CN104651572B - 一种强化碳素钢工件表面性能的方法 - Google Patents

一种强化碳素钢工件表面性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种强化碳素钢工件表面性能的方法，用高能量叠加处理碳素钢表面，采用双极可消耗金属电极，使电极熔融气化，再利用混合燃烧气体的爆炸和脉冲高压的尖端放电，使可消耗金属电极形成高能粒子，高能粒子在混合燃烧气体的爆炸冲击及电磁场的加速作用下，以超高能量密度和速度作用于碳素钢工件表面后发生合金化反应，从而提高碳素钢工件的表面性能。本发明强化的碳素钢工件表面形成厚度55－100μm的均匀改性层，改性层分为两个区域，外层组织是隐针马氏体，且有金属电极元素渗入，内层是不完全淬火区，无金属元素渗入，表面改性层组织细小致密；表面硬度高于基体硬度；耐磨性提高3倍。本发明适用于碳素钢工件的表面处理，能在机械、航空等领域广泛应用。

Description

一种强化碳素钢工件表面性能的方法
技术领域
本发明涉及一种强化碳素钢工件表面性能的方法，用于提高碳素钢表面性能，属于金属材料表面处理技术领域。
背景技术
随着高新技术的飞速发展，人们对材料表面性能的要求也越来越高，特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下，许多零部件的失效往往是由于材料表面不能胜任苛刻的服役条件所致，例如耐磨、耐蚀和表面氧化等。材料表面的局部损坏加速了整个零部件的失效，最终导致整套设备的停产，对工业生产造成重大损失。因此，采用合适的表面处理方法提高材料表面性能的需求显得尤为迫切。目前，常用的材料表面强化技术有高能束表面强化技术（激光、离子束、电子束等），主要是通过极大的能量密度瞬间提供给材料表面，使材料发生相变硬化、表面合金化和快速凝固效果；化学热处理技术，通过将材料加热至一定温度后使其与介质发生一定的化学反应，根据需要对材料表面渗入一定量的其他元素，从而改善材料表层的化学成分、性能与组织，进而提高材料表面的耐磨性、抗氧化和耐蚀性等性能；表面气相沉积技术，主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），它是在材料表面沉积一层厚度很薄的薄膜。这些技术目前得到了广泛的应用，但都存在工艺复杂、生产效率不高、能量利用率低、设备昂贵、成本高等问题。
因此，开发一种新型的大气环境下表面强化技术，使材料表面获得更优的综合机械性能，更好的耐磨性，提高使用寿命，同时又能提高机械加工效率，降低生产成本，显得非常迫切和具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是，根据现有金属材料表面处理存在的问题，本发明提出一种强化碳素钢工件表面性能的方法。
本发明的技术方案是，一种强化碳素钢工件表面性能的方法，采用多重高能量相互叠加对碳素钢表面进行处理，利用多重能量叠加使可消耗金属电极形成高能粒子，高能粒子在混合燃烧气体的爆炸冲击及电磁场的加速作用下，以高能量密度和速度轰击在碳素钢表面上，使表面熔融气化并与高能粒子发生合金化反应，在大气环境或特定气体中对碳素钢工件表面进行强化，在碳素钢工件表面形成55－100μm的改性层；从而提高碳素钢的表面性能，提高其使用寿命。
本发明方法能在碳素钢工件表面形成均匀的改性层。改性层分为两个区域，外层组织是隐针马氏体，且有金属电极元素渗入；内层是不完全淬火区，无元素渗入，表面改性层组织细小致密。
本发明的多重高能量包括电爆炸、气体爆炸的高能量和等离子体能量。
本发明产生的高能粒子的高能量密度为104-107W/cm2，高能粒子流的速度为3000-8000m/s。高能粒子在爆炸冲击和电磁场的加速作用下，在大气环境或特定气体中对碳素钢工件表面进行强化。
本发明形成气体爆炸的混合燃烧气体是甲烷、乙烷、丙烷或两种以上气体混合与氧气和空气按1:（3－5）的体积比混合。
本发明中电爆炸采用钨合金、钼合金、钛合金或镍合金作为消耗电极棒，在电爆炸、气体爆炸、等离子体能量相互叠加的作用下形成高能粒子注入碳素钢工件表面；碳素钢表面的升温和降温速率分别达到107K/s和108K/s。
本发明中电爆炸的电压大于1kv；所述电爆处理时间为20－30秒。
本发明采用电爆炸、气体爆炸、等离子体能量相互叠加对碳素钢表面进行处理，利用两种或三种能量叠加使可消耗金属电极形成高能粒子，高能粒子在混合燃烧气体的爆炸冲击及电磁场的加速作用下，以高能量密度和速度轰击在碳素钢表面上，使表面熔融气化并与高能粒子发生合金化反应，通过上述过程可实现工件表面的快速淬火、元素渗入和微合金化，在表面形成与基体组织不同的、厚度均匀的纳米级改性层，从而提高碳素钢工件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗氧化性等表面性能。
本发明一种基于高能量叠加处理碳素钢表面的方法，所述方法步骤如下：
（1）确认电爆炸参数，将待加工碳素钢工件安装在工作台上，选取可消耗金属电极材料成分；
（2）选取气体爆炸参数，确认可燃烧气体（如CH4、C2H2、C3H8或及其混合气体）与氧气按一定比率混合，混合气体的压力：0.35-0.75MPa，流量：23-35L/min，爆炸频率：0.2-50HZ；
（3）选取等离子体能量参数，给定高压参数：≥1KV；
（4）将电爆炸、气体爆炸、等离子体中两种或三种能量进行叠加，选取合适的工艺对碳素钢表面进行处理。
本发明的有益效果是，本发明在碳素钢表面形成厚度为55-100μm左右的均匀改性层，改性层可分为两个区域，外层组织是隐针马氏体，且有金属电极元素渗入，内层是不完全淬火区，无元素渗入，表面改性层组织细小致密。本发明与传统的表面强化技术相比具有结合力强、能量利用率高、可在大气环境或特定气体氛围中进行，节能环保。本发明可处理复杂工件，无尺寸形状限制，无需对工件表面进行除锈、除蚀、加热等预处理，处理后工件变形小；
本发明适用于碳素钢工件的表面处理，可广泛应用在机械、制造、航空等领域。
附图说明
图1为高能量叠加处理碳素钢表面流程框图；
图2为强化后的碳素钢T8切纸刀截面扫描电子显微图片（SEM）；
图3（a）碳素钢T8切纸刀改性层的扫描电子显微图片（SEM）；
图3（b）为T8切纸刀改性层能量谱（EDS）图；
图4为碳素钢T8摩擦磨损实验摩擦系数变化曲线；
图5（a）为强化后的45钢齿轮截面扫描电子显微图片（SEM）；
图5（b）为45钢齿轮断口SEM形貌。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实例1
（1）选取碳素工具钢T8切纸刀作为处理对象，选用直径为Ф8mm的钨合金丝为可消耗金属电极丝；
（2）选用丙烷作为可燃烧气体，与氧气按比例C3H8：O2=1:5混合。工艺参数设置为：混合气体压力0.35MPa，流量23L/min。
（3）选用5kv的脉冲高压电源；
（4）选用电爆炸、气体爆炸和等离子体三种能量叠加对T8切纸刀进行表面处理。调整脉冲等离子体枪喷口与切纸刀的距离为50mm，高能粒子射流以频率为5HZ脉冲方式在大气环境中轰击在切纸刀表面上，试样处理时间为30s；
利用扫描电子显微镜（SEM）观察处理后T8切纸刀的截面形貌，通过图2可以看出，改性层厚度约55-60μm，通过如图3（a）可以看出改性层分为两层，最外层约3-5μm，中间层为45-50μm，表面组织纳米化，通过能谱仪（EDS）分析发现最外层有钨元素的渗入，如图3（b）。
利用维氏硬度计测量改性层硬度为843.46HV，与基体硬度399.4HV相比有明显提高。
利用MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机进行磨损实验，发现耐磨性提高2倍，表面摩擦系数明显降低，如图4。
将处理后T8切纸刀对刀刃处进行轻微的打磨后，在印刷厂进行试用，与未被强化的T8切纸刀相比，其使用寿命提高2倍。
实例2
（1）选取碳素工具钢T10丝锥作为处理对象，选用直径为Ф4mm的钨合金丝为可消耗金属电极丝；
（2）选用甲烷作为可燃烧气体，与氧气按比例CH4：O2=1:3.5混合。工艺参数设置为：混合气体压力0.5MPa，流量35L/min。
（3）选用4kv的脉冲高压电源；
（4）选用电爆炸、气体爆炸和等离子体三种能量叠加对T10丝锥进行表面处理。调整脉冲等离子体枪喷口与丝锥的距离为80mm，丝锥以每分钟五圈的速度自转，以频率为15HZ脉冲方式在大气环境中轰击在丝锥表面上，试样处理时间为20s；
将处理后T10丝锥安装在机床上进行试用，与未被强化的T8切纸刀相比，其使用寿命提高2-4倍。
实例3
（1）选取45钢齿轮作为处理对象，选用直径为Ф4mm的钼合金丝为可消耗金属电极丝；
（2）选用丙烷作为可燃烧气体，与氧气按比例C3H8：O2=1:5混合。工艺参数设置为：混合气体压力0.75MPa，流量30L/min。
（3）选用3kv的电压；
（4）选用气体爆炸和等离子体两种能量叠加对45钢齿轮进行表面处理。调整脉冲等离子体枪喷口与齿轮的距离为60mm，齿轮以每分钟十圈的速度自转，高能粒子射流以频率为10HZ脉冲方式在大气环境中轰击在45钢齿轮表面上，试样处理时间为20s；
利用扫描电子显微镜（SEM）观察处理后试样的截面形貌，通过图5（a）可以看出，改性层深度约为50μm， 45钢齿轮的断口形貌发现表面组织纳米化，如图5（b）。
利用维氏硬度计测量改性层硬度676.34HV，与基体硬度455HV相比有明显提高。
将强化后45钢齿轮安装在机床中进行试用，与未被强化的45钢齿轮相比，其使用寿命提高3倍。

Claims (4)

1.一种强化碳素钢工件表面性能的方法，其特征在于，所述方法采用多重高能量相互叠加对碳素钢表面进行处理，利用多重能量叠加使可消耗金属电极形成高能粒子，高能粒子在混合燃烧气体的爆炸冲击及电磁场的加速作用下，以高能量密度和速度轰击在碳素钢表面上，使表面熔融气化并与高能粒子发生合金化反应，在大气环境或特定气体中对碳素钢工件表面进行强化，在碳素钢工件表面形成55－100μm的改性层；从而提高碳素钢的表面性能，提高其使用寿命；
所述多重高能量包括电爆炸、气体爆炸的高能量和等离子体能量。
2.如权利要求1所述的一种强化碳素钢工件表面性能的方法，其特征在于，所述气体爆炸所需的混合燃烧气体是甲烷、乙烷、丙烷或两种以上气体混合与氧气和空气按1:(3－5)的体积比混合。
3.如权利要求1所述的一种强化碳素钢工件表面性能的方法，其特征在于，所述电爆炸采用钨合金、钼合金、钛合金或镍合金作为消耗电极棒，在电爆炸、气体爆炸、等离子体能量相互叠加的作用下形成高能粒子注入碳素钢工件表面。
4.如权利要求1所述的一种强化碳素钢工件表面性能的方法，其特征在于，所述电爆的电压大于1kV；所述电爆处理时间为20－30秒。
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