CN111500973A - 一种奥氏体不锈钢表面改性的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属材料表面改性的制造方法，该方法采用高压磨料水射流‑离子氮化复合处理的制造方法对金属材料表面进行改性，进行表面强化，虽然采用高压磨料水射流‑离子氮化复合处理后增加了金属材料表面的的粗糙度，但处理后的金属材料由于表面加工硬化，抗塑性变形能力提高，金属材料硬度提高，同时表面形成凹槽织构，在摩擦过程中对磨屑有一定的收集作用，其摩擦因数一直保持平稳，表明采用高压磨料水射流‑离子氮化复合处理的制造方法处理后有较好的抗磨减摩作用。采用高压磨料水射流‑离子氮化复合处理的金属磨损痕迹较浅，并且磨损轨迹呈现不均匀状。渗氮处理后的金属硬度提高，在摩擦的过程中会产生硬度较高的磨屑，并进一步细化为磨粒，增加了磨损，从而提高了摩擦因数。表明采用高压磨料水射流‑离子氮化复合处理改性层对金属材料基体有较好的保护作用，提高了金属材料的承载力及耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及到一种奥氏体不锈钢材料的领域，特别是一种奥氏体不锈钢表面改性的制造方法。
背景技术
奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能和工艺性能，在氧化性和还原性介质中均表现出较好的耐蚀性。此外，奥氏体不锈钢制品表面光洁度高，容易清洁与维护。因此，奥氏体不锈钢在工业、民用、国防等诸多领域得到了广泛应用，已成为不锈钢中种类较多、使用量最大的一种钢材，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及使用量的一半以上。但是，奥氏体不锈钢表面硬度低、摩擦因数大、耐磨性差等缺点已限制了其在摩擦零部件制作方面的应用。基于磨损损伤发生于材料表面，表面工程技术因能够赋予材料表面全新组织、成分和性能，从而被广泛用于提高奥氏体不锈钢的耐磨性。目前在奥氏体不锈钢中已获得应用的表面技术有：化学热处理、喷涂、堆焊、激光熔覆、PVD沉积硬质涂层、表面纳米化、摩擦搅拌表面强化等。尽管上述表面技术在工艺原理上存在差异，但根据其出发点及防护效果可将它们都归类为面向问题或正向的表面设计思路。即通过增加表面硬度的方式来强化表面，在一定程度上提高了奥氏体不锈钢在低载荷、无冲击条件下的耐磨性。奥氏体不锈钢硬度较低，高硬度的涂镀型改性层与不锈钢基体材料之间性质的差异，使改性层内应力增大，协同变形能力减弱，特别是冲击、高应力存在的情况下，极易出现改性层压溃、开裂、剥落等现象。而改性层一旦发生上述损坏，剥离出的硬质碎屑成为磨粒会进一步加剧磨损。高硬度的改性层又会对与其配副的摩擦对偶产生磨损，进而影响摩擦配副的正常使用，加速其失效。可见，借助表面技术改善奥氏体不锈钢耐磨性，不能简单地依靠提高表面硬度，而应当根据具体工况制备合适的表面改性层。显然，获得强韧兼顾、硬度适中、结合牢固的表面改性层，对于拓展奥氏体不锈钢作为摩擦材的应用，实现合理的摩擦学设计具有显著意义。
高压水射流技术是近年来发展形成的一种奥氏体不锈钢表面改性方法，磨料水射流利用水为工作介质，通过高压发生装置获得巨大能量，然后通过供料和混合装置把磨料加入到高压水射流中，形成液固两相混合射流，依靠磨料和高压水射流的高速冲击和冲刷，实现去除工件表面材料和修饰加工的一种加工方法。
发明内容
本发明所解决的是如何改善奥氏体不锈钢表面摩擦学性能的技术问题，提供一种采用高压水射流与离子氮化技术相结合的奥氏体不锈钢表面改性的制造方法。
本发明是采用以下技术方案实现的：
一种采用磨料水射流-离子氮化复合处理对奥氏体不锈钢表面摩擦性能的方法，具体步骤：
S100、奥氏体不锈钢的预处理；对所加工的奥氏体不锈钢进行预处理，将材料为316不锈钢棒料，经HA400电火花线切割机加工为Ф35mm×5mm的试样，经SiC水砂纸打磨到1000号，并去除附着在所加工奥氏体不锈钢表面的油脂、锈点和杂质。
S200、生成奥氏体不锈钢表面改性层；采用高压磨料水射流-离子氮化复合处理方法生成奥氏体不锈钢表面改性层。
S300、奥氏体不锈钢的封存；将生成表面改性层的奥氏体不锈钢放入丙酮溶液中清洗5-10分钟后烘干，并将烘干后的上述奥氏体不锈钢进行真空封存。
S400、奥氏体不锈钢表面的检测；
上述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，所述步骤S100包括：
S101、去除奥氏体不锈钢表面油脂，用金属除脂溶剂去除该奥氏体不锈钢表面油脂后，将该金属放入无污染的四氯乙烯溶液中浸泡20-30分钟，之后将其取出用干净的绸布擦拭干净。
上述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，所述步骤S100包括：
S102、去除奥氏体不锈钢表面的锈点，用金属除锈清洗剂进行浸泡10-20分钟，取出后擦拭干净，使得其表面没有锈点。
上述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，所述步骤S100包括：
S103、去除奥氏体不锈钢表面的杂质，将奥氏体不锈钢放入丙酮溶剂中，用超声清洗20-40分钟后取出，用干净绸布擦干。
上述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，所述步骤S100包括：
S104、超声清洗，将该奥氏体不锈钢放入无水乙醇中，超声清洗20-40分钟取出，之后冷风干燥备用。
上述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，所述步骤S200包括：
S201、采用奥拓福高压水射流发生装置，将供丸装置与水刀进砂口相连，在供丸装置中放入适量金刚砂，利用金刚砂自重开启砂伐后，高压水射流喷射时产生的负压使金刚砂进入混合室，最终形成混合射流并通过水刀喷嘴喷射到奥氏体不锈钢试样表面。其中所采用高压水射流发生装置以喷射角度为90°的直线循环喷射方式对试样进行表面处理，从而形成表面织构改性层。
上述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，所述步骤S200包括：
S202、采用双层辉光离子渗金炉对金属试样进行等离子渗氮，打开真空泵将炉内抽至真空，同时开启循环冷却系统，直至炉内真空小于10Pa，接通电源并调整电压，温度达到520℃后，进行30min的预溅射处理，通入氨气，调节气体流量使真空室的工作气压保持在500Pa，渗氮过程中保温时间为8h，同时采用WDL-3型光电温度计测量实时温度(300℃～600℃)。
对通过使用高压磨料水射流-离子氮化复合处理的奥氏体不锈钢进行磨损失重检测，并与采用不同表面处理方法的奥氏体不锈钢试样进行对比。
进行表面硬度测量，表面显微硬度测量选用莱州华银实验仪器有限公司的HR-150A洛氏显微硬度计进行测量，对每个试样测量5个点，取平均值。
进行表面粗糙度测量，试样表面粗糙度选用JB-4C表面粗糙度测量仪进行测量，试样测量5次，取平均值。
进行表面划痕测量，采用划痕仪测试试样的结合强度，采用VHX-600E超景深显微镜观察划痕形貌，判断临界载荷。
上述方案中，所述奥氏体工件为316奥氏体不锈钢。
上述方案中，所述316奥氏体不锈钢为圆柱状，复合处理后表面会形成连续的凹槽。
本发明的实用意义：磨料水射流-离子渗氮复合处理能显著改善316不锈钢的摩擦学性能。316不锈钢试样表面显微硬度均有所增加，硬度得到大幅度提升。复合处理试样表面粗糙度的增大，而离子渗氮处理对试样表面粗糙度的影响较小，复合处理后的不锈钢会出现较低的摩擦因数和磨损量，并且磨损轨迹较浅，没有黏着现象。
附图说明
图1为本方法制造流程图
图2为高压磨料水射流-离子氮化复合处理示意图
图3为未进行处理的奥氏体不锈钢基体表面形貌图
图4为高压磨料水射流-离子氮化复合处理后的奥氏体不锈钢表面形貌图
图5为未进行处理的奥氏体不锈钢摩擦系数图
图6为高压磨料水射流-离子氮化复合处理后的奥氏体不锈钢摩擦系数图
图7为高压磨料水射流-离子氮化复合处理后的奥氏体不锈钢磨损失重图
图8为采用高压磨料水射流-离子氮化复合处理后和未采用复合处理的奥氏体不锈钢表面硬度图
其中附图2说明：奥氏体不锈钢表面初始状态为粗晶结构，先经过高压磨料水射流进行处理，将奥氏体不锈钢表面状态由粗晶转变为细晶，然后再通过离子氮化处理对奥氏体不锈钢表面进行处理。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
现以316奥氏体不锈钢为例。
对本发明进行实施，如图1所示：
S100、奥氏体不锈钢的预处理；对所加工的奥氏体不锈钢进行预处理，将材料为316不锈钢棒料，经HA400电火花线切割机加工为Ф35mm×5mm的试样，经SiC水砂纸打磨到1000号，并去除附着在所加工奥氏体不锈钢表面的油脂、锈点和杂质。
S200、生成奥氏体不锈钢表面改性层，采用高压磨料水射流-离子氮化复合处理方法生成奥氏体不锈钢表面改性层。
S300、奥氏体不锈钢的封存，将生成表面改性层的奥氏体不锈钢放入丙酮溶液中清洗5-10分钟后烘干，并将烘干后的上述奥氏体不锈钢进行真空封存。
S400、奥氏体不锈钢表面的检测；
所述步骤S100包括：
S101、去除奥氏体不锈钢表面油脂，用金属除脂溶剂去除该奥氏体不锈钢表面油脂后，将该金属放入无污染的四氯乙烯溶液中浸泡20-30分钟，之后将其取出用干净的绸布擦拭干净。
所述步骤S100包括：
S102、去除奥氏体不锈钢表面的锈点，用金属除锈清洗剂进行浸泡10-20分钟，取出后擦拭干净，使得其表面没有锈点。
所述步骤S100包括：
S103、去除奥氏体不锈钢表面的杂质，将奥氏体不锈钢放入丙酮溶剂中，用超声清洗20-40分钟后取出，用干净绸布擦干。
所述步骤S100包括：
S104、超声清洗，将该奥氏体不锈钢放入无水乙醇中，超声清洗20-40分钟取出，之后冷风干燥备用。
所述步骤S200包括：
S201、采用奥拓福高压水射流发生装置，型号为APW-3738，最高输出压力380MPa，宝石喷嘴直径为0.3mm，增压比为1:19，油泵电机功率为37.5kW。将供丸装置与水刀进砂口相连，在供丸装置中放入适量金刚砂，利用金刚砂自重开启砂伐后，高压水射流喷射时产生的负压使金刚砂进入混合室，最终形成混合射流并通过水刀喷嘴喷射到奥氏体不锈钢试样表面。其中所采用高压水射流发生装置以喷射角度为90°的直线循环喷射方式对试样进行表面处理，从而形成表面织构改性层。
所述步骤S200包括：
S202、采用双层辉光离子渗金炉对金属试样进行等离子渗氮，打开真空泵将炉内抽至真空，同时开启循环冷却系统，直至炉内真空小于10Pa，接通电源并调整电压，温度达到520℃后，进行30min的预溅射处理，通入氨气，调节气体流量使真空室的工作气压保持在500Pa，渗氮过程中保温时间为8h，同时采用WDL-3型光电温度计测量实时温度(300℃～600℃)。
所述步骤S400包括：
S401、对通过使用高压磨料水射流-离子氮化复合处理的316不锈钢进行磨损失重检测，并与未采用该表面处理方法的316不锈钢试样进行对比。
所述步骤S400包括：
S402、进行表面硬度测量，表面显微硬度测量选用莱州华银实验仪器有限公司的HR-150A洛氏显微硬度计进行测量，对每个试样测量5个点，取平均值。
所述步骤S400包括：
S403、进行表面粗糙度测量，试样表面粗糙度选用JB-4C表面粗糙度测量仪进行测量，试样测量5次，取平均值。
所述步骤S400包括：
S404、进行表面划痕测量，采用划痕仪测试试样的结合强度，采用VHX-600E超景深显微镜观察划痕形貌，判断临界载荷。
图2中示出了高压磨料水射流-离子氮化复合处理示意图，所述通过高压磨料水射流-离子氮化复合处理后的表面的晶层变化，由粗晶变为细晶；并且在316不锈钢表面呈现出连续密排的凹槽织构，在干摩擦或者油润滑情况下，这些凹槽可以在摩擦过程中捕捉磨屑或储存润滑油来降低磨损程度。
图3与图4所示，高压磨料水射流-离子氮化复合处理后的表面形貌图，说明复合处理后试样渗氮层与基体呈紧密结合状态，组织均匀、致密，没有裂纹、气孔等缺陷，与基体结合良好。
图5和图6所示，高压磨料水射流-离子氮化复合处理后摩擦系数图，在整个摩擦磨损阶段，采用高压磨料水射流-离子氮化复合处理后的316不锈钢的摩擦因数在0.25附近波动，且摩擦因数变化平稳，没有大的波动。采用高压磨料水射流-离子氮化复合处理后的316不锈钢试样在整个摩损过程中没有形成完整连续的磨痕，表明复合处理改性层对316不锈钢基体有较好的保护作用，提高了316不锈钢承载力及耐磨性。
图7和图8所示，高压磨料水射流-离子氮化复合处理后磨损失重图，在整个摩擦磨损阶段，复合处理后的316不锈钢试样的磨损痕迹较浅，磨痕范围远小于其他处理的试样，并且磨损轨迹呈现不均匀状。表明经过高压磨料水射流-离子氮化复合处理后316不锈钢具有良好的耐磨性。采用高压磨料水射流-离子氮化复合处理的试样质量损失最低，为0.3mg，这是由于复合处理后的试样硬度高于其它表面处理试样，因此表现出较低的磨损失重。
本发明利用磨料水射流技术于离子氮化技术相结合的复合处理方法对奥氏体不锈钢(316奥氏体不锈钢)表面进行改性，有以下优点：
不存在膜基结合问题，不会发生改性层摩擦脱落的现象；采用高压磨料水射流-离子氮化复合处理后的奥氏体不锈钢表面改性层对奥氏体不锈钢基体有较好的保护作用，提高了奥氏体不锈钢的承载力及耐磨性。
Claims (9)
1.本发明涉及到一种奥氏体不锈钢表面改性的制造方法，其特征在于，采用一种采用高压磨料水射流、离子氮化技术相结合的一种对奥氏体不锈钢(316奥氏体不锈钢)表面改性层的制造方法。包括如下步骤：
S100、奥氏体不锈钢的预处理；对所加工的奥氏体不锈钢进行预处理，将奥氏体不锈钢试样，经HA400电火花线切割机加工为Ф35mm×5mm的试样，经SiC水砂纸打磨到1000号，并去除附着在所加工奥氏体不锈钢表面的油脂、锈点和杂质。
S200、生成奥氏体不锈钢表面改性层；采用高压磨料水射流-离子氮化复合处理方法生成奥氏体不锈钢表面改性层。
S300、奥氏体不锈钢的封存；将生成表面改性层的奥氏体不锈钢放入丙酮溶液中清洗5-10分钟后烘干，并将烘干后的上述奥氏体不锈钢进行真空封存。
S400、奥氏体不锈钢表面的检测。
2.如权利要求1所述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，其特征在于，所述步骤S100包括：
S101、去除奥氏体不锈钢表面油脂，用金属除脂溶剂去除该奥氏体不锈钢表面油脂后，将该金属放入无污染的四氯乙烯溶液中浸泡20-30分钟，之后将其取出用干净的绸布擦拭干净。
3.如权利要求1所述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，其特征在于，所述步骤S100包括：
S102、去除奥氏体不锈钢表面的锈点，用金属除锈清洗剂进行浸泡10-20分钟，取出后擦拭干净，使得其表面没有锈点。
4.如权利要求1所述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，其特征在于，所述步骤S100包括：
S103、去除奥氏体不锈钢表面的杂质，将奥氏体不锈钢放入丙酮溶剂中，用超声清洗20-40分钟后取出，用干净绸布擦干。
5.如权利要求1所述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，其特征在于，所述步骤S100包括：
S104、超声清洗，将该奥氏体不锈钢放入无水乙醇中，超声清洗20-40分钟取出，之后冷风干燥备用。
6.如权利要求1所述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，其特征在于，所述步骤S200包括：采用奥拓福高压水射流发生装置，将供丸装置与水刀进砂口相连，在供丸装置中放入适量金刚砂，利用金刚砂自重开启砂伐后，高压水射流喷射时产生的负压使金刚砂进入混合室，最终形成混合射流并通过水刀喷嘴喷射到奥氏体不锈钢表面，从而形成表面织构改性层。
7.如权利要求1或2所述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，其特征在于，步骤S200之后还包括：采用双层辉光离子渗金炉对试样进行等离子渗氮，打开真空泵将炉内抽至真空，同时开启循环冷却系统，直至炉内真空小于10Pa，接通电源并调整电压，温度达到520℃后，进行30min的预溅射处理，通入氨气，调节气体流量使真空室的工作气压保持在500Pa，渗氮过程中保温时间为8h，同时采用WDL-3型光电温度计测量实时温度(300℃～600℃)。
8.如权利要求1或2所述奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法，其特征在于，所述奥氏体不锈钢表面以此形成由粗晶变为细晶结构。
9.一种用于以上权利要求1-8中的对奥氏体不锈钢表面改性层的制造方法。
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