CN105951034A - 一种弹簧钢在低温等离子体下渗碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弹簧钢在低温等离子体下渗碳的方法，属于金属表面处理技术领域。弹簧表面存在脱碳层，其存在严重影响弹簧的各项性能，特别是疲劳性能，弹簧钢的表面脱碳将严重损害弹簧钢的疲劳性能。目前后处理渗碳以弥补脱碳层中碳含量的方法主要有真空高压渗碳、离子渗碳等方法，而这些方法除了仍然存在增碳效果不理想之外，还存在增碳不均匀及可控性能较差的问题。本发明采用等离子体作为渗碳材料对弹簧钢进行渗碳处理，使等离子体在设置的一定的外界条件下渗入弹簧钢表面，从而使弹簧钢表面形成一层均匀的渗碳层。本发明采用丙烷等离子体作为渗碳材料，采用介质阻挡放电型低温等离子发生器产生丙烷等离子体。

Description

一种弹簧钢在低温等离子体下渗碳的方法
技术领域
本发明涉及一种利用低温等离子技术对弹簧钢表面进行渗碳处理的方法，属金属表面处理技术技术领域。
背景技术
弹簧表面存在脱碳层，其存在严重影响弹簧的各项性能，特别是疲劳性能，弹簧钢的表面脱碳将严重损害弹簧钢的疲劳性能，特别是弹簧钢表面出现铁素体可降低疲劳极限50%。而且，随着表面脱碳层深度增加，疲劳寿命下降。这主要是由于在后道淬火工序中,表面脱碳层达不到所要求的硬度及力学强度，在交变应力作用下容易产生裂纹，使弹簧过早疲劳失效。另外，表面层不同部位淬火时膨胀系数不同，引起应力集中，致使全脱碳层与部分脱碳层之间的过度区产生微裂纹，并作为裂纹继续发展的起源，最终引起弹簧的失效断裂。
目前对弹簧钢的脱碳层的应对方法主要还集中在冶炼过程的控制，冶炼过程的控制存在的问题是控制效果不明显且成本较高，而一些后处理渗碳以弥补脱碳层中碳含量的方法主要有真空高压渗碳、离子渗碳等方法，而这些方法除了仍然存在增碳效果不理想之外，还存在增碳不均匀及可控性能较差的问题。
等离子技术是目前一个较为新颖的技术，其广泛应用于金属材料、非金属材料等的表面处理，随着近几年等离子发生技术的提高，等离子技术的应用成本显著降低，这为等离子技术在工业化大规模生产使用提高了基础条件。等离子技术通过对气体的等离子化处理，使气体以等离子状态的形式存在，等离子体具备高活性，高能量及良好的渗透性能，这些条件使等离子体应用于渗碳技术具备绝对优势。
发明内容
本发明的目的是采用等离子体作为渗碳材料对弹簧钢进行渗碳处理，使等离子体在设置的一定的外界条件下渗入弹簧钢表面，从而使弹簧钢表面形成一层均匀的渗碳层。本发明采用丙烷等离子体作为渗碳材料，采用介质阻挡放电型低温等离子发生器制备丙烷等离子体。
本发明是一种弹簧钢在低温等离子下渗碳的方法。其特征在于具有如下的过程和步骤：
a.弹簧钢表面预处理：对弹簧钢样品进行打磨、抛光、除油并用冷风吹干处理，待用。
b.渗碳处理：将处理结束后将样品置于低温等离子发生器中，发生器采用3mm厚的石英玻璃作为阻挡介质，在等离子发生器中通入丙烷、氩气，氩对样品表面同时具有溅射作用，由于氩原子质量大，可有效去除样品表面的钝化膜,使样品表面产生大量的位错,有利于活性碳原子的渗入。两者的比例（体积比）为：H3C8：Ar为1:15—1:55；混合气体流速为15mL/s—30mL/s；发生器温度为760℃—980℃；发生器放电频率为10kHz—20 kHz；放电间隙为0.5mm—2.5mm；当发生器开始放电时，通入发生器中的气体被电离为等离子体，高活性高渗透性的丙烷气体通过弹簧钢样品表面晶界渗入样品表层，形成良好的渗碳层，渗碳时间为5h—9h；渗碳处理结束后，样品在等离子发生器中自然冷却。c.氢气气氛热处理：将样品置于氢气气氛管式炉中对样品进行热处理，热处理温度为800℃—1000℃，保温时间为2h—3.5h；保温结束后，关闭管式炉，使样品在管式炉中自然冷却。然后对样品机械性能进行测试。
本发明具有如下特点：
1、本发明将渗碳工艺及低温等离子技术相结合，利用等离子体高能量、高渗透性的特性，对弹簧钢进行渗碳处理，渗碳效果明显，且通过调整工艺参数，可控制渗碳层的厚度及渗碳层中的碳密度，有效解决了弹簧钢表面脱碳层及传统渗碳工艺存在的缺陷。
2、本发明采用丙烷及氩气等离子体作为渗碳材料，氩气由于其独有的性能，可提高样品表面的位错密度，可有效提高丙烷的渗碳效率。
3、渗碳处理结束后，通过氢气状态下的热处理工艺，不但可去除渗碳层表面的氧化物杂质，而且有效的通过热处理提高渗碳层元素的均匀性，从而进一步提高了渗碳效果。
4、随着低温等离子体发生技术的不断发展，等离子体制备成本大幅度降低，而且本发明操作简便，设备要求低，对环境无污染，所以本发明适宜大规模工业化生产。
具体实施方式
实施例1
对弹簧钢样品进行打磨、抛光、除油并用冷风吹干处理，处理结束后将样品置于低温等离子发生器中，发生器采用3mm厚的石英玻璃作为阻挡介质，在等离子发生器中通入丙烷、氩气，H3C8：Ar为1:15，混合气体流速为15mL/s，发生器温度为760℃，发生器放电频率为10kHz，放电间隙为0.5mm。当发生器开始放电时，通入发生器中的气体被电离为等离子体，高活性高渗透性的丙烷气体通过样品表面晶界渗入样品表层，形成良好的渗碳层，渗碳时间为5h，处理结束后，样品在等离子发生器中自然冷却，冷却后，将样品置于氢气气氛管式炉中对样品进行热处理，热处理温度为800℃，保温时间为3.5h，保温结束后，关闭管式炉，使样品在管式炉中自然冷却。
实施例2
对弹簧钢样品进行打磨、抛光、除油并用冷风吹干处理，处理结束后将样品置于低温等离子发生器中，发生器采用3mm厚的石英玻璃作为阻挡介质，在等离子发生器中通入丙烷、氩气，H3C8：Ar为1:25，混合气体流速为20mL/s，发生器温度为800℃，发生器放电频率为10kHz，放电间隙为1mm。当发生器开始放电时，通入发生器中的气体被电离为等离子体，高活性高渗透性的丙烷气体通过样品表面晶界渗入样品表层，形成良好的渗碳层，渗碳时间为6h，处理结束后，样品在等离子发生器中自然冷却，冷却后，将样品置于氢气气氛管式炉中对样品进行热处理，热处理温度为850℃，保温时间为3.5h，保温结束后，关闭管式炉，使样品在管式炉中自然冷却。
实施例3
对弹簧钢样品进行打磨、抛光、除油并用冷风吹干处理，处理结束后将样品置于低温等离子发生器中，发生器采用3mm厚的石英玻璃作为阻挡介质，在等离子发生器中通入丙烷、氩气，H3C8：Ar为1:35，混合气体流速为20mL/s，发生器温度为880℃，发生器放电频率为15kHz，放电间隙为1.5mm。当发生器开始放电时，通入发生器中的气体被电离为等离子体，高活性高渗透性的丙烷气体通过样品表面晶界渗入样品表层，形成良好的渗碳层，渗碳时间为7h，处理结束后，样品在等离子发生器中自然冷却，冷却后，将样品置于氢气气氛管式炉中对样品进行热处理，热处理温度为900℃，保温时间为3.5h，保温结束后，关闭管式炉，使样品在管式炉中自然冷却。
实施例4
对弹簧钢样品进行打磨、抛光、除油并用冷风吹干处理，处理结束后将样品置于低温等离子发生器中，发生器采用3mm厚的石英玻璃作为阻挡介质，在等离子发生器中通入丙烷、氩气，H3C8：Ar为1:45，混合气体流速为25mL/s，发生器温度为920℃，发生器放电频率为15kHz，放电间隙为2mm。当发生器开始放电时，通入发生器中的气体被电离为等离子体，高活性高渗透性的丙烷气体通过样品表面晶界渗入样品表层，形成良好的渗碳层，渗碳时间为8h，处理结束后，样品在等离子发生器中自然冷却，冷却后，将样品置于氢气气氛管式炉中对样品进行热处理，热处理温度为950℃，保温时间为3.5h，保温结束后，关闭管式炉，使样品在管式炉中自然冷却。
实施例5
对弹簧钢样品进行打磨、抛光、除油并用冷风吹干处理，处理结束后将样品置于低温等离子发生器中，发生器采用3mm厚的石英玻璃作为阻挡介质，在等离子发生器中通入丙烷、氩气，H3C8：Ar为1:55，混合气体流速为30mL/s，发生器温度为980℃，发生器放电频率为20kHz，放电间隙为2.5mm。当发生器开始放电时，通入发生器中的气体被电离为等离子体，高活性高渗透性的丙烷气体通过样品表面晶界渗入样品表层，形成良好的渗碳层，渗碳时间为9h，处理结束后，样品在等离子发生器中自然冷却，冷却后，将样品置于氢气气氛管式炉中对样品进行热处理，热处理温度为1000℃，保温时间为3.5h，保温结束后，关闭管式炉，使样品在管式炉中自然冷却。
对每个实例处理后的样品进行表面宏观及耐蚀性能进行测试，结果如表1所示：

Claims (1)

1.一种弹簧钢在低温等离子体下渗碳的方法，其特征在于具有如下的过程和步骤：
a.弹簧钢表面预处理
首先对弹簧钢样品进行打磨、抛光、除油并用冷风吹干处理，处理结束后待用；
b.渗碳处理
将处理结束后将样品置于低温等离子发生器中，发生器采用3mm厚的石英玻璃作为阻挡介质，在等离子发生器中通入丙烷、氩气，两者的比例（体积比为）H3C8：Ar为1:15—1:55；混合气体流速为15mL/s—30mL/s；发生器温度为760℃—980℃；发生器放电频率为10kHz—20 kHz；放电间隙为0.5mm—2.5mm；当发生器开始放电时，通入发生器中的气体被电离为等离子体，高活性高渗透性的丙烷气体通过弹簧钢样品表面晶界渗入样品表层，形成良好的渗碳层；渗碳时间为5h—9h；处理结束后，样品在等离子发生器中自然冷却；
c.氢气气氛热处理
渗碳结束后将弹簧钢样品置于氢气气氛管式炉中对样品进行热处理，热处理温度为800℃—1000℃，保温时间为2h—3.5h，保温结束后，关闭管式炉，使弹簧钢样品在管式炉中自然冷却。
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