齒 輪、工具、模具、五金、輕工、石化管道、照相機、縫紉機、洗衣機、制鞋機、液壓件、鈑金件、雷 達、槍械、等行業(yè)中，能大幅度提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，簡化工藝流程，縮短生產(chǎn)周期， 減少生產(chǎn)成本，增加社會效益。
[0010] 為了解決【背景技術(shù)】所存在的問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，納米化復合環(huán)保深 層改性方法，包括如下步驟：（1)納米化；（2)氮化；（3)氧化；(4)浸油。
[0011] 具體的，
[0012] (1)納米化：利用鎢合金刀具（功率是280-480W)以每秒上萬次以上的頻率（一 般為10-20KHZ)沖擊工件表面，由于鎢合金刀具的高頻、高效和聚焦下的大能量，使工件表 層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形；同時沖擊能量產(chǎn)生450-650MPA的壓應力；并使被沖擊部位得 以強化從而實現(xiàn)納米化，在表面形成納米-微米梯度結(jié)構(gòu)。這種納米-微米梯度結(jié)構(gòu)能顯 著地提高金屬材料的綜合服役性能和服役行為。金屬材料經(jīng)過表面納米化加工后，表納米 晶之間形成體積分數(shù)為100%的界面為元素擴散提供了理想的通道，能顯著的加快擴散的 動力學過程，使的金屬材料表面的氮化處理更容易進行，處理效果顯著；納米化也可以采用 本領(lǐng)域常規(guī)的其他方式進行，比如ZL03111200. 5 (氣固雙相流沖擊金屬材料表面納米化裝 置及其應用）、ZL200510029205. 3 (超聲波高能表面機械加工的金屬表面納米化方法）等專 利中公開的納米化方法均適用于本發(fā)明；
[0013] (2)氮化：將工件放入坩鍋，加熱至450°C，加入氧化鹽2~5kg開始化鹽至氧化 鹽熔化；再將基鹽分次加入坩堝中，加熱基鹽全部熔化后鹽浴面上升到距離坩堝上部邊緣 120mm時停止加入基鹽，加入調(diào)整鹽1~2kg，在200~350°C條件下運行2. 5h;
[0014] (3)氧化：將清潔無銹的坩堝吊入氧化爐中，儀表定溫在220°C，將工件放入坩 鍋，熱電偶緊靠坩堝壁；然后將氧化鹽加入坩堝中，加到坩堝高度的1/3,然后通電熔化； 第一次加入的鹽全部熔化以后再逐漸加入氧化鹽，每次加入適宜數(shù)量，邊熔化，邊加入，直 到液面升高到距離坩堝上部邊緣200mm為止；鹽浴面達到要求的高度以后，250°C保溫， 使水分大量揮發(fā)，直到液面不再有氣泡產(chǎn)生完全平靜為止；然后鹽浴溫度再升溫15~ 20°C......，如此循環(huán)，直到溫度升到350°C;
[0015] (4)浸油：是工件干燥后，放入機械油中浸泡1~2min，然后將油滴干。
[0016] 優(yōu)選的，
[0017] 步驟（3)氮化具體為：先將經(jīng)過清洗、除銹的坩堝吊入氮化爐中，然后將工件放入 坩鍋，將控溫電偶緊靠坩堝壁插入坩堝內(nèi)，控溫儀表定在450°C，然后加入氧化鹽2~5kg 開始化鹽至氧化鹽熔化；再將基鹽加入坩堝中，加到坩堝深度的1/3 ;然后蓋上爐蓋，開動 通風系統(tǒng)，待坩堝下部的鹽開始熔化并下沉以后，繼續(xù)加入適量基鹽，使基鹽浴面始終保持 在穩(wěn)定的高度，直到最后全部熔化成液體，鹽浴面上升到距離坩堝上部邊緣120mm時，停止 加入基鹽；當氰酸根質(zhì)量分數(shù)低于31%時，加入調(diào)整鹽1~2kg，以提高氰酸根質(zhì)量分數(shù)到 35% ;在200°C~350°C條件下運行2. 5h。
[0018] 步驟（2)中所述基鹽選自氰酸鈉、氰酸鉀或二者的混合物，所述基鹽還可以進 一步包括Na2C03、K2C03、NaCl、K2S03、K2S、尿素、稀土氧化物中的一種或多種；進一步優(yōu)選 的，所述基鹽包括下述重量份的組分：氰酸鈉80-100份、Ce2C032-4份、Zr020 . 5-1. 5份、 Ce020 . 5-1. 5 份。
[0019] 步驟（2)中所述調(diào)整鹽由下述重量份的組分組成：Na2C0320-30份、K2C0320-30份、 NaCl20-30 份、KC1 20-30 份、NH4C1 10-20 份、Ce2C032-4 份、BeO2-4 份。
[0020] 步驟⑵的作用：1)在工件表面形成足夠深度的致密的化合物層和相應深度的擴 散層。大幅度提高金屬表面耐磨性、耐蝕性及耐疲勞性能；2)基鹽用于填滿投產(chǎn)最