CN112553562A - 一种复合处理30CrMnSi低碳合金钢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合处理30CrMnSi低碳合金钢的方法，包括一下步骤：（1）调制处理：将工件放入箱式电阻炉中淬火油冷后回火；（2）热喷涂处理：用立式铣床将工件铣削加工，用丙酮和无水乙醇清洗铣削后的工件表面，祛除表面杂质和油污。利用半自动等离子喷涂设备在30CrMnSi钢基体表面制备WC‑12Co+Ni复合涂层；（3）电子束处理；（4）组织与性能测试：场发射电子显微镜观测组织，显微硬度计与摩擦磨损试验机测量工件性能。本发明所采用的工艺能极大提高30CrMnSi钢的硬度与耐磨性，具有广大的市场推广价值。
Description
技术领域
本发明属于低碳结构钢高能束表面合金化技术领域，特别涉及一种复合处理30CrMnSi低碳合金钢的方法。
背景技术
30CrMnSi钢是一种中碳合金调质结构钢，由于其韧性高，具有良好的综合力学性能，常用于制造高速、重负载的重要零件，如飞机、汽车中的轴类零件。但常出现表面磨损、撕裂等失效形式。随着现代技术的发展，对于轴类零件的重载、轻量化等性能有了更高的要求，因此需要通过高效的表面改性技术提高30CrMnSi钢的强度和耐磨性。
传统的用于改良30CrMnSi钢方法为采用表面淬火和碳氮共渗等工艺方法进行热处理，但加工时间长，加工层薄，易导致工件变形，影响工件精度和使用寿命。因此引入电子束扫描合金化的技术，提高表面镀层性能。电子束表面合金化技术是利用电子束辐照金属表面，将一种或多种合金物质快速融入金属表面薄层熔区，使之发生物理或化学变化，从而使金属表面具有特定的合金成分的材料表面强化技术。因此，本专利提出了一种新型高效的强化30CrMnSi低碳合金钢的方法。
发明内容
本发明的目的是：
本发明对30CrMnSi低碳合金钢工件通过调制处理消除30CrMnSi低碳合金钢工件残余应力，经铣削加工后洗净，经热喷涂方法在表面制备复合涂层；最后在通过电子束处理制作成成品。本发明所采用的工艺可显著提高30CrMnSi合金钢表面综合性能，具有广大的市场推广价值。
本发明采用的方案是：
一种复合处理30CrMnSi低碳合金钢的方法，包括以下步骤：
步骤1：调制处理，将工件870°C保温30min淬油，600°C回火1h后空冷。
步骤1结束后进行步骤2。
步骤2：热喷涂处理，利用立式铣床将工件铣削加工，用丙酮和无水乙醇清洗铣削后的工件表面，祛除表面杂质和油污。利用半自动等离子喷涂设备在30CrMnSi钢基体表面制备厚度分别为30μm、50μm、80μm的WC-12Co+Ni复合涂层，其中WC-12Co占20%，Ni占80%。
步骤2结束后进行步骤3。
步骤3：电子束处理，将经过热喷涂处理的工件放置于电子束焊机加工室内，使用分子泵对加工室、离子泵对电子枪室进行抽真空，使加工室和电子枪室真空度均达到10-3Pa，然后设定电子束焊机数控控制台的参数，在电子束束流加速电压为60kV、电子束聚焦电流390mA，电子束扫描频率300Hz，电子枪移动速度为4mm/s、5mm/s、6mm/s，扫描环内径为7mm，外径为8mm，电子束束流为8mA、12mA、16mA的条件下使用电子束对热喷涂后的工件进行表面处理，得到成品。
步骤3结束后进行步骤4。
步骤4：组织与性能测试，利用蔡司GeminiSEM电子显微镜观测组织，利用HDX-1000TM显微硬度计以4.9025N载荷、10s加载时间下测量工件显微硬度，HSR-2M摩擦磨损试验机在50N载荷下，测试60min，测量工件耐磨性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明采用等离子热喷涂方法和电子束处理相结合的技术手段，提高30CrMnSi合金钢的硬度的同时，有效提升工件防腐蚀能力。本发明先采用调制处理，使30CrMnSi钢具有高强度与良好的塑形和韧性；采用等离子热喷涂WC-12Co+Ni处理可以快速有效的将粉末喷射至工件表面形成高性能涂层；采用电子束处理的技术手段，使实现30CrMnSi合金钢与表面喷涂的粉末温度瞬间提升，达到熔点，实现30CrMnSi合金钢表面的快速强化，提高了生产效率。
2、本发明在电子束扫描处理合金化30CrMnSi钢时，是在真空加工室完成的，因此在加工强化过程中可以隔绝外界环境，能避免涂层与30CrMnSi钢在加工过程中发生氧化反应，又因为加工过程中的传热载体为电子因此不会引入其他杂质。
3、本发明所制备成的30CrMnSi低碳合金钢的表层硬度可达960HV0.5，较原始基体硬度275HV0.5提升约2.5倍。在50N载荷下摩擦60min,失重量仅为0.0005g，相较于处理前磨损失重量0.008g，性能极大提升。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的成品的合金层2000倍数扫描图。
图2为本发明实施例1得到的成品的合金层10000倍数扫描图。
图3为本发明实施例1得到的成品的基体扫描图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，参照附图对本发明的方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。本实施例所采用的工件材料为30CrMnSi低碳合金钢，利用数控铣床将其进行铣削处理，铣削成50mm×50mm×50mm的试块，铣削过程中保持每个工件的进刀量和铣削速度相同。
步骤1：调制处理：将经铣削处理加工完成的试块，放在预热至870℃的箱式电阻炉中保温30min后拿出，迅速放在机油中冷却，始终向着同一方向搅拌，待冷却至室温后，擦干表面油污，放在600℃箱式电阻炉中60min回火后，取出在空气中冷却。
步骤1结束后进行步骤2。
步骤2：热喷涂处理：利用立式铣床铣削加工工件，除掉表面由回火产生的铁皮，用丙酮和无水乙醇清洗铣削过后的工件，祛除表面杂质和油污。将喷涂用粉末WC-12Co与Ni粉机械混合，其中WC-12Co占20%，Ni占80%。使用氩气为主要喷涂工艺气体，流量40L/min；辅助气体为氢气，流量8L/min；送粉量30g/min，喷涂电流600A，电压70V，喷涂距离100mm，喷枪移动速度500mm/s，喷涂角度90°，在试块表面制备30μm厚的涂层。
步骤2结束后进行步骤3。
步骤3：电子束处理：将经过热喷涂后的工件置于电子束焊机加工室内，使用分子泵对加工室、离子泵对电子枪室进行抽真空，使得加工室和电子枪室真空度均达到10-3Pa，然后在电子束束流加速电压为60kV、电子束聚焦电流390mA，电子束扫描频率300Hz，电子束束流8mA,扫描速度6mm/s，得到表面硬度840HV0.5，磨损实验1小时失重0.0005g的成品。
步骤3结束后进行步骤4。
步骤4：组织与性能测试：利用蔡司GeminiSEM电子显微镜观测组织，利用HDX-1000TM显微硬度计以4.9025N载荷、10s加载时间下测量工件显微硬度，HSR-2M摩擦磨损试验机在50N载荷下，测试60min，测量工件耐磨性能。利用蔡司GeminiSEM扫描电子显微镜对实施例1得到的成品的合金层和基体进行扫描，放大2000倍观测样品不同部位的金相组织，分别得到如图1和图2。由图1和图2可知：合金层组织呈复合梯度，合金层上表面晶粒达到纳米级，组织致密，使得表面硬度和耐磨性提高。
由图3可知，未经任何处理的工件内部组织为索氏体+铁素体，索氏体具有良好的机械性能，塑形变形抗力大，因此能保证30CrMnSi低碳合金钢心部的韧性。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (1)
1.一种复合处理30CrMnSi低碳合金钢的方法，包括以下步骤：
步骤1：调制处理，将工件870°C保温30min淬油，600°C回火60min后空冷；
步骤1结束后进行步骤2；
步骤2：热喷涂处理，利用立式铣床将工件铣削加工，用丙酮和无水乙醇清洗铣削后的工件表面，祛除表面杂质和油污，利用半自动等离子喷涂设备在30CrMnSi钢基体表面制备厚度分别为30μm、50μm、80μm的WC-12Co+Ni复合涂层，其中WC-12Co占20%，Ni占80%；
步骤2结束后进行步骤3；
步骤3：电子束处理，将经过热喷涂处理的工件放置于电子束焊机加工室内，使用分子泵对加工室、离子泵对电子枪室进行抽真空，使加工室和电子枪室真空度均达到10-3Pa，然后设定电子束焊机数控控制台的参数，在电子束束流加速电压为60kV、电子束聚焦电流390mA，电子束扫描频率300Hz，电子枪移动速度为4mm/s、5mm/s、6mm/s，扫描环内径为7mm，外径为8mm，电子束束流为8mA、12mA、16mA的条件下使用电子束对热喷涂后的工件进行表面处理，得到成品；
步骤3结束后进行步骤4；
步骤4：组织与性能测试，利用蔡司GeminiSEM电子显微镜观测组织，利用HDX-1000TM显微硬度计以4.9025N载荷、10s加载时间下测量工件显微硬度，HSR-2M摩擦磨损试验机在50N载荷下，测试60min，测量工件耐磨性能。
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|---|---|---|---|---|
| CN114833415A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-08-02 | 南昌航空大学 | 一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法 |
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| CN114833415A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-08-02 | 南昌航空大学 | 一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210326 |