CN111020474B - 一种对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法，包括以下步骤：1、将调质处理后的45钢试样置入等离子真空炉中的阴极盘上，所述等离子真空炉包括阴极盘、Al‑Si合金源极盘、抽气系统、进气系统和冷却系统；2、进行等离子复合渗层处理。本发明采用真空等离子多元复合渗的方法，从45钢表面渗入离子态的N、Al和Si，在钢的表面形成高硬度的AlN、SiC相的复合渗层，提升表面硬度和耐磨性。硬度从原来的220HV提升至820HV‑5以上，深度达到0.1毫米级。处理温度在650℃以下，基本不破坏表面平整度，无需再热处理，无需再加工，实现表面无损化的耐磨处理。

Description

一种对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法
技术领域
本发明涉及低硬度钢材的表面耐磨处理方法，特别涉及一种对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法。
背景技术
机械设备中有许多零部件处于磨损的服役状态，需要用硬度高、耐磨损性能好的材质制造。例如袜机等小型精密机械中的某些小尺寸刀具零件、滑轨匝道等，既需要一定冲击韧度，又需要耐磨，硬度要求62HRC以上(等同于820HV-5以上)，目前大多选用合金工具钢(如Cr12MoV)来制造。合金工具钢材料成本及制造成本都较高，加工前需做球化退火处理、加工后还需做淬火回火处理；即使退火后的加工也并非如碳钢那样的容易。
对钢而言，耐磨性好往往伴随强韧性较差。在既需要强韧性又需要高耐磨性时，表面处理就成为了最优先考虑的方法。强韧性好、切削加工性能好同时价格又便宜的钢，最具代表性的就是45钢。
碳钢的表面硬化处理有表面淬火和化学热处理两类。最典型的是表面淬火、渗碳、渗氮。有以下几种情况可以考虑：
(1)45钢表面淬火：处理后硬度只有52HRC左右，达不到所要求的62HRC，而且表面淬火及低温回火后一般都需要进行精加工。
(2)45钢渗氮：渗氮后的表面硬度只有50HRC左右，达不到所要求的62HRC；
(3)40Cr渗氮：处理后表面硬度可能达到62HRC，但是40Cr在加工过程中由于加工硬化效应逐渐变得明显、致使加工越来越困难。
(4)45钢渗碳：虽然渗碳后的表面硬度可以达到62HRC以上，但是由于本身含碳量高，渗碳时间较长，而且渗碳过程是在900℃以上进行的，易变形，且表面质量在高温下被严重破坏，后期必须进行精加工。
对于那些小型精密耐磨零件，一旦加工成形后尺寸已然较小，再次加工变得困难，有的表面(例如需要耐磨的小尺寸沟槽)甚至已经无法加工了。因此，如何实现能对45钢的表面处理到硬度62HRC以上并达到一定深度，同时不破坏表面光洁度，可无需再加工，是目前小型精密耐磨零件表面处理的主要难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法，包括以下步骤：
步骤1、将调质处理后的45钢试样置入等离子真空炉中的阴极盘上，所述等离子真空炉包括阴极盘、Al-Si合金源极盘、抽气系统、进气系统和冷却系统；
步骤2、开启抽气系统对等离子真空炉内抽真空，等离子真空炉内气压至40-60Pa时启动阴极电源，调节阴极电压至500-700V，进入打弧阶段，持续3-5min；
步骤3、等离子真空炉进入升温阶段，当炉内气氛至530-570℃时，开启源极电源，并调节源极电压至480-520V，炉内气氛至580-620℃开始保温，阴极电压调节至650-750V，占空比调节至55-65％，在恒压恒温及恒定电压下保温4-6小时；保温过程中，当炉壁温度达到60-80℃时开启等离子真空炉冷却水循环系统；
步骤4、达到保温时间后，关闭等离子真空炉源极电源和阴极电源，保持开启等离子真空炉冷却水循环系统，进入冷却降温阶段；3-5小时后关闭真空系统，7-10小时后，从等离子真空炉中取出无损化耐磨处理后的45钢试样。
进一步的，所述Al-Si合金源极盘的源极靶材为过共晶Al-20％Si合金。
进一步的，所述步骤2中的阴极电压为600V。
进一步的，所述步骤3中的源极电压为500V。
进一步的，所述步骤3中的阴极电压为700V。
进一步的，所述步骤3中的占空比为60％。
本发明的有益效果是：本发明采用真空等离子多元复合渗的方法，从45钢表面渗入离子态的N、Al和Si，在钢的表面形成高硬度的AlN、SiC相的复合渗层，提升表面硬度和耐磨性。硬度从原来的220HV提升至820HV-5以上，深度达到0.1毫米级。处理温度在650℃以下，基本不破坏表面平整度，无需再热处理，无需再加工，实现表面无损化的耐磨处理。
附图说明
图1为本发明的真空等离子炉面剖视结构示意图。
附图中，各标号所代表的段件列表如下：
1、内炉筒；2、外炉筒；3、冷却系统；4、进气系统；5、抽气系统；6、阴极盘；7、Al-Si合金源极盘
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一段分实施例，而不是全段的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为自制的真空等离子炉，包括内炉筒1、外炉筒2、冷却系统3、进气系统4、抽气系统5、阴极盘6和Al-Si合金源极盘7。
使用时，将调质处理后的45钢试样置入等离子真空炉中的阴极盘上。密封炉门并锁紧。开启真空泵对炉内抽真空，至50Pa时启动阴极电源，调节阴极电压至600V左右，进入打弧阶段，去除表面的油污和其他微粒子，此过程约3-5min。打弧完毕，进入升温阶段。当炉内气氛550℃时，开启源极电源，并调节源极电压至500V左右。炉内气氛至600℃开始保温，阴极电压调节至700V，占空比调节至60％。在恒压恒温及恒定电压下保温4-6小时。过程中当炉壁传热温度达到约60-80℃时开启冷却水循环系统。达到保温时间后，关闭源极电源、关闭阴极电源。继续水冷循环，进入冷却降温阶段。4小时后关闭真空系统，约8小时后，开启炉门，取出无损化耐磨处理后的45钢试样。
对无损化耐磨处理后的45钢试样进行测试，具体包括两个测试例：
测试1：源极电压500V，阴极电压700V，占空比60％，温度600℃，保温5小时，具体实验数据如下表1所示：
距表面距离(μm) 0 50 100 150
显微硬度(HV-5) 822 789 637 233
测试2：源极电压500V，阴极电压700V，占空比65％，温度650℃，保温7小时：
距表面距离(μm) 0 40 80 120 160
显微硬度(HV-5) 831 803 727 614 230
试样硬度检测表明，表层显微硬度达到822HV-5以上，渗层深度超过0.15mm，从表面到深度0.15mm，显微硬度梯度减小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将调质处理后的45钢试样置入等离子真空炉中的阴极盘上，所述等离子真空炉包括阴极盘、Al-Si合金源极盘、抽气系统、进气系统和冷却系统；
步骤2、开启抽气系统对等离子真空炉内抽真空，等离子真空炉内气压至40-60Pa时启动阴极电源，调节阴极电压至500-700V，进入打弧阶段，持续3-5min；
步骤3、等离子真空炉进入升温阶段，当炉内气氛至530-570℃时，开启源极电源，并调节源极电压至480-520V，炉内气氛至580-620℃开始保温，阴极电压调节至650-750V，占空比调节至55-65％，在恒压恒温及恒定电压下保温4-6小时；保温过程中，当炉壁温度达到60-80℃时开启等离子真空炉冷却水循环系统；
步骤4、达到保温时间后，关闭等离子真空炉源极电源和阴极电源，保持开启等离子真空炉冷却水循环系统，进入冷却降温阶段；3-5小时后关闭真空系统，7-10小时后，从等离子真空炉中取出无损化耐磨处理后的45钢试样，所述45钢试样的表面形成了包含AlN和SiC的复合渗层。
2.根据权利要求1所述的对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法，其特征在于，所述步骤2中的阴极电压为600V。
3.根据权利要求1所述的对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法，其特征在于，所述Al-Si合金源极盘的源极靶材为过共晶Al-20％Si合金。
4.根据权利要求1所述的对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法，其特征在于，所述步骤3中的源极电压为500V。
5.根据权利要求1所述的对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法，其特征在于，所述步骤3中的阴极电压为700V。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的对45钢表面等离子复合渗层无损化耐磨处理的方法，其特征在于，所述步骤3中的占空比为60％。
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