一種氮化鋼的表面載能束復(fù)合強(qiáng)化處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氮化鋼的表面載能束復(fù)合強(qiáng)化處理方法，是一種采用激光、等離子體氮化加離子鍍涂層等載能束技術(shù)對氮化鋼進(jìn)行表面復(fù)合強(qiáng)化處理的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于氮化處理的合金結(jié)構(gòu)鋼，簡稱滲氮鋼或氮化鋼。當(dāng)合金結(jié)構(gòu)鋼采用與氮親和力很強(qiáng)的鋁、鈦、鈮、釩、鉻、鉬和鎢等元素進(jìn)行合金化時(shí)，鋼的氮化處理效果增大，因此通常被用為滲氮鋼的一般是中碳鉻鉬鋁鋼，如38CrMoAl，及38Cr2WVAl、35CrMo、42CrMo和40CrV等。這些鋼經(jīng)過滲氮處理后表面硬度大幅度提高，既能滿足整體承載具有高強(qiáng)度、高沖擊韌性的要求，也能滿足表面高耐磨性的要求。
[0003]38CrMoAl是最成熟牌號的高級氮化鋼，經(jīng)傳統(tǒng)的氮化工藝處理后，表面具有800—1000HV的硬度，主要用于制造具有高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度的構(gòu)件，如鏜桿、磨床主軸、車床主軸、齒輪、高壓閥門、氣缸體、壓縮機(jī)活塞桿，汽輪機(jī)上的調(diào)速器、轉(zhuǎn)動(dòng)套，橡膠及塑料擠壓機(jī)上的各種耐磨件等，應(yīng)用十分廣泛。
[0004]近年來隨著在海洋環(huán)境工作的工程機(jī)械的發(fā)展，如各種鉆井平臺、重工機(jī)械、大型船舶、海岸基礎(chǔ)設(shè)施等，其關(guān)鍵部件的使用，比如各種緊固件、柱銷、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸及重載起重吊鉤等，服役工況往往帶有大載荷的沖擊性，大載荷的強(qiáng)磨損性，以及來自于海洋環(huán)境的長期表面腐蝕性，為了應(yīng)對心部整體載荷的強(qiáng)韌性要求，仍然可以選擇38CrMoAl鋼等氮化結(jié)構(gòu)鋼來制造這些構(gòu)件，但為了應(yīng)對表面的耐蝕性和在重載荷下的強(qiáng)耐磨性要求，目前仍然選擇傳統(tǒng)的單純的氮化工藝進(jìn)行表面處理，已經(jīng)不能滿足如此復(fù)雜的綜合性能要求。
[0005]除了氮化處理而外，激光表面處理是另一種現(xiàn)代先進(jìn)的載能束表面強(qiáng)化方法。經(jīng)過激光原位納米化處理后的結(jié)構(gòu)鋼表面組織形態(tài)發(fā)生很大改變，會在鋼表面得到納米尺度的晶粒細(xì)化組織，這本身就會大幅度提高結(jié)構(gòu)鋼表面的強(qiáng)度。此外，由于這種細(xì)晶組織存在大量晶界，可作為氮原子的深度擴(kuò)散的通道，因此如果在激光處理后再進(jìn)行氮化處理，此時(shí)的氮化深度可提高到0.8-1.2mm，硬度提高到1000-1200HV，會大大增強(qiáng)表面的抗疲勞性能。
[0006]另外，離子鍍硬質(zhì)涂層技術(shù)，如用電弧離子鍍技術(shù)在工具鋼、硬質(zhì)合金表面進(jìn)行氮化鈦、氮化鈦鋁、碳氮化鈦等陶瓷涂層的處理，是在機(jī)械加工行業(yè)中廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代表面工程技術(shù)之一，經(jīng)硬質(zhì)涂層處理的工具鋼表面硬度高達(dá)1600-2400HV，大大提高工具的使用壽命。但在38CrMoAl等結(jié)構(gòu)鋼表面直接涂鍍硬質(zhì)涂層，會由于基體太軟而出現(xiàn)“蛋殼效應(yīng)”，而造成在重載荷服役過程中由于次表面塌陷而使涂層崩裂。
[0007]將激光強(qiáng)化、等離子體氮化及離子鍍硬質(zhì)涂層等現(xiàn)代先進(jìn)載能束技術(shù)相結(jié)合，在經(jīng)激光表面淬火預(yù)處理后的結(jié)構(gòu)鋼表面進(jìn)一步進(jìn)行等離子體氮化處理，以增加氮化深度和提高表面強(qiáng)度，而后再進(jìn)行離子鍍硬質(zhì)涂層處理，可形成結(jié)構(gòu)鋼表面強(qiáng)度的梯度提高，會大大提高表面綜合性能，達(dá)到材料表面硬度、韌性、耐磨和耐蝕等性能的完美結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種氮化鋼的表面載能束復(fù)合強(qiáng)化處理方法，是一種采用激光、等離子體氮化加離子鍍涂層等載能束技術(shù)對氮化鋼進(jìn)行表面復(fù)合強(qiáng)化處理，以滿足氮化鋼構(gòu)件在海洋環(huán)境中能夠承受重載荷、強(qiáng)磨損、耐腐蝕等綜合條件下服役性能要求的方法。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0010]—種氮化鋼的表面載能束復(fù)合強(qiáng)化處理方法，先將氮化鋼構(gòu)件進(jìn)行表面激光強(qiáng)化處理，而后進(jìn)行等離子體氮化處理，最后進(jìn)行表面離子鍍硬質(zhì)涂層處理。
[0011 ]具體方法操作步驟如下:
[0012](1)進(jìn)行激光強(qiáng)化處理。將氮化鋼構(gòu)件夾持于5kW橫流C02激光器工作臺上。然后用丙酮溶液對構(gòu)件表面進(jìn)行清洗，并采用噴槍將氧化硅、紫膠和酒精調(diào)制的懸浮液噴涂在預(yù)加工表面，以增加構(gòu)件表面對激光的吸光率。待涂料完全干燥后，啟動(dòng)激光器和數(shù)控機(jī)床對工件加工原點(diǎn)進(jìn)行定位，而后在大氣環(huán)境下按照一定的激光掃描軌跡對其進(jìn)行強(qiáng)化處理。所采用的具體工藝參數(shù)為激光功率2.0-4.0kW，光斑直徑3-6_，線掃描速度6-22mm/s。
[0013](2)進(jìn)行滲氮處理。將樣品經(jīng)表面清理潔凈后放進(jìn)等離子體滲氮爐，關(guān)閉滲氮爐，開機(jī)械栗抽真空至l-10Pa，通入氨氣使腔室氣壓達(dá)到15-30Pa，加500-700V幅值X5-10kHz頻率X 20-50 %占空比的脈沖偏壓引發(fā)輝光放電，用輝光等離子體對工件進(jìn)行表面清洗8-20min，然后分段升溫升壓:升溫速率為30-40°C/min、升壓速率為2_4Pa/min，最終達(dá)到滲氮標(biāo)準(zhǔn)條件:氣壓為300-400Pa，脈沖偏壓為400-700V幅值X 20_40kHz頻率X 20-50%占空比，滲氮溫度為480-520°C，滲氮時(shí)間為6-8h。滲氮完成后，關(guān)偏壓、氨氣，在滲氮爐中將樣品真空冷卻至常溫，出爐。
[0014](3)進(jìn)行離子鍍硬質(zhì)涂層處理。最后將構(gòu)件經(jīng)過清洗干燥后放入電弧離子鍍設(shè)備的真空室中的卡具上，用真空系統(tǒng)抽真空到0.5-1.0 X 10—3Pa;再充入氬氣到0.8_4Pa，加脈沖偏壓為600-1000V幅值X 10-40kHz頻率X 60-80 %占空比，引發(fā)輝光等離子體進(jìn)行離子濺射清洗，時(shí)間為5-10min;啟動(dòng)陰極靶電弧引發(fā)弧光等離子體，調(diào)整弧電流為60-120A，通入反應(yīng)氣體氮?dú)釴2，氮?dú)夥謮簽?.8-2Pa，降低偏壓到200-400V幅值X 10_40kHz頻率X 20-40%占空比，時(shí)間為30-120min，在構(gòu)件表面沉積制備氮化物硬質(zhì)陶瓷涂層，到時(shí)后?；　⑼?、卸偏壓，充分爐冷后取出構(gòu)件。
[0015]所述的陰極靶電弧為金屬靶電弧，是鈦、鋯、鋁、釩、鈮、鉻靶等，也可以是幾種金屬的合金靶。
[0016]本發(fā)明的方法在氮化鋼構(gòu)件表面得到0.8-1.2mm厚，由里向外硬度從基體的450-650HV提高到800-1200HV，再提高到1800-2400HV的梯度分布，可以滿足氮化鋼構(gòu)件在海洋環(huán)境或者腐蝕性環(huán)境中需要承受沖擊性重載荷、強(qiáng)磨損、耐腐蝕等復(fù)雜條件下服役的綜合性能要求。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步說明。
[0018]實(shí)施例1:
[0019]將38CrMoAl鋼海岸挖掘機(jī)柱銷夾持在5kW橫流C02激光加工系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。然后用丙酮溶液對構(gòu)件表面進(jìn)行清洗，并采用噴槍將氧化硅、紫膠和酒精調(diào)制的懸浮液噴涂在預(yù)加工表面，以增加構(gòu)件表面對激光的吸光率。待涂料完全干燥后，啟動(dòng)激光器和數(shù)控機(jī)床對工件加工原點(diǎn)進(jìn)行定位，而后在大氣環(huán)境下對其表面進(jìn)行單螺旋搭接激光強(qiáng)化處理。所采用的具體工藝參數(shù)為激光功率4.0kW，光斑直徑5_，線掃描速度lOmm/s。
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