CN104593718A - 一种奥氏体不锈钢材料硬化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种奥氏体不锈钢材料硬化方法，包括设置真空渗炉，充入氮气加温通电，低真空进行渗金属及离子氮化的同步复合渗，高真空进行Cr-Ti-Mo复合渗金属处理等步骤，其中真空渗炉包括复合渗透电源，该复合渗透电源为双阴极直流双电源，其中第一阴极连接有渗金属标靶，渗金属标靶中各组分的重量百分比含量分别为Cr：50％-70％，Ti：30％-20％，Mo：20％-10％，第二阴极连接有工件架，以真空渗炉的炉壁为复合渗透电源的阳极，所述炉壁接地；经由本发明所述硬化方法硬化后的奥氏体不锈钢具有硬度高、硬化层较厚；防锈性能好，硬化层能保持不锈钢的性能；工艺简单、易于控制；采用高真空，产品外观与质量高等优点。

Description

一种奥氏体不锈钢材料硬化方法
技术领域
本发明涉及一种材料硬化方法，特别是一种适用于钟表材料奥氏体不锈钢材料的硬化方法。
背景技术
奥氏体不锈钢具有优良的防腐性能，在钟表零件如表座、表带中广泛采用，但奥氏体不锈钢硬度不高，如果直接使用于钟表零件，则容易产生擦伤、划伤。奥氏体不锈钢由于其组织为奥氏体，采用普通热处理时，不会产生相变，因而不能提高其硬度；在其外表施加涂(膜)层(如较硬的气相沉积层)，或镀层(如装饰铬层)可以提高其表面硬度，但这些外加涂(镀)层与基体材料结合力不够，使用时易发生脱落现象，这是不允许的；采用渗氮亦可以提高奥氏体不锈钢表面硬度，但氮与铬形成金属化合物后，不锈钢组织中铬的含量显著降低，使不锈钢不再具有防锈功能。直接采用渗金属处理，难以显著提高其硬度；采用渗金属后再渗氮，仍难以保证奥氏体不锈钢零件各个局部组织中铬的含量在不锈钢允许范围内(组织中含铬量不应低于13％)。
作为精密器件，钟表零件对材料的要求是：(1)防腐性能好，不允许出现任何锈蚀。防锈性能好的钢材组织中含铬量一般不低于13％，钟表零件材料一般采用采用奥氏体不锈钢(组织中含铬量约为18％)；(2)表面硬度高，要求达到1000Hv以上，硬化层厚度不少于0.1mm；(3)硬化层不允许脱落。
但是采用现有技术如常规热处理、气相沉积、渗氮、渗金属处理等都无法满足其要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种适用于钟表材料奥氏体不锈钢材料的硬化方法，以满足钟表零件防锈、耐磨、不脱层等多种综合性能要求。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种奥氏体不锈钢材料硬化方法，包括以下步骤实现：
S1、设置真空渗炉及复合渗透电源，所述复合渗透电源为双阴极直流双电源，其中第一阴极连接有渗金属标靶，第二阴极连接有工件架，所述复合渗透电源的阳极为真空渗炉的炉壁，所述炉壁接地；
所述渗金属标靶为Cr-Ti-Mo复合材料，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：50％-70％，Ti：30％-20％，Mo：20％-10％。
S2、放置待渗不锈钢材料于所述工件架，在所述真空渗炉内充入氮气，调整第一阴极工作电压为600V-700V，第二阴极电压为400V-500V，保持炉内温度为500℃-600℃；
S3、调整所述真空渗炉炉内真空度为1Pa-10Pa，保持3-4h；进行渗金属及离子氮化的同步复合渗；
S4、调整所述真空渗炉炉内真空度为10-1Pa-10-3Pa，保持2-3h；进行Cr-Ti-Mo复合渗金属处理。
作为一种具体实施例，所述步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：70％，Ti：20％，Mo：10％；
所述步骤S2中，调整第一阴极工作电压为600V，第二阴极电压为500V，保持炉内温度为500℃；
所述步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-1Pa。
作为一种具体实施例，所述步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：60％，Ti：25％，Mo：15％；
所述步骤S2中，调整第一阴极工作电压为650V，第二阴极电压为450V，保持炉内温度为550℃；
所述步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-2Pa。
作为一种具体实施例，所述步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：50％，Ti：30％，Mo：20％；
所述步骤S2中，调整第一阴极工作电压为700V，第二阴极电压为400V，保持炉内温度为600℃；
所述步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-3Pa。
相对现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)硬化后材料硬度高、硬化层较厚：采用本方法硬化后的材料可以在奥氏体不锈钢表层形成0.5mm以下的硬化层，硬化层最高硬度可达到2200Hv，其原因是因为硬化层先采用了渗金属与离子氮化同步复合渗，渗金属中的Ti、Mo、Cr与离子氮化中的氮结合形成了非常硬的金属化合物；然后再采用了高真空条件下Ti-Mo-Cr金属复合渗，可以达到很高的硬度，材料非常耐磨。
(2)硬化后材料防锈性能好，采用本方法硬化后的形成的硬化层能保持不锈钢的性能。渗铬与渗氮同步进行，使奥氏体不锈钢组织中铬因与氮形成化合物的减少量与渗铬时铬的补充量能够达到大致的平衡，能够保证不锈钢组织中铬含量不低于13％；同时通过合理设置标靶(Cr-Ti-Mo)，可以做到各处组织均匀，保证硬化后的各处组织仍在不锈钢组织允许的范围内，从而确保其优良的防锈性能。
(3)硬化层结合力好，由于硬化层为渗层，是原基体的一部份，不是镀(涂、膜)层(外加层)，使用中不会出现硬化层脱落的现象。
(4)工艺简单、易于控制，渗金属与离子氮化合二为一，简化了工艺，也易于进行调整和控制。
(5)与普通渗金属与离子氮化不同，本发明采用了低真空与高真空相结合的方式，产品外观平滑，品质好。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明：
实施例1
渗金属，英文：diffusion metallizing，是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。通俗的讲就是使一种或多种金属原子渗入金属工件表层内的化学热处理工艺。将金属工件放在含有渗入金属元素的渗剂中，加热到一定温度，保持适当时间后，渗剂热分解所产生的渗入金属元素的活性原子便被吸附到工件表面，并扩散进入工件表层，从而改变工件表层的化学成分、组织和性能。
渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。现有技术中，气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。
本发明的奥氏体不锈钢材料硬化方法，是结合奥氏体不锈钢材料的特点，对传统渗金属及渗氮技术的改进，具体地说，该方法包括以下步骤实现：
S1、设置真空渗炉及复合渗透电源，所述复合渗透电源为双阴极直流双电源，其中第一阴极为源极，连接有渗金属标靶，第二阴极连接有工件架，所述复合渗透电源以真空渗炉的炉壁为阳极，且使所述炉壁接地；
设置上述渗金属标靶为Cr-Ti-Mo复合材料，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：50％-70％，Ti：30％-20％，Mo：20％-10％。
S2、放置待渗不锈钢材料于所述工件架，在所述真空渗炉内充入氮气作为离子氮化材料，调整第一阴极工作电压为600V-700V，第二阴极电压为400V-500V，保持炉内温度为500℃-600℃；
S3、调整所述真空渗炉炉内真空度为1Pa-10Pa，保持3-4h；进行渗金属及离子氮化的同步复合渗。
该步骤中，渗铬与渗氮同步进行，且奥氏体不锈钢组织中铬因与氮形成化合物的减少量与渗铬时铬的补充量能够达到大致的平衡，能够保证不锈钢组织中铬含量不低于13％，同时由于步骤S1中对渗金属标靶中各金属的合理控制，可以使各处组织均匀，保证硬化后的各处组织仍在不锈钢组织允许的范围内，从而确保其优良的防锈性能。
S4、调整所述真空渗炉炉内真空度为10-1Pa-10-3Pa，保持2-3h；进行Cr-Ti-Mo复合渗金属处理；
通过上述步骤S3和步骤S4，奥氏体不锈钢材料硬化层先经历了渗金属与离子氮化同步复合渗，使得渗金属中的Ti、Mo、Cr与离子氮化中的氮结合形成了非常硬的金属化合物；然后再经历高真空条件下Ti-Mo-Cr金属复合渗，两者共同使得奥氏体不锈钢表层形成0.5mm以下的硬化层，硬化层最高硬度可达到2200Hv，材料非常耐磨。
需要说明的是，除了Cr-Ti-Mo复合材料中各成分配比及各步骤的真空度、温度等工艺参数外，本实施例中对于奥氏体不锈钢材料进行硬化处理的原理和整体过程也适用与本说明书的其他实施例。
实施例2
本实施例与实施例1的不同在于，本实施例所述的奥氏体不锈钢材料硬化方法有以下变化：
步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：70％，Ti：20％，Mo：10％；
步骤S2中，调整第一阴极工作电压为600V，第二阴极电压为500V，保持炉内温度为500℃；
步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-1Pa。
基于上述变化，经过本实施例方法处理的奥氏体不锈钢材料表层硬度在1200Hv以下，渗层厚度0.1mm以下。
实施例3
本实施例与实施例1的不同在于，本实施例所述的奥氏体不锈钢材料硬化方法有以下变化：
步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：60％，Ti：25％，Mo：15％；
步骤S2中，调整第一阴极工作电压为650V，第二阴极电压为450V，保持炉内温度为550℃；
步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-2Pa。
基于上述变化，经过本实施例方法处理的奥氏体不锈钢材料硬度达到1600Hv左右，渗层厚度0.1mm-0.3mm。
4、本实施例与实施例1的不同在于，本实施例所述的奥氏体不锈钢材料硬化方法有以下变化：
步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：50％，Ti：30％，Mo：20％；
步骤S2中，调整第一阴极工作电压为700V，第二阴极电压为400V，保持炉内温度为600℃；
步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-3Pa。
基于上述变化，经过本实施例方法处理的奥氏体不锈钢材料表面硬度达到2000Hv-2200Hv，渗层厚度0.3mm以上。
应该理解，以上实施例所述具体实施方式仅是为了对权利要求书进行清楚、完整的说明，但并不意味着对权利要求书保护范围的限定，凡是基于本发明的发明构思，在本发明基础上进行的与本发明无实质性差别的变形及改造，均属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种奥氏体不锈钢材料硬化方法，其特征在于，包括以下步骤实现：
S1、设置真空渗炉及复合渗透电源，所述复合渗透电源为双阴极直流双电源，其中第一阴极连接有渗金属标靶，第二阴极连接有工件架，所述复合渗透电源的阳极为真空渗炉的炉壁，所述炉壁接地；
所述渗金属标靶为Cr-Ti-Mo复合材料，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：50％-70％，Ti：30％-20％，Mo：20％-10％。
S2、放置待渗不锈钢材料于所述工件架，在所述真空渗炉内充入氮气，调整第一阴极工作电压为600V-700V，第二阴极电压为400V-500V，保持炉内温度为500℃-600℃；
S3、调整所述真空渗炉炉内真空度为1Pa-10Pa，保持3-4h；进行渗金属及离子氮化的同步复合渗；
S4、调整所述真空渗炉炉内真空度为10-1Pa-10-3Pa，保持2-3h；进行Cr-Ti-Mo复合渗金属处理。
2.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢材料硬化方法，其特征在于：
所述步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：70％，Ti：20％，Mo：10％；
所述步骤S2中，调整第一阴极工作电压为600V，第二阴极电压为500V，保持炉内温度为500℃；
所述步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-1Pa。
3.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢材料硬化方法，其特征在于：
所述步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：60％，Ti：25％，Mo：15％；
所述步骤S2中，调整第一阴极工作电压为650V，第二阴极电压为450V，保持炉内温度为550℃；
所述步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-2Pa。
4.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢材料硬化方法，其特征在于：
所述步骤S1中，所述Cr-Ti-Mo复合材料中各组分的重量百分比含量分别为，Cr：50％，Ti：30％，Mo：20％；
所述步骤S2中，调整第一阴极工作电压为700V，第二阴极电压为400V，保持炉内温度为600℃；
所述步骤S4中，调整所述真空渗炉炉内真空度为10-3Pa。
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