CN111575710A - 提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺及40CrNiMoA结构钢件 - Google Patents

提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺及40CrNiMoA结构钢件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺及40CrNiMoA结构钢件，所述处理工艺包括以下步骤：1)、预处理；2)、将预处理后的40CrNiMoA结构钢进行渗氮处理，在40CrNiMoA结构钢表面形成耐磨防腐层，所述耐磨防腐层由里到外依次形成扩散层、中间层和化合物层，3)、将形成后耐磨防腐层的40CrNiMoA结构钢进行第一次渗氧处理；4)、将步骤3)获得的40CrNiMoA结构钢进行第一次抛光处理；5)、将第一次抛光处理后的40CrNiMoA结构钢进行第二次渗氧处理；6)、第二次渗氧处理后依次进行时效处理和第二次抛光处理；7)、在化合物层表面制备DLC膜。本发明解决了40CrNiMoA结构钢件在海洋平台实际使用时防腐耐磨性差的问题。

Description

提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺及40CrNiMoA 结构钢件
技术领域
本发明涉及40CrNiMoA结构钢处理技术领域，具体涉及提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺及40CrNiMoA结构钢件。
背景技术
海洋平台是一种海上大型工程结构。海洋平台上一些关键40CrNiMoA结构钢件的使用环境极其恶劣，例如阳光暴晒、长期处于盐、波浪的冲击、潮气、复杂的海水体系、环境温度和湿度的变化以及海洋生物的侵蚀等。从而使40CrNiMoA结构钢产生剧烈的电化学腐蚀。该腐蚀将严重影响关键40CrNiMoA结构钢件的力学性能、可靠性、使用寿命等，从而影响到海洋平台上关键40CrNiMoA结构钢件的使用安全。因此，如何对海洋平台上关键40CrNiMoA结构钢件进行长效防腐、以及开发化合物层更深，耐磨性和抗蚀性更高以便实现在海洋平台的长时间腐蚀环境下的长使用寿命的新工艺具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，解决40CrNiMoA结构钢件在海洋平台实际使用时防腐耐磨性差的问题。
此外，本发明还提供采用上述处理工艺制备的40CrNiMoA结构钢。
本发明通过下述技术方案实现：
提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，包括以下步骤：
1)、将40CrNiMoA结构钢进行预处理；
2)、将预处理后的40CrNiMoA结构钢进行渗氮处理，在40CrNiMoA结构钢表面形成耐磨防腐层，所述耐磨防腐层由里到外依次形成扩散层、中间层和化合物层，所述扩散层含有饱和或过饱和的含氮固溶体，所述中间层为含氮奥氏体层，所述化合物层含有致密的Fe3N、Fe4N；
3)、将形成后耐磨防腐层的40CrNiMoA结构钢进行第一次渗氧处理，使化合物层含有Fe3O4；
4)、将步骤3)获得的40CrNiMoA结构钢进行第一次抛光处理；
5)、将第一次抛光处理后的40CrNiMoA结构钢进行第二次渗氧处理，在化合物层的表面形成Fe3O4氧化膜；
6)、第二次渗氧处理后依次进行时效处理和第二次抛光处理；
7)、在化合物层表面制备DLC膜。
优选地，在第一次渗氧处理后采用热水清洗槽中进行热水清洗处理；清洗温度20～80℃，清洗时间5～30min，然后再进行第一次抛光处理。
优选地，所述时效处理的温度为120～300℃，时间为60～300min。
优选地，第二次抛光处理采用全自动超声波清洗机中进行清洗后，在制备DLC膜。
本发明通过渗氮处理的化合物层的主要组成相是Fe3O4、Fe3N、Fe4N，氮化物相是间隙固溶体，使得工件表面具备很高的耐磨和防腐性能，表面的Fe3O4氧化膜(抛光并做二次氧化)，不仅使化合物层更加致密，而且氧还深入到化合物层厚度的三分之一，吸收氧的化合物层进一步钝化，从而使金属表面具有更高的耐蚀性。中间层和扩散层有利于提高工件的耐疲劳性能。DLC膜在可以降低摩擦系数，增加耐磨性同时也可以大幅度提高耐蚀性。
本发明所述处理工艺主要包括渗氮处理加DLC膜处理的复合工艺，通过步骤1)-步骤6)的渗氮、溶氧和抛光处理后，耐磨防腐层的表面硬度达到HV0.2850～1200，耐磨防腐层的盐雾试验的抗蚀性达到1000～1500小时，抗腐蚀性和耐磨性明显提高，再进行涂DLC膜，所述DLC膜用于保护40CrNiMoA结构钢表面形成的耐磨防腐层，所述DLC膜的硬度达到HV0.0254000～6000，厚度约为2μm，能够很好保护耐磨防腐层，避免其防止出现“鸡蛋壳”效应(易碎)的发生。
经试验证明，经本复合工艺处理的40CrNiMoA结构钢件的耐磨性提高100倍，防腐性能提高15倍。
进一步地，步骤1)中所述预处理依次包括超声清洗和预热处理，所述超声清洗用于除去40CrNiMoA结构表面的油渍；所述预热处理采用预热炉实现，预热温度为320～480℃，时间为30～240min。
进一步地，步骤2)中渗氮处理采用渗氮炉实现，温度为380～650℃，时间为150～480min；渗氮剂的浓度为22～28％，CO3 2-的浓度为15～21％。
进一步地，步骤3)中第一次渗氧处理的温度为350～550℃，时间为30～60min。
进一步地，步骤5)中第二次渗氧处理的温度为400～550℃，时间为45～120min。
进一步地，第一次抛光处理采用抛光机实现，所述第二次抛光处理，采用干喷砂方式进行抛光。
具体地，干喷砂方式的喷砂介质为100目核桃壳粉，喷砂压力3kg，喷砂时间1min-30min。
喷砂后的40CrNiMoA结构钢表面用气枪将刀具表面残存的金刚砂吹净；将喷砂或抛光处理后的工件连同清洗卡具放入全自动超声波清洗机中进行清洗，再将将清洗后的工件装入CTR-1000DLC膜涂层设备中制备DLC膜。
进一步地，DLC膜的制备采用膜涂层设备，所述涂层设备为CTR-1000DLC膜涂层设备，DLC膜的厚度为2μm，硬度为HV0.0254000～6000。
具体地；制备DLC膜的具体过程如下：
71)、打开旋片泵、罗茨泵及相应的阀门开始抽真空，当真空值小于5×10-1Pa后，打开高阀，开始抽高真空，使沉积室内的压力达到5.0×10-3Pa；
72)、送入气体H2：50-300sccm，加热工件的温度至：50-400℃；
73)、刻蚀：刻蚀工艺参数如下：脉冲电源电压：1000-5000V；频率：500-2000Hz；脉宽：5-50us；温度控制：50-400℃；送入气体Ar：50-300sccm；
74)DLC涂层沉积工艺参数如下：脉冲电源电压：1000-5000V；频率：500-2000Hz；脉宽：5-50us；温度控制：50-400℃；送入气体Ar：50-300sccm；C2H2:50-500sccm；涂层时间3-6h；
75)、冷却：待炉内温度降至50℃后，可以放气开门并取出涂层完毕的工件。
进一步地，化合物层的厚度为20～100μm；所述中间层的厚度为10～50μm；所述扩散层的厚度为100～600μm。
化合物层、中间层、扩散层的厚度与渗氮剂的浓度、碳酸根的浓度、渗氮温度、渗氮时间都有直接的关系，在其他参数不变的情况下，随着渗氮时间延长，化合物层、中间层、扩散层的厚度会不断增加，但不是无休止的增加，增加到一定程度后就不在增加了，例如氮化8个小时后，化合物层厚度增加到100μm后，就很难增加了。
本发明通过合理控制渗氮处理过程的参数使化合物层、中间层、扩散层的厚度达到合理范围，利于提高防腐性能。
一种采用提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺制备的40CrNiMoA结构钢件。
进一步地，40CrNiMoA结构钢件包括基体，所述基体的表面由里到外依次形成扩散层、中间层和化合物层，所述扩散层含有饱和或过饱和的含氮固溶体，所述中间层为含氮奥氏体层，所述化合物层含有致密的Fe3N、Fe4N；所述基体为40CrNiMoA结构钢。
本发明通过合理设置各个步骤的参数实现在40CrNiMoA结构钢表面依次形成具有一定厚度的扩散层、中间层和化合物层。
通过本发明所述处理工艺制备的40CrNiMoA结构钢件的耐磨防腐层更深(除了表面的化合物层，还包括含氮奥氏体层和扩散层)，耐磨性和抗蚀性更高以便实现在海洋平台的长时间腐蚀环境下的长使用寿命。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述处理工艺主要包括渗氮处理加DLC膜处理的复合工艺，通过步骤1)-步骤6)的渗氮、溶氧和抛光处理后，化合物层的表面硬度达到HV0.2850～1200，盐雾试验的抗蚀性达到1000～1500小时，抗腐蚀性和耐磨性明显提高，再进行涂DLC膜，所述DLC膜用于保护40CrNiMoA结构钢表面形成的耐磨防腐层，避免耐磨防腐层碎裂。
2、本发明通过合理设置各个步骤的参数实现在40CrNiMoA结构钢表面依次形成具有一定厚度的扩散层、中间层和化合物层，使得耐磨防腐层更深，利于提高耐磨耐腐蚀性。
3、通过本发明所述处理工艺制备的40CrNiMoA结构钢件的耐磨防腐层更深(除了表面的化合物层，还包括含氮奥氏体层和扩散层)，耐磨性和抗蚀性更高以便实现在海洋平台的长时间腐蚀环境下的长使用寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明所述40CrNiMoA结构钢处理后的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-DLC膜，2-化合物层，3-中间层，4-扩散层，5-基体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，包括以下步骤：
1)、预处理：40CrNiMoA结构表面在超声波清洗机(具有加热功能和专用清洗剂)进行超声波清洗除油；清洗后在预热炉中进行预热处理；预热温度360℃，时间60min；
2)、将预处理后的40CrNiMoA结构钢在渗氮炉进行渗氮处理，温度为650℃，时间为300min；渗氮剂的浓度为27.5％，CO3 2-的浓度为16.5％，在40CrNiMoA结构钢表面形成耐磨防腐层，所述耐磨防腐层由里到外依次形成扩散层4、中间层3和化合物层2，所述扩散层4含有饱和或过饱和的含氮固溶体，所述中间层3为含氮奥氏体层，所述化合物层2含有致密的Fe3N、Fe4N，所述扩散层4的厚度为580μm、中间层3的厚度为46μm和化合物层2的厚度为95μm；
3)、将形成后耐磨防腐层的40CrNiMoA结构钢在渗氧炉中进行第一次渗氧处理，渗氧温度550℃，时间30min，得到表面的Fe3O4；
4)、将步骤3)获得的40CrNiMoA结构钢在热水清洗槽中进行热水清洗处理；清洗温度60℃，清洗时间30min，然后用抛光机中进行第一次抛光处理；
5)、将第一次抛光处理后的40CrNiMoA结构钢在渗氧炉中进行第二次渗氧处理，渗氧温度450℃，时间60min，得到表面黑亮Fe3O4氧化膜；
6)、第二次渗氧处理后依次在效炉中进行时效处理和第二次抛光处理，时效温度180℃，时间240min，第二次抛光处理采用干喷砂方式进行抛光，喷砂介质为100目核桃壳粉，喷砂压力3kg，喷砂时间20min；喷砂后的40CrNiMoA结构钢表面用气枪将刀具表面残存的金刚砂吹净；将喷砂或抛光处理后的工件连同清洗卡具放入全自动超声波清洗机中进行清洗；
7)、在化合物层2表面制备DLC膜1：
71)、打开旋片泵、罗茨泵及相应的阀门开始抽真空，当真空值小于5×10-1Pa后，打开高阀，开始抽高真空，使沉积室内的压力达到5.0×10-3Pa；
72)、送入气体H2：300sccm，加热工件的温度至：50℃；
73)、刻蚀：刻蚀工艺参数如下：脉冲电源电压：5000V；频率：2000Hz；脉宽：50us；温度控制：400℃；送入气体Ar：300sccm；
74)DLC涂层沉积工艺参数如下：脉冲电源电压：5000V；频率：2000Hz；脉宽：50us；温度控制：400℃；送入气体Ar：300sccm；C2H2:500sccm；涂层时间3h；
75)、冷却：待炉内温度降至50℃后，可以放气开门并取出涂层完毕的工件，获得的DLC膜1的厚度为2μm，该膜层的硬度为HV0.0254500。
本实施例中，通过步骤1)-步骤6)获得的耐磨防腐层的表面硬度为HV0.21100，该耐磨防腐层的盐雾试验的抗蚀性达到1470小时。
表面硬度测试(GB/T4340.1金属材料维氏硬度试验GB/T11354-2005钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验)和盐雾试验的测试方法(GB/T10125《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》。
实施例2：
本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：
步骤2)中渗氮处理的温度为80℃，时间为480min；渗氮剂的浓度为25.6％，CO3 2-的浓度为18.5％，所述扩散层4的厚度为550μm、中间层3的厚度为40μm和化合物层2的厚度为85μm。
本实施例中，通过步骤1)-步骤6)获得的耐磨防腐层的表面硬度为HV0.21100，该耐磨防腐层的盐雾试验的抗蚀性达到1420小时。
实施例3：
本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：
步骤2)中渗氮处理的温度为500℃，时间为200min；渗氮剂的浓度为28％，CO3 2-的浓度为16.8％，所述扩散层4的厚度为510μm、中间层3的厚度为28μm和化合物层2的厚度为72μm。
实施例4：
本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：
步骤7)中制备DLC膜1：
71)、打开旋片泵、罗茨泵及相应的阀门开始抽真空，当真空值小于5×10-1Pa后，打开高阀，开始抽高真空，使沉积室内的压力达到5.0×10-3Pa；
72)、送入气体H2：50sccm，加热工件的温度至：400℃；
73)、刻蚀：刻蚀工艺参数如下：脉冲电源电压：1000V；频率：500Hz；脉宽：5us；温度控制：50℃；送入气体Ar：50sccm；
74)DLC涂层沉积工艺参数如下：脉冲电源电压：1000V；频率：500Hz；脉宽：5us；温度控制：50℃；送入气体Ar：50sccm；C2H2:50sccm；涂层时间6h；
75)、冷却：待炉内温度降至50℃后，可以放气开门并取出涂层完毕的工件，获得的DLC膜1的厚度为2μm，该膜层的硬度为HV0.0255000。
本实施例中，通过步骤1)-步骤6)获得的耐磨防腐层的表面硬度为HV0.21100，该耐磨防腐层的盐雾试验的抗蚀性达到1440小时。
实施例5：
本实施例基于实施例1，与实施例的区别在于：
第一次渗氧处理的渗氧温度350℃，时间60min；第二次渗氧处理，渗氧温度550℃，时间45min；时效温度300℃，时间60min。
将实施例-实施例5制备的40CrNiMoA结构钢件和现有没经过处理的40CrNiMoA结构钢进行耐磨性能和防腐性能测试，结果如表1所示(待补充)：
表1
Figure BDA0002561972610000061
Figure BDA0002561972610000071
由表1的数据可知：
经本工艺处理的40CrNiMoA结构钢件的耐磨性能提高100倍，防腐性能提高15倍，其中，不同实施例不同的工艺参数对应的化合物层厚度、中间层、扩散层等厚度不一样，硬度也不一样，耐盐雾腐蚀的性能也有差别，参数不同，处理后的40CrNiMoA结构钢件的耐磨性能和防腐性能不同。
一种采用实施例1-3任一项所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺制备的40CrNiMoA结构钢件；所述40CrNiMoA结构钢件包括基体5，所述基体5的表面由里到外依次形成扩散层4、中间层3和化合物层2，所述扩散层4含有饱和或过饱和的含氮固溶体，所述中间层3为含氮奥氏体层，所述化合物层2含有致密的Fe3N、Fe4N；所述基体5为40CrNiMoA结构钢。
一种采用实施例4所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺制备的40CrNiMoA结构钢件；所述40CrNiMoA结构钢件包括基体5，所述基体5的表面由里到外依次形成扩散层4、中间层3和化合物层2，DLC膜1，所述扩散层4含有饱和或过饱和的含氮固溶体，所述中间层3为含氮奥氏体层，所述化合物层2含有致密的Fe3N、Fe4N；DLC膜1为类金刚石膜。所述基体5为40CrNiMoA结构钢。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)、将40CrNiMoA结构钢进行预处理；
2)、将预处理后的40CrNiMoA结构钢进行渗氮处理，在40CrNiMoA结构钢表面形成耐磨防腐层，所述耐磨防腐层由里到外依次形成扩散层(4)、中间层(3)和化合物层(2)，所述扩散层(4)含有饱和或过饱和的含氮固溶体，所述中间层(3)为含氮奥氏体层，所述化合物层(2)含有致密的Fe3N、Fe4N；
3)、将形成后耐磨防腐层的40CrNiMoA结构钢进行第一次渗氧处理，使化合物层(2)含有Fe3O4；
4)、将步骤3)获得的40CrNiMoA结构钢进行第一次抛光处理；
5)、将第一次抛光处理后的40CrNiMoA结构钢进行第二次渗氧处理，在化合物层(2)的表面形成Fe3O4氧化膜；
6)、第二次渗氧处理后依次进行时效处理和第二次抛光处理；
7)、在化合物层(2)表面制备DLC膜(1)。
2.根据权利要求1所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，其特征在于，步骤1)中所述预处理依次包括超声清洗和预热处理，所述超声清洗用于除去40CrNiMoA结构表面的油渍；所述预热处理采用预热炉实现，预热温度为320～480℃，时间为30～240min。
3.根据权利要求1所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，其特征在于，步骤2)中渗氮处理采用渗氮炉实现，温度为80～650℃，时间为150～480min；渗氮剂的浓度为22～28％，CO3 2-的浓度为15～21％。
4.根据权利要求1所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，其特征在于，步骤3)中第一次渗氧处理的温度为350～550℃，时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，其特征在于，步骤5)中第二次渗氧处理的温度为400～550℃，时间为45～120min。
6.根据权利要求1所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，其特征在于，所述第一次抛光处理采用抛光机实现，所述第二次抛光处理，采用干喷砂方式进行抛光。
7.根据权利要求1所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，其特征在于，DLC膜(1)的制备采用膜涂层设备，DLC膜(1)的厚度为2μm，硬度为HV0.0254000～6000。
8.根据权利要求1-7任一项所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺，其特征在于，所述化合物层(2)的厚度为20～100μm；所述中间层(3)的厚度为10～50μm；所述扩散层(4)的厚度为100～600μm。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺制备的40CrNiMoA结构钢件。
10.根据权利要9所述的提高40CrNiMoA结构钢耐磨防腐性能的处理工艺制备的40CrNiMoA结构钢件，其特征在于，所述40CrNiMoA结构钢件包括基体(5)，所述基体(5)的表面由里到外依次形成扩散层(4)、中间层(3)和化合物层(2)，所述扩散层(4)含有饱和或过饱和的含氮固溶体，所述中间层(3)为含氮奥氏体层，所述化合物层(2)含有致密的Fe3N、Fe4N；所述基体(5)为40CrNiMoA结构钢。
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