CN103361593A

CN103361593A - 表面强化锆材料及其无氢渗碳镀方法

Info

Publication number: CN103361593A
Application number: CN2013102485125A
Authority: CN
Inventors: 刘日平; 景勤; 杨红博; 席微
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2013-10-23

Abstract

表面强化锆材料及其无氢渗碳镀方法。一种表面强化锆材料，其是一种表面有厚度约为30微米锆碳合金层的金属锆。该渗碳方法所用的渗碳源极材料为石墨，辅助阴极材料为奥氏体不锈钢材料，渗材料为工业纯金属锆，主要渗镀步骤如下：将经金属锆装入等离子冶金炉，抽真空后，充入氩气到工作气压30-55Pa，开启与金属锆相连的电源，施加200-300V电压，对金属锆表面实施预轰击，约5分钟后升至规定电压380-450V；打开源极电源，施加电压，轰击源极，并逐步施加电压到900-950V；渗镀2-4小时。本发明获得的金属锆表面硬度明显提高，由原来的220Hv左右增加到1290Hv；经淬火处理后表面硬度进一步提高，同时渗镀后被渗金属锆摩擦系数明显降低。

Description

表面强化锆材料及其无氢渗碳镀方法

技术领域本发明涉及金属锆双辉渗镀表面强化方法。

背景技术锆的热中子吸收截面小，具有独特的抗核辐射性能，同时具有优异的耐蚀性能，使其成为核工业、化工领域的理想材料。空间条件下服役航天器及其活动构件要承受高能粒子辐照、原子氧侵蚀、低温和交变温度、碎片撞击及微尘冲刷等极端环境的综合作用。由于锆耐高能粒子辐照、耐腐蚀、膨胀系数低和密度较低等特点，具有成为新一代空间条件下高比强度服役材料的潜质。但其强度、硬度低，耐磨性差，使其应用受到限制。表面强化是提高材料表面强度、硬度，耐磨性的最有效手段。工业上常规的气体渗碳方法由于加工过程中氢的析出使锆脆性增加，无法应用于锆。因此需探索锆的无氢渗碳工艺。

发明内容本发明的目的在于提供一种通过化学热处理对锆进行表面无氢渗碳的表面强化锆材料及其无氢渗碳方法。

一、本发明的表面强化锆材料是一种表面有厚度约为30微米锆碳合金层的金属锆。渗后材料的表面形成含碳合金层使得材料的硬度和耐磨性明显提高。

二、本发明产品的制备方法如下：

1、原材料：渗碳源极材料为石墨，被渗材料为工业纯金属锆。

2、具体渗镀步骤如下：

1）将经过机械抛光并超声清洗的金属锆装入等离子冶金炉，最好辅助阴极材料为奥氏体不锈钢材料，通过支架调整源极与金属锆之间的极间距为9-15mm。抽真空，当真空室的真空度低于1Pa时，充入氩气到工作气压30-55Pa。开启与金属锆相连的电源，施加200～300V电压，对金属锆表面实施预轰击，清洁金属锆表面，约5分钟后升至规定电压380-450V。

2）打开源极电源，施加电压，轰击源极，并逐步施加电压到预定值900-950V。

3）渗镀2-4小时后，依次关闭源极电压、工件电压、氩气及真空泵，最好抽到极限真空度时关闭真空泵，冷却水保持2个小时候后取出金属锆。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、渗镀后碳被渗到金属锆中形成了金属间化合物强化相，使得渗后金属锆表面硬度明显提高，由原来的220Hv左右增加到1290Hv；经淬火处理后表面硬度进一步提高到1450Hv。

2、渗镀后被渗金属锆摩擦系数明显降低，经淬火处理后摩擦系数进一步降低；而且渗碳后被渗金属耐磨性明显提高，磨损量降低81.2%，经淬火处理后磨损量比渗前降低94.2%。

附图说明

图1是本发明渗碳后被渗金属锆表面维氏硬度Hv的变化曲线图。

图2是本发明载荷20N下纯锆、渗碳金属锆及渗碳金属锆淬火试样的摩擦系数试验结果图。

具体的实施方式：

实施例1

清洗等离子冶金炉内辅助阴极与渗碳源极，该辅助阴极材料为奥氏体不锈钢材料，该渗碳源极材料为工业高纯石墨。将经过机械抛光并超声清洗的工业纯金属锆装入等离子冶金炉，通过支架调整源极与金属锆之间的极间距为9mm。封闭真空室并开启机械泵抽真空，当真空室的真空度低于1Pa时，充入氩气至30Pa。开启与金属锆相连的电源，施加300V电压，对金属锆表面实施预轰击，清洁金属锆表面，约5分钟后升至400V左右。打开源极电源，并逐步施加电压至930V左右。渗镀3h后依次关闭源极电压、工件电压、氩气及真空泵，冷却水保持2个小时之后取出金属锆。经扫描电镜和能谱仪检测锆表面有厚度约为30μm锆碳合金层的金属锆。

实施例2

清洗等离子冶金炉内辅助阴极与渗碳源极，该辅助阴极材料为奥氏体不锈钢材料，该渗碳源极材料为工业高纯石墨。将经过机械抛光并超声清洗的工业纯金属锆装入等离子冶金炉，通过支架调整源极与金属锆之间的极间距为12mm。封闭真空室并开启机械泵抽真空，当真空室的真空度低于1Pa时，充入氩气至45Pa。开启与金属锆相连的电源，施加200V电压，对金属锆表面实施预轰击，清洁金属锆表面，约5分钟后升至380V左右。打开源极电源，并逐步施加电压至900V左右。渗镀4h后依次关闭源极电压、工件电压、氩气，抽到极限真空度时，关闭真空泵，冷却水保持2个小时之后取出金属锆。经扫描电镜和能谱仪检测锆表面有厚度约为30μm锆碳合金层的金属锆。

实施例3

清洗等离子冶金炉内辅助阴极与渗碳源极，该辅助阴极材料为奥氏体不锈钢材料，该渗碳源极材料为工业高纯石墨。将经过机械抛光并超声清洗的工业纯金属锆装入等离子冶金炉，通过支架调整源极与金属锆之间的极间距为15mm。封闭真空室并开启机械泵抽真空，当真空室的真空度低于1Pa时，充入氩气至55Pa。开启与金属锆相连的电源，施加250V电压，对金属锆表面实施预轰击，清洁金属锆表面，约5分钟后升至450V左右。打开源极电源，并逐步施加电压至950V左右。渗镀2h后依次关闭源极电压、工件电压、氩气，抽到极限真空度时，关闭真空泵，冷却水保持2个小时之后取出金属锆。经扫描电镜和能谱仪检测锆表面有厚度约为30μm锆碳合金层的金属锆。

从图1所示的的渗碳后被渗金属表面维氏硬度Hv的变化曲线图可以看出，渗碳后金属锆表面硬度明显提高，由原来的220Hv左右增加到1290Hv，而且经淬火处理后表面硬度又进一步提高到1450Hv。从图2所示的本发明载荷20N下纯锆、渗碳金属锆及渗碳金属锆淬火试样的摩擦系数试验结果图和表1给出的摩擦磨损试验结果看出，渗后金属的摩擦系数明显降低，经淬火处理后摩擦系数进一步降低；同时渗碳后被渗金属耐磨性明显提高，实验条件下渗碳处理后材料的磨损量降低81.2%，且经淬火处理后进一步提高。

表1材料的磨损量（摩擦时间：20min）

	渗碳前	渗碳后	渗碳淬火
				磨损量（g）	0.0069	0.0013	0.0004

Claims

1.一种表面强化锆材料，其特征在于：本发明的表面强化锆材料是一种表面有厚度约为30微米锆碳合金层的金属锆。

2.一种表面强化锆材料的无氢渗碳镀方法，其特征在于：本发明渗碳源极材料为石墨，被渗材料为工业纯金属锆，具体渗镀步骤如下：

1）将经过机械抛光并超声清洗的金属锆装入等离子冶金炉，通过支架调整源极与金属锆之间的极间距为9-15mm，抽真空，当真空室的真空度低于1Pa时，充入氩气到30-55Pa，开启与金属锆相连的电源，施加200～300V电压，对金属锆表面实施预轰击，清洁金属锆表面，5分钟后升至电压380-450V；

2）打开源极电源，施加电压，轰击源极，并逐步施加电压到900-950V；

3）渗镀时间2-4小时后，依次关闭源极电压、工件电压、氩气及真空泵，冷却水保持2个小时之后取出试样。

3.根据权利要求2所述的表面强化锆材料的无氢渗碳镀方法，其特征在于：充入氩气的气压是45Pa。

4.根据权利要求2所述的表面强化锆材料的无氢渗碳镀方法，其特征在于：渗镀结束抽到极限真空度时，关闭真空泵。

5.根据权利要求2所述的表面强化锆材料的无氢渗碳镀方法，其特征在于：辅助阴极材料为奥氏体不锈钢材料。