CN103834914A - 一种钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，属于钢铁材料表面改性热处理工艺技术领域；本发明的特点是首先在钢铁材料表面进行机械研磨，然后在等离子渗热处理炉中进行低温渗钛处理，热处理炉内通入氩气，等离子渗钛处理温度为450℃～650℃，在钢铁材料表面形成渗钛合金层。该复合工艺大大降低了钢铁材料表面渗钛的温度，避免了钢铁材料在高温处理时的缺陷，同时渗钛层具有较高的硬度。本发明可提有效的提高钢铁材料零部件的使用寿命和使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，属于钢铁材料表面改性热处理工艺技术领域。
背景技术
在钢铁材料表面进行渗钛的目的是在其表面形成具有特殊物理化学性质的钛化合物渗层，使得的钢铁材料具有高的硬度、高的耐腐蚀和高的耐磨性等优良的综合性能，有效的提高钢铁材料的使用寿命。钢铁材料应用广泛，一般情况，其失效大都由表面开始。为了节约资源和能源，实现可持续发展的战略，应最大发挥材料的潜在性能，并获得最大经济效益及获得特殊性能的目的，对钢铁材料进行表面改性处理，可以满足不同服役环境下，有效地延长工件的使用寿命的要求。对钢铁材料表面渗钛处理，可以性能优异的渗钛层，但是传统的渗钛工艺处理较高，一般都在850～1050℃。长时间的高温处理，使钢铁材料组织性能发生了较大的变化，其机械性能明显降低，这样，限制了渗钛技术在工业上的应用与发展。同时，在其渗钛技术的不断发展中还有很多问题急需解决，例如：工艺不稳定、温度过高导致大变形、变形后难以修复等。采用在钢铁材料表面首先进行机械研磨，然后进行等离子渗钛的复合工艺，利用机械研磨可以使表面晶粒细化、表面塑性变形导致能量增大，从而，使扩散激活能降低，实现低温渗钛过程。
发明内容
本发明的目的在于改进现有技术中，由于渗钛过程中温度过高而导致的钢铁材料零部件变形大的缺陷，通过表面机械研磨技术，使表面位错密度及晶界显著增加的特点，促进钢铁材料零部件在临界点以下的温度渗钛。
本发明的技术方案具体包括如下步骤：
（1）采用抛丸的方法，在钢铁材料表面进行机械研磨处理；
（2）将经过表面机械研磨处理后的钢铁材料，放入等离子渗钛热处理炉中进行渗钛处理，在渗钛过程中，在等离子渗钛热处理炉内通入氩气，同时通过阴极电源对钢铁材料进行加热，在升温过程中，控制氩气的流速大小和热处理炉内的压强；
（3）当钢铁材料的温度达到100~150℃后，接通等离子渗钛热处理炉源极电源，当钢铁材料达到450～600℃时，保温 180～360min，产生的等离子束轰击纯钛靶材，纯钛靶材发生溅射并沉积于经过表面机械研磨处理后的钢铁材料表面，然后随炉冷却到室温，在钢铁材料表面获得渗钛层。
本发明所述表面抛丸方法为常规方法，其中，最优选用振动抛射方法，将研磨钢球作用于钢铁材料表面，研磨钢球为硬质材料，钢球的直径为1~8mm，研磨频率为50Hz，机械研磨时间为10~30min。
本发明步骤（2）中，等离子渗钛热处理炉的炉内压强为30～90Pa，通入氩气的气体流量为20～60ml/min，稳定后，阴极电源对钢铁材料加热过程中阴极电源的电压为500V～650V，电流为1.5~3A，阴极占空比为25%～35%。
本发明步骤（3）中，钢铁材料与等离子渗钛热处理炉源极的距离为15～30mm，稳定后，等离子渗钛热处理炉源极电压为800V～1050V，电流为2.5~4.5A，等离子渗钛热处理炉源极电源占空比为35%～45%。
本发明步骤（3）中所述的纯钛靶材的成分为Ti≥99.99%wt，靶材为块体或粉末状颗粒，其中粉末状颗粒的粒度在60～200目。
本发明的特点和优点如下：
本发明方法先对钢铁材料表面先进行机械研磨处理，然后进行等离子渗钛处理，钢铁材料表面先进行机械研磨处理对于降低渗钛温度有积极的促进作用，低温渗钛处理有明显的优越性，一方面，钢铁材料组织性能没有发生明显的变化，机械性能稳定，另一方面，表面渗钛层表面硬度明显增加，大大提高了使用寿命。
附图说明
图1为在450℃下，经3小时渗钛处理后，渗钛层的截面形貌；
图2为在450℃下，经3小时渗钛处理后，渗钛层的硬度变化曲线；
图3为在500℃下，经5小时渗钛处理后，渗钛层XRD谱图；
图4为在500℃下，经5小时渗钛处理后，渗钛层的截面形貌；
图5为在600℃下，经6小时渗钛处理后，渗钛层的硬度变化曲线；
图6为在600℃下，经6小时渗钛处理后，渗钛层的截面形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，具体包括如下步骤：
本实施例所述的钢铁材料为ST12低碳钢。
（1）采用喷丸的振动抛射常规表面喷丸方法，将该钢铁材料进行机械研磨处理，本实施例中机械研磨处理具体方法如下：采用振动抛射方式进行表面研磨，频率为50Hz，研磨时间为15min，其中，研磨钢球为GCr15，钢球直径为8mm；
（2）将经过上述机械研磨处理后的ST12钢铁材料放于等离子渗钛热处理炉内，以20ml/min的流量向等离子渗钛热处理炉内通入氩气，通入氩气后等离子渗钛热处理炉的炉内压强为30Pa，同时通过等离子渗钛热处理炉阴极电源对钢铁材料进行加热，其中等离子渗钛热处理炉阴极电源的电压为500V，电流为1.5A，阴极占空比为25%；
（3）当钢铁材料的温度达到100℃后，接通等离子渗钛热处理炉源极电源，进行等离子渗钛热处理，加热钢铁材料到450℃，保温时间为180min，其中，等离子渗钛热处理炉源极电压为800V，电流为2.5A，等离子渗钛热处理炉源极占空比为35%，钢铁材料件与等离子渗钛热处理炉源极之间的距离为15mm；然后随炉冷却到室温，产生的等离子束轰击纯钛靶材，纯钛靶材发生溅射并沉积于经过表面机械研磨处理后的钢铁材料表面形成渗钛层。
本实施例制备得到的有渗钛层的钢铁材料，图1为在ST12钢铁材料表面形成的渗钛层，图2为渗钛层的硬度变化曲线，由图2可以看出ST12低碳钢经过机械研磨等离子低温渗钛后表面硬度明显增加，表面硬度相对基体硬度增加接近一倍。
实施例2
本实施例所述钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，具体包括如下步骤：
本实施例所述的钢铁材料为ST12低碳钢。
（1）将该钢铁材料进行机械研磨处理，本实施例中机械研磨处理具体方法如下：采用振动抛射方式进行表面研磨，频率为50Hz，研磨时间为30min，其中，研磨钢球为GCr15，钢球直径为8mm；
（2）将经过上述机械研磨处理的ST12钢铁材料放于等离子渗钛热处理炉内，以40ml/min的流量向等离子渗钛热处理炉内通入氩气，通入氩气后等离子渗钛热处理炉的炉内压强为90Pa，同时通过等离子渗钛热处理炉阴极电源对钢铁材料进行加热，其中，等离子渗钛热处理炉阴极电源的电压为550V，电流为2A，阴极占空比为30%；
（3）当钢铁材料的温度达到150℃后，接通等离子渗钛热处理炉源极电源，加热钢铁材料到500℃，进行等离子渗钛热处理，处理时间为300min，其中，等离子渗钛热处理炉源极电压900V，电流为3A，等离子渗钛热处理炉源极占空比为35%，钢铁材料件与等离子渗钛热处理炉源极之间的距离为20mm；产生的等离子束轰击纯钛靶材，纯钛靶材发生溅射并沉积于经过表面机械研磨处理后的钢铁材料表面形成渗钛层。
本实施例制备得到的有渗钛层的钢铁材料，图3为在ST12钢铁材料表面的XRD图，图4为ST12钢铁材料表面形成的渗钛层，可以看出ST12低碳钢经过机械研磨等离子低温渗钛后在表面形成了明显的渗层，渗层的厚度约为12μm。
实施例3
本实施例所述钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，具体包括如下步骤：
本实施例所述的钢铁材料为ST12钢。
（1）将该钢铁材料进行机械研磨处理：采用振动抛射方式进行表面研磨，频率为50Hz，研磨时间为10min，其中，研磨钢球为GCr15，钢球直径为1mm；
（2）将经过上述机械研磨处理的ST12钢铁材料放于等离子渗钛热处理炉内，以60ml/min的流量向等离子渗钛热处理炉内通入氩气，通入氩气后等离子渗钛热处理炉的炉内压强为60Pa，同时通过等离子渗钛热处理炉阴极电源对钢铁材料进行加热，其中，等离子渗钛热处理炉阴极电源的电压为650V，电流为3 A，阴极占空比为35%；
（3）当钢铁材料的温度达到150℃后，接通等离子渗钛热处理炉源极电源，进行等离子渗钛热处理，加热钢铁材料到600℃，保温时间为360min，其中，等离子渗钛热处理炉源极电压为1050V，电流为4.5A，等离子渗钛热处理炉源极占空比为45%，钢铁材料件与等离子渗钛热处理炉源极之间的距离为30mm；然后随炉冷却到室温，产生的等离子束轰击纯钛靶材，纯钛靶材发生溅射并沉积于经过表面机械研磨处理后的钢铁材料表面形成渗钛层，其中图5为渗钛层的硬度变化曲线，图6为在ST12钢铁材料表面形成的渗钛层，可以看出材料经过表面机械研磨等离子低温渗钛后表面硬度明显增加，表面的硬度相对基体的硬度增加接近一倍，由图6与实施例1，实施例2相对比可以看出随着时间的增加渗层更加的均匀，渗钛效果更加优良。
Claims (5)
1.一种钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，其特征在于具体包括以下步骤：
（1）采用表面抛丸的方法，在钢铁材料表面进行机械研磨处理；
（2）将经过表面机械研磨处理后的钢铁材料，放入等离子渗钛热处理炉中进行等离子渗钛处理，在渗钛过程中，在等离子渗钛热处理炉内通入氩气，同时通过阴极电源对钢铁材料进行加热；
（3）当钢铁材料的温度达到100~150℃后，接通等离子渗钛热处理炉源极电源，当钢铁材料达到450～600℃时，保温180～360min，产生的等离子束轰击纯钛靶材，纯钛靶材发生溅射并沉积于经过表面机械研磨处理后的钢铁材料表面，形成渗钛层。
2.根据权利要求1所述钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，其特征在于：步骤（1）所述机械研磨处理过程中所用钢球的直径为1~8mm。
3.根据权利要求1所述钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，其特征在于：步骤（2）中，通入氩气的气体流量为20～60ml/min，通入氩气后等离子渗钛热处理炉的炉内压强为30～90Pa，稳定后，阴极电源对钢铁材料加热过程中阴极电源的电压为500V～650V，电流为1.5~3A，阴极占空比为25%～35%。
4.根据权利要求1所述钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，其特征在于：步骤（3）中，钢铁材料与等离子渗钛热处理炉源极的距离为15～30mm，稳定后，等离子渗钛热处理炉的源极电压为800V～1050V，电流为2.5~4.5A，等离子渗钛热处理炉源极占空比为35%～45%。
5.根据权利要求1所述钢铁材料表面机械研磨渗钛的方法，其特征在于：步骤（3）中所述的纯钛靶材的成分为Ti≥99.99%wt，靶材为块体或粉末状颗粒，其中粉末状颗粒的粒度在60～200目。
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Granted publication date: 20160824 |