CN101089201A - 一种沉淀硬化不锈钢激光表面硬化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面硬化技术，具体为一种沉淀硬化不锈钢表面激光硬化工艺，适用于沉淀硬化不锈钢的表面硬化强化，具体方法为采用某一特定波长的激光，在一定的环境中对沉淀硬化不锈钢表面进行扫描辐照，使处理表面熔化，同时用低温保护气体覆盖激光作用区，提高冷却速度，然后在一定温度下进行热处理，可获得一定厚度的硬度明显高于基体的硬化层。该工艺方法的优点是：硬化工艺方法简单，表面层化学组成不改变，硬化层和基体材料的耐腐蚀性一样，基体材料的力学性能不变化。此工艺方法在核反应堆结构件上应用，工件的强度和韧性好，并且表面抗磨性能高。较传统的表面氮化硬化工艺无涂层剥落，无电偶腐蚀，有高得多的耐磨蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面硬化技术，具体为一种沉淀硬化不锈钢表面激光硬化工艺，适用于17-4PH沉淀硬化不锈钢的表面硬化强化，也适用于其它与17-4PH沉淀硬化不锈钢类似的在化学组成不变条件下的表面硬度提高。
背景技术
沉淀硬化不锈钢，与普通马氏体不锈钢相比，具有更高的强度与韧性、更好的可焊性、冷加工性和耐蚀性，为此广泛应用于制作在化学腐蚀环境下承受较大负载或冲击负载的关键零部件，然而由于此类钢的沉淀硬化硬度大小与钢的韧性高低相矛盾，因此，对于此类钢采用通常的固溶一时效沉淀硬化方法很难能获得强度与韧性好、硬度又高的零件。而采用目前诸如氮化、喷涂堆焊等涂层工艺来提高此钢表面硬度(即耐磨性)，又会导致此类钢的耐蚀性与韧性明显降低，还会引起涂层与基材之间电偶腐蚀。例如，核反应堆控制棒的驱动机构组件采用17-4PH钢不仅有满意的耐此种环境侵蚀的电化学性能，同时还可获得满意的抗冲击性能。然而驱动组件之间的相互接触碰撞摩擦损伤，需要零件表面硬度比基材更高一些，由此获得高的耐磨性能。
如何仅使17-4PH这类沉淀硬化不锈钢件表面硬度提高呢，通常是采用氮化、氮离子注入、喷涂和熔敷耐磨合金涂层，但是喷涂层易剥落，离子注入仅数微米，太薄，需真空条件；熔敷涂层包括采用激光束、电子束、离子束以及各种弧作用热源的堆焊涂层，都会在基材上形成一定的软化区。涂层与软化区的存在使工件的强度、韧性发生降低，同时，会使工件在含有硼离子的高温水中发生电偶腐蚀。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种针对沉淀硬化不锈钢表面硬化的激光加工方法。采用激光表面快速熔凝、自淬火技术，利用激光快速加热、熔池快速凝固的特点，能够在材料表面形成过饱和的固溶体并在随后的的辅助热处理过程中沉淀析出第二相，均匀弥散分布，从而提高材料的表面硬度。本发明解决了氮化处理时的形变、改变材料表面化学成分、硬化层易腐蚀剥落等问题，同时实现了激光表面硬化层的深度与硬度可控制。
本发明的主要技术方案是：先清洁沉淀硬化不锈钢的表面，并将其进行恒温处理，待达到设计的温度后，根据处理表面几何构形选择一种光斑的光束进行激光处理，使处理表面快速熔化，同时用低温保护气体覆盖激光作用区，提高激光作用区凝固速率，随后对熔凝区进行的热处理。
所述的恒温处理是将钢置入通常的恒温装置中0.5小时以上即可达到恒温，恒温处理的温度为25℃～-40℃中的某一温度。
激光处理的工艺参数如下：
激光连续辐照时，光功率≥500W，功率密度≥104W/cm2，扫描速度≥3m/min，搭接量30～70％，辐照光斑Φ0.5mm～Φ3.0mm；
激光脉冲辐照时，脉冲能量5J～70J，脉冲频率1Hz～1000Hz，脉宽0.2ms～20ms，搭接量30～70％，辐照光斑Φ0.5mm～Φ3.0mm；
实施时，应根据沉淀硬化钢的种类、工件大小对以上范围的参数进行优化搭配。
所述的保护气体是：氮气或氩气、氦气或二氧化碳，气体温度为25℃～-40℃，以提高激光作用区的冷却速度。
所述的热处理：温度为200℃～680℃，保温时间为30min～6小时，空冷。
所述的激光波长1.06μm或10.6μm.。
所述的沉淀硬化不锈钢尤其指17-4PH。
通过以上方法处理的17-4PH钢，可达到以下具体技术指标：表面硬化层平均硬度可达到HV350～HV650，硬化层深度≥0.15mm，工件表面可实现全表面硬化。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用某一特定波长的激光，在一定的环境中对沉淀硬化不锈钢表面进行扫描辐照，然后在一定温度下进行热处理，可获得一定厚度的硬度明显高于基体的硬化层。该硬化工艺方法简单，表面层化学组成不改变，硬化层和基体材料的耐腐蚀性一样，基体材料的力学性能不变化。此工艺方法在核反应堆结构件上应用，工件的强度和韧性好，并且表面抗磨性能高。与传统的表面氮化硬化工艺相比，本发明无涂层剥落，无电偶腐蚀，有高得多的耐磨蚀性能。
2、本发明解决了沉淀硬化不锈钢表面氮化处理时的形变等问题，硬度较氮化处理高20～30％，同时，表面硬化层冶金结合不剥落，耐环境腐蚀性能高。此外，硬化处理方便，通过数据编程，还可以实现工件的自动加工生产。
3、本发明根据处理表面几何构形选择一种光斑的光束进行激光处理，使处理表面快速熔凝，用低温保护气体覆盖激光作用区，控制激光作用区熔凝速率，不会在基材上形成软化区，因而不会降低工件的强度、韧性。
4、本发明通过辅助热处理沉淀析出第二相，均匀弥散分布，从而提高材料的表面硬度。
附图说明
图1为17-4PH钢激光连续辐照表面硬化处理后硬度分布。
图2为17-4PH钢激光脉冲辐照表面硬化处理后硬度分布。
具体实施方式
实施例1
本实施例对17-4PH钢进行激光硬化处理，先清洁沉淀硬化不锈钢的表面，并将其进行恒温处理，待达到设计的温度后，根据处理表面几何构形选择一种光斑的光束进行激光处理，使表面快速熔凝，同时用低温保护气体覆盖激光作用区，控制激光作用区熔凝速率，随后对熔凝区进行的热处理。
1、清洗处理区表面：用丙酮、酒精或松香水等去油污；
2、工件恒温处理：温度20℃，保温时间0.5小时；
3、激光处理：激光连续辐照，光功率500W，功率密度104W/cm2，扫描速度3m/min；光斑Φ1.5mm，搭接量50％，0℃氩气保护；
4、辅助热处理：温度360℃，保温时间1小时，空冷，沉淀析出均匀弥散分布ε-Cu相；
如图1所示，工件表面激光处理区的显微硬度可达到HV400，本实施例硬化层深度为0.2mm。
实施例2
本实施例对17-4PH钢进行激光硬化处理，与实施例1不同之处是：
1、工件恒温处理：温度0℃，保温时间8小时；
2、激光处理：激光脉冲辐照，脉冲能量30J，脉冲频率30Hz，脉宽1ms，搭接量40％，辐照光斑Φ2mm；4℃氩气保护；
3、辅助热处理：温度600℃，保温时间4小时，空冷，沉淀析出均匀弥散分布ε-Cu相；
如图2所示，工件表面激光处理区的显微硬度可达到HV470，本实施例硬化层深度为0.4mm。
Claims (5)
1、一种沉淀硬化不锈钢激光表面硬化工艺，其特征在于工艺步骤如下：清洁沉淀硬化不锈钢需处理区表面，并将其进行恒温冷处理，恒温处理的温度为25℃～-40℃；根据处理表面几何构形选择一种光斑的光束进行激光处理，使处理表面熔凝，同时用保护气体覆盖激光作用区，随后对熔凝区进行的热处理，热处理温度为200℃～680℃，保温时间为30min～6小时，空冷；表面激光处理区的显微硬度达到HV350～HV650。
2、根据权利要求1所述的沉淀硬化不锈钢激光表面硬化工艺，其特征在于所述的恒温处理是将钢置入恒温装置中0.5小时以上。
3、根据权利要求1所述的沉淀硬化不锈钢激光表面硬化工艺，其特征在于所述的激光处理的工艺参数如下：
激光连续辐照时，光功率≥500W，功率密度≥104W/cm2，扫描速度≥3m/min，搭接量30～70％，辐照光斑Φ0.5mm～Ф3.0mm；
激光脉冲辐照时，脉冲能量5J～70J，脉冲频率1Hz～1000Hz，脉宽0.2ms～20ms，搭接量30～70％，辐照光斑Φ0.5mm～Φ3.0mm。
4、根据权利要求3所述的沉淀硬化不锈钢激光表面硬化工艺，其特征在于：激光波长为1.06μm或10.6μm。
5、根据权利要求1所述的沉淀硬化不锈钢激光表面硬化工艺，其特征在于：激光处理是在低温气体保护下进行的，低温气体为CO2、N2或惰性气体，通过使用低温气体来提高冷却速度，低温气体的温度范围为25℃～-40℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081217 Termination date: 20110616 |