一種使鋼的滲氮或快速加熱淬火硬化層厚度和硬度倍增的復合改性方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋼的改性方法。
【背景技術】
[0002]鋼鐵是機械制造、交通運輸及航空航天等各行業裝備制造的基石。通過化學熱處理(如滲氣、滲碳、氣碳共滲、碳氣共滲、多兀共滲等)，可以大幅度提尚鋼制件表面層的力學性能，如表面硬度及耐磨性能。然而，裝備的傳動件、轉動件等的疲勞損傷多發生在鋼的表面層，因此改性層的厚度及硬度對鋼制件的疲勞性能有很大影響。常規的滲氮處理，可在鋼制件表面獲得一定厚度的硬化層。提高制件的耐磨性能和疲勞壽命。對于滲氮鋼而言，要獲得厚度超過0.6mm的滲氮層，需要的滲氮時間數十乃至上百小時，滲氮層組織粗化，力學性能、尤其是滲氮層硬度顯著降低，且零件的變形超差。例如，38CrMoAl鋼520°C離子滲氮4h，表面硬度可達HV1100，滲氮層厚度小于0.2mm ;為了獲得0.6mm以上的滲氮層，滲氮時間需要50h以上，此時表面硬度降至HV700-800。因此，通過滲氮處理獲得高表面硬度和厚滲層，尚難實現。
[0003]鋼的快速表面淬火是指在固態下使鋼的表面層一定深度范圍內快速加熱至奧氏體化溫度以上，隨后快速冷卻獲得馬氏體使鋼表層硬化，而心部仍保持淬火前的組織狀態，從而獲得較厚的表面淬火層實現表層硬化，同時心部又有足夠的塑性、韌性。常見的表面淬火方法有感應加熱淬火、火焰加熱淬火、激光表面加熱淬火、電子束表面加熱淬火等。例如，對于滲氮鋼而言，通過表面激光快速加熱淬火后，淬硬層厚度可達0.6mm，由于表面淬火不改淬硬層中的合金化元素的含量，故相變硬化層硬度較低(HV500-700)。可見，與滲氮相比，表層快速加熱淬火可以短時獲得厚的硬化層，但是淬硬層硬度較低。因此，快速加熱淬火同樣不能實現表層高硬度和厚硬化層二者的兼顧。
【發明內容】
[0004]本發明要解決現有技術對鋼的表面處理無法制備同時具有高硬度和厚硬化層的問題，而提供一種使鋼的滲氮或快速加熱淬火硬化層厚度和硬度倍增的復合改性方法。
[0005]一種使鋼的滲氮或快速加熱淬火硬化層厚度和硬度倍增的復合改性方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0006]一、預處理:依次用240目和800目水砂紙將鋼表面打磨光亮，然后將打磨后的鋼依次置于乙醇和丙酮中超聲清洗，得到預處理后的鋼；
[0007]二、滲氮:對預處理后的鋼進行滲氮，然后在氮氣氣氛或氨氣氣氛下，將鋼隨爐冷卻至室溫，得到滲氮后的鋼；所述的滲氮溫度為400°C?620°C，所述的滲氮時間為2h?16h ；
[0008]三、激光淬火:在氬氣氣氛或氮氣氣氛下，將滲氮后的鋼進行黑化處理，然后對黑化處理后的鋼表面進行激光淬火，所述的激光功率為IkW?5kW，掃描速度為lOmm/s?30mm/s，即完成使鋼的滲氮或快速加熱淬火硬化層厚度和硬度倍增的復合改性方法。
[0009]本發明的有益效果是:1、本發明首先在鋼表面獲得滲氮層，氮原子由表及里擴散至一定深度，改變了合金鋼表層部分的化學成分。然后經過激光淬火處理，使鋼表層發生馬氏體相變。復合熱處理工藝改善了鋼表面的金相組織和力學性能，使改性層的厚度、硬度、耐磨性能及抗疲勞性能得到了顯著提高，延長其服役壽命，解決了單一滲氮理或單一激光淬火處理改性層的厚度薄或硬度低的難題，即改性層實現了硬度和厚度同步倍增；2、本發明縮短了處理時間，在得到相同厚度改性層時，處理時間大幅度縮短。
[0010]本發明用于一種使鋼的滲氮或快速加熱淬火硬化層厚度和硬度倍增的復合改性方法。
【附圖說明】
[0011]圖1為經過不同方法表面改性處理后的鋼顯微硬度曲線；1為實施例一制備的復合改性后的鋼；2為對比實驗一制備的滲氮后的鋼；3為對比實驗二制備的激光淬火后的鋼；
[0012]圖2為經過不同方法表面改性處理后的鋼的硬化層厚度；1為實施例一制備的復合改性后的鋼；2為對比實驗一制備的滲氮后的鋼；3為對比實驗二制備的激光淬火后的鋼；
[0013]圖3為經過不同方法表面改性處理后的鋼的摩擦系數曲線；1為實施例一制備的復合改性后的鋼；2為對比實驗一制備的滲氮后的鋼；
[0014]圖4為經過不同方法表面改性處理后的鋼的磨損率示意圖；1為實施例一制備的復合改性后的鋼；2為對比實驗一制備的滲氮后的鋼；
[0015]圖5為經過不同方法表面改性處理后的鋼顯微硬度曲線；1為實施例二制備的復合改性后的鋼；2為對比實驗三制備的滲氮后的鋼；3為對比實驗四制備的激光淬火后的鋼；
[0016]圖6為經過不同方法表面改性處理后的鋼的硬化層厚度；1為實施例二制備的復合改性后的鋼；2為對比實驗三制備的滲氮后的鋼；3為對比實驗四制備的激光淬火后的鋼。
【具體實施方式】
[0017]本發明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0018]【具體實施方式】一:本實施方式所述的一種使鋼的滲氮或快速加熱淬火硬化層厚度和硬度倍增的復合改性方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0019]—、預處理:依次用240目和800目水砂紙將鋼表面打磨光亮，然后將打磨后的鋼依次置于乙醇和丙酮中超聲清洗，得到預處理后的鋼；
[0020]二、滲氮:對預處理后的鋼進行滲氮，然后在氮氣氣氛或氨氣氣氛下，將鋼隨爐冷卻至室溫，得到滲氮后的鋼；所述的滲氮溫度為400°C?620°C，所述的滲氮時間為2h?16h ；
[0021]三、激光淬火:在氬氣氣氛或氮氣氣氛下，將滲氮后的鋼進行黑化處理，然后對黑化處理后的鋼表面進行激光淬火，所述的激光功率為IkW?5kW，掃描速度為lOmm/s?30mm/s，即完成使鋼的滲氮或快速加熱淬火硬化層厚度和硬度倍增的復合改性方法。
[0022]本實施方式滲氮時間為常規滲氮時間的1/5以下。
[0023]本實施方式鋼表面激光淬火前，應進行常規的黑化處理以增加激光吸收率；
[0024]本實施方式鋼表面激光淬火應進行常規的防氧化保護處理，如氮氣或氬氣保護。
[0025]本實施方式表面激光淬火，是快速加熱后鋼靠自身導熱輸出表面層熱量，實現淬火的過程，不采用任何冷卻介質。
[0026]本實施方式復合改性方法中滲氮所采用的溫度與單一滲氮工藝溫度一致(即低于600°C )，所采用的滲氮時間較單一滲氮工藝時間縮短50%以上。
[0027]本實施方式鋼滲氮結束后在氮氣或氨氣保護下，從滲氮溫度隨爐冷卻至室溫，避免冷卻過程中發生表面氧化。
[0028]本實施方式的有益效果是:1、本實施方式首先在鋼表面獲得滲氮層，氮原子由表及里擴散至一定深度，改變了合金鋼表層部分的化學成分。然后經過激光淬火處理，使鋼表層發生馬氏體相變。復合熱處理工藝改善了鋼表面的金相組織和力學性能，使改性層的厚度、硬度、耐磨性能及抗疲勞性能得到了顯著提高，延長其服役壽命，解決了單一滲氮理或單一激光淬火處理改性層的厚度薄或硬度低的難題，即改性層實現了硬度和厚度同步倍增；2、本實施方式縮短了處理時間，在得到相同厚度改性層時，處理時間大幅度縮短。
[0029]復合改性層厚度倍增機制在于N元素的引入使Fe-C 二元共析點的727°C降低到Fe-C-N三相點的565 °C，因此在激光淬火過程中，鋼表面能夠發生馬氏體相變強化的深度增加。而N原子的固溶強化及相變過程中的細晶作用使復合改性層的硬度大幅度提高。
[0030]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟二中所述的滲氮為離子滲氮、氣體滲氮或鹽浴滲氮。其它與【具體實施方式】一相同。
[0031]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:所述的離子滲氮具體是按以下步驟進行的:將預處理后的鋼置于脈沖等離子體多元共滲爐中，通入滲劑，將脈沖等離子體多元共滲爐升溫至400°C?620°C，然后在溫度為400°C?620°C、爐壓為150Pa?400Pa及滲劑等離子體轟擊氛圍下保持2h?8h，即完成離子滲氮；所述的滲劑為NjPH 2的混合氣體或含氮氣氛。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0032]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:步驟三中所述的激光功率為lkW，掃描速度為lOmm/s。其它與【具體實施方式】一至三相同。
[0033]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:步驟三中所述的激光功率為lkW，掃描速度為15mm/s。其它與【具體實施方式】一至四相同。
[0034]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:步驟一中所述的鋼為30CrMnSiA鋼或38CrMoAl鋼。其它與【具體實施方式】一至五相同。
[0035]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:步驟二中所述的滲氮溫度為500°C。其它與【具體實施方式】一至六相同。
[0036]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是:步驟二中所述的滲氮溫度為460°C。其它與【具體實施方式】一至七相同。
[0037]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是:步驟二中所述的滲氮溫度為540°C。其它與【具體實施方式】一至八相同。
[0038]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一至九之一不同的是:步驟二中所述的滲氮溫度為420°C。其它與【具體實施方式】一至九相同。
[0039]【具體實施方式】十一:本實施方式與【具體實施方式】一至十之一不同的是:步驟三中所述的掃描速度為20mm/s。其它與【具體實施方式】一至十相同。
[0040]【具體實施方式】十二:本實施方式與【具體實施方式】一至i^一之一不同的是:步驟三中所述的掃描速度為25mm/s。其它與【具體實施方式】一至^ 相同。
[0041]【具體實施方式】十三:本實施方式與【具體實施方式】一至十二之一不同的是:步驟三中所述的掃描速度為30mm/s。其它與【具體實施方式】一至十二相同。
[0042]采用以下實施例驗證本發明的有益效果:
[0043]實施例一:<