CN111235517B - 一种金属材料的表面改性方法、金属材料及机械零部件 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于金属材料加工技术领域，提供了一种金属材料的表面改性方法、金属材料及机械零部件，该表面改性方法包括以下步骤：对金属材料的表面进行打磨后，再进行超声表面滚压处理；将超声表面滚压处理后的金属材料置于真空度为300~500Pa、温度为500~600℃的条件下，并通入渗入元素气体进行离子硫氮碳共渗处理；所述渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气。本发明通过采用超声表面滚压和离子硫氮碳共渗的复合改性方法，可以加快原子的扩散，改善渗层的均匀性和厚度，从而可有效解决离子硫氮碳共渗技术渗层质量差、扩渗效力低等缺陷。

Description

一种金属材料的表面改性方法、金属材料及机械零部件
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，尤其涉及一种金属材料的表面改性方法、金属材料及机械零部件。
背景技术
离子硫氮碳共渗方法是一种典型的表面改性化学热处理方法，可显著地提高材料的摩擦磨损性能，在工业生产中已被广泛应用。离子硫氮碳共渗实质是渗硫与氮碳共渗的结合，与硫氮共渗相比，其优点在于能使低碳钢零件也得到较好的强化效果。离子硫氮碳共渗是在真空条件下，通过辉光放电，使气体离子化，在电场的作用下离子轰击工件表面，从而渗入工件表面的热处理工艺。在其形成的表面复合层中，外层是较软的硫化物层，内层是较硬的碳氮层或渗氮层。其中外层的硫化物层摩擦系数小、抗咬合能力、抗擦伤能力和减磨性好；而内层的碳氮层或渗氮层具有较高的硬度，能起到很好的支撑作用，并具有较好的耐磨性，从而延长了工件的使用寿命。
然而，传统的离子硫氮碳共渗技术也存在一些需要改善的缺陷，例如热处理过程所需要的时间较长，以及所形成的渗层存在不均匀等问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种金属材料的表面改性方法的制备方法，旨在解决背景技术中提出的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种金属材料的表面改性方法，其包括以下步骤：
对金属材料的表面进行打磨后，再进行超声表面滚压处理；
将超声表面滚压处理后的金属材料置于真空度为300~500Pa、温度为500~600℃的条件下，并通入渗入元素气体进行离子硫氮碳共渗处理；所述渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气。
作为本发明实施例的一种优选方案，所述乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为(1~3):1:(80~160)。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为(1.5~2.5):1:(100~140)。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述步骤中，超声表面滚压处理的方法具体包括：
用滚压头以0.05~0.15r/min进给速度沿打磨后的金属材料的径向进行往复运动，同时使打磨后的金属材料以200~300r/min的转速进行旋转运动。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述超声表面滚压处理的振幅为20~30μm，滚压头的施加压力为300~400N。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述金属材料为42MnCr52钢材。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述42MnCr52钢材包括以下按照质量分数计的组分：C 0.3%~0.5%、Si 0.2%~0.4%、Mn 0.9%~1.1%、Cr 0.4%~0.6%、余量为Fe，各组分的质量分数之和为100%。
本发明实施例的另一目的在于提供一种经由上述表面改性方法改性得到的金属材料。
本发明实施例的另一目的在于提供一种机械零部件，所述机械零部件部分或全部包含上述的金属材料。
本发明实施例提供的一种金属材料的表面改性方法，通过采用超声表面滚压工艺对金属材料的表面进行预处理，可实现通过机械方式诱导金属材料表面发生梯度纳米化。与其他一些纳米化方式相比，该方法能够高效、低成本的获得更深和更均匀的梯度纳米层，并且可以降低试样的表面粗糙度。除此之外，经过超声滚压预处理之后，金属材料表面的晶粒得到不同程度的细化，表面组织在反复轧制的过程发生了严重的塑性变形，随之也会在表面组织中产生较多的非平衡缺陷，如位错、点缺陷等。晶界的增多可以为原子的扩散提供更多的通道，同时其它一些非平衡缺陷的增多也会增加材料的表面活性能，这些因素都为进一步的促进原子的扩散。因此，本发明实施例通过采用超声表面滚压工艺结合离子硫氮碳共渗技术，可以加快原子的扩散，改善渗层的均匀性和厚度，有效解决离子硫氮碳共渗技术渗层质量差、扩渗效力低等缺陷。
综上，本发明实施例通过采用超声表面滚压和离子硫氮碳共渗的复合改性方法，可改善渗层的均匀性和厚度，以及使渗层的力学性能得到了明显的提高，从而可以提高42MnCr52钢材等金属材料的使用寿命。
附图说明
图1为本发明对比例1提供的表面改性方法改性得到的金属材料的截面金相图。
图2为本发明实施例5提供的表面改性方法改性得到的金属材料的截面金相图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
该实施例提供了一种金属材料的表面改性方法，其包括以下步骤：
（1）通过线切割机将金属材料切成直径为200mm的圆板，并置于磨床上将其表面打磨至光滑；其中，金属材料为42MnCr52钢材，其含有的各组分及其质量含量如下：C 0.3%、Si0.2%、Mn 0.9%、Cr 0.4%、Fe 98.2%。
（2）将打磨后的金属材料固定在机床上，调整金属材料在机床中的平行度，并使之做转速为200r/min的旋转运动，接着，预先开启超声滚压设备，调整振幅至20μm，然后对滚压头施加300N的压力使其顶住金属材料中心，并使滚压头沿金属材料的径向以0.05r/min的进给速度进行往复运动6次，以对金属材料进行超声表面滚压处理。其中，超声滚压设备为市售的TJ-2型超声滚压设备，滚压头为直径15mm的硬质合金钢球，另外，滚压头做往复运动的同时要不断的对试样进行油冷却和油润滑。
（3）将超声表面滚压处理后的金属材料切割成直径为24mm、厚度为8mm的小试样，并将其背面用砂纸打磨至光滑，将其滚压面抛光去除氧化膜，接着，放入无水乙醇中进行超声冲洗，然后置于真空度为300Pa的等离子扩渗设备炉内，并通入渗入元素气体，以及将炉内温度升至500℃进行离子硫氮碳共渗处理3h，以完成对金属材料的表面进行改性；其中，渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气，乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为1:1:160。
实施例2
该实施例提供了一种金属材料的表面改性方法，其包括以下步骤：
（1）通过线切割机将金属材料切成直径为200mm的圆板，并置于磨床上将其表面打磨至光滑；其中，金属材料为42MnCr52钢材，其含有的各组分及其质量含量如下：C 0.5%、Si0.4%、Mn 1.1%、Cr 0.6%、Fe 97.4%。
（2）将打磨后的金属材料固定在机床上，调整金属材料在机床中的平行度，并使之做转速为300r/min的旋转运动，接着，预先开启超声滚压设备，调整振幅至20~30μm，然后对滚压头施加400N的压力使其顶住金属材料中心，并使滚压头沿金属材料的径向以0.15r/min的进给速度进行往复运动6次，以对金属材料进行超声表面滚压处理。其中，超声滚压设备为市售的TJ-2型超声滚压设备，滚压头为直径15mm的硬质合金钢球，另外，滚压头做往复运动的同时要不断的对试样进行油冷却和油润滑。
（3）将超声表面滚压处理后的金属材料切割成直径为24mm、厚度为8mm的小试样，并将其背面用砂纸打磨至光滑，将其滚压面抛光去除氧化膜，接着，放入无水乙醇中进行超声冲洗，然后置于真空度为500Pa的等离子扩渗设备炉内，并通入渗入元素气体，以及将炉内温度升至600℃进行离子硫氮碳共渗处理3h，以完成对金属材料的表面进行改性；其中，渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气，乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为3:1:80。
实施例3
该实施例提供了一种金属材料的表面改性方法，其包括以下步骤：
（1）通过线切割机将金属材料切成直径为200mm的圆板，并置于磨床上将其表面打磨至光滑；其中，金属材料为42MnCr52钢材，其含有的各组分及其质量含量如下：C 0.43%、Si 0.29%、Mn 0.98%、Cr 0.53%、Fe 97.78%。
（2）将打磨后的金属材料固定在机床上，调整金属材料在机床中的平行度，并使之做转速为250r/min的旋转运动，接着，预先开启超声滚压设备，调整振幅至25μm，然后对滚压头施加350N的压力使其顶住金属材料中心，并使滚压头沿金属材料的径向以0.1r/min的进给速度进行往复运动6次，以对金属材料进行超声表面滚压处理。其中，超声滚压设备为市售的TJ-2型超声滚压设备，滚压头为直径15mm的硬质合金钢球，另外，滚压头做往复运动的同时要不断的对试样进行油冷却和油润滑。
（3）将超声表面滚压处理后的金属材料切割成直径为24mm、厚度为8mm的小试样，并将其背面用砂纸打磨至光滑，将其滚压面抛光去除氧化膜，接着，放入无水乙醇中进行超声冲洗，然后置于真空度为400Pa的等离子扩渗设备炉内，并通入渗入元素气体，以及将炉内温度升至560℃进行离子硫氮碳共渗处理3h，以完成对金属材料的表面进行改性；其中，渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气，乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为1.5:1:100。
实施例4
该实施例提供了一种金属材料的表面改性方法，其包括以下步骤：
（1）通过线切割机将金属材料切成直径为200mm的圆板，并置于磨床上将其表面打磨至光滑；其中，金属材料为42MnCr52钢材，其含有的各组分及其质量含量如下：C 0.43%、Si 0.29%、Mn 0.98%、Cr 0.53%、Fe 97.78%。
（2）将打磨后的金属材料固定在机床上，调整金属材料在机床中的平行度，并使之做转速为250r/min的旋转运动，接着，预先开启超声滚压设备，调整振幅至25μm，然后对滚压头施加350N的压力使其顶住金属材料中心，并使滚压头沿金属材料的径向以0.1r/min的进给速度进行往复运动6次，以对金属材料进行超声表面滚压处理。其中，超声滚压设备为市售的TJ-2型超声滚压设备，滚压头为直径15mm的硬质合金钢球，另外，滚压头做往复运动的同时要不断的对试样进行油冷却和油润滑。
（3）将超声表面滚压处理后的金属材料切割成直径为24mm、厚度为8mm的小试样，并将其背面用砂纸打磨至光滑，将其滚压面抛光去除氧化膜，接着，放入无水乙醇中进行超声冲洗，然后置于真空度为400Pa的等离子扩渗设备炉内，并通入渗入元素气体，以及将炉内温度升至560℃进行离子硫氮碳共渗处理3h，以完成对金属材料的表面进行改性；其中，渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气，乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为2.5:1:140。
实施例5
该实施例提供了一种金属材料的表面改性方法，其包括以下步骤：
（1）通过线切割机将金属材料切成直径为200mm的圆板，并置于磨床上将其表面打磨至光滑；其中，金属材料为42MnCr52钢材，其含有的各组分及其质量含量如下：C 0.43%、Si 0.29%、Mn 0.98%、Cr 0.53%、Fe 97.78%。
（2）将打磨后的金属材料固定在机床上，调整金属材料在机床中的平行度，并使之做转速为250r/min的旋转运动，接着，预先开启超声滚压设备，调整振幅至25μm，然后对滚压头施加350N的压力使其顶住金属材料中心，并使滚压头沿金属材料的径向以0.1r/min的进给速度进行往复运动6次，以对金属材料进行超声表面滚压处理。其中，超声滚压设备为市售的TJ-2型超声滚压设备，滚压头为直径15mm的硬质合金钢球，另外，滚压头做往复运动的同时要不断的对试样进行油冷却和油润滑。
（3）将超声表面滚压处理后的金属材料切割成直径为24mm、厚度为8mm的小试样，并将其背面用砂纸打磨至光滑，将其滚压面抛光去除氧化膜，接着，放入无水乙醇中进行超声冲洗，然后置于真空度为400Pa的等离子扩渗设备炉内，并通入渗入元素气体，以及将炉内温度升至560℃进行离子硫氮碳共渗处理3h，以完成对金属材料的表面进行改性；其中，渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气，乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为2:1:120。经该表面改性方法改性得到的金属材料可用于加工成机械零部件，以提高机械零部件的综合力学性能。
对比例1
该对比例提供了一种金属材料的表面改性方法，其包括以下步骤：
（1）通过线切割机将金属材料切成直径为200mm的圆板，并置于磨床上将其表面打磨至光滑；其中，金属材料为42MnCr52钢材，其含有的各组分及其质量含量如下：C 0.43%、Si 0.29%、Mn 0.98%、Cr 0.53%、Fe 97.78%。
（2）将打磨处理后的金属材料切割成直径为24mm、厚度为8mm的小试样，并将其背面用砂纸打磨至光滑，接着，放入无水乙醇中进行超声冲洗，然后置于真空度为400Pa的等离子扩渗设备炉内，并通入渗入元素气体，以及将炉内温度升至560℃进行离子硫氮碳共渗处理3h，以完成对金属材料的表面进行改性；其中，渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气，乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为2:1:120。
将对比例1和实施例5改性得到的金属材料进行显微观察，其截面的金相图分别如附图1和附图2所示，通过对比附图1和附图2可以看出，相比于对比例1改性得到的金属材料，实施例5改性得到的金属材料的渗层的厚度以及均匀性得到了明显的改善。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种金属材料的表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
对金属材料的表面进行打磨后，再进行超声表面滚压处理；
将超声表面滚压处理后的金属材料置于真空度为300~500Pa、温度为500~600℃的条件下，并通入渗入元素气体进行离子硫氮碳共渗处理；所述渗入元素气体包括乙醇气体、二硫化碳气体和氨气；
所述乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为(1~3):1:(80~160)；
超声表面滚压处理的方法具体包括：
用滚压头以0.05~0.15r/min进给速度沿打磨后的金属材料的径向进行往复运动，同时使打磨后的金属材料以200~300r/min的转速进行旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于，所述乙醇气体、二硫化碳气体和氨气的体积比为(1.5~2.5):1:(100~140)。
3.根据权利要求1所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于，所述超声表面滚压处理的振幅为20~30μm，滚压头的施加压力为300~400N。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于，所述金属材料为42MnCr52钢材。
5.根据权利要求4所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于，所述42MnCr52钢材包括以下按照质量分数计的组分：C 0.3%~0.5%、Si 0.2%~0.4%、Mn 0.9%~1.1%、Cr 0.4%~0.6%、余量为Fe，各组分的质量分数之和为100%。
6.一种经由如权利要求1~5中任一项所述表面改性方法改性得到的金属材料。
7.一种机械零部件，其特征在于，所述机械零部件部分或全部包含如权利要求6所述的金属材料。
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在氨和酒精、二硫化碳混合蒸汽中进行离子硫碳氮共渗;王卜谦;<<金属热处理>>;19811231(第6期);第7页左栏第1段，一试验装置和试验方法部分，表1 *

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