CN114959552B - 一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种零件表面处理领域中的球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统及方法，浆料配置装置连接且连通正下方的雾化喷料器，雾化喷料器的正下方是能自动振动的振动滤板，振动滤板的斜上方设有球粒配置装置，斜下方设有热处理装置，球粒配置装置的出口通过一号斜板连接振动滤板，在振动滤板上，碳氮硼浆料对球粒包覆，包覆球粒进入热处理装置中，热处理装置下方通过管道连接球粒喷射装置，喷嘴的正下方从上往下依次设有掩膜、工件和三轴移动平台，使用雾化浆料包覆球粒高速冲击强化渗涂层，在金属零部件表面渗入氮碳硼元素，快速在工件表面制得强化层，工作温度低，利用球粒的高动能细化零件表面晶粒，进一步提升零件表面性能。

Description

一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统及方法

技术领域

本发明属于零件表面处理技术领域，具体涉及一种对金属零部件表面渗入氮碳硼的技术，尤其针对需要局部氮碳硼渗入的工件。

背景技术

目前，航空航天、汽车交通、军工等行业对金属材料表面的耐磨性、耐腐蚀性等性能提出了越来越高的要求。喷丸强化处理是一种通过将细小弹丸高速撞击到材料表面，使材料表面层发生弹塑性变形，降低表面粗糙度，获得残余压应力，从而提高材料的耐磨性和疲劳强度的方法。传统的表面喷丸强化，难以获得较高的表面硬化强度、较深的表面硬化深度和较大的表面残余压应力，对材料耐磨性和疲劳强度的提高十分有限。如中国专利公开号为CN101215680A的文献公开的一种模具材料表面的喷丸强化方法和中国专利公开号为CN106119489A的文献公开的一种小模数直齿圆柱齿轮喷丸强化装置及喷丸强化方法，虽然能够在一定程度提高喷丸强化效果，但是结构复杂，成本较高，不适用于需要局部喷丸强化的场合。

在金属零部件表面渗入硼、碳、氮等原子从而改变表层的化学成分和组织是提高材料表面性能的常用手段。根据不同应用场合及使用要求，碳氮硼元素可被单独地或复合地渗入工件表层。目前的金属表面渗氮碳硼已有多种渗入方法，如气体渗入、固体渗入、离子渗入等，但都有各自的缺点，比如气体渗入法难以实现选区渗入，固体渗入法效率较低，离子渗入法难以保证产品质量的稳定性且设备昂贵。此外，上述方法均在高温环境下进行，而金属零部件在高温下极易发生晶粒长大，还会导致工件发生变形，这些弊端降低了材料的力学性能，缩短了材料的使用寿命。因此，为提升金属零部件服役可靠性，亟需开法一种低温高效可选区的表面元素渗入工艺。

发明内容

本发明目的在于解决上述现有技术存在的问题，提出一种可选区的低温高效的球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统及其加工方法。

本发明所述的一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统采用的技术方案是：其具有一个能制备出碳氮硼浆料的浆料配置装置，浆料配置装置连接且连通正下方的雾化喷料器，雾化喷料器的正下方是能自动振动的振动滤板，振动滤板正下方是浆料回收板，振动滤板的斜上方设有球粒配置装置，斜下方设有热处理装置，球粒配置装置的出口通过一号斜板连接振动滤板，振动滤板的中间为滤网，滤网孔的孔径小于球粒的外径；在振动滤板上，碳氮硼浆料对球粒包覆；振动滤板的一侧壁设置为旋转挡板，旋转挡板经二号斜板连接热处理装置，包覆球粒进入热处理装置中，热处理装置下方通过管道连接球粒喷射装置，球粒喷射装置正下方连接喷嘴，喷嘴的正下方从上往下依次设有掩膜、工件和三轴移动平台，工件装夹在三轴移动平台上表面，掩膜固定于工件待加工面的上方，掩膜上是镂空孔洞，镂空孔洞的直径大于包覆球粒外径。

进一步地，所述的三轴移动平能沿上下、左右、前后方向移动，带动工件和掩膜同时移动，工件的待加工面始终在喷嘴正下方。

进一步地，振动滤板和雾化喷料器均水平布置，雾化喷料器上均匀设有多个喷头，喷头正对着振动滤板。

本发明所述的一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗方法采用的技术方案是具有以下步骤：

步骤一：由浆料配置装置配置好碳氮硼浆料，碳氮硼浆料从浆料配置装置流入正下方的雾化喷料器中，由球粒配置装置配置好不锈钢球粒，不锈钢球粒从粒配置装置中沿一号斜板滚出，落在斜下方的振动滤板上，振动滤板振动；

步骤二：雾化喷料器将碳氮硼浆料雾化喷向振动滤板上的不锈钢球粒上，碳氮硼浆料对不锈钢球粒包覆得到包覆球粒；

步骤三：包覆球粒沿二号斜板向斜下方滚落入，进入热处理装置中对包覆球粒作热处理，使碳氮硼原子渗透至不锈钢球粒表面；

步骤四：热处理后的包覆球粒向下进入球粒喷射装置中，加速包覆球粒，加速后的包覆球粒从球粒喷射装置下方的喷嘴射出；

步骤五：从喷嘴射出的包覆球粒向下轰击工件的待加工面，实现选区渗入强化。

进一步地，步骤一中，浆料配置装置内部设置搅拌器，将水、聚乙烯醇、碳化硼与氮化硼粉末通过机械搅拌混合，机械搅拌转速为600 rpm，时间为1h；按重量份数计，水100份，聚乙烯醇1份，碳化硼与氮化硼粉末共10份，碳化硼与氮化硼的重量比为10：1，碳化硼粒径为10 µm，氮化硼粒径0.5 µm。

进一步地，步骤一中，不锈钢球粒的粒径为20 µm，振动滤板的震动频率为100次/min，振动滤板上的滤网孔径为15µm。

进一步地，步骤二中，雾化喷料器的雾化速率为0.1 L/h。

进一步地，步骤三中，热处理装置先升温，去除涂覆在球粒表面的雾化浆料中的水和聚乙烯醇，该阶段停留温度为200 ℃，升温速率为1 ℃/min，停留时间1 h；再升温使碳氮硼原子渗透至不锈钢球粒表面，该阶段停留温度为1200 ℃，升温速率为10 ℃/min，停留时间1 h，热处理过程所用气氛为流动氩气，氩气流速为100 ml/min，冷却至室温后取出，降温速率为10 ℃/min。

对比现有技术，本发明的优点如下：

1、本发明使用雾化浆料包覆球粒高速冲击强化渗涂层，通过将碳化硼粉末与氮化硼粉末按比例制备成浆料，雾化喷洒在不锈钢球粒表面。随后通过对球粒热处理，制备出雾化浆料包覆的球粒，其中碳化硼粉末与氮化硼粉末紧密包裹在球粒表面，同时将氮碳硼元素渗透进球粒表面。在室温下，雾化浆料包覆的球粒以极高的速度冲击在工件表面，使得球粒包覆层脱落并部分嵌入在工件表面，同时球粒表面碳氮硼元素渗透进工件表面，在金属零部件表面渗入氮碳硼元素，快速在工件表面制得强化层，工作温度低，不仅不会造成金属零件晶粒长大，还能利用球粒的高动能细化零件表面晶粒，从而进一步提升零件表面性能。

2、本发明不受限于零件的体积，可处理大型或超大型零件，并且适用于零件的选区强化渗入处理，即可选择性地对零件的不同部位进行渗透处理。

3、本发明可通过改变不锈钢球粒、氮化硼和碳化硼的配比，以调节零件表面渗入元素比例，按零件不同的使用场合调控渗透元素的种类、含量和深度。

附图说明

图1为本发明所述的一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统的结构示意图；

图2为图1的工作流程图；

图3为工件在球粒轰击前的微观组织示意图；

图4为工件在球粒轰击后的微观组织变化示意图。

图中：1-浆料配置装置；2-雾化喷料器；3-振动滤板；4-浆料回收板；5-旋转挡板；6-一号斜板；7-球粒配置装置；8-二号斜板；9-热处理装置；10-管道；11-球粒喷射装置；12-喷嘴；13-掩膜；14-工件；15-三轴移动平台；16-浆料回收泵。

实施方式

参见图1，本发明所述的一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统具有一个浆料配置装置1，可自动按设定的比例将水、聚乙烯醇、碳化硼、氮化硼通过机械搅拌混合，从而制备出碳氮硼浆料。浆料配置装置1的底部连接雾化喷料器2，雾化喷料器2在浆料配置装置1的正下方。浆料配置装置1的底部设有浆料出口，通过浆料出口连接且连通雾化喷料器2顶部的进口，浆料从浆料配置装置1向下流入雾化喷料器2中。雾化喷料器2的正下方是振动滤板3，振动滤板3水平布置。雾化喷料器2底部是喷出口，从雾化喷料器2喷出口出来的浆料向下均匀喷在振动滤板3上。雾化喷料器2也水平布置，其均匀设有多个喷头，喷头正对着下方的振动滤板3，将碳氮硼浆料均匀喷洒至振动滤板3上。振动滤板3悬挂安装，能够来回振动，实现浆料对球粒的均匀包覆，

振动滤板3四周围设有挡板，中间为滤网，其可自动振动，使球粒各处包覆均匀。碳氮硼原浆料可通过滤网向下流出。振动滤板3正下方是浆料回收板4，用于接住并储存从振动滤板3流出的碳氮硼原浆料。浆料回收板4与雾化喷料器2之间通过管道连接一个浆料回收泵16，浆料回收泵16工作后，落在浆料回收板4上的浆料被泵回雾化喷料器2中，可以重新喷出，实现未黏附浆料的回收和再利用。

浆料配置装置1旁侧有一球粒配置装置7，球粒配置装置7的出口通过一号斜板6活动连接振动滤板3，可使球粒从球粒配置装置7滚入振动滤板3上。球粒配置装置7在振动滤板3的斜上方，振动滤板3在球粒配置装置7的斜下方，一号斜板6由球粒配置装置7朝向振动滤板3向下倾斜，一号斜板6可以转动或移开，能脱离与振动滤板3或球粒配置装置7的接触。

振动滤板3上均匀布置上下贯通的滤网孔，滤网孔的孔径要小于球粒的外径，使球粒不能通过滤网孔，而浆料能从滤网孔中落下。

振动滤板3一侧壁设置为旋转挡板5，可自动旋转开闭，振动滤板3通过旋转挡板5连接二号斜板8，二号斜板8的斜下方连接热处理装置9。热处理装置9在振动滤板3的斜下方，从振动滤板3出来的被浆料包覆完毕形成的包覆球粒自动地滚入热处理装置9中。热处理装置9是一箱式的热处理结构，负责对包覆球粒的热处理。

热处理装置9下方是球粒喷射装置11，两者通过管道10相连。热处理装置9的下端设有出口，球粒喷射装置11上端设有进口，热处理装置9出口连接管道10入口，管道10出口与球粒喷射装置11的上端进口连接。在热处理装置9中热处理完毕的包覆球粒能够进入球粒喷射装置11中。球粒喷射装置11正下方连接一锥形的喷嘴12，包覆球粒从喷嘴12下端出口高速射出。

在喷嘴12正下方，从上往下依次为掩膜13、工件14和三轴移动平台15。工件14装夹在三轴移动平台15上表面，工件14的待加工面朝向上方。掩膜13固定于工件14待加工面的上方。掩膜13上是加工成的镂空孔洞，镂空孔洞内径大于球粒外径，方便包覆球粒从孔洞通过射出在工件14的待加工面上。

三轴移动平台15能够沿X、Y、Z轴方向平行移动，即沿上下、左右、前后方向移动，从而带动工件14和掩膜13同时移动，使工件14的待加工面要始终在喷嘴12正下方。

参见图2，加工时，浆料配置装置1内部设有搅拌器，自动按称取原料，配置浆料。自动设定比例将水、聚乙烯醇、碳化硼与氮化硼通过机械搅拌混合，制备出碳氮硼原浆料，制备好的浆料自从浆料配置装置1自动流入正下方的雾化喷料器2中。其中，搅拌器的机械搅拌转速为600 rpm，时间为1h。按重量份数计，浆料中的水100份，聚乙烯醇1份，碳化硼与氮化硼粉末共10份，所用的原料粉末中，碳化硼与氮化硼的重量比为10：1，所用的碳化硼粒径为10 µm，氮化硼粒径0.5 µm。

同时，球粒配置装置7自动选取配置粒径为20 µm的不锈钢球粒，不锈钢球粒从球粒配置装置7中沿一号斜板6滚出，滚入振动滤板3上表面，振动滤板3的滤网孔径为15µm。此时振动滤板3开始不停止地振动，所设置的震动频率为100次/min。同时，雾化喷料器2开启，将碳氮硼原浆料雾化喷出，所设置的雾化速率为0.1 L/h，不锈钢球粒的振动保证了浆料的均匀涂敷。未涂敷的浆料沿振动滤板3的滤网孔流下，落入浆料回收板4中。预先设置好定时循环启停程序的浆料回收泵16将浆料泵回雾化喷料器2内，使浆料循环利用。雾化喷料器2运行结束后，旋转挡板5旋转90度，振动滤板3保持振动，使不锈钢球粒沿二号斜板8滚下，落入热处理装置9中。

热处理装置9的热处理分为两个阶段，第一阶段为去除涂覆在球粒表面的雾化浆料中的水、聚乙烯醇，先升温至200 ℃，该阶段停留温度为200 ℃，升温速率为1 ℃/min，停留时间1 h。第二阶段为使氮化硼和碳化硼紧密包覆不锈钢球粒并通过原子扩散将碳氮硼原子渗透至不锈钢球粒表面，再升温至1200 ℃，该阶段停留温度为1200 ℃，升温速率为10℃/min，停留时间1 h。整个热处理阶段所用气氛为流动氩气，流速为100 ml/min，冷却至室温后取出，降温速率为10 ℃/min，最终制得氮化硼和碳化硼包覆球粒。

热处理结束后，开启管道10，使热处理完毕的包覆球粒向下进入球粒喷射装置11中。在球粒喷射装置11中，球粒得以加速，从喷嘴12下端出口高速射出。考虑过高的冲击速度V会增大工件14表面的粗糙度，包覆球粒的轰击速度V设置为150 m/s，高速冲击强化渗入处理对同一区域的冲击时间设置为10 s。高速球粒从喷嘴12下端出口高速射出后，一部分穿过掩膜13的镂空孔洞，撞击在预先固定在三轴移动平台15上的工件14上，另一部分包覆球粒未能穿过孔洞，撞击掩膜13后反弹。

在加工时，三轴移动平台15按照预设程序带动工件14和掩膜13同步移动，使包覆球粒逐步按掩膜13的镂空孔洞轨迹轰击工件14的待加工面，实现选区渗入强化。加工之前的之后的工件14微观组织分别如图3和图4所示，对比可以看出，球粒轰击后的工件14表面制得强化层，得到强化。

以上所述，仅是较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统，具有一个能制备出碳氮硼浆料的浆料配制装置（1），其特征是：浆料配制装置（1）连接且连通正下方的雾化喷料器（2），雾化喷料器（2）的正下方是能自动振动的振动滤板（3），振动滤板（3）正下方是浆料回收板（4），振动滤板（3）的斜上方设有球粒配置装置（7），斜下方设有热处理装置（9），球粒配置装置（7）的出口通过一号斜板（6）连接振动滤板（3），振动滤板（3）的中间为滤网，滤网孔的孔径小于球粒的外径；在振动滤板（3）上，碳氮硼浆料对球粒包覆；振动滤板（3）的一侧壁设置为旋转挡板（5），旋转挡板（5）经二号斜板（8）连接热处理装置（9），包覆球粒进入热处理装置（9）中，热处理装置（9）下方通过管道（10）连接球粒喷射装置（11），球粒喷射装置（11）正下方连接喷嘴（12），喷嘴（12）的正下方从上往下依次设有掩膜（13）、工件（14）和三轴移动平台（15），工件（14）装夹在三轴移动平台（15）上表面，掩膜（13）固定于工件（14）待加工面的上方，掩膜（13）上是镂空孔洞，镂空孔洞的直径大于包覆球粒外径。

2.根据权利要求1所述的一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统，其特征是：所述的三轴移动平台（15）能沿上下、左右、前后方向移动，带动工件（14）和掩膜（13）同时移动，工件（14）的待加工面始终在喷嘴（12）正下方。

3.根据权利要求1所述的一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统，其特征是：

振动滤板（3）和雾化喷料器（2）均水平布置，雾化喷料器（2）上均匀设有多个喷头，喷头正对着振动滤板（3）。

4.根据权利要求1所述的一种球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统，其特征是：浆料回收板（4）与雾化喷料器（2）之间通过连接一个浆料回收泵（16），浆料回收板（4）上的浆料泵回雾化喷料器（2）中。

5.一种如权利要求1所述的球粒轰击式零件表面氮碳硼选区共渗系统的选区共渗强化方法，其特征是具有以下步骤：

步骤一：由浆料配制装置（1）配制好碳氮硼浆料，碳氮硼浆料从浆料配制装置（1）流入正下方的雾化喷料器（2）中，由球粒配制装置（7）配制好不锈钢球粒，不锈钢球粒从粒配制装置（7）中沿一号斜板（6）滚出，落在斜下方的振动滤板（3）上，振动滤板（3）振动；碳氮硼浆料由水100份，聚乙烯醇1份，碳化硼与氮化硼粉末共10份按重量份数计配置，碳化硼与氮化硼的重量比为10：1，碳化硼粒径为10 µm，氮化硼粒径0.5 µm；

步骤二：雾化喷料器（2）将碳氮硼浆料雾化喷向振动滤板（3）上的不锈钢球粒上，碳氮硼浆料对不锈钢球粒包覆得到包覆球粒，雾化喷料器（2）的雾化速率为0.1 L/h；

步骤三：包覆球粒沿二号斜板（8）向斜下方滚落入，进入热处理装置（9）中对包覆球粒作热处理，使碳氮硼原子渗透至不锈钢球粒表面；热处理装置（9）先升温，去除涂覆在球粒表面的雾化浆料中的水和聚乙烯醇，该阶段停留温度为200 ℃，升温速率为1 ℃/min，停留时间1 h；再升温使碳氮硼原子渗透至不锈钢球粒表面，该阶段停留温度为1200 ℃，升温速率为10 ℃/min，停留时间1 h，热处理过程所用气氛为流动氩气，氩气流速为100 ml/min，冷却至室温后取出，降温速率为10 ℃/min；

步骤四：热处理后的包覆球粒向下进入球粒喷射装置（11）中，加速包覆球粒，加速后的包覆球粒从球粒喷射装置（11）下方的喷嘴（12）射出；

步骤五：从喷嘴（12）射出的包覆球粒向下轰击工件的待加工面，实现选区渗入强化，包覆球粒的轰击速度为150 m/s。

6.根据权利要求5所述的选区共渗强化方法，其特征是：步骤一中，浆料配置装置（1）内部设置搅拌器，将水、聚乙烯醇、碳化硼与氮化硼粉末通过机械搅拌混合，机械搅拌转速为600 rpm，时间为1h。

7.根据权利要求5所述的选区共渗强化方法，其特征是：步骤一中，不锈钢球粒的粒径为20 µm，振动滤板（3）的震动频率为100次/min，振动滤板（3）上的滤网孔径为15µm。