一種氮化鋼的表面載能束復合強化處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬材料表面改性技術領域，涉及一種氮化鋼的表面載能束復合強化處理方法，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對氮化鋼進行表面復合強化處理的方法。
【背景技術】
[0002]用于氮化處理的合金結構鋼，簡稱滲氮鋼或氮化鋼。當合金結構鋼采用與氮親和力很強的鋁、鈦、鈮、釩、鉻、鉬和鎢等元素進行合金化時，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，經傳統的氮化工藝處理后，表面具有800—1000HV的硬度，主要用于制造具有高耐磨性、高疲勞強度的構件，如鏜桿、磨床主軸、車床主軸、齒輪、高壓閥門、氣缸體、壓縮機活塞桿，汽輪機上的調速器、轉動套，橡膠及塑料擠壓機上的各種耐磨件等，應用十分廣泛。
[0004]近年來隨著在海洋環境工作的工程機械的發展，如各種鉆井平臺、重工機械、大型船舶、海岸基礎設施等，其關鍵部件的使用，比如各種緊固件、柱銷、傳動齒輪、傳動軸及重載起重吊鉤等，服役工況往往帶有大載荷的沖擊性，大載荷的強磨損性，以及來自于海洋環境的長期表面腐蝕性，為了應對心部整體載荷的強韌性要求，仍然可以選擇38CrMoAl鋼等氮化結構鋼來制造這些構件，但為了應對表面的耐蝕性和在重載荷下的強耐磨性要求，目前仍然選擇傳統的單純的氮化工藝進行表面處理，已經不能滿足如此復雜的綜合性能要求。
[0005]除了氮化處理而外，激光表面處理是另一種現代先進的載能束表面強化方法。經過激光原位納米化處理后的結構鋼表面組織形態發生很大改變，會在鋼表面得到納米尺度的晶粒細化組織，這本身就會大幅度提高結構鋼表面的強度。此外，由于這種細晶組織存在大量晶界，可作為氮原子的深度擴散的通道，因此如果在激光處理后再進行氮化處理，此時的氮化深度可提高到0.8-1.2mm，硬度提高到1000-1200HV，會大大增強表面的抗疲勞性能。
[0006]另外，離子鍍硬質涂層技術，如用電弧離子鍍技術在工具鋼、硬質合金表面進行氮化鈦、氮化鈦鋁、碳氮化鈦等陶瓷涂層的處理，是在機械加工行業中廣泛應用的現代表面工程技術之一，經硬質涂層處理的工具鋼表面硬度高達1600-2400HV，大大提高工具的使用壽命。但在38CrMoAl等結構鋼表面直接涂鍍硬質涂層，會由于基體太軟而出現“蛋殼效應”，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]將激光強化、等離子體氮化及離子鍍硬質涂層等現代先進載能束技術相結合，在經激光表面淬火預處理后的結構鋼表面進一步進行等離子體氮化處理，以增加氮化深度和提高表面強度，而后再進行離子鍍硬質涂層處理，可形成結構鋼表面強度的梯度提高，會大大提高表面綜合性能，達到材料表面硬度、韌性、耐磨和耐蝕等性能的完美結合。
【發明內容】
[0008]本發明提供了一種氮化鋼的表面載能束復合強化處理方法，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對氮化鋼進行表面復合強化處理，以滿足氮化鋼構件在海洋環境中能夠承受重載荷、強磨損、耐腐蝕等綜合條件下服役性能要求的方法。
[0009]本發明的技術解決方案是:
[0010]—種氮化鋼的表面載能束復合強化處理方法，先將氮化鋼構件進行表面激光強化處理，而后進行等離子體氮化處理，最后進行表面離子鍍硬質涂層處理。
[0011 ]具體方法操作步驟如下:
[0012](1)進行激光強化處理。將氮化鋼構件夾持于5kW橫流C02激光器工作臺上。然后用丙酮溶液對構件表面進行清洗，并采用噴槍將氧化硅、紫膠和酒精調制的懸浮液噴涂在預加工表面，以增加構件表面對激光的吸光率。待涂料完全干燥后，啟動激光器和數控機床對工件加工原點進行定位，而后在大氣環境下按照一定的激光掃描軌跡對其進行強化處理。所采用的具體工藝參數為激光功率2.0-4.0kW，光斑直徑3-6_，線掃描速度6-22mm/s。
[0013](2)進行滲氮處理。將樣品經表面清理潔凈后放進等離子體滲氮爐，關閉滲氮爐，開機械栗抽真空至l-10Pa，通入氨氣使腔室氣壓達到15-30Pa，加500-700V幅值X5-10kHz頻率X 20-50 %占空比的脈沖偏壓引發輝光放電，用輝光等離子體對工件進行表面清洗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，最終達到滲氮標準條件: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，滲氮時間為6-8h。滲氮完成后，關偏壓、氨氣，在滲氮爐中將樣品真空冷卻至常溫，出爐。
[0014](3)進行離子鍍硬質涂層處理。最后將構件經過清洗干燥后放入電弧離子鍍設備的真空室中的卡具上，用真空系統抽真空到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，引發輝光等離子體進行離子濺射清洗，時間為5-10min;啟動陰極靶電弧引發弧光等離子體，調整弧電流為60-120A，通入反應氣體氮氣N2，氮氣分壓為0.8-2Pa，降低偏壓到200-400V幅值X 10_40kHz頻率X 20-40%占空比，時間為30-120min，在構件表面沉積制備氮化物硬質陶瓷涂層，到時后停弧、停氣、卸偏壓，充分爐冷后取出構件。
[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]本發明的方法在氮化鋼構件表面得到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，可以滿足氮化鋼構件在海洋環境或者腐蝕性環境中需要承受沖擊性重載荷、強磨損、耐腐蝕等復雜條件下服役的綜合性能要求。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體實施例，對本發明的技術方案進一步說明。
[0018]實施例1:
[0019]將38CrMoAl鋼海岸挖掘機柱銷夾持在5kW橫流C02激光加工系統的旋轉機構上。然后用丙酮溶液對構件表面進行清洗，并采用噴槍將氧化硅、紫膠和酒精調制的懸浮液噴涂在預加工表面，以增加構件表面對激光的吸光率。待涂料完全干燥后，啟動激光器和數控機床對工件加工原點進行定位，而后在大氣環境下對其表面進行單螺旋搭接激光強化處理。所采用的具體工藝參數為激光功率4.0kW，光斑直徑5_，線掃描速度lOmm/s。
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