CN102168254A

CN102168254A - 一种马氏体不锈钢的表面硬化方法

Info

Publication number: CN102168254A
Application number: CN 201110108150
Authority: CN
Inventors: 倪红卫; 邰军凯; 陈荣生; 詹玮婷
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明涉及一种马氏体不锈钢的表面硬化方法。其技术方案为：先将处理后的马氏体不锈钢工件放置在离子注入机真空室的工作台上，抽真空至2.0×10^-3～3.0×10^-3Pa，用离子清洗源去除工件表面的钝化层；然后向去除表面钝化层的马氏体不锈钢工件注入氮离子，得到表面硬化的马氏体不锈钢。注入氮离子的条件是：真空度为5.0×10^-4～5.0×10^-2Pa，离子源加速电压为10～100kV，注入剂量为5.0×10¹⁵～5.0×10¹⁹ions/cm²；清洗源的工作条件是：灯丝电流6～10A，电弧电压40～70V，引出电压0.6～1.5kV，引出电流40～70mA。本发明具有工艺简单、处理过程无污染的特点；用该方法处理的产品表面耐磨性和硬度高得到大幅提高，硬化层和不锈钢基体间结合牢固，使用寿命高。

Description

一种马氏体不锈钢的表面硬化方法

技术领域

本发明属于表面硬化技术领域。具体涉及一种马氏体不锈钢的表面硬化方法。

背景技术

马氏体不锈钢具备高强度和耐蚀性，因此在工业生产中得到了广泛的应用。可用来制造机器零件如蒸汽涡轮的叶片(1Cr13)、蒸汽装备的轴和拉杆(2Cr13)，以及在腐蚀介质中工作的零件如活门、螺栓等(4Cr13)；碳含量较高的合金钢(4Cr13、9Cr18)则用于制造医疗器械、餐刀、测量用具、弹簧等。但由于马氏体不锈钢的表面硬度不高，使用过程中表面易产生划痕，且耐磨性较差，影响使用寿命。为了克服这些问题，通常对不锈钢进行渗氮、渗碳或碳氮共渗，提高不锈钢的表面硬度和耐磨性，已公开的技术有：

1)化学渗入。“提升马氏体系不锈钢表面硬度的方法”(CN200710127264.3)专利技术的工艺过程是：利用混合气体中的氢气将不锈钢的氧化膜还原，使丙烷所提供的碳原子更容易的进入不锈钢基底中，丙烷的流量控制在0.05～0.08公升/分钟，加热炉温度920℃以上，所述的混合气体是氨气分解气体和甲烷，通过该方法处理的马氏体不锈钢的表面维氏硬度值为700～760。“马氏体不锈钢渗碳方法及其制品”(CN200710050131.0)专利技术的工艺过程是：在甲苯气氛中于950～1000℃温度范围内渗碳，渗碳前做预处理，去除油污和钝化膜，渗碳后做热处理，通过该方法处理后的马氏体不锈钢的表面硬度HRC≥55(相当于维氏硬度值600)。“马氏体不锈钢氮碳共渗方法及其制品”(CN200810046438.8)专利技术的工艺过程是：将制品的半成品经调质处理、去除油污及钝化膜后，在氨气和二氧化碳气氛中于550～560℃温度范围内氮碳共渗，通过该方法处理后的马氏体不锈钢的共渗层深度≥0.05mm，共渗层表面维氏硬度值≥509。

2)低能离子渗入。“奥氏体不锈钢精密硬化方法及设备”(CN200810067779.3)专利技术，采用离子渗氮的方法对奥氏体不锈钢进行表面处理，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，工作真空度为100～500Pa，工作电压为400～800V，所得不锈钢表面维氏硬度值＞500。

同时，由于不锈钢表面存在致密的钝化层，所以不管是上述的化学渗入或者低能离子渗入，都要首先想办法除去不锈钢的钝化层，然后再进行渗入工艺。“耐磨性优良的表面碳氮化不锈钢部件和其制造方法”(CN200380100962.4)专利技术，采用含有卤素的气体对不锈钢表面进行活化处理，“装饰品及其制造方法”(CN00801908.8)专利技术，采用高温氟化处理去除不锈钢表面钝化层。

上述表面处理方法虽可改变不锈钢的表面特性，提高其使用寿命，但不足之处在于：①高温处理过程导致工件变形，工作时真空度低导致表面氧化；②热处理和渗碳处理导致工件表面形貌发生改变，影响工件的精度和表面光洁度；③渗入需要控制的条件多，碳、氮的渗入量不易控制，影响产品的质量；④去除钝化层处理时间长，工艺复杂，使用的卤素气体、强酸等对环境造成严重污染。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单和处理过程无污染的马氏体不锈钢的表面硬化方法；用该方法处理的产品表面耐磨性和硬度高能大幅度提高，产品使用寿命高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：先将处理后的马氏体不锈钢工件放置在离子注入机真空室的工作台上，抽真空至2.0×10^-3～3.0×10^-3Pa，用离子清洗源去除工件表面的钝化层；然后向去除表面钝化层的马氏体不锈钢工件注入氮离子，得到表面硬化的马氏体不锈钢。

注入氮离子的条件是：真空度为5.0×10^-4～5.0×10^-2Pa，离子源加速电压为10～100KV，注入剂量为5.0×10¹⁵～5.0×10¹⁹ions/cm²。

清洗源的工作条件是：灯丝电流6～10A，电弧电压40～70V，引出电压0.6～1.5KV，引出电流40～70mA。

所述的处理是将马氏体不锈钢工件浸没在无水乙醇中超声清洗10～20min，取出吹干。

由于采用上述技术方案，本发明所述的氮离子注入硬化马氏体不锈钢的方法有以下优点：

1、本发明通过调节注入时间和加速电压，可以精确地控制氮离子注入的剂量，有利于产品的质量控制。

2、本发明用高能离子束入射到材料表面，不改变马氏体不锈钢工件的尺寸；离子注入过程在室温下进行，并且对工件台提供水冷，不会引起工件的高温变形；尤其适于精密工件的硬化处理。

3、本发明采用清洗源去除马氏体不锈钢工件表面的钝化层，10分钟内即可完成，处理速度快、工艺简单和处理过程无污染。

4、本发明得到的马氏体不锈钢表面硬度得到了很大提高(HV＞1000)，耐磨性也得到了显著提高。

5、本发明所得到的马氏体不锈钢硬化层和不锈钢基体间结合牢固。

因此，本发明具有工艺简单、处理过程无污染的特点；用该方法处理的产品表面耐磨性和硬度高得到大幅提高，硬化层和不锈钢基体间结合牢固，使用寿命高。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制：

实施例1

一种马氏体不锈钢的表面硬化方法。先将处理后的马氏体不锈钢工件放置在离子注入机真空室的工作台上，抽真空至2.0×10^-3～2.3×10^-3Pa，用离子清洗源去除工件表面的钝化层；然后向去除表面钝化层的马氏体不锈钢工件注入氮离子，得到表面硬化的马氏体不锈钢。

注入氮离子的条件是：真空度为1.0×10^-2～5.0×10^-2Pa，离子源加速电压为80～100KV，注入剂量为5.0×10¹⁸～5.0×10¹⁹ions/cm²。

清洗源的工作条件是：灯丝电流8～10A，电弧电压40～50V，引出电压1.2～1.5KV，引出电流60～70mA。

所述的处理是将马氏体不锈钢工件浸没在无水乙醇中超声清洗18～20min，取出吹干。

本实施例所制备产品的性能测试如下：

1)利用微型摩擦磨损试验机对处理后的马氏体不锈钢表面进行摩擦测试，摩擦副由在水平面内转动的盘和位于它上端固定的钢珠组成，它们之间构成了点面接触，盘转动，球固定，实验载荷为50g，转速为200r/min，轨迹半径3mm，室温下进行。球摩擦副为GCr15钢珠，直径为3mm。测试结果表明：处理后的马氏体不锈钢表面的摩擦系数下降了35％～45％。

2)采用HX-1000显微硬度计对处理后的马氏体不锈钢表面进行硬度测试，试验载荷25g，加载时间为20s，表面显微硬度测试是在处理过的马氏体不锈钢表面平行等距离取5个点，取平均值。测试结果表明：当马氏体不锈钢表面氮离子注入剂量为5.0×10¹⁸～5.0×10¹⁹ions/cm²时，其表面维氏硬度值可达1200～1500，是未处理马氏体不锈钢的表面维氏硬度的3.6～4.5倍。

实施例2

一种马氏体不锈钢的表面硬化方法。先将处理后的马氏体不锈钢工件放置在离子注入机真空室的工作台上，抽真空至2.3×10^-3～2.5×10^-3Pa，用离子清洗源去除工件表面的钝化层；然后向去除表面钝化层的马氏体不锈钢工件注入氮离子，得到表面硬化的马氏体不锈钢。

注入氮离子的条件是：真空度为5.0×10^-3～1.0×10^-2Pa，离子源加速电压为60～80KV，注入剂量为5.0×10¹⁷～5.0×10¹⁸ions/cm²。

清洗源的工作条件是：灯丝电流8～10A，电弧电压50～60V，引出电压1.0～1.3KV，引出电流50～60mA。

所述的处理是将马氏体不锈钢工件浸没在无水乙醇中超声清洗15～18min，取出吹干。

本实施例所制备产品的性能测试如下：

1)利用微型摩擦磨损试验机对处理后的马氏体不锈钢表面进行摩擦测试，测试方法同实施例1。测试结果表明：处理后的马氏体不锈钢表面的摩擦系数下降了35％～40％。

2)采用HX-1000显微硬度计对处理后的马氏体不锈钢表面进行硬度测试，测试方法同实施例1。测试结果表明：当马氏体不锈钢表面氮离子注入剂量为5.0×10¹⁷～5.0×10¹⁸ions/cm²时，其表面维氏硬度值可达800～1200，是未处理马氏体不锈钢的表面维氏硬度的2.4～3.6倍。

实施例3

一种马氏体不锈钢的表面硬化方法。先将处理后的马氏体不锈钢工件放置在离子注入机真空室的工作台上，抽真空至2.5×10^-3～2.7×10^-3Pa，用离子清洗源去除工件表面的钝化层；然后向去除表面钝化层的马氏体不锈钢工件注入氮离子，得到表面硬化的马氏体不锈钢。

注入氮离子的条件是：真空度为1.0×10^-3～5.0×10^-3Pa，离子源加速电压为40～60KV，注入剂量为5.0×10¹⁶～5.0×10¹⁷ions/cm²。

清洗源的工作条件是：灯丝电流7～9A，电弧电压55～65V，引出电压0.8～1.0KV，引出电流45～50mA。

所述的处理是将马氏体不锈钢工件浸没在无水乙醇中超声清洗13～15min，取出吹干。

本实施例所制备产品的性能测试如下：

1)利用微型摩擦磨损试验机对处理后的马氏体不锈钢表面进行摩擦测试，测试方法同实施例1。测试结果表明：处理后的马氏体不锈钢表面的摩擦系数下降了20％～30％。

2)采用HX-1000显微硬度计对处理后的马氏体不锈钢表面进行硬度测试，测试方法同实施例1。测试结果表明：当马氏体不锈钢表面氮离子注入剂量为5.0×10¹⁶～5.0×10¹⁷ions/cm²时，其表面维氏硬度值可达450～800；是未处理的马氏体不锈钢的表面维氏硬度的1.4～2.4倍。

实施例4

一种马氏体不锈钢的表面硬化方法。先将处理后的马氏体不锈钢工件放置在离子注入机真空室的工作台上，抽真空至2.7×10^-3～3.0×10^-3Pa，用离子清洗源去除工件表面的钝化层；然后向去除表面钝化层的马氏体不锈钢工件注入氮离子，得到表面硬化的马氏体不锈钢。

注入氮离子的条件是：真空度为5.0×10^-4～1.0×10^-3Pa，离子源加速电压为10～40KV，注入剂量为5.0×10¹⁵～5.0×10¹⁶ions/cm²。

清洗源的工作条件是：灯丝电流6～8A，电弧电压60～70V，引出电压0.9～1.2KV，引出电流40～48mA。

所述的处理是将马氏体不锈钢工件浸没在无水乙醇中超声清洗10～13min，取出吹干。

本实施例所制备产品的性能测试如下：

1)利用微型摩擦磨损试验机对处理后的马氏体不锈钢表面进行摩擦测试，测试方法同实施例1。测试结果表明：处理后的马氏体不锈钢表面的摩擦系数下降了10％～20％。

2)采用HX-1000显微硬度计对处理后的马氏体不锈钢表面进行硬度测试，测试方法同实施例1。测试结果表明：当马氏体不锈钢表面氮离子注入剂量为5.0×10¹⁵～5.0×10¹⁶ions/cm²时，其表面维氏硬度值可达350～450，是未处理的马氏体不锈钢的表面维氏硬度的1.2～1.4倍。

本具体实施方式具有以下优点：

1、本具体实施方式通过调节注入时间和加速电压，可以精确地控制氮离子注入的剂量，有利于产品的质量控制。

2、本具体实施方式用高能离子束入射到材料表面，不改变马氏体不锈钢工件的尺寸；离子注入过程在室温下进行，并且对工件台提供水冷，不会引起工件的高温变形；尤其适于精密工件的硬化处理。

3、本具体实施方式采用清洗源去除马氏体不锈钢工件表面的钝化层，10分钟内即可完成，处理速度快、工艺简单和处理过程无污染。

4、本具体实施方式得到的马氏体不锈钢表面硬度得到了很大提高(HV＞1000)，耐磨性也得到了显著提高。

5、本具体实施方式所得到的马氏体不锈钢硬化层和不锈钢基体间结合牢固。

因此，本具体实施方式具有工艺简单、处理过程无污染的特点；用该方法处理的产品表面耐磨性和硬度高得到大幅提高，硬化层和不锈钢基体间结合牢固，使用寿命高。

Claims

1.一种马氏体不锈钢的表面硬化方法，其特征在于先将处理后的马氏体不锈钢工件放置在离子注入机真空室的工作台上，抽真空至2.0×10^-3～3.0×10^-3Pa，用离子清洗源去除工件表面的钝化层；然后向去除表面钝化层的马氏体不锈钢工件注入氮离子，得到表面硬化的马氏体不锈钢；

注入氮离子的条件是：真空度为5.0×10^-4～5.0×10^-2Pa，离子源加速电压为10～100KV，注入剂量为5.0×10¹⁵～5.0×10¹⁹ions/cm²；

2.根据权利要求1所述的马氏体不锈钢的表面硬化方法，其特征在于所述的处理是将马氏体不锈钢工件浸没在无水乙醇中超声清洗10～20min，取出吹干。