一种水射流喷丸和等离子渗氮的复合处理表面改性方法

摘要

本发明公开了一种水射流喷丸和等离子渗氮的复合处理表面改性方法，该法针对需要进行等离子氮化表面强化的零件在等离子氮化之前先进行表面精确高压水射流喷丸强化，然后再进行等离子氮化的复合处理技术。本发明采用高压水射流喷丸和等离子渗氮复合处理方法来显著提高试样渗氮层的质量和厚度，并有效解决了单一采用等离子渗氮技术存在的部分氮化层不均匀，甚至氮化层缺失，氮化深度不够等问题。因此，本发明不仅提高了渗氮层质量，使渗氮层厚度增加超过100μm，同时使试样表面的硬度大幅度提高，获得获得硬度梯度分布合理以及渗层组织均匀的渗氮层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水射流喷丸和等离子渗氮的复合处理表面改性方法，属于金属表面改性技术领域。

背景技术

等离子渗氮技术是常见的齿轮钢表面改性方法，可显著提高材料的表面硬度，耐磨性以及疲劳性能，作为一种应用广泛的表面热处理技术，现已被大量应用于工业生产中。等离子渗氮技术主要是通过阴极溅射的方式产生活性氮原子，在试样表面富集，不断向基体内部扩散，最终形成由表层白亮层、次表层扩散层组成的渗氮层。然而，等离子渗氮的部分渗层存在不均匀，甚至渗氮层缺失，氮化深度不够等问题。

高压水射流喷丸作为近年来迅猛发展起来的一项表面改性新技术，其原理是将高压纯水喷射到材料表面，可以几乎不破坏材料表面完整性，也不受工件形状因素限制，材料表面在再结晶温度以下产生塑性变形，通过加工硬化、位错强化的方式对材料表面改性。但未见该技术和等离子渗氮结合的复合处理工艺。

发明内容

为了解决上述等离子渗氮的部分渗层存在不均匀，甚至渗氮层缺失，氮化深度不够等问题，本发明提供一种水射流喷丸和等离子渗氮的复合处理表面改性方法，以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案：一种水射流喷丸和等离子渗氮的复合处理表面改性方法，包括以下步骤：

(1)将试样进行调质处理后在无水乙醇中进行超声清洗和烘干；

(2)将试样固定在载物台上，将高压管中纯水压力提升到100～350MPa后垂直喷射到试样表面，对试样进行水射流喷丸预处理；

(3)将预处理后的试样置于离子氮化设备中，抽真空至15Pa以下后通入氨气，气压保持200Pa，将炉温升高到500～560℃，再进行等离子渗氮表面处理，保温时间为6～8h，处理完成后随炉冷却至室温。

上述方法中，所述的试样按含重量百分比计算是含有Cr0.5～1.5％、Mo0.1～0.5％、Al0.05～0.2、V0.05～0.15％元素的优质合金结构钢。

上述方法中，步骤(1)中所述的调质处理为：先升温到840℃保温15min，油冷至室温，再升温至580℃保温1h，空冷至室温。

进一步，步骤(1)中所述的清洗和烘干为将试样在无水乙醇中进行超声波清洗15min，然后烘干。

上述方法中，步骤(2)中所述水射流喷丸预处理所采用的喷嘴直径0.2～为0.4mm，距试样表面5～15mm，喷嘴移动速度200～500mm/min。

由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：本发明采用高压水射流喷丸和等离子渗氮复合处理方法的核心是在等离子氮化之前先进行精确高压水射流喷丸处理，使试样、工件表面产生很大的冷变形量，从而导致表层组织结构显著细化、并形成大量位错缠结和位错胞结构，界面显著增加。由于这种变形层是在确定的形变参量下完成，表层形变厚度均匀，由此导致氮化过程氮原子扩散速率加快、均匀性显著增加，并有效解决了单一采用等离子渗氮技术存在的部分氮化层不均匀，甚至氮化层缺失，氮化深度不够等问题。因此，本发明不仅提高了渗氮层质量，使渗氮层厚度增加超过100μm，同时使试样表面的硬度大幅度提高，获得获得硬度梯度分布合理以及渗层组织均匀的渗氮层。

附图说明

图1为中碳铬、钼钢采用等离子渗氮处理后的渗层显微组织图；

图2为中碳铬、钼钢采用本发明方法处理后的渗层显微组织图；

图3是中碳铬、钼钢采用等离子渗氮处理与采用本发明方法处理的硬度梯度变化对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例

1)将原始态的中碳铬、钼钢加工成尺寸10mm×10mm×10mm的试样；

2)将试样进行调制处理，先升温到840℃保温15min，油冷至室温，再升温至580℃保温1h，空冷至室温；

3)将试样分别用0#～7#金相砂纸进行打磨后机械抛光至镜面；

4)将试样浸泡在无水乙醇中进行超声波清洗15min、烘干后待用；

5)将试样固定在载物台上，进行高压水射流喷丸预处理，水压为100MPa，喷嘴直径为0.33mm，喷嘴距离试样表面10mm，垂直喷射，喷嘴移动速度500mm/min，水喷两次；

6)对原始试样和水喷丸预处理试样同时进行等离子渗氮处理。将两种试样置于等离子渗氮设备中，抽真空至小于15Pa通入氨气，氨气流量由流量控制器自动控制以保证炉压稳定在200Pa，控制炉温530℃，保温8h后随炉冷却至室温。

试验结果参见图1和图2，中碳铬、钼钢单纯采用等离子渗氮处理与采用水射流喷丸和等离子渗氮复合处理相比，后者白亮层厚度明显增加，渗层均匀性改善，脉状组织减少，渗层质量明显优于前者。由图3可知，复合处理的渗氮层硬度梯度分布更加合理，渗层厚度增加超过100μm。