CN101289735A - 奥氏体不锈钢精密硬化方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种奥氏体不锈钢精密硬化方法及设备，要解决的技术问题是提高其表面的显微硬度、降低表面粗糙度。本发明方法包括以下步骤：将工件在380～450℃的温度下进行离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理1～5h，辅助阴极距离工件表面的距离为0.5～10cm，工作电压为400～800V，光饰处理，本发明的设备，真空室内主阴极盘上设有多层水平盘式辅助阴极，工件放置在各个水平盘式辅助阴极上。本发明与现有技术相比，利用水平盘式辅助阴极放置工件，通过温度、真空度、电压的组合进行低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗工艺，再进行光饰处理，得到构件具有不变形、显微硬度＞HV0.05500，表面粗糙度Rd＜10nm的技术效果，生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面处理方法及设备，特别是一种奥氏体不锈钢工件表面精密硬化的处理方法及设备。
背景技术
奥氏体不锈钢，如SUS316和SUS304，是中高档手表外构件(包括表带、表壳和表扣)及3C产品(通讯产品Communication、电脑产品Computer和消费类电子产品Consumer)的外构件(包括手机外壳、MP3外壳和MP4外壳)采用的主要材料之一，该类材料的优点是耐腐蚀性好、韧性和强度高，缺点是硬度低，表面显微硬度为HV0.05150～250，很容易在使用过程中被划伤。实践表明：奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件表面硬度需要提高到HV0.05500以上，才能在实际使用中达到一定的抗划伤效果。常用的解决办法是用物理气相沉积PVD工艺在奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件表面镀制硬膜，如TiN、TiNC、CrN和CrC。由于用做基体的奥氏体不锈钢硬度比较低，在表面显微硬度测试过程中基体效应大，PVD工艺需要制备厚度达2μm以上的硬质厚镀层才能使表面显微硬度＞HV0.05500，而用PVD工艺制备硬质厚镀层存在着膜基结合力差、表面粗糙度易下降的缺点，绝大部分用PVD工艺在奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件表面镀制硬膜的企业，为了保证一定的膜基结合力和膜层表面粗糙度，镀制的硬膜很薄，大都在1μm以下，以装饰颜色为主，并不能起到很好的抗划伤作用。
渗氮、渗碳或碳氮共渗是钢铁表面硬化常用的方法，奥氏体不锈钢表面因为存在致密的钝化层，导致渗氮、渗碳或碳氮共渗方法不能直接被应用。中国专利申请号93105652.7、93106554.2和91109200.5中针对奥氏体不锈钢产品，以奥氏体不锈钢螺钉为主，公开了先进行氟化去表面钝化层，然后再进行气体渗氮加硬表面、最后酸浸去除高温氧化膜和部分硬化层的方法。中国专利申请号200380100962.4中提到，用含有卤素气体或卤化物气体的气氛对含Mo 3～20％的奥氏体不锈钢进行表面活化处理，然后进行气体碳氮共渗，可以获得硬度大于HV1350的硬化层。中国专利申请号200410043632.2中公开了用各类型的聚氯乙烯树脂(CH2CHCl)作为汽轮机、燃气机不锈钢类零件在进行气体渗氮前去除钝化层的材料。而中国专利申请号200710132921.3则通过在气体渗氮时加入NH4Cl来去除不锈钢表面的钝化层。中国专利申请号00801908.8中采用气体渗的方法对奥氏体不锈钢手表外构件表面进行硬化处理，工艺路线如下：250～600℃氟化处理去钝化层→400～500℃气体渗硬化→酸洗腐蚀去氧化皮→水漂洗去酸液→滚磨、抛光。利用上述这些方法得到的硬化层与基体之间的结合属冶金结合，牢固度高，但工艺处理时间长，专利申请号00801908.8中提到奥氏体不锈钢480℃气体渗碳约12小时才能得到15～30μm硬化层，工序复杂、对环境造成污染，使用NF3、BF4、CF4、HF、F2、Cl2、HCl和CO有害气体以及硝酸、盐酸、氢氟酸等强酸。
离子渗用于奥氏体不锈钢表面硬化比气体渗有更多优点：1、利用离子的轰击作用去除表面钝化层；2、在离子的轰击作用下，渗速加快；3、在真空环境下进行处理，表面氧化少。相对于气体渗而言，离子渗工序简单、效率更高、污染少。围内对奥氏体不锈钢离子渗研究的报道较少，青岛科技大学等离子体表面技术研究所与英国伯明翰大学材料系合作对奥氏体不锈钢低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗即软氮化工艺进行了研究，江苏工业学院材料科学与工程系对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti在较高温度下的离子渗氮进行了研究，大连海事大学材料工艺研究所利用低压等离子体弧离子源对奥氏体不锈钢进行了低温渗氮研究。上述的方法没有解决平整高光奥氏体不锈钢表面离子渗后的外观保持问题，也没有解决特殊形状的奥氏体不锈钢工件所适用的工艺方法问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种奥氏体不锈钢精密硬化方法及设备，要解决的技术问题是提高奥氏体不锈钢表面的显微硬度、降低表面粗糙度，并适用于特殊形状的奥氏体不锈钢工件表面。
本发明采用以下技术方案：一种奥氏体不锈钢精密硬化方法，包括以下步骤：一、将工件放进炉内，在380～450℃的温度下进行离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理1～5h，本底真空为10Pa以下，工作真空为100～500Pa，辅助阴极距离工件表面的距离为0.5～10cm，工作电压为400～800V，获得硬化层深度5～90μm；二、进行光饰处理，达到表面粗糙度Ra＜10nm。
本发明的方法离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理时，充入氨气、氢气、氮气、甲烷或/和乙炔气体。
本发明的方法光饰处理包括滚光、手工抛光或滚光与手工抛光组合。
本发明的方法滚光处理为将工件放进工件与磨料质量比不大于1∶15的滚光机滚桶中进行滚光，滚筒转速10～60r/min，滚光时间6～48h，磨料为3.2×3.2mm～1.1×1.1mm的核桃屑。
本发明的方法滚光处理先选用较大尺寸的磨料粗滚，再选用较小尺寸的磨料精滚。
本发明的方法手工抛光处理时，人工将工件按压在抛光机的抛光轮上，抛光轮转速为800～3000r/min，抛光轮材料采用麻轮、布轮和羊毛轮，抛光处理前在抛光轮上涂抛光蜡。
一种奥氏体不锈钢精密硬化设备，其真空室内设有主阴极盘，真空室连接有电源系统、抽气系统、供气系统，所述主阴极盘上设有多层水平盘式辅助阴极，工件放置在各个水平盘式辅助阴极上，各个水平盘式辅助阴极下表面距工件上表面的距离为0.5～10cm。
本发明的水平盘式辅助阴极与工件之间设有工件支撑结构。
本发明的盘式辅助阴极下表面与工件上表面随形。
本发明与现有技术相比，利用水平盘式辅助阴极放置工件，通过温度、真空度、电压的组合进行低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗工艺，获得硬化层后进行光饰处理，得到奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件具有不变形、显微硬度＞HV0.05500，表面粗糙度Ra＜10nm的技术效果，工艺简单，生产效率高。
附图说明
图1是低温离子渗氮或离子碳氮共渗后奥氏体不锈钢表面的断面示意图。
图2是本发明的方法处理后奥氏体不锈钢表面的断面示意图。
图3是本发明设备的多层水平盘式辅助阴极的结构示意图。
图4是本发明设备带支撑结构的多层水平盘式辅助阴极的结构示意图。
图5是本发明设备带支撑结构的多层水平盘式随形辅助阴极的结构示意图。
图6是本发明设备的硬化处理设备结构示意图
图7是本发明实施例1的硬化处理后表面形貌图。
图8是本发明实施例1的硬化层横断面金相图。
图9是本发明实施例2的硬化层横断面金相图。
图10是本发明实施例3的硬化层横断面金相图。
图11是本发明实施例3的硬化层GDS成分分析图。
图12是本发明实施例3的硬化层XRD相分析图。
图13是本发明实施例4的硬化层横断面金相图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的奥氏体不锈钢精密硬化方法，包括以下步骤：一、在380～450℃的温度下进行离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理1～5h，离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理本底真空为10Pa以下，工作真空为100～500Pa，辅助阴极距离工件表面的距离为0.5～10cm，工作电压为400～800V，获得的硬化层深度为5～90μm；二、硬化处理完成后进行光饰处理，包括：滚光、手工抛光或二者有机组合，达到表面粗糙度Ra＜10nm的镜面效果，以达到抗划伤和外观装饰两种应用要求。
如图6所示，本发明的奥氏体不锈钢精密硬化设备，上部为真空室61，其放置在机座62上，真空室61靠近底部的部分为主阴极盘63，二者通过支撑和绝缘机构相连，多层水平盘式辅助阴极64放置在主阴极盘63上，真空室61连接抽气系统65、电源系统66、测温和控温系统67，真空测量系统69从真空室61的底部引入，供气系统68从真空室61的顶部引入。
本发明的奥氏体不锈钢精密硬化设备，在离子渗氮设备中设置多层水平盘式辅助阴极结构，用来摆放奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件工件，工件平放在盘子上，或支撑结构件放在盘子上，工件平放在支撑结构件上，辅助阴极距工件表面的距离为0.5～10cm。
奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件主要包括：表带、表壳、表扣、表底盖、手机外壳、MP3外壳和MP4外壳，多为平板形、近似平板形、近似平板的圆环形和近似平板的方框形，厚度较薄，大都在0.3毫米到数毫米范围。根据这些特点，为了防止奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件在硬化处理过程中因受热而变形并提高装炉量，设备采用多层水平盘式辅助阴极结构，工件平放在盘子上，或将专用支撑结构放在盘子上，工件平放在支撑结构上。每个水平盘的上表面用来摆放工件，下表面用来做为下层产品的辅助阴极。支撑结构的作用：对受热易变形的薄壁件进行加固，防止变形发生；将形状稍复杂的工件支撑起来，便于水平放置；对于部分底面也要求硬化的工件，支撑起来可以保证要求硬化的部分底面外露，以保证离子可以轰击到。做为辅助阴极的水平盘下表面是平板形的或与工件随形，目的是让水平盘下表面的阴极位降区下方的负辉区和工件上表面的阴极位降区上方的负辉区相互重叠，阴极发射的电子在水平盘下表面和工件上表面这两个电极问来回振荡，增加了电子和气体分子间碰撞的几率，引起更多的激发和电离过程，导致电流密度增大，加强了离子对工件不同部位的轰击，一方面可以获得更均匀的硬化效果，另一方面渗速加快，进一步提高生产效率。辅助阴极距工件的距离太远时，起不到上述作用；辅助阴极距工件的距离太近时，空心阴极放电现象严重，工件表面会出现打火、烧蚀以及不可控的超温问题。经反复实验，随着气压不同，选择范围在0.5～10cm。
本发明在380～450℃的较低温度下对奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件进行离子渗氮或离子碳氮共渗。奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件在实际使用中经常会与人体汗液和水接触，故其对耐腐蚀性要求较高。经常采用的奥氏体不锈钢SUS304和SUS316等材料能满足使用过程中的耐腐蚀要求，但经硬化处理后耐腐蚀性会发生变化。超过450℃对奥氏体不锈钢进行离子渗氮或离子碳氮共渗，耐腐蚀性下降，原因分析如下：奥氏体不锈钢基体相中固溶的Cr在自然条件下可以在表面与氧化合形成致密的钝化层，保持奥氏体不锈钢具有抗腐蚀的原始性能，在450℃以上的高温下进行离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理时，奥氏体相中的Cr易析出与氮化合形成化合物CrN，耐腐蚀的奥氏体相被破坏，形成表面饨化层所需的原奥氏体相中的活性Cr减少，导致表面钝化层不能形成或品质下降，耐腐蚀性随之变差；此外，耐腐蚀的奥氏体相中析出Cr之后也变得不耐腐蚀。奥氏体不锈钢离子渗氮或离子碳氮共渗在380℃以下很难进行，不能得到有效的硬化层。本发明的方法在380～450℃的温度奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件进行低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗，可以得到无CrN析出的单一扩大奥氏体相，与原基体奥氏体相相比，扩大奥氏体相中固溶了N或C，处理时间1～5h，采用德国Leica公司DMLM型金相显微镜观察断口，渗层深度5～90μm，采用上海泰明光学仪器有限公司生产的HX-1000型显微硬度计测得表面显微硬度＞HV0.0505500，最高可达HV0.051500，采用荷兰Panalytical公司生产的X’PertPro型X射线衍射仪测得无CrN相析出，在表面硬度提高到抗划伤要求的前提下，耐腐蚀性不下降。
奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件进行低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗处理后，表面粗糙度增大，这主要是因为形成的晶相扩大奥氏体相中固溶N或C，晶格变形导致晶粒和晶界在外表面产生阶差，此外离子的轰击刻蚀作用也会在一定程度上造成表面粗糙度增大。奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件对外观装饰要求比较高，常用的表面处理效果主要有：镜面、拉丝面、喷砂面、激光雕刻图案和酸刻图案。经低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗处理后镜面的外观效果改变较大。
为了在获得抗划伤效果的同时仍能达到外观装饰的使用效果要求，本发明的方法在硬化处理完成后进行光饰处理，光饰处理工艺包括：滚光、手工抛光，二者可以单独使用，也可以组合使用。滚光处理时，将工件放进工件与磨料质量比不大于1∶15、直径×长度为0.6×1.2米的木制滚光机滚桶中进行滚光，滚筒转速10～60r/min，滚光时间6～48h，磨料通常选用3.2×3.2mm～1.1×1.1mm的核桃屑。磨料尺寸大时，工件表面在单位时间内的去除量大，效率高，但一些狭缝和小孔得不到抛光效果，而且抛光处理后的表面粗糙度较大。磨料尺寸小时，工件表面在单位时间内的去除量小，效率低，但一些狭缝和小孔可以得到抛光，而且处理后的表面粗糙度小。为了发挥大磨料和小磨料各自特点，可以先选用较大尺寸的磨料粗滚，再选用较小尺寸的磨料精滚。手工抛光处理时，通过人工将工件按压在装有YD100L2-4/2型电机的抛光机的抛光轮上，抛光轮垂直旋转，抛光轮转速800～3000r/min。操作者顺着抛光轮旋转的切线方向进行抛光，抛光轮材料依抛光的精细程度可分别采用麻轮、布轮和羊毛轮，抛光处理前还要依抛光的精细程度在抛光轮上涂含不同材质和不同粒径磨料的抛光蜡，如黄蜡、白蜡和绿腊。
如图1所示，奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件在380～450℃进行低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗处理时，表面层一定深度内N或C原子以固溶方式存在于基体奥氏体相中，形成单一扩大奥氏体相，即基体1上面的硬化内层2和硬化外表面层3，处理时间1～5h，硬化内层2和硬化外表面层3的合计深度5～90μm，表面显微硬度＞HV0.05500，最高可达HV0.051500，能满足实际使用中的抗划伤要求，这是精密硬化的重要步骤之一。
离子渗氮或低温离子碳氮共渗处理奥氏体相中固溶了N或C而引起晶格膨胀变形，导致晶粒和晶界在硬化外表面层3上产生阶差，此外离子的轰击刻蚀作用也会在一定程度上造成硬化外表面层3的粗糙度增大。实验发现，表面粗糙度Ra＜10nm的镜面奥氏体不锈钢在380～450℃进行低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗处理时，随着硬化处理时间和处理深度的增加，用美国Thermo Veeco公司的Dektak 6M型轮廓仪测得表面粗糙度增加至Ra＝50～800nm。
奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件对外观装饰要求比较高，经低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗处理后的硬化外表面层3的粗糙度往往不能满足使用要求。为了在获得抗划伤效果的同时仍能达到外观装饰使用要求，本发明的方法在硬化处理完成后进行后序光饰处理，包括滚光和手工抛光，这也是精密硬化的重要步骤。如图2所示，光饰处理的目的是将粗糙的硬化外表面层3去除，保留基体1上面的硬化内层2。实际操作过程中，为了保证较小的粗糙度，硬化内层2与硬化外表面层3相结合的一部分也会被去除掉。实验结果显示，对于硬化后表面粗糙度Ra＝50～800nm的工件，经滚光或手工抛光或二者组合光饰处理后，表面粗糙度可重新恢复到Ra＜10nm，达到镜面效果。
奥氏体不锈钢手表及3C产品外构件进行低温离子渗氮或低温离子碳氮共渗处理时，特别是在批量生产时，面临着如下需要解决的问题：(1)改善等离子体分布的不均匀性，从而改善温度分布的不均性，以达到均匀硬化的效果；(2)加快渗速以提高生产效率；(3)减小薄壁件在硬化处理过程中的变形；(4)扩大装炉量以提高生产效率。本发明的设备采用多层水平盘式辅助阴极结构，较好地解决了上述问题。如图3所示，多层水平盘式辅助阴极包括：多个水平盘31、支撑水平盘31的支撑螺杆32和固定螺母33。水平盘31上表面用来摆放工件34。每个水平盘31的下表面用来做为下层工件34的辅助阴极，固定螺母33把水平盘31固定在支撑螺杆32的不同高度上，支撑螺杆32的数量为3根或3根以上，通过调整固定螺母33在螺杆32上的位置可以调整上下两个水平盘31之间的间距，即达到调整辅助阴极距工件34上表面距离的目的。硬化处理时，辅助阴极下方的负辉区和工件上表面的负辉区相互重叠而发生空心阴极效应，离子对工件不同部位的轰击增加，工件表面等离子体分布的均匀性得到改善，一方面可以获得更均匀的硬化效果，另一方面渗速加快。辅助阴极距工件的距离太远时，起不到上述作用；辅助阴极距工件的距离太近时，空心阴极放电现象严重，工件表面会出现打火、烧蚀，还会出现不可控的超温等问题。经实验研究发现，随着气压的不同，合适的范围为0.5～10cm。工件34可以直接摆放在水平盘31上，对于底部比较平整、又不要求提高底部硬度的工件可以采用这种摆放方式，如表带等。如图4所示，工件支撑结构35摆放在水平盘31上，工件34摆放在工件支撑结构35上。对受热易变形的薄壁件可以利用特制的工件支撑结构35进行加固，防止硬化处理时发生变形，如手机外壳、MP3外壳、MP4外壳等；对于形状复杂的工件可以用特制的工件支撑结构35支撑起来，这便于摆放在在水平盘31上，如表壳等；对于部分底面也要求硬化的工件，支撑起来还可以保证要求硬化的部分底面外露，以保证离子可以轰击到。做为辅助阴极的水平盘的下表面可以是平板形的，如图3和图4中的水平盘31所示。水平盘也可以与工件随形，如图5所示，随形水平盘36下表面的随形结构是依照工件34上表面的形状制做的，可以更好地保证辅助阴极距工件上表面不同部位的距离相同，从而获得更好的均匀硬化效果。
实施例1，将已抛光成镜面的奥氏体不锈钢SUS316表带清洗干净，装入如图6所示的离子渗设备中，表带直接平放在多层水平盘式辅助阴极64的水平盘上，表带上表面距上层水平盘底面距离10cm。抽气系统65对真空室61抽真空至真空测量系统69显示10Pa以下时，开启电源系统66对表带进行离子轰击升温，在此过程中，通过进气系统68逐渐通入氨气并调节电参数，工作电压为650～800V，当测温和控温系统67显示工件温度升到380℃时，将炉内气压控制在350Pa保温1小时，之后，通过调整电参数和气压减小对表带的离子轰击以达到降温效果，待表带温度降到200℃以下后出炉。硬化处理后采用日本JEOL公司JSM-6460LV型扫描电子显微镜得到表面形貌如图7所示，可以看到，表面晶界处阶差明显，为了恢复到原有的镜面效果，需要进行后序光饰处理。
光饰处理步骤如下：先将该经过低温离子渗氮的表带放入装有粒径为3.2mm×3.2mm的核桃屑的滚光机滚筒中，转速45r/min，滚光处理18h。取出清洗后再放入装有粒径为1.1mm×1.1mm的核桃屑的滚光机滚筒中，转速60r/min，滚光处理6h。最后将该表带按压在布轮上利用绿蜡进行手工抛光处理。
通过上述低温离子渗氮和光饰的精密硬化处理后，SUS316表带的硬化层深度约为8μm，硬化层横断面金相图如图8所示，上部深色为塑料背景101，有5条标线的部分为硬化层100，表面显微硬度由处理前的HV0.05180提高到HV0.05800～950，表面粗糙度Ra＝4～9nm，中性盐雾试验24h后的保护评级RP为10级。可以看到，SUS316表带经精密硬化处理后在不降低耐腐蚀性和粗糙度的前提下，硬度大幅度提高。
实施例2，对镜面奥氏体不锈钢SUS316表壳进行精密硬化处理，硬化处理时采用如图5所示多层水平盘式辅助阴极结构，水平盘底面与表壳上表面随形，用圆柱形支撑结构支撑表壳内圆，然后摆放在在水平盘上。表带上表面距上层水平盘随形底面的距离1.5cm。和实施例1相同，所用硬化处理设备为如图6所示的离子渗设备，抽气系统65对真空室61抽真空至真空测量系统69显示10Pa以下时，开启电源系统66对表壳进行离子轰击升温，在此过程中，通过进气系统68逐渐通入氨气并调节电参数，工作电压为400～680V，当测温和控温系统67显示工件升到440℃时，将炉内气压控制在100Pa保温4小时，之后通过调整电参数和气压减小对表壳的离子轰击以达到降温效果，表壳降温到200℃以下后出炉进行光饰处理。
光饰处理步骤如下：先将该经过低温离子渗氮的表壳放入装有粒径为3.2×3.2mm的核桃屑的滚光机滚筒中，转速10r/min，滚光处理48h。接着将该表带按压在布轮上依次利用白蜡和绿腊进行手工抛光处理。
SUS316表壳通过上述精密硬化处理后，获得约29μm深的硬化层，硬化层横断面金相图如图9所示，上部深色为塑料背景101，有3条标线的部分为硬化层100，表面显微硬度提高到HV0.051300～1500，表面粗糙度Ra≤10nm。
实施例3，对材质为SUS304的镜面MP4外壳进行精密硬化处理，硬化处理采用低温离子碳氮共渗工艺。硬化处理时采用如图4所示多层水平盘式辅助阴极结构，用特制的随形支撑结构支撑MP4外壳内侧，然后摆放在在水平盘上，MP4外壳上表面距上层水平盘下表面的距离为5cm。与实施例1、实施例2相同，所用硬化处理设备为如图6所示的离子渗设备，抽气系统65对真空室61抽真空至真空测量系统69显示10Pa时，开启电源系统66对MP4外壳进行离子轰击升温，在此过程中，通过进气系统68逐渐通入氢气、氮气和乙炔，工作电压为550～700V，当测温和控温系统67显示工件升到420℃时，保持乙炔进气量占总进气量的3％，将炉内气压控制在250Pa保温3小时，之后，通过调整电参数和气压减小对MP4外壳的离子轰击以达到降温效果，待MP4外壳温度降到200℃以下后出炉进行光饰处理。
光饰处理采用手工抛光：先将该MP4外壳用600#尼龙轮进行粗抛、再用麻轮上黄蜡进行中抛，最后在布轮上依次利用白蜡和绿腊进行精抛。
MP4外壳通过上述精密硬化处理后，获得约12～13μm深的硬化层，硬化层横断面金相图如图10所示，上部深色为塑料背景101，有3条标线的部分为硬化层100，硬化层分成上下两层，下层比上层更加白亮。如图11所示，采用法国HORIBA Jobin Yvon公司GD PROFILER型辉光放电光谱仪(GDS)对该硬化层进行成分分析可以知道，离子碳氮共渗时，渗氮层和渗碳层分别出现在不同的位置，上层主要是渗氮硬化层，下层主要是渗碳硬化层。如图12所示，对硬化层X-射线衍射XRD相分析可知，上层主要为固溶氮的扩大奥氏体相γN，下层主要为固溶碳的扩大奥氏体相γC，没有Cr的化合物相析出。经测试，表面显微硬度为HV0.051200～1300，表面粗糙度Ra＝3～6nm。
实施例4，对材质为SUS304的镜面MP3外壳进行精密硬化处理，硬化处理采用低温离子渗氮工艺。硬化处理时采用如图4所示多层水平盘式辅助阴极结构，用特制的随形支撑结构支撑MP3外壳内侧，然后摆放在在水平盘上，MP3外壳上表面距上层水平盘下表面的距离为0.5cm。与实施例1、实施例2和实施例3相同，所用硬化处理设备为如图6所示的离子渗设备，抽气系统65对真空室61抽真空至真空测量系统69显示10Pa时，开启电源系统66对MP3外壳进行离子轰击升温，在此过程中，通过进气系统68逐渐通入氢气和氮气，流量比为4∶1，工作电压为650～700V，当测温和控温系统67显示工件升到450℃时，将炉内气压控制在500Pa保温5小时，之后，通过调整电参数和气压减小对MP3外壳的离子轰击以达到降温效果，待MP3外壳温度降到200℃以下后出炉进行光饰处理。
光饰处理采用手工抛光：先将该MP3外壳用600#尼龙轮进行粗抛、再用麻轮上黄蜡进行中抛，最后在布轮上依次利用白蜡和绿腊进行精抛。
MP3外壳通过上述精密硬化处理后，获得约90μm深的硬化层，硬化层横断面金相图如图13所示，上部深色为塑料背景101，有3条标线的部分为硬化层100。经测试，表面显微硬度为HV0.051000～1050，表面粗糙度Ra＝6～10nm。
Claims (9)
1.一种奥氏体不锈钢精密硬化方法，包括以下步骤：一、将工件放进炉内，在380～450℃的温度下进行离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理1～5h，本底真空为10Pa以下，工作真空为100～500Pa，辅助阴极距离工件表面的距离为0.5～10cm，工作电压为400～800V，获得硬化层深度5～90μm；二、进行光饰处理，达到表面粗糙度Ra＜10nm。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢精密硬化方法，其特征在于，所述离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理时，充入氨气、氢气、氮气、甲烷或/和乙炔气体。
3.根据权利要求2所述的奥氏体不锈钢精密硬化方法，其特征在于，所述光饰处理包括滚光、手工抛光或滚光与手工抛光组合。
4.根据权利要求3所述的奥氏体不锈钢精密硬化方法，其特征在于，所述滚光处理为将工件放进工件与磨料质量比不大于1∶15的滚光机滚桶中进行滚光，滚筒转速10～60r/min，滚光时间6～48h，磨料为3.2×3.2mm～1.1×1.1mm的核桃屑。
5.根据权利要求4所述的奥氏体不锈钢精密硬化方法，其特征在于，所述滚光处理先选用较大尺寸的磨料粗滚，再选用较小尺寸的磨料精滚。
6.根据权利要求5所述的奥氏体不锈钢精密硬化方法，其特征在于，所述手工抛光处理时，人工将工件按压在抛光机的抛光轮上，抛光轮转速为800～3000r/min，抛光轮材料采用麻轮、布轮和羊毛轮，抛光处理前在抛光轮上涂抛光蜡。
7.一种奥氏体不锈钢精密硬化设备，其真空室内设有主阴极盘，真空室连接有电源系统、抽气系统、供气系统，其特征在于：所述主阴极盘上设有多层水平盘式辅助阴极，工件放置在各个水平盘式辅助阴极上，各个水平盘式辅助阴极下表面距工件上表面的距离为0.5～10cm。
8.根据权利要求7所述的奥氏体不锈钢精密硬化设备，其特征在于：所述水平盘式辅助阴极与工件之间设有工件支撑结构。
9.根据权利要求7或8所述的奥氏体不锈钢精密硬化设备，其特征在于：所述盘式辅助阴极下表面与工件上表面随形。
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