CN104674159A

CN104674159A - 一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法

Info

Publication number: CN104674159A
Application number: CN201510091811.1A
Authority: CN
Inventors: 陆磊; 陆德平; 廖先金; 周喆; 张林伟; 余玖明; 邹晋; 付青峰
Original assignee: Institute of Applied Physics of Jiangxi Academy of Sciences
Current assignee: Institute of Applied Physics of Jiangxi Academy of Sciences
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2015-06-03

Abstract

一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，所述方法采用电爆炸、气体爆炸、等离子体能量相互叠加对合金钢表面进行处理，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合金钢表面上，使表面熔融气化并与高能粒子发生合金化反应，从而提高合金钢的表面性能，提高其使用寿命。本发明技术方法强化的合金钢表面特点是改性层厚度均匀，金属电极元素渗入合金钢表面，组织细小致密，表面硬度高于基体硬度；耐磨性提高2-5倍。本发明适用于合金钢、高速工具钢等工件的表面处理，能够在机械、制造、航空等领域广泛应用。

Description

一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，用于提高合金钢表面性能和提高其使用寿命，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，人们对提高材料的性能，拓宽其功能，延长工、模具及机械零部件的使用寿命等提出了更高的要求。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。他们大多发生在零部件的表面和近表面，或者先从表面开始，然后向内部扩散而导致零件失效，以至最终影响机械产品的性能、寿命。通过表面强化技术改善工、模具及机械零部件表面性能是提高其使用寿命的一种有效方式，传统的材料表面强化技术主要有激光强化技术、气相沉积薄膜技术、离子束辅助沉积技术、盐浴浸镀法、等离子喷涂及化学涂敷法等表面强化手段。这些技术方法主要是在材料的表面再覆盖一层厚度为几微米的强化薄膜，以强化被覆盖材料的性能，延长刀具的使用寿命。由于强化薄膜附着基体材料上面，强化薄膜结合程度对被强化材料的表面形状、材料表面光洁程度、材料自身的热处理性能要求高，使得生产成本显著增加，在一定程度上影响了镀膜工、模具及机械零部件的使用。因此，开发一种强化工、模具及机械零部件表面性能的新技术具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，从而提高合金钢表面性能和使用寿命。

本发明的技术方案是，本发明一种基于高能叠加的合金钢表面处理方法采用多重高能量叠加对合金钢表面进行处理，利用两种或三种高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合金钢表面上，使表面熔融气化并与高能粒子发生合金化反应，金属电极元素渗入或扩散到合金钢表面，在合金钢表面形成5-55μm厚度的改性层，从而提高合金钢的表面性能，提高其使用寿命。

本发明多重高能量包括电爆炸、气体爆炸的能量和等离子体能量的叠加；电爆炸、气体爆炸和等离子体能量相互叠加的作用下形成高能粒子注入合金钢表面；形成厚度为5-55μm的改性层，其表面组织细小致密。

本发明气体爆炸所需混合燃烧气体是甲烷、乙炔、丙烷或两种以上气体混合与氧气按 1:（1－3）的体积比混合；所述混合燃烧气体的流量为35－80L/min；压力为0.05-0.35MPa。

本发明中产生的高能粒子在爆炸冲击和电磁场的加速作用下，可在大气环境或特定气体中对合金钢工件表面进行强化。

本发明中爆炸所需电极采用纯金属钨、钼、钛、铬及合金；电爆电压≥3kV；处理频率0.1－100ＨＺ。

本发明实施时，合金钢工件不需要进行去油、去锈及对基体的超声清洗预处理。

本发明利用电爆炸、气体爆炸、等离子体能量相互叠加对合金钢表面进行处理，通过两根金属电极丝的电爆炸，使两电极接触部分熔融气化，利用烃类可燃烧气体与氧气按一定比例混合后，通过点火装置在爆炸腔室中使混合气体爆炸，同时，在脉冲高压电源的作用下，腔中的电极间将产生一个极大的脉冲电流，使金属电极电离形成高能粒子，能量密度为10⁴-10⁷W/cm2，并以速度≥4000m/s，高能粒子射流在大气环境中对合金钢表面进行处理。合金钢表面的升温和降温速率分别达到10⁷K/s和10⁸K/s，在高能粒子射流的轰击作用下表面熔融气化，并与高能粒子发生合金化反应，使金属电极元素渗入或扩散到合金钢表面，合金钢的快速加热和迅速冷却也实现了表面的淬火硬化。处理后合金钢表面将形成一层厚度为5-55μm的改性层，其表面晶粒细小而致密，从而提高合金钢的表面硬度、耐磨性及耐腐蚀性等表面性能。

本发明一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法的步骤如下：

（1）确认根据合金钢工件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（如甲烷、乙炔、丙烷或两种及两种以上的混合气体）与氧气按一定比率混合，混合气体的压力：0.05-0.35MPa，流量：35-80L/min，处理频率：0.2-100HZ；

（3）选取高压电源：电压为3kV以上；

（4）确认电爆、气爆炸、等离子体中两种或三种能量进行叠加，选取合适的工艺对合金钢表面进行处理。

本发明的有益效果是，本发明在合金钢表面能形成一定厚度的改性层，实现了金属电极元素对合金钢表面的渗入，其组织细小致密，可作为最后一道处理工艺；本发明克服了涂层与基体材料结合不良导致涂层脱落的问题。本发明采取多能量叠加，能量密度高，强化效率快，工艺简单稳定，可在大气环境或特定的气体氛围中进行；本发明对合金钢工件无需预处理，对工件无尺寸形状限制，可只处理工件边缘部分，大大提高了处理效率，降低了预处理成本，能量利用率高，低耗能，绿色环保，无“三废”排放。

本发明适用于合金钢、高速工具钢等工件的表面处理，能够在机械、制造、航空等领域广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施流程图；

图2（a）为40Cr齿轮截面金相图片；

图2（b）为40Cr齿轮断口扫面电子显微镜（SEM）形貌；

图2（c）为40Cr齿轮改性层能量谱（EDS）图；

图3（a）为M2切纸刀截面金相图片；

图3（b）为摩擦磨损实验摩擦系数变化曲线，其中曲线1为未被处理的M2试样，曲线2为处理后的M2试样；

图4（a）为H13热挤压模具截面金相图片；

图4（b）为H13热挤压模具断口扫面电子显微镜（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，但本发明的保护内容不局限于以下实施例。

实施例1

本实施例具体实施步骤如下：

1、选取低合金钢40Cr齿轮作为处理对象，选用直径为Ф4mm的纯钨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=1:3混合。工艺参数设置为：混合气体压力0.35MPa，流量38L/min。

3、选用4Kv的电压；

4、选用电爆炸、气体爆炸和等离子体三种能量叠加对40Cr齿轮进行表面处理。高能粒子射流以频率为15HZ在大气环境中轰击在齿轮表面上，试样处理时间为30秒；

通过金相显微镜可以看出处理后低合金钢40Cr齿轮表面上的改性层厚度约50μm；利用扫描电子显微镜（SEM）观察处理后40Cr齿轮的断口形貌发现表面组织纳米化，通过能谱仪（EDS）分析发现改性层有钨元素的渗入，如图2。

利用维氏硬度计测量改性层硬度为542.5HV，与基体硬度297HV相比有明显提高。

将处理后40Cr齿轮安装在机床上进行试用，发现强化后齿轮的使用寿命提高2倍。

实施例2

本实施例具体实施步骤如下：

1、选取高速钢M2切纸刀作为处理对象，选用直径为Ф8mm的纯钨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=1:2混合。工艺参数设置为：混合气体压力0.2MPa，流量50L/min。

3、选用4.5Kv的电压；

4、选用气体爆炸和等离子体两种能量叠加对M2切纸刀进行表面处理。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70秒；

通过金相显微镜可以看出处理后高速钢M2切纸刀表面上的改性层厚度约30μm；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3。

将处理后的高速钢M2切纸刀安装在机床上进行试用，发现强化后切纸刀的使用寿命提高2-3倍。

实施例3

本实施例具体实施步骤如下：

1、选取模具钢H13热挤压模具作为处理对象，选用直径为Ф5mm的纯钼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=1:1.5混合。工艺参数设置为：混合气体压力0.250MPa，流量75L/min。

3、选用3Kv的电压；

4、选用电爆炸、气体爆炸和等离子体三种能量叠加对H13热挤压模具进行表面处理。高能粒子射流以频率为18HZ在大气环境中轰击在热挤压模具表面上，试样处理时间为120秒；

通过金相显微镜可以看出处理后H13热挤压模具表面上的改性层厚度约45μm，利用扫描电子显微镜（SEM）观察处理后H13热挤压模具的断口形貌发现表面组织纳米化，如图4。

利用维氏硬度计测量改性层硬度为525.29HV，与基体硬度320HV相比有明显提高。

实施例4

本实施例具体实施步骤如下：

1、选取高速钢M42作为处理对象，选用直径为Ф3mm的钼钨合金丝为可消耗金属电极丝；

2、选用丙烷和甲烷作为可燃烧气体，与氧气按比例（C₃H₈+CH₄）：O₂=1:3.5混合。工艺参数设置为：混合气体压力0.35MPa，流量53L/min。

3、选用4Kv的电压；

4、选用气体爆炸和等离子体两种能量叠加对M42进行表面处理。高能粒子射流以频率为1.5HZ脉冲方式在大气环境中轰击M42表面上，试样处理时间为90s；

将处理后的高速钢M42工具,进行铝材切割试用，强化后使用寿命提高3-5倍。

实施例5

本实施例具体实施步骤如下：

1、选取高速钢M2锯片铣刀作为处理对象，选用直径为Ф2mm的纯钨丝和纯钼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C₂H₂：O₂=1:2.5混合。工艺参数设置为：混合气体压力0.25MPa，流量46L/min。

3、选用3.5Kv的电压；

4、选用电爆炸、气体爆炸和等离子体三种能量叠加对M2锯片铣刀进行表面处理。高能粒子射流以频率为2HZ脉冲方式在大气环境中轰击在铣刀处表面上，试样处理时间为60秒；

将处理后的高速钢M2锯片铣刀安装在机床上进行切割试用，强化后铣刀的使用寿命提高3倍。

Claims

1.一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述方法采用多重高能量叠加对合金钢表面进行处理，利用两种或三种高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合金钢表面上，使表面熔融气化并与高能粒子发生合金化反应，金属电极元素渗入或扩散到合金钢表面，在合金钢表面形成5-55μm厚度的改性层，从而提高合金钢的表面性能，提高其使用寿命。

2.如权利要求1所述的一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述多重高能量包括电爆炸、气体爆炸的能量和等离子体能量的叠加；电爆炸、气体爆炸和等离子体能量相互叠加的作用下形成高能粒子注入合金钢表面。

3.如权利要求1所述的一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述高能粒子能量密度为10⁴-10⁷W/cm²，并以速度为的大于4000m/s，高能粒子射流在大气环境中对合金钢表面进行以一定频率轰击处理；合金钢表面的升温和降温速率分别达到10⁷K/s和10⁸K/s，在高能粒子射流的轰击作用下表面熔融气化，使金属电极元素渗入或扩散到合金钢表面，合金钢的快速加热和迅速冷却也实现了表面的淬火硬化。

4.如权利要求1所述的一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述气体爆炸所需混合燃烧气体是甲烷、乙炔、丙烷或两种以上气体混合与氧气按 1:（1－3）的体积比混合；所述混合燃烧气体的流量为35－80L/min；压力为0.05-0.35MPa。

5.如权利要求1所述的一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述高能粒子在爆炸冲击和电磁场的加速作用下，可在大气环境中对合金钢工件表面进行强化。

6.如权利要求1所述的一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述电爆炸所需电极采用纯金属钨、钼、钛、铬及合金。

7.如权利要求1所述的一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述电爆电压≥3kV；处理频率0.1－100ＨＺ。

8.如权利要求1所述的一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述方法对合金钢工件处理时，不需要进行去油、去锈及对基体的超声清洗预处理。

9.如权利要求1所述的一种基于高能量叠加的合金钢表面处理方法，其特征在于，所述方法对合金钢工件没有尺寸和形状限制，可以只处理工件的边缘部分。