CN116219443A - 一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，包括：对奥氏体不锈钢表面进行清洁和干燥；对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理；对奥氏体不锈钢进行冷热循环处理；对奥氏体不锈钢进行离子渗氮处理。解决了现有低温渗氮奥氏体不锈钢渗氮层脆性大的技术问题，本发明能够有效降低渗氮层表面脆性。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术
奥氏体不锈钢耐腐蚀性游戏，被广泛应用于众多领域，但其硬度和耐磨性不佳，限制了奥氏体不锈钢的应用。离子渗氮是能将氮原子渗入不锈钢表面，形成硬度较高的氮化物，能增强不锈钢表面硬度和耐磨性。通过在低温(T<450℃)下对奥氏体不锈钢离子渗氮，可以是奥氏体不锈钢获得一种富含氮的过饱和奥氏体的氮化层(S相)，在合适时间的离子渗氮下，可以有效抑制铬氮化物的析出，避免奥氏体不锈钢出现耐蚀性能下降。在低温条件下，氮元扩散动力小，主要沿着晶界扩散，由于一般奥氏体不锈钢表面晶界通道较少，因此会有大量氮化物聚集在晶界处，使得氮化层脆性大，造成奥氏体不锈钢耐磨性下降，严重影响低温渗氮奥氏体不锈钢的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，解决了现有低温渗氮奥氏体不锈钢渗氮层脆性大的技术问题，本发明能够有效降低渗氮层表面脆性。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，包括：
S1对奥氏体不锈钢表面进行清洁和干燥；
S2对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理；
S3对奥氏体不锈钢进行冷热循环处理；
S4对奥氏体不锈钢进行离子渗氮处理。
进一步的，步骤S1中，采用丙酮、酒精和去离子水依次对奥氏体不锈钢表面进行清洁；
丙酮、酒精和去离子水为工业级，纯度大于99％。
进一步的，步骤S2中，利用激光冲击强化设备对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理。
进一步的，步骤S2中，利用激光冲击强化设备对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理的工艺参数为：
激光光斑直径为2～3mm，冲击次数为3～5次，重复频率为10～20Hz，脉冲宽度为18ns，激光波长为1064nm，功率6.5J。
进一步的，步骤S2中，激光强化预处理层的厚度为300-500微米。
进一步的，步骤S3中，对奥氏体不锈钢进行10-15次冷热循环处理；
对奥氏体不锈钢进行冷热循环处理时，高温为100℃，低温为液氮，保温时间为10～15分钟。
进一步的，步骤S4中，在400-450℃下对奥氏体不锈钢进行离子渗氮处理。
进一步的，步骤S4中，对奥氏体不锈钢进行离子渗氮处理的方法为：
S4.1将奥氏体不锈钢放入渗氮炉中，抽真空至10-20Pa，调节工作电压至700-800V，占空比为70％-80％；
S4.2输送氨气和氢气，所述氨气和氢气流量比为3：1-2：1；
S4.3调节气体流量，使渗氮炉气压维持在90～110Pa；
S4.4控制渗氮炉温度为400-450℃，渗氮8-12h。
进一步的，步骤S2中，利用激光冲击强化设备对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理时，所述激光冲击强化设备为纳秒Gaia型激光冲击强化设备。
进一步的，步骤S2中，利用激光冲击强化设备对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理时，铝箔作为吸收层，液态水作为约束层。
本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
(1)本发明提出了一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，通过激光冲击强化技术，细化奥氏体不锈钢表面晶粒，增加渗氮通道。可强化钛合金表面，增加钛合金表面硬度和耐磨性能，激光冲击强化可以去除奥氏体不锈钢表面疏松层，有利于工件硬度和耐腐蚀性的提高。
(2)本发明通过在激光冲击强化和离子渗氮之间加入高低温冷热循环，减少激光冲击强化后的表面残余应力，防止工件在渗氮过程中出现裂纹和变形。
(3)本发明在渗氮过程中，由于表面存在众多晶界通道，可以低温、快速进行离子氮化，有效的预防氮化物在表面聚集，减少渗氮层表面脆性。
(4)本发明低温离子渗氮不会生成氮化铬，相比高温渗氮，工件耐腐蚀性显著提高。
(5)通过本发明的超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法能够解决奥氏体不锈钢低温渗氮表面脆性问题，制备得到满足工业生产长期服役要求的复杂奥氏体不锈钢构件。
(6)本发明制得的奥氏体不锈钢表面硬度在≥HV0.51000，渗层深度在100-300微米，渗氮层脆性1级。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本发提出一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法。该方法通过激光冲击强化技术，利用激光冲击强化作用在奥氏体不锈钢表面形成微纳米晶体，增加离子氮化氮原子扩散通道，使得氮原子能够在低温下，通过微纳米晶体通过快速渗透到奥氏体不锈钢内部，减少氮化物在表面晶界上的聚集，在获得表面高硬度奥氏体不锈钢的同时，减少表面氮化层脆性。实现奥氏体不锈钢表面高硬度与低脆性。
本发明方法主要包括激光强化预处理和离子渗氮两个阶段。
激光强化预处理：
通过采用脉冲激光对奥氏体不锈钢表面进行冲击强化，在奥氏体不锈钢表面形成微纳米晶，细化奥氏体不锈钢表面晶粒，形成大量氮原子扩散通道，同时强化奥氏体不锈钢表面。
离子渗氮：
将奥氏体不锈钢放入离子氮化炉中，在400-450℃的温度环境下进行氮化。一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，具体步骤如下：
(1)采用丙酮、酒精，去离子水一次对奥氏体不锈钢表面进行表面清洁处理，随后进行表面干燥。
(2)将干燥后的奥氏体不锈钢，刚入激光冲击强化设备中，激光光斑直径为3mm，冲击次数为3次，重复频率为10Hz，脉冲宽度为18ns，激光波长为1064nm，功率6.5J，对奥氏体不锈钢表面进行表面强化处理。较优的，激光脉冲强化厚度在300-500微米。
(3)将所述(2)中的奥氏体不锈钢进行10-15次高低温冷热循环处理。
(4)将所述(3)中奥氏体不锈钢试样放入渗氮炉中，抽真空至10-20Pa，调节工作电压至700-800V，占空比为70％-80％，然后输送氨气和氢气，气体比一般在3：1-2：1之间，调节流量，使得气压维持在100Pa，温度控制在约400-450℃，渗氮8-12h。炉内温度≤100℃时充气开炉。
步骤(1)中无水乙醇、丙酮均和去离子水为工业级，纯度大于99％。
步骤(2)中激光器采用纳秒Gaia型激光冲击强化装置。优选的，采用铝箔作为吸收层，液态水作为约束层。
步骤(3)中的高低温循环，高温为100℃，低温为液氮。保温时间为10分钟。
实施例1
采用丙酮、酒精，去离子水一次对奥氏体不锈钢表面进行表面清洁处理，随后进行表面干燥。将干燥后的奥氏体不锈钢，刚入激光冲击强化设备中，激光光斑直径为3mm，冲击次数为3次，重复频率为10Hz，脉冲宽度为18ns，激光波长为1064nm，功率6.5J，对奥氏体不锈钢表面进行表面强化处理。激光脉冲强化厚度约为421微米。然后将钛合金试样进行10次高低温冷热循环处理。随后将奥氏体不锈钢试样放入渗氮炉中，抽真空至10Pa，调节工作电压至800V，占空比为70％，然后输送氨气和氢气，气体比2：1，调节流量，使得气压维持在100Pa，温度控制在约450℃，渗氮10h。炉内温度≤100℃时充气开炉。渗层表面硬度为HV0.51421，总渗层厚度约200微米。
实施例2
采用丙酮、酒精，去离子水一次对奥氏体不锈钢表面进行表面清洁处理，随后进行表面干燥。将干燥后的奥氏体不锈钢，刚入激光冲击强化设备中，激光光斑直径为3mm，冲击次数为2次，重复频率为10Hz，脉冲宽度为18ns，激光波长为1064nm，功率6.5J，对奥氏体不锈钢表面进行表面强化处理。激光脉冲强化厚度约为358微米。然后将钛合金试样进行10次高低温冷热循环处理。随后将奥氏体不锈钢试样放入渗氮炉中，抽真空至100Pa，调节工作电压至700V，占空比为70％，然后输送氨气和氢气，气体比一般在1：1之间，调节流量，使得气压维持在100Pa，温度控制在约450℃，渗氮10h。炉内温度≤100℃时充气开炉。渗层表面硬度为HV0.51074，总渗层厚度约125微米。
实施例3
采用丙酮、酒精，去离子水一次对奥氏体不锈钢表面进行表面清洁处理，随后进行表面干燥。将干燥后的奥氏体不锈钢，刚入激光冲击强化设备中，激光光斑直径为2mm，冲击次数为3次，重复频率为20Hz，脉冲宽度为18ns，激光波长为1064nm，功率6.5J，对奥氏体不锈钢表面进行表面强化处理。激光脉冲强化厚度约为541微米。然后将钛合金试样进行10次高低温冷热循环处理。随后将奥氏体不锈钢试样放入渗氮炉中，抽真空至10Pa，调节工作电压至800V，占空比为70％，然后输送氨气和氢气，气体比一般在2：1之间，调节流量，使得气压维持在100Pa，温度控制在约450℃，渗氮10h。炉内温度≤100℃时充气开炉。渗层表面硬度为HV0.51537，总渗层厚度约246微米。
实施例1～3所得产品的性能如表1所示，通过本发明的超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法能够解决奥氏体不锈钢低温渗氮表面脆性问题，制备得到满足工业生产长期服役要求的复杂奥氏体不锈钢构件。
表1实施例1～3所得产品的性能
| 渗氮层厚度微米 | 表面硬度HV0.5 | |
| 实施例1 | 200 | 1421 |
| 实施例2 | 125 | 1074 |
| 实施例3 | 246 | 1537 |
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，包括：
S1对奥氏体不锈钢表面进行清洁和干燥；
S2对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理；
S3对奥氏体不锈钢进行冷热循环处理；
S4对奥氏体不锈钢进行离子渗氮处理。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S1中，采用丙酮、酒精和去离子水依次对奥氏体不锈钢表面进行清洁；
丙酮、酒精和去离子水为工业级，纯度大于99％。
3.根据权利要求1所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S2中，利用激光冲击强化设备对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理。
4.根据权利要求3所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S2中，利用激光冲击强化设备对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理的工艺参数为：
激光光斑直径为2～3mm，冲击次数为3～5次，重复频率为10～20Hz，脉冲宽度为18ns，激光波长为1064nm，功率6.5J。
5.根据权利要求4所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S2中，激光强化预处理层的厚度为300-500微米。
6.根据权利要求1所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S3中，对奥氏体不锈钢进行10-15次冷热循环处理；
对奥氏体不锈钢进行冷热循环处理时，高温为100℃，低温为液氮，保温时间为10～15分钟。
7.根据权利要求1所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S4中，在400-450℃下对奥氏体不锈钢进行离子渗氮处理。
8.根据权利要求1所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S4中，对奥氏体不锈钢进行离子渗氮处理的方法为：
S4.1将奥氏体不锈钢放入渗氮炉中，抽真空至10-20Pa，调节工作电压至700-800V，占空比为70％-80％；
S4.2输送氨气和氢气，所述氨气和氢气流量比为3：1-2：1；
S4.3调节气体流量，使渗氮炉气压维持在90～110Pa；
S4.4控制渗氮炉温度为400-450℃，渗氮8-12h。
9.根据权利要求3所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S2中，利用激光冲击强化设备对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理时，所述激光冲击强化设备为纳秒Gaia型激光冲击强化设备。
10.根据权利要求9所述的一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法，其特征在于，步骤S2中，利用激光冲击强化设备对奥氏体不锈钢表面进行激光强化预处理时，铝箔作为吸收层，液态水作为约束层。
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| CN202211706605.3A CN116219443A (zh) | 2022-12-29 | 2022-12-29 | 一种超高强度不锈钢表层高硬度与低脆性协同控制方法 |
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Citations (9)
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-
2022
- 2022-12-29 CN CN202211706605.3A patent/CN116219443A/zh active Pending
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