表面纳米化高能离子注渗复合处理方法与流程

654 编辑：中冶有色技术网来源：吉林大学

2023-09-20 16:48:24

本发明涉及表面强化技术领域，具体为一种表面纳米化高能离子注渗复合处理方法。

背景技术：

模具是机械、电子、轻工、国防等行业生产的重要工艺装备，模具生产技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。模具的失效往往开始于模具表面，因此，模具表面性能的优劣直接影响到模具的使用及寿命。表面改性技术是提高材料表面性能的重要手段，广泛应用于要求耐磨、耐蚀等场合。

金属表面纳米化技术是运用外加载荷重复作用于材料表面，增加多晶体金属材料表面的自由能，使表面组织产生不同方向的强烈塑性变形而逐渐将材料表层的粗晶组织细化至纳米量级。纳米化后发现由于梯度纳米结构的存在复合层的硬度得到了进一步的提高，而使得材料的摩擦性能得到了明显的改善。该技术具有工艺简单、成本低、易于实现；纳米层结构致密，化学成分与基体相同；纳米层具有梯度结构，不易剥离等优点。目前比较成功的材料表面纳米化方法有：表面机械研磨处理(smat)、超声喷丸(ussp)、气动喷丸(ab-sp)、超音速喷丸处理(sfpb)、旋转辊压塑性变形法(crpd)和超声冲击技术(usrp)等。

高能离子注渗技术(heii)是将高能离子注入到材料表面,获得对性能提高有益的新合金相，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化。研究发现通过高能离子注渗(heii)后，某些金属材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性可得到明显改善。尽管表面改性的技术很多,但经高能离子注入表面改性后,可获得其它方法不能得到的新合金相,且与基体结合牢固,无明显界面和脱落现象,从而解决了许多涂层技术中存在的粘附问题和热膨胀系数不匹配问题，但注渗层的厚度和均匀性还存在一定的缺陷。

技术实现要素：

为了解决上述的问题，本发明提供一种能够基于超声表面滚压和高能离子注渗碳化钨的表面纳米化高能离子注渗复合处理方法。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案来实现：

一种表面纳米化高能离子注渗复合处理方法，该方法包括以下步骤：

(1)样品表面滚压之前的预处理

先利用线切割将铁板切成直径为10mm、厚度为12mm的圆柱；

将样品放在磨床上固定，进行打磨，先对样品一面进行样品平整度打磨，直至表面平整，然后再对另一面也进行表面平整度的打磨，最后在该表面进行细磨处理降低滚压面的粗糙度；

(2)样品表面的超声滚压处理

将步骤(1)处理完的样品固定在机床上，进行样品同轴度和平整度的调整；

先运转机床使得样品做旋转运动，然后开启滚压设备进行相应参数的设定，等待5分钟左右使得超声设备的振动频率达到正玄波形式，最后对滚压头施加压力，机床参数为电流2-10a，机床主轴转速为100r/min，机床进给速度为0.1mm/r，超声设备的振动频率在20-27khz，振幅6.5-7.5μm，滚压头施加压力为300n；

(3)碳化钨复合层制备

将经过步骤(2)处理后的工件钻孔，利用铁丝穿过空洞将工件悬挂于注渗炉内；

调节电压至600v使炉内温度保持在470℃适宜的温度，使得既可以达到很好的注渗效果，而且还可以不使得工件的晶粒粗大；

保温时间24h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的一种表面纳米化高能离子注渗复合处理方法，

(1)超声冲击处理可以细化晶粒，纳米化后发现由于梯度纳米结构的存在复合层的硬度得到了进一步的提高，而使得材料的摩擦性能得到了明显的改善。

(2)研究发现经过超声滚压预处理再进行高能离子碳化钨注渗后，获得的表面复合层具有更厚的硬度、较好的均匀性和硬度。

(3)将机械表面改性强化技术与化学表面改性强化技术复合应用于金属模具表面，显著提高模具表面的硬度和耐磨性，而心部则保持原有钢基体的强韧性，并且在表层与心部之间还存在一个性能渐变的梯度过渡区，可以有效避免性能突变时可能引起的材料破坏，从而大大延长模具的使用寿命。

附图说明

图1为超声表面滚压原理的简易示意图；

图2(a)为实施例1样品的表面sem图；

图2(b)为实施例2样品的表面sem图；

图3(a)为实施例1样品的截面sem图；

图3(b)为实施例2样品的截面sem图；

图4为实施例1样品和实施例2样品的截面硬度图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本试验中选取的材料为dievar热作模具钢，其微观组织结构为过共析钢莱氏体相。主要化学成份是cr、mo、v。

其合金成分和材料的基础力学性能分别如表1及表2所示。

表1材料的合金成分

表2dievar热作模具钢的力学性能

实施例1

步骤(1)、进行超声表面滚压处理前的准备工作，包括用砂轮打磨材料表面；

通过大量的试验不断地调整试验设备的工艺参数，如冲击头振幅、施加在板料表面的静载荷、板料的旋转速度及冲击头横向进给的速度等，对比试样的滚压效果，选择最优的工艺参数制备本课题所需要的试样。

步骤(2)、将试样和超声滚压头分别固定在机床上。

步骤(3)、预先打开超声滚压设备，进行工艺参数的设定，其工艺参数为：电流2a、频率20hz、振幅7μm、载荷300n。

步骤(4)、先运转机床使得样品做旋转运动，然后设定机床参数，其参数如下：主轴转速为100r/min、进给速度为0.1mm/r。

步骤(5)、将工件钻孔，利用铁丝穿过空洞将工件悬挂于注渗炉内，样品在注渗炉中进行高能离子注渗钨，然后进行渗碳热处理；真空容器内设置尺寸30mm×100mm×10mm的dievar热作模具钢试样和纯钨丝源极。利用桶型阴极异常辉光放电原理，使欲渗的物质变成高能离子，在金属基体表层形成注渗层；在大型密闭的离子渗碳炉中通入氩气使炉内设施及试样均处于氩气气氛中，通过桶型阴极异常辉光放电将炉内的氩气电离成离子，高速运动的氩离子冲击放置好的钨棒使其产生钨离子，受冲击产生的钨离子具有很高的动能，其对试样表面进行冲击，最终打入试样内部，接着再对试样进行渗碳处理，在试样内部原位生成碳化钨。

步骤(6)、调节电压至600v使炉内温度保持在470℃适宜的温度，使得既可以达到很好的注渗效果，而且还可以不使得工件的晶粒粗大。

步骤(7)、保温时间24h。在工艺参数不变的时候，增加保温时间可以提高注渗效果。

对试样进行超声表面滚压处理，超声冲击频率为20khz，超声冲击强度为10s/cm2，执行机构前端带有滚珠的工作头硬度不低于900hv。值得注意的是，在试验过程中要进行冷却液润滑，试验表明，油冷效果更好。

将执行机构和机械零部件安装在机床上，利用机床带动执行机构的进给以及其底部的压力弹簧提供的滚压力，执行机构前端带有滚珠的工作头将压力和高频冲击振动传递给机床带动旋转的机械零部件的表面，其中高频冲击振动是利用压电陶瓷的特殊性能将交流电转变成相同频率的机械振动，具有聚能作用的超声变幅杆通过把超声波能量聚集在一起，使能量集中，变幅杆将换能器带来的机械振动的位移放大，利用在常温状态下金属具有冷缩性的特点，使所处理的材料发生弹性变形和塑性变形。

实施例2

一种表面纳米化高能离子注渗复合处理方法，该方法包括以下步骤：

将工件钻孔，利用铁丝穿过空洞将工件悬挂于注渗炉内；

调节电压至600v使炉内温度保持在470℃适宜的温度，使得既可以达到很好的注渗效果，而且还可以不使得工件的晶粒粗大；

保温时间24h。

实施例1所采用的是超声表面滚压和高能离子注渗碳化钨复合的工艺制成样品；

实施例2所采用的是高能离子注渗碳化钨的单工艺制成样品。

效果评定：通过分析图1-4，实施例1的样品相比于实施例2的样品，其表面的颗粒组织更加的细小致密，并且碳化钨的注入深度提高了26.85％。

实施例1的表面硬度为945hv相比于未处理基体材料的硬度提高了4倍，相比于实施例2样品的表面硬度提高了31.13％。除此之外，相比于实施例2样品，在高温摩擦磨损实验条件下，实施例1的样品具有更低的平均摩擦系数和磨损体积。

虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

技术特征：

1.一种表面纳米化高能离子注渗复合处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)样品表面滚压之前的预处理

先利用线切割将铁板切成直径为10mm、厚度为12mm的圆柱；

将样品放在磨床上固定，进行打磨，先对样品一面进行样品平整度打磨，直至表面平整，然后再对另一面也进行表面平整度的打磨，最后在该表面进行细磨处理降低滚压面的粗糙度；

(2)样品表面的超声滚压处理

将步骤(1)处理完的样品固定在机床上，进行样品同轴度和平整度的调整；

先运转机床使得样品做旋转运动，然后开启滚压设备进行相应参数的设定，等待5分钟左右使得超声设备的振动频率达到正玄波形式，最后对滚压头施加压力，机床参数为电流2-10a，机床主轴转速为100r/min，机床进给速度为0.1mm/r，超声设备的振动频率在20-27khz，振幅6.5-7.5μm，滚压头施加压力为300n；

(3)碳化钨复合层制备

将经过步骤(2)处理后的工件钻孔，利用铁丝穿过空洞将工件悬挂于注渗炉内；

调节电压至600v使炉内温度保持在470℃适宜的温度，使得既可以达到很好的注渗效果，而且还可以不使得工件的晶粒粗大；

保温时间24h。

技术总结

本发明涉及表面强化技术领域，具体为一种表面纳米化高能离子注渗复合处理方法，该方法包括样品表面滚压之前的预处理，先利用线切割将铁板切成圆柱；将样品放在磨床上固定，进行打磨，先对样品一面进行样品平整度打磨，直至表面平整，然后再对另一面也进行表面平整度的打磨，最后在该表面进行细磨处理降低滚压面的粗糙度；将机械表面改性强化技术与化学表面改性强化技术复合应用于金属模具表面，显著提高模具表面的硬度和耐磨性，而心部则保持原有钢基体的强韧性，并且在表层与心部之间还存在一个性能渐变的梯度过渡区，可以有效避免性能突变时可能引起的材料破坏，从而大大延长模具的使用寿命。

技术研发人员：胡春华;韩建波;徐德生;赵小辉;桑娜

受保护的技术使用者：吉林大学

技术研发日：2019.11.20

技术公布日：2020.01.21

声明：

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我是此专利(论文)的发明人(作者)