一种钢铁材料渗氮层的表面处理方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102560507A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102560507A(43)申请公布日2012.07.11(21)申请号201210047309.7(22)申请日2012.02.28(71)申请人东北大学地址110819辽宁省沈阳市和平区文化路3号巷11号(72)发明人佟伟平孙建张辉(74)专利代理机构沈阳东大专利代理有限公司21109代理人李在川(51)Int.Cl.C23F17/00(2006.01)权利要求书权利要求书1页1页说明书说明书55页页附图附图22页(54)发明名称一种钢铁材料渗氮层的表面处理方法(57)摘要本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种钢铁材料渗氮层的表面处理方法。本发明的技术方案是对渗氮钢进行渗氮处理，然后装入离子氮化炉中，启动真空泵，通入200-600Pa的氢气或氩气，启动500-700V的电压，利用高电压将气体电离并将试样加热至500-650℃,利用离子轰击钢材表面分解化合物层，最后对经过离子轰击的钢材样品进行表面纳米化处理，在钢材样品表面获得表层为纳米尺寸的纯扩散层组织，其硬度≥1240HV，渗氮脆性为1级。本发明首先利用离子轰击的方法来分解渗氮处理后的化合物层，以消除脆性，然后对钢材的表面进行表面纳米化处理提升样品的硬度和耐磨性，最终得到高强度高韧性的表层，本发明还具有操作简单，设备成熟，成本较低和生产效率较高等优点。CN102567ACN102560507A权利要求书1/1页1.一种钢铁材料渗氮层的表面处理方法，其特征在于按照以下步骤进行：（1）选取渗氮钢为原料，采用离子渗氮的方法对钢材进行氮化处理，氮化后的钢材表层组织为包含ε-Fe3-2N和γ′-Fe4N的化合物层和包含α-Fe的扩散层，表层硬度为1000-1200HV；（2）将经渗氮处理后的钢材经超声清洗后装入离子氮化炉中，启动真空泵，将离子渗氮炉抽真空至0.4-1Pa，然后打开气体流量计充入200-600Pa的氢气或氩气，启动500-700V的电压，利用高电压将气体电离并将试样加热至500-650℃,离子轰击钢材表面分解化合物层，保温4-12h,然后在3-5分钟内将气体流量降至零，撤掉电压，钢材样品自然冷却至室温；（3）将经过离子轰击的钢材样品经超声清洗后，装入表面纳米化试验机中，对钢材表面进行表面纳米化处理，将直径为3-8mm的Cr15钢球放置在样品室的底部，钢球距钢材样品表面28-40mm，设置振头的超声振动频率为20KHz,通过超声振动驱动钢球对钢材样品表面进行撞击，处理时间为2-4h，最后在钢材样品表面获得表层为纳米尺寸的纯扩散层组织，其硬度≥1240HV，渗氮脆性为1级。2.根据权利要求1所述的一种钢铁材料渗氮层的表面处理方法，其特征在于所述的渗氮钢包括20CrMo钢和38CrMoAl钢。2CN102560507A说明书1/5页一种钢铁材料渗氮层的表面处理方法技术领域[0001]本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种钢铁材料渗氮层的表面处理方法。背景技术[0002]在工业领域中，表面渗氮处理常常用来改善钢铁材料的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度等等。渗氮工艺在表面强化技术方面具有明显的优势，被广泛用于动力机器制造工业，如蒸汽轮机的轴套及各类阀、阀杆、柴油机中的曲轴、汽缸套、燃料配给泵零件、柱塞对和针形阀等。其工艺过程就是一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理方法，常见的渗氮方法有液体渗氮、气体渗氮和离子渗氮。在渗氮过程中，氮原子会沿材料晶界和其他缺陷向材料内部扩散，当表层氮原子浓度达到一定程度时，就会形成ε-Fe3-2N和γ′-Fe4N等氮化物，这些氮化物从单个晶核开始迅速形成一个封闭的氮化物层，俗称“化合物层”或“白亮层”。化合物层具有很高的硬度，良好的耐磨性和耐蚀性，然而它们却具有很大的脆性，因此由这些氮化物组成的白亮层在受力条件下容易破裂，破碎的硬物质会急剧损坏对偶材料双方，磨损微粒甚至会黏附在其它零件上造成二次伤害，而且破裂时的裂纹尖端很快会转换为疲劳裂纹源，降低工件的疲劳寿命。也就是说白亮层的存在，容易导致机械事故且严重影响工件在一些特殊工作环境下的使用寿命，在上世纪五十年代航空工业的渗氮重要零件（引进前苏联技术）中就有明确规定，渗氮零件表面不允许有白亮层存在。因此如何改善钢材的渗氮层韧性是人们较为关注的问题，早期的解决办法是用磨削的办法除掉白亮层，仅保留较韧的扩散层，但由于加工上的困难，工艺难以控制，导致废品率较高。在当时设备条件下，从渗氮工艺控制上也想过好些方法却都没有成功，后来人们专门研究了一种特种腐蚀剂除去白亮层，虽看到效果，但不理想，还有剧毒，只好放弃。[0003]目前工业上经常用控制渗氮过程中氮含量的方法去获得高韧性的渗氮层