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