金屬材料納米化強化改性方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及金屬納米化QPQ技術，尤其涉及一種金屬材料納米化強化改性方法。
【背景技術】
[0002] 金屬納米化QPQ技術是在保留原有普通氮化技術的基礎上，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，節能環保無公害，工作環 境清潔，外觀美觀等特點。該技術做到了原材料無毒不污染環境，各項環保指標經環保部門 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] 現有的普通氮化技術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 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技術可以用于比普通氮 化技術更大負荷、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技術處理的零件可以承受磨削，因此金屬納米化QPQ技術更可以用于高精度 精密零件。
[0004] 現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量級的加深，金屬 材料組織極大細化由原來的分子結構改變為超細納米晶結構，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技術耐腐蝕時間達到1000H及以上。 [0005]現有的普通氮化產品的外觀質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技術處理產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。
[0006] 加深化合物層深度現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以上在金屬學領域是一個全新的課題，通常鋼鐵滲氮區域的溫度 是550°C~650°C，碳氮共滲區域的溫度在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空白區。納米化QPQ技術處理溫度僅需要200°C~300°C，真正意義實 現了短周期低溫處理，該納米化QPQ技術首次填補了國內該技術空白區。
[0007] 目前很多與國外有關的產品都要求極高的耐蝕性，普通氮化技術已經很難滿足要 求。例如現在很多涉外產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 無法達到的，采用納米化QPQ技術完全可以達到該指標。
[0008] 納米化QPQ技術具有更廣泛的應用前景，首先是原來有很多產品想采用氮化技 術，但因其滲層太薄而不能采用，現在納米化QPQ技術可以在這方面擴大應用規模；其次是 現有采用普通氮化技術的產品，如果采用納米化QPQ技術會大幅度提高產品的耐磨性、耐 蝕性和疲勞強度，延長產品的使用壽命，因此在提高產品質量方面有較大市場。35ym以上 的化合物層可以承受某些精密磨削，這樣納米化QPQ技術可以擴大在很多高精度產品的應 用方面會有非常廣泛、非常重要的用途。總之，納米化QPQ技術的潛在市場是十分巨大的。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的是提供了一種本發明的目的是提供全新的納米化復合環保深層改 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量納米化 深層，并能極大改善其性能，滿足金屬氮化的技術要求，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、農業機械、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、等行業中，能大幅度提高生產效率，提高產品質量，簡化工藝流程，縮短生產周期， 減少生產成本，增加社會效益。
[0010] 為了解決【背景技術】所存在的問題，本發明采用以下技術方案，納米化復合環保深 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 層產生較大的壓縮塑性變形；同時沖擊能量產生450-650MPA的壓應力；并使被沖擊部位得 以強化從而實現納米化，在表面形成納米-微米梯度結構。這種納米-微米梯度結構能顯 著地提高金屬材料的綜合服役性能和服役行為。金屬材料經過表面納米化加工后，表納米 晶之間形成體積分數為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 本領域常規的其他方式進行，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，直到液面不再有氣泡產生完全平靜為止；然后鹽浴溫度再升溫15~ 20°C......，如此循環，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] 優選的，
[0017] 步驟（3)氮化具體為：先將經過清洗、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，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，待坩堝下部的鹽開始熔化并下沉以后，繼續加入適量基鹽，使基鹽浴面始終保持 在穩定的高度，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；當氰酸根質量分數低于31%時，加入調整鹽1~2kg，以提高氰酸根質量分數到 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)基鹽用于填滿投產最