CN103911619A - 一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺 - Google Patents

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吴劲锋
黄晓鹏
万芳新
张克平
张炜
何乃如
邱孟柯
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Abstract

本发明涉及一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺,它包括调质、渗氮、抛光和镀膜等工序。以纯Ti靶(99.99%)作为溅射材料,采用中频磁控溅射设备制备TirN薄膜,薄膜与基体材料间沉积200nm左右的Ti层作为过渡层。在沉积TiN薄膜的过程中,通入Ar、N2混合气进行反应溅射沉积。该工艺通过调质预处理获得较高的基体硬度,提高了TiN薄膜的承载能力,通过渗氮以及沉积Ti过渡层,显著增强了TiN薄膜与40Cr基体的结合强度,大幅度提高了TiN薄膜的使用寿命。本发明工艺流程可操作性强,性价比高,可显著提高40Cr材料的抗植物磨料磨损性能,进而可提高相关农机工作部件的使用寿命与工作效率。

Description

一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺
技术领域
本发明涉及一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺。
背景技术
植物磨料是一种软磨料,对金属的磨损属于磨料磨损。植物磨料对金属材料的磨损广泛存在于农业机械、农产品加工、食品加工等行业,例如联合收割机割台的磨损,农作物对耕作机械的磨损,粉碎机、制粒机、磨粉机、榨油机等关键部件的磨损失效,它是影响相应行业机械使用寿命的主要原因之一,严重的制约了生产率和经济效益的提高,与国民经济的发展息息相关。40Cr钢是农业机械常用的金属材料,目前主要采用常规热处理、化学热处理技术来提高其抗植物磨料磨损性能,这在一定程度上提高了材料的耐磨性,但效果并不显著。随着金属材料表面强化技术的发展,需要寻求能更加有效的工艺措施来提高材料抗植物磨料磨损性能,从而大幅度提升相关农机工作部件的使用寿命的工作效率。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处,提供一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺,从而有效解决了现有技术中存在的问题。
一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺,其特征在于它的工艺步骤如下:
1、调质:淬火加热温度850±10℃,保温130±20分钟,油冷至平衡,油的最大冷却速度为95~110℃/s,回火温度580±20℃,保温130±20分钟,水冷至平衡。
2、渗氮:在井式气体渗氮炉中进行,氮化温度500±20℃,氮化时间36h,氨分解率25~35%,渗层厚度0.3~0.4mm。
3、抛光:分别用800目、1200目、2000目的砂纸预磨,最后用W0.5的研磨膏抛光,抛光后表面粗糙度达20~40nm。
4、镀膜:采用中频磁控溅射设备制备TirN薄膜,纯Ti靶(99.99%)作为溅射材料。经前序处理的40Cr为基体材料,并在丙酮中超声清洗三次,每次清洗15min,清洗后迅速吹干并放入腔室。在沉积之前,将基底温度预热到200℃,并用Ar+等离子体对基底进行轰击,清除表面的氧化物及其它污染物。然后沉积200nm左右的Ti层作为过渡层,以提高TiN薄膜与基底之间的结合强度。在沉积TiN薄膜的过程中,设定偏压-100V,溅射电流24A。通入Ar、N2混合气进行反应溅射沉积,溅射气压为0.3Pa,调节N2流量在15sccm,使溅射靶处于微中毒状况。镀膜时间4h,膜厚3.5~4.0μm。
本发明的有益效果是:
1.本发明通过调质预处理获得了较高的基体硬度,提高了TiN薄膜的承载能力。
2.本发明通过渗氮以及沉积Ti过渡层,显著增强了TiN薄膜与40Cr基体的结合强度,大幅度提高了TiN薄膜的使用寿命。
3.本发明工艺流程可操作性强,性价比高,可显著提高40Cr材料的抗植物磨料磨损性能,进而可提高相关农机工作部件的使用寿命与工作效率。
具体实施方式:
实施例1:一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺,其特征在于它的工艺步骤如下:
1、调质:淬火加热温度860℃,保温150分钟,油冷至平衡,油的最大冷却速度为110℃/s,回火温度600℃,保温150分钟,水冷至平衡。
2、渗氮:在井式气体渗氮炉中进行,氮化温度520℃,氮化时间36h,氨分解率30%,渗层厚度0.35mm。
3、抛光:分别用800目、1200目、2000目的砂纸预磨,最后用W0.5的研磨膏抛光,抛光后表面粗糙度达20~40nm。
4、镀膜:采用中频磁控溅射设备制备TirN薄膜,纯Ti靶(99.99%)作为溅射材料。经前序处理的40Cr为基体材料,并在丙酮中超声清洗三次,每次清洗15min,清洗后迅速吹干并放入腔室。在沉积之前,将基底温度预热到200℃,并用Ar+等离子体对基底进行轰击,清除表面的氧化物及其它污染物。然后沉积200nm左右的Ti层作为过渡层,以提高TiN薄膜与基底之间的结合强度。在沉积TiN薄膜的过程中,设定偏压-100V,溅射电流24A。通入Ar、N2混合气进行反应溅射沉积,溅射气压为0.3Pa,调节N2流量在15sccm,使溅射靶处于微中毒状况。镀膜时间4h,膜厚4.0μm。
实施例2:一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺,其特征在于它的工艺步骤如下:
1、调质:淬火加热温度860℃,保温120分钟,油冷至平衡,油的最大冷却速度为95℃/s,回火温度600℃,保温120分钟,水冷至平衡。
2、渗氮:在井式气体渗氮炉中进行,氮化温度500℃,氮化时间36h,氨分解率35%,渗层厚度0.4mm。
3、抛光:分别用800目、1200目、2000目的砂纸预磨,最后用W0.5的研磨膏抛光,抛光后表面粗糙度达20~40nm。
4、镀膜:采用中频磁控溅射设备制备TirN薄膜,纯Ti靶(99.99%)作为溅射材料。经前序处理的40Cr为基体材料,并在丙酮中超声清洗三次,每次清洗15min,清洗后迅速吹干并放入腔室。在沉积之前,将基底温度预热到120℃,并用Ar+等离子体对基底进行轰击,清除表面的氧化物及其它污染物。然后沉积200nm左右的Ti层作为过渡层,以提高TiN薄膜与基底之间的结合强度。在沉积TiN薄膜的过程中,设定偏压-100V,溅射电流20A。通入Ar、N2混合气进行反应溅射沉积,溅射气压为0.3Pa,调节N2流量在15sccm,使溅射靶处于微中毒状况。镀膜时间4h,膜厚3.5μm。
以下为所述实施例的实施效果数据:
磨料磨损试验在MLS-225型湿砂橡胶轮式磨料磨损试验机上进行。试验用植物磨料包括苜蓿草粉、小麦秸秆、玉米秸秆三种,其中苜蓿品种为甘农三号紫花苜蓿、小麦品种为陇春23号,玉米品种为武科2号,金属材料为经不同工艺处理的40Cr钢,金属试件规格为57mm×24.5mm×6mm。将磨料原料经粉碎机粉碎,利用标准分级筛筛取6mm的不同磨料,将磨料含水率调至6%。试验工况为负荷150N、转速200r/min、磨料流量80g/min,每10000r为一磨程,总计5个磨程,试验重复3次。所有试样磨损试验前后浸入丙酮溶液进行超声清洗,采用精度为0.1mg的分析天平称重,磨损前后质量之差即为磨损失重。
试验结果与分析:
表1为试验工况下不同处理工艺的40Cr钢磨损失重检测结果。
表1不同处理工艺的40Cr钢磨损失重
从表1整体可以看出,渗氮后材料表面硬度提高了接近1倍,镀膜后则提高了4~5倍。磨损失重结果表明,渗氮可以可明显提高40Cr钢抵抗3种植物磨料的磨料磨损,而镀膜后材料的耐磨性则提高了几个数量级。相比调质后直接镀膜,经渗氮后镀膜效果更佳,三种磨料的磨损量仅为0.2~0.6mg,比直接调质后镀膜高出30~50倍,这是由于经渗氮后镀层与基体的结合力得到了显著提升,从而使TiN膜的寿命大幅度提升。通过分析试验过程发现,调质+镀膜试样在最后1个磨程时其磨损量有明显增加,可能是TiN膜已有局部剥落的现象,说明在此工艺下镀膜的寿命明显小于经渗氮后镀膜。三种磨料中苜蓿的磨损量最大,这是由于苜蓿的粗纤维含量较高,茎杆壁厚较厚,机械特性优于其它两种磨料,故其在整个磨损过程中对材料的磨损明显高于小麦和玉米磨料。

Claims (1)

1.一种40Cr钢抗植物磨料磨损表面强化工艺,其特征在于它的工艺步骤如下:1.1、调质:淬火加热温度850±10℃,保温130±20分钟,油冷至平衡,油的最大冷却速度为95~110℃/s,回火温度580±20℃,保温130±20分钟,水冷至平衡;1.2、渗氮:在井式气体渗氮炉中进行,氮化温度500±20℃,氮化时间36h,氨分解率25~35%,渗层厚度0.3~0.4mm;1.3、抛光:分别用800目、1200目、2000目的砂纸预磨,最后用W0.5的研磨膏抛光,抛光后表面粗糙度达20~40nm;1.4、镀膜:采用中频磁控溅射设备制备TirN薄膜,纯Ti靶(99.99%)作为溅射材料,经前序处理的40Cr为基体材料,并在丙酮中超声清洗三次,每次清洗15min,清洗后迅速吹干并放入腔室,在沉积之前,将基底温度预热到200℃,并用Ar+等离子体对基底进行轰击,清除表面的氧化物及其它污染物,然后沉积200nm左右的Ti层作为过渡层,在沉积TiN薄膜的过程中,设定偏压-100V,溅射电流24A,通入Ar、N2混合气进行反应溅射沉积,溅射气压为0.3Pa,调节N2流量在15sccm,使溅射靶处于微中毒状况,镀膜时间4h,膜厚3.5~4.0μm。
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