CN103643243B

CN103643243B - 一种金属材料高强韧化表面改性方法

Info

Publication number: CN103643243B
Application number: CN201310668391.XA
Authority: CN
Inventors: 崔承云; 崔熙贵; 周建忠; 许晓静; 张洁
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Changshu Tongshun Textile Co.,Ltd.
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103643243A

Abstract

本发明公开了一种金属材料高强韧化表面改性方法，涉及材料表面改性技术。其主要步骤为：1)将金属材料表面进行预处理；2)将预处理的材料表面进行激光喷丸处理；3)将激光喷丸处理的表面进行磁场渗氮；4)将渗氮后的表面进行磁场淬火；5)将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理；6)将低能激光喷丸处理的表面再次进行磁场淬火，获得平整的高强韧表面。本发明能够有效细化表面晶粒组织，增加渗氮层厚度，缩短渗氮时间，降低渗氮层脆性，提高表面强韧性。本发明工艺过程简单，易操作，效率高、适合于大规模批量化生产。

Description

一种金属材料高强韧化表面改性方法

技术领域

本发明涉及金属材料的表面改性技术领域，特指一种金属材料高强韧化表面改性方法。

背景技术

金属零部件的失效往往源于其表面，如腐蚀、磨损、疲劳等破坏都是从表面开始或在表面发生。因此，提高表面性能成为防止零部件失效、延长其使用寿命的重要方法。表面改性技术是提高材料表面性能的有效手段，其通过改善材料表面的成分和微观组织来达到提高其表面性能的目的。目前，应用的较多的表面改性技术有激光表面改性、渗氮、渗碳、喷涂、气相沉积等方法，但是这些方法通常使材料表面强度和塑韧性呈现出此消彼长的趋势，不能获得强度与塑韧性的良好匹配。

渗氮是工业上应用较早的一种表面改性方法，渗氮主要包括液体渗氮、气体渗氮和离子渗氮。随着该方法的不断发展，其应用范围逐渐扩大。但是，由于渗氮时间长、渗氮层较浅、脆性大，其应用受到严重的限制。研究表明，材料表面微观组织的细化能够促进渗氮过程的进行，缩短渗氮时间。激光喷丸是一种新型的金属材料表面改性技术，其是通过纳秒脉冲激光诱导产生的高压冲击波使材料表面发生强烈塑性变形，改变材料表面微观组织和应力状态来提高材料表面性能的方法。激光喷丸能够细化材料表面的微观组织，因此，将其引入渗氮工艺中不仅能够有效缩短渗氮时间，而且能够显著提高材料表面性能，如硬度、耐磨性等，但是这还不能从根本上解决表面塑韧性差的问题。

磁场作为一种物理场，已被广泛应用于材料微观组织结构的控制。将磁场与热处理结合，能够有效控制材料微观结构，更好地改善其力学性能。渗氮作为热处理中的化学热处理工艺之一，同样受磁场作用的影响。磁场渗氮是在磁场作用下渗氮的过程，施加的磁场不仅能够加速氮原子扩散过程，缩短渗氮时间，而且能够有效提高渗氮层的硬度，同时降低渗氮层的脆性。此外，磁场淬火是一种重要的强韧化热处理工艺，其不仅有利于细化组织结构，产生高密度位错，使材料获得强韧化的效果，而且能够降低淬火变形。可见，磁场是改善材料强韧性的重要条件，其与现有表面改性技术的结合能够发展成一种新型的强韧化表面改性方法，克服现有技术不能实现强度与塑韧性良好匹配的缺点。

针对现有表面改性技术存在的问题，本发明提出一种金属材料高强韧化表面改性方法，采用激光喷丸、磁场渗氮与磁场淬火相结合的复合方法制备高强韧的金属材料表面，主要通过激光喷丸细化表面组织，增加缺陷，进一步加速磁场渗氮过程中氮原子的扩散过程，增大渗氮层深度，而且磁场渗氮中施加的磁场有效降低了渗氮层的脆性，再经磁场淬火可以进一步强韧化表面渗氮层，最后通过低能激光喷丸改善材料表面质量，经磁场淬火后再次强韧化表面性能，最终获得表面晶粒细小、渗氮层较深、淬火变形小的高强韧表面。此工艺过程简单，易操作，效率高，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以显著提高金属材料表面的强韧性，延长其使用寿命，满足实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种金属材料高强韧化表面改性方法，其采用激光喷丸、磁场渗氮与磁场淬火相结合的复合方法处理金属材料表面，通过激光喷丸细化表面晶粒，增加表面缺陷，为磁场渗氮提供更多扩散通道，联合磁场加速氮原子扩散过程，增大渗氮层深度，而且施加的磁场有效降低了渗氮层的脆性，经磁场淬火可以进一步强韧化表面渗氮层，最后通过低能激光喷丸改善材料表面质量，经磁场淬火后再次强韧化表面性能，最终获得表面晶粒细小、渗氮层较深、淬火变形小的高强韧表面。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用激光喷丸、磁场渗氮与磁场淬火相结合的复合方法处理金属材料表面，在细化材料表面微观组织的同时，加速氮原子扩散过程，缩短渗氮时间，增加渗氮层深度，提高渗氮层强韧性，获得表面晶粒细小、渗氮层较深、淬火变形小的高强韧表面。其具体步骤为：

1)将金属材料表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；

2)将预处理的材料表面进行激光喷丸处理；

3)将激光喷丸处理后的表面进行磁场渗氮；

4)将渗氮后的表面进行磁场淬火；

5)将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理；

6)将低能激光喷丸处理后的表面再次进行磁场淬火，获得平整的高强韧表面。

所述的金属材料为金属铝、铝合金、金属钛、钛合金、铸铁或钢。

所述的激光喷丸处理参数为：激光功率密度为1-10GW/cm²，激光脉宽为5-40ns，光斑直径为1-10mm，搭接率为20%-80%。

所述的磁场渗氮的磁场强度为0.1-15T。

所述的磁场淬火的磁场强度为1-15T，淬火介质为水、冰水或液氮。

所述的磁场渗氮和磁场淬火的磁场类型为恒稳磁场、交流磁场或脉冲磁场。

所述的低能激光喷丸处理采用的激光功率密度和光斑直径小于步骤B)的激光喷丸处理采用的激光功率密度和光斑直径。

本发明的优点在于：本发明采用激光喷丸、磁场渗氮与磁场淬火相结合的复合方法制备高强韧的金属材料表面，在细化材料表面微观组织的同时，加速氮原子扩散过程，缩短渗氮时间，增加渗氮层深度，提高渗氮层强韧性。激光喷丸属于冷态高应变率塑性变形处理工艺，其通过超高压冲击力能够使材料表面发生强烈塑性变形，有效细化材料表面微观组织，增加表面缺陷密度，不仅提高了表面性能，而且为后续渗氮过程中氮原子的扩散提供了更多通道；磁场渗氮中施加的磁场同样加速了氮原子扩散，在与激光喷丸的共同作用下，有效缩短了渗氮时间，增加了渗氮层深度，同时磁场作用有助于降低渗氮层的脆性；磁场淬火是一种重要的强韧化热处理工艺，其不仅有利于细化组织结构，产生高密度位错，使材料获得强韧化的效果，而且能够降低淬火变形；后续的低能激光喷丸有效改善了材料表面质量，经磁场淬火后再次强韧化表面性能，最终获得高强度与高塑韧性的良好配合。因此，本发明可以制得表面晶粒细小、渗氮层较深、淬火变形小的高强韧表面，显著提高金属材料表面性能，延长其使用寿命。本发明工艺过程简单，易操作，效率高，适合于大规模批量化生产。

具体实施方式

本发明中金属材料高强韧化表面改性是通过激光喷丸、磁场渗氮与磁场淬火相结合的复合方法来实现的。首先将金属材料表面进行预处理，并在处理好的表面上进行激光喷丸处理，然后再进行磁场渗氮，并对渗氮层进行磁场淬火，最后将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理，并再次进行磁场淬火，最终获得平整的高强韧表面。采用本发明制得的材料表面晶粒细小，渗氮层较深、淬火变形小，表面质量好，显著提高了其强韧性，延长了其使用寿命。

实施例1：

1)将金属材料铝合金表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；

2)将预处理的材料表面进行激光喷丸处理，激光功率密度为10GW/cm²，激光脉宽为40ns，光斑直径为8mm，搭接率为20%；

3)将激光喷丸处理的表面在0.1T交流磁场下进行磁场渗氮；

4)将渗氮后的表面在15T恒稳磁场下进行磁场淬火，淬火介质为水；

5)将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理，激光功率密度为4GW/cm²，光斑直径为5mm；

6)将低能激光喷丸处理的表面在10T恒稳磁场下再次进行磁场淬火，淬火介质为水，获得平整的高强韧表面。

采用本发明处理的材料表面的显微硬度和断裂韧性较普通渗氮工艺提高约20%和11%。

实施例2：

1)将金属材料高合金钢表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；

2)将预处理的材料表面进行激光喷丸处理，激光功率密度为1GW/cm²，激光脉宽为5ns，光斑直径为1mm，搭接率为40%；

3)将激光喷丸处理的表面在15T恒稳磁场下进行磁场渗氮；

4)将渗氮后的表面在2T脉冲磁场下进行磁场淬火，淬火介质为冰水；

5)将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理，激光功率密度为0.8GW/cm²，光斑直径为0.5mm；

6)将低能激光喷丸处理的表面在0.7T交流磁场下再次进行磁场淬火，淬火介质为水，获得平整的高强韧表面。

采用本发明处理的材料表面的显微硬度和断裂韧性较单纯激光喷丸工艺提高约33%和7%。

实施例3：

1)将金属材料钛合金表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；

2)将预处理的材料表面进行激光喷丸处理，激光功率密度为7GW/cm²，激光脉宽为25ns，光斑直径为10mm，搭接率为80%；

3)将激光喷丸处理的表面在5T恒稳磁场下进行磁场渗氮；

4)将渗氮后的表面在10T恒稳磁场下进行磁场淬火，淬火介质为液氮；

5)将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理，激光功率密度为3GW/cm²，光斑直径为6mm；

6)将低能激光喷丸处理的表面在5T恒稳磁场下再次进行磁场淬火，淬火介质为冰水，获得平整的高强韧表面。

采用本发明处理的材料表面的显微硬度和断裂韧性较激光喷丸后普通渗氮工艺提高约12%和5%。

实施例4：

1)将金属材料铸铁表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；

2)将预处理的材料表面进行激光喷丸处理，激光功率密度为5GW/cm²，激光脉宽为10ns，光斑直径为3mm，搭接率为60%；

3)将激光喷丸处理的表面在2T脉冲磁场下进行磁场渗氮；

4)将渗氮后的表面在5T恒稳磁场下进行磁场淬火，淬火介质为水；

5)将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理，激光功率密度为1GW/cm²，光斑直径为1mm；

6)将低能激光喷丸处理的表面在2T脉冲磁场下再次进行磁场淬火，淬火介质为液氮，获得平整的高强韧表面。

采用本发明处理的材料表面的显微硬度和断裂韧性较普通渗氮工艺提高约18%和10%。

Claims

1.一种金属材料高强韧化表面改性方法，其特征在于，采用激光喷丸、磁场渗氮与磁场淬火相结合的复合方法处理金属材料表面，通过激光喷丸细化表面组织，增加缺陷，为磁场渗氮提供更多扩散通道，激光喷丸与磁场共同加速了氮原子的扩散过程，获得较深的渗氮层，降低渗氮层脆性，磁场淬火同时产生晶格变形和淬火效果，进一步强韧化表面渗氮层，而低能激光喷丸改善材料表面质量，经磁场淬火后再次强化表面性能，最终获得表面晶粒细小、渗氮层较深、淬火变形小的高强韧表面；具体步骤为：

A)将金属材料表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；

B)将预处理的材料表面进行激光喷丸处理；激光喷丸处理参数为：激光功率密度为1-10GW/cm²，激光脉宽为5-40ns，光斑直径为1-10mm，搭接率为20%-80%；

C)将激光喷丸处理后的表面进行磁场渗氮；

D)将渗氮后的表面进行磁场淬火；

E)将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理；

F)将低能激光喷丸处理后的表面再次进行磁场淬火，获得平整的高强韧表面。

2.根据权利要求1所述的一种金属材料高强韧化表面改性方法，其特征在于，所述步骤A)的金属材料为金属铝、铝合金、金属钛、钛合金、铸铁或钢。

3.根据权利要求1所述的一种金属材料高强韧化表面改性方法，其特征在于，所述步骤C)的磁场渗氮的磁场强度为0.1-15T。

4.根据权利要求1所述的一种金属材料高强韧化表面改性方法，其特征在于，所述步骤D)和F)的磁场淬火的磁场强度为1-15T，淬火介质为水、冰水或液氮。

5.根据权利要求1所述的一种金属材料高强韧化表面改性方法，其特征在于，所述步骤C)、D)和F)的磁场渗氮和磁场淬火的磁场类型为恒稳磁场、交流磁场或脉冲磁场。

6.根据权利要求1所述的一种金属材料高强韧化表面改性方法，其特征在于，所述步骤E)的低能激光喷丸处理采用的激光功率密度和光斑直径小于步骤B)的激光喷丸处理采用的激光功率密度和光斑直径。