CN108441625A - 一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，包括以下步骤：将原始态钢加工切割成试样；将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干；将试样装夹到激光冲击强化试验平台上对表面进行激光冲击处理；将试样置于离子氮化炉中进行离子渗氮处理，随炉冷却至室温。本发明的有益效果是：激光冲击处理使材料表层产生塑性变形，形成高密度位错，晶粒细化甚至产生纳米晶，为氮原子扩散提供扩散通道，并降低扩散激活能，从而显著提高渗氮效率，具有高效、节能的优势。

Description

一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺
技术领域
本发明涉及一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺。
背景技术
在工程应用中，离子渗氮是一种应用较为广泛的表面热处理技术，通过气体辉光放电现象产生活性氮原子，在工件表面富集并不断向基体内部扩散，形成渗氮层。离子渗氮能显著提高金属零部件耐磨性和服役寿命，具有渗氮温度较低、渗层均匀、绿色环保等诸多优点，但渗速低和工艺周期长是制约该技术发展的难题，需要探索和改进渗氮工艺来提高离子渗氮效率。
近年来，将喷丸(喷砂)与离子渗氮进行复合处理的技术得到了迅猛发展。工件经过喷丸(喷砂)处理后，表层产生的残余压应力增加了位错密度，再进行离子渗氮，能够有效提高渗层厚度。激光冲击强化(又称激光喷丸)通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，是一种新型的表面强化技术。它具有非接触、无热影响区、能耗低、可控性强以及强化效果显著等突出优点。与传统的喷丸(喷砂)处理相比，激光冲击后产生的残余压应力更高，影响层更深，且位错结构更加稳定、密集、均匀。
通过激光冲击产生的位错增多，晶粒细化为氮原子扩散提供通道，可以预测，激光冲击可能是提高离子渗氮效率的有效措施，目前没采用激光冲击预处理对离子渗氮催渗的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于上述离子渗氮渗速低和工艺周期长的问题，本发明提供一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，通过对工件表面进行激光冲击处理获得较高的残余压应力，使材料表面点阵严重畸变，增加位错密度，晶粒细化，为氮原子扩散提供通道，提高离子渗氮效率。
本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，包括以下步骤：
(1)将原始态钢加工切割成试样。原始态钢为合金调质钢的一种，优选42CrMo钢，试样尺寸为10mm×10mm×5mm。
(2)将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干；调质处理为先升温至860℃保温12min，油冷至室温，再升温至600℃保温30min，空冷至室温。打磨处理为将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，在有机溶剂中进行超声清洗为将试样浸泡于20ml的丙酮中进行超声波清洗15min去除油污。
(3)将试样装夹到激光冲击强化试验平台上对表面进行激光冲击处理；激光冲击处理为采用高功率密度、短脉冲的激光通过透明约束层作用于试样表面涂覆的吸收保护涂层上，保护涂层吸收激光能量，诱导产生高强度的等离子体运动波，作用于试样表面。
(4)将试样置于离子氮化炉中进行离子渗氮处理，处理完成后冷却至室温。离子渗氮处理具体操作为：抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，氢气流量为500ml/min，炉内压力保持300Pa；关闭氢气，通入氮气和氢气混合气体，氮气、氢气的流量分别为200ml/min和600ml/min，压力保持为400Pa，温度为500℃，时间为4h。
步骤(3)中，所述激光波长为1064nm，脉冲宽度为10～30ns，激光能量为3～10J，光斑形状圆形，直径为3mm；等离子体冲击波按照一定路径作用待处理区域，光斑搭接率为50％。
步骤(3)中，所述保护涂层为厚度100μm的黑胶带，作用是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收；约束层为厚度2mm的均匀流水层，约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力，并反射冲击波从而延长其作用时间。
步骤(4)中，所述冷却方式为随炉冷却，冷却后采用DMI-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。
本发明的有益效果是：
(1)通过对材料表面进行激光冲击处理，使其发生塑性变形，产生压应力使材料表面位错密度增加；晶粒细化甚至产生纳米晶；高体积分数的晶界、高密度位错为氮原子扩散提供了理想的通道，显著提高了材料表面氮元素的渗入浓度、深度，明显改善渗层组织不均匀的问题；
(2)离子渗氮时，氮化物优先在位错处形核，位错密度的增加提高了氮化物的形核率，且减小了形核尺寸；与此同时，材料表面较高的自由能改变了渗氮的热力学条件，降低了扩散激活能，促使渗氮反应快速进行；
(3)相同的离子渗氮工艺下，激光冲击预处理能明显增加渗层厚度，缩短处理时间，具有显著的工程应用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是42CrMo钢500℃、4h条件下离子渗氮的渗层显微组织图；
图2是实施例1得到的渗层显微组织图；
图3是实施例2得到的渗层显微组织图。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
(1)将原始态钢加工成尺寸为10mm×10mm×5mm的试样；
(2)将试样进行调质处理，先升温至860℃保温12min，随即油冷，再升温至600℃保温30min，空冷至室温；
(3)将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，去离子水清洗并浸泡于20ml的丙酮中进行超声波清洗15min去除油污，吹干待用；
(4)将试样装夹到激光冲击强化试验平台上，设置激光波长1064nm，脉冲宽度10ns，激光能量3J，光斑形状圆形，光斑直径3mm，光斑搭接率50％；激光通过透明的流水层作用于试样表面涂覆的黑胶带涂层上，黑胶带涂层吸收激光能量，诱导产生高强度的等离子体运动波，作用于试样表面；
(5)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，氢气流量为500ml/min，炉内压力保持300Pa；关闭氢气，通入氮气和氢气混合气体，氮气、氢气的流量分别为200ml/min和600ml/min，压力保持为400Pa，待温度升到500℃开始计时，进行4h离子渗氮；处理完成后随炉冷却至室温，采用DMI-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。
实验结果：经激光冲击处理后再进行离子渗氮，化合物层厚度达到约8.4μm，见图2，形成的渗层厚度加深，渗层组织致密，该工艺所获得的化合物层厚度约等于传统离子渗氮的123％；常规离子渗氮渗层显微组织图见图1。
实施例2
(1)将原始态钢加工成尺寸为10mm×10mm×5mm的试样；
(2)将试样进行调质处理，先升温至860℃保温12min，随即油冷，再升温至600℃保温30min，空冷至室温；
(3)将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，去离子水清洗并浸泡于20ml的丙酮中进行超声波清洗15min去除油污，吹干待用；
(4)将试样装夹到激光冲击强化试验平台上，设置激光波长1064nm，脉冲宽度30ns，激光能量10J，光斑形状圆形，光斑直径3mm，光斑搭接率50％；激光通过透明的流水层作用于试样表面涂覆的黑胶带涂层上，黑胶带涂层吸收激光能量，诱导产生高强度的等离子体运动波，作用于试样表面；
(5)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，氢气流量为500ml/min，炉内压力保持300Pa；关闭氢气，通入氮气和氢气混合气体，氮气、氢气的流量分别为200ml/min和600ml/min，压力保持为400Pa，待温度升到500℃开始计时，进行4h离子渗氮。处理完成后随炉冷却至室温，采用DMI-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。
实验结果：经激光冲击处理后再进行离子渗氮，化合物层厚度达到约11.8μm，见图3，形成的渗层厚度加深，渗层组织致密，该工艺所获得的化合物层厚度约等于传统离子渗氮的173％。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：包括以下步骤：
(1)将原始态钢加工切割成试样；
(2)将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干；
(3)将试样装夹到激光冲击强化试验平台上对表面进行激光冲击处理；
(4)将试样置于离子氮化炉中进行离子渗氮处理，处理完成后冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：所述的步骤(1)中原始态钢为合金调质钢的一种，优选42CrMo钢，试样尺寸为10mm×10mm×5mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：所述的步骤(2)中调质处理为先升温至860℃保温12min，油冷至室温，再升温至600℃保温30min，空冷至室温。
4.根据权利要求1所述的一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：所述的步骤(2)中打磨处理为将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，在有机溶剂中进行超声清洗为将试样浸泡于20ml的丙酮中进行超声波清洗15min去除油污。
5.根据权利要求1所述的一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：所述的步骤(3)中激光冲击处理为采用高功率密度、短脉冲的激光通过透明约束层作用于试样表面涂覆的吸收保护涂层上，保护涂层吸收激光能量，诱导产生高强度的等离子体运动波，作用于试样表面。
6.根据权利要求1所述的一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：所述的步骤(3)中激光冲击处理所述激光波长为1064nm，脉冲宽度为10～30ns，激光能量为3～10J，光斑形状圆形，直径为3mm；等离子体冲击波按照一定路径作用待处理区域，光斑搭接率为50％。
7.根据权利要求1所述的一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：所述的步骤(3)中激光冲击处理的保护涂层为厚度100μm的黑胶带，作用是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收；约束层为厚度2mm的均匀流水层，约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力，并反射冲击波从而延长其作用时间。
8.根据权利要求1所述的一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：所述的步骤(4)中离子渗氮处理具体操作为：抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，氢气流量为500ml/min，炉内压力保持300Pa；关闭氢气，通入氮气和氢气混合气体，氮气、氢气的流量分别为200ml/min和600ml/min，压力保持为400Pa，温度为500℃，时间为4h。
9.根据权利要求1所述的一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，其特征是：所述的步骤(4)中冷却方式为随炉冷却，冷却后采用DMI-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。
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