CN116987845A - 一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度的方法。利用激光对42CrMo齿轮钢表面进行强化处理，将纳米金刚石、纳米石墨烯和碳纳米管中的一种或多种通过机械方法进行混合后均匀涂覆于激光强化后的42CrMo齿轮钢表面，在绝氧的环境下加热3‑120小时，经淬火、回火工艺，处理后的42CrMo齿轮钢硬度比原始42CrMo齿轮钢提升41.6％。本发明方法可有效实现42CrMo齿轮钢硬度提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法。
技术背景
42CrMo齿轮钢是一种综合机械性能好、淬透性能好、无明显的回火脆性和应用广泛的中碳合金结构钢，是具有代表性的齿轮钢之一。由于其强度、韧性和耐磨性的良好平衡，且回火处理后疲劳极限高，抗冲击能力强和良好的低温冲击韧性，所以42CrMo齿轮钢在机械行业中广泛应用于制造齿轮、连杆、高强度螺栓等重要零部件。
目前提升42CrMo齿轮钢硬度的工艺主要以渗氮工艺为主。
渗氮方法有固体粉末渗氮、盐浴渗氮、气相渗氮和离子渗氮等。固体粉末渗氮是一种高温固态扩散渗氮工艺，通常使用氮化剂固体粉末，通过在高温和压力下加热处理，在钢材表面形成氮化层。盐浴渗氮操作简单、成本低、工艺易于控制和渗层质量好，特别是可显著改善工件耐蚀性，因此盐浴渗氮是应用广泛的渗氮方法之一。气相渗氮是一种通过热化学反应将氮气或包含氨气的混合气体渗透到钢材表面上的表面处理工艺。
渗氮工艺可以提高钢材的表面硬度和耐磨性，可以增加其使用寿命。提高钢材的疲劳寿命和抗变形能力，有利于提高机械零件的可靠性。表面渗氮层具有较高的抗腐蚀性，有助于延长钢材的使用寿命。
但是渗氮工艺需要使用高压，在生产过程中会产生高能耗，使用大量设备、消耗大量能源和原材料资源。渗氮使钢材表面变硬，但内部韧性下降，且易裂纹和变形，渗氮温度和时间等参数控制不当，也会使表面氮元素的不均匀分布，影响零件整体性能。渗氮表面层具有高硬度，但厚度难以控制，且渗层深度较浅，不适用于要求深度渗层要求的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于运用新型技术来提高42CrMo齿轮钢的硬度，而提供一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法。
本发明所述的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法，包括一种碳纳米材料混合粉料，所述的碳纳米材料混合粉料由纳米金刚石、纳米石墨烯和碳纳米管粉料三者中至少一种组成。
本发明所述的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法所选的扩散剂配方，所述的碳纳米材料混合粉体中纳米金刚石成分至少含95％-100％，纳米石墨烯成分含0％-2％，碳纳米管成分含0％-3％。
本发明所述的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法，包含以下步骤：
步骤1、将碳纳米材料混合粉料按照比例进行制备，通过球磨机机械分散进行混合分散12-24h制备成碳纳米共混物，将所得碳纳米材料共混物置于40-60℃烘箱中烘干20-120min。
步骤2、将42CrMo齿轮钢试样待处理的表面用80-2000目的砂纸打磨光滑至粗糙度0.2-0.6μm后用无水乙醇超声洗净烘干；
步骤3、将42CrMo齿轮钢工件表面打磨平整光滑置于激光加工平台进行强化处理，激光强化的参数设置激光频率为20-100KHz，激光功率为20-80％，激光速度为500-2000mm/s，激光强化次数为1-10次。
步骤4、将制备好的将碳纳米材料混合粉料均匀涂覆激光强化后42CrMo齿轮钢工件的加工表面(厚度2-10mm)，静止1-30min至42CrMo齿轮钢表面和碳纳米材料混合粉料紧密接触后放入坩埚中。
步骤5、将坩埚置于加热炉中并在绝氧环境中进行加热处理，在42CrMo齿轮钢工件加工面形成碳纳米材料扩散层。加热处理分为三个阶段：升温阶段温度以1-20℃/min升温至920-1120℃，升温时间为1-30h；保温阶段温度为920℃-1120℃，保温时间为1-50h；降温阶段温度以0.5-20℃/min降温至室温，降温时间为1-40h；加热处理三个阶段在绝氧环境下进行，其保护气通入的流速为50-500ml/min，加热处理时的压强为10-30Pa，用无水乙醇将经过加工处理的42CrMo齿轮钢试样洗净并烘干。
步骤6、将加热处理完洗净烘干的42CrMo齿轮钢放置加热炉中以1-20℃/min的升温至100-900℃保温10-120min后取出，进行淬火处理。将淬火完的42CrMo齿轮钢试样用无水乙醇超声清洗后放置加热炉中以1-20℃/min的升温速率升温至100-900℃保温0.5-3h后取出，在室温下进行冷却，完成回火处理。
进一步地，所述的碳纳米混合材料是由纳米级别的金刚石、石墨烯和碳纳米管粉料三者中至少一种组成的。
进一步地，所述的淬火工艺为单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、喷雾淬火中的一种。
进一步地，所述的为低温回火、中温回火、高温回火中的一种。
进一步地，碳纳米混合材料所含纳米金刚石粉料含量不少于95％，纳米石墨烯粉料含量占比为0-3％，碳纳米管粉料含量占比为0-2％；
进一步地，所述的纳米金刚石粉料粒径大小为5-100nm，所述的石墨烯粉料粒径大小为10-150nm，所述的碳纳米管粉料粒径大小为20-150nm
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法比利用渗氮工艺提升42CrMo齿轮钢硬度的方法硬度有显著的提升。并且设备简单，工艺流程短，能量和原材料资源消耗小。
(2)纳米金刚石、纳米石墨烯和碳纳米管三种材料混合制备而成，给碳纳米材料开辟了新的方向和角度去对钢材进行表面或者整体的改性。
(3)采用多元碳纳米材料可大幅提升42CrMo齿轮钢的硬度，对提升我国钢铁材料的硬度和提升装备机械基础件和一般机械件有重要价值。
附图说明
图1为本发明的多元碳纳米材料提升基材硬度的表面微观图；
图2为本发明的多元碳纳米材料提升基材硬度的表面微观图；
图3为本发明不同实施例的硬度数据对比；
图4为本发明不同实施例的硬度对比图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面用具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法
实施例1：采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度
具体实施步骤；
步骤1：称取相应比例的纳米金刚石、纳米石墨烯和碳纳米管粉料，进行机械混合方式使碳纳米材料均匀分散，混合时间为12-24h，将所得碳纳米材料共混物置于40-60℃烘箱中烘干20-120min；
步骤2：将42CrMo齿轮钢工件使用无水乙醇并超声清洗，然后将工件表面使用80-2000目的砂纸打磨光滑至粗糙度为0.2-0.6μm，用无水乙醇超声洗净烘干。
步骤3：将打磨光滑的42CrMo齿轮钢工件置于激光加工平台进行强化处理，激光频率为20-100KHz，激光功率为20-80％，激光速度为500-2000mm/s，激光强化次数为1-10次。
步骤4：将碳纳米材料混合分散制备成混合粉料均匀涂覆42CrMo齿轮钢工件表面(厚度2-10mm)。静止1-30min至42CrMo齿轮钢工件表面和碳纳米材料混合粉料紧密贴合。碳纳米材料主要增强相是由碳纳米材料混合体的纳米级别的金刚石、石墨烯和碳纳米管中的至少一种成分组成。通过球磨机机械分散处理，碳纳米材料混合体互为分散的混合粉体的物理分散参与热扩散当中。
步骤5：贴合后的工件置于绝氧环境下热扩散3-120h，其中加热处理时长为1-30h，保温时长为1-50h，降温时长为1-40h。加温速率为1-20℃/min，保温温度为920-1120℃，降温速率为0.5-20h，绝氧环境的压强为10-30Pa，选用工业纯氩气或者氮气。将热扩散之后的42CrMo齿轮钢工件使用无水乙醇超声清洗，去除吸附在42CrMo齿轮钢工件表面的碳纳米混合粉料。
步骤6：将加热处理完并洗净的42CrMo齿轮钢放置加热炉中以1-20℃/min的升温至100-900℃保温10-120min后取出，采用专用淬火油进行淬火处理。将淬火处理完的42CrMo齿轮钢试样用无水乙醇超声清洗后放置加热炉中以1-20℃/min的升温速率升温至100-900℃保温0.5-3h后取出在室温下进行冷却。使用维氏硬度仪测量其表硬度，并用激光共聚焦显微镜观察其表面，其表面形貌如图1所示。
实施例2：采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度不同溶液淬火
具体实施步骤：
步骤1：称取相应比例的纳米金刚石、纳米石墨烯和碳纳米管粉料，进行机械混合方式使碳纳米材料均匀分散，混合时间为12-24h，将所得碳纳米材料共混物置于40-60℃烘箱中烘干20-120min；
步骤2：将42CrMo齿轮钢工件使用无水乙醇并超声清洗，然后将工件表面使用80-2000目的砂纸打磨光滑至粗糙度为0.2-0.6μm，用无水乙醇超声洗净烘干。
步骤3：将打磨光滑的42CrMo齿轮钢工件置于激光加工平台进行强化处理，激光频率为20-100KHz，激光功率为20-80％，激光速度为500-2000mm/s，激光强化次数为1-10次。
步骤4：将碳纳米材料混合分散制备成混合粉料均匀涂覆42CrMo齿轮钢工件表面(厚度2-10mm)。静止1-30min至42CrMo齿轮钢工件表面和碳纳米材料混合粉料紧密贴合。碳纳米材料主要增强相是由碳纳米材料混合体的纳米级别的金刚石、石墨烯和碳纳米管中的至少一种成分组成。通过球磨机机械分散处理，碳纳米材料混合体互为分散的混合粉体的物理分散参与热扩散当中。
步骤5：贴合后的工件置于绝氧环境下热扩散3-120h，其中加热处理时长为1-30h，保温时长为1-50h，降温时长为1-40h。加温速率为1-20℃/min，保温温度为920-1120℃，降温速率为0.5-20h，绝氧环境的压强为10-30Pa，选用工业纯氩气或者氮气。将热扩散之后的42CrMo齿轮钢工件使用无水乙醇超声清洗，去除吸附在42CrMo齿轮钢工件表面的碳纳米混合粉料。
步骤6：将加热处理完并洗净的42CrMo齿轮钢放置加热炉中以1-20℃/min的升温至100-900℃保温10-120min后取出，采用水溶液进行淬火处理。将淬火处理完的42CrMo齿轮钢试样用无水乙醇超声清洗后放置加热炉中以1-20℃/min的升温速率升温至100-900℃保温0.5-3h后取出在室温下进行冷却。使用维氏硬度仪测量其表硬度，并用激光共聚焦显微镜观察其表面，其表面形貌如图2所示。
如图1和图2所示，激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢在采用不同的淬火方式工件表面形貌差别很大。采用专用淬火油淬火的工件表面平整光滑无坑洼，采用水溶液淬火的工件表面粗糙且有很多凹凸不平物。如表3不同实施例硬度的数据对比和图4不同实施例硬度的对比图所示，经过激光强化辅助碳纳米材料热处理的42CrMo齿轮钢在淬火前硬度都是一定幅度的下降，但是在淬火后硬度明显高于原始的42CrMo齿轮钢硬度。经过完整步骤热处理的实施例硬度最高可以提升39.7％，从原始的293维氏硬度提升至409.4维氏硬度。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法，其特征包括以下步骤：
步骤1、称取纳米金刚石、纳米石墨烯和碳纳米管粉料，进行机械混合方式使碳纳米材料均匀分散，混合时间为12-24h，将所得碳纳米材料共混物置于40-60℃烘箱中烘干20-120min；
步骤2、将42CrMo齿轮钢试样待处理的表面打磨光滑至粗糙度0.2-0.6μm后用无水乙醇超声洗净烘干；
步骤3、将上述洗净的42CrMo齿轮钢试样置于激光加工平台进行激光强化处理，激光频率为20-100KHz，激光功率为20-80％，激光速度为200-3000mm/s，激光强化次数为1-10次；
步骤4、将激光强化处理完毕的42CrMo齿轮钢试样上均匀涂覆碳纳米材料混合粉料；
步骤5、将制备好的试样放入加热炉中进行加热处理，加热处理分为三个阶段：升温阶段温度以1-20℃/min升温至920-1120℃，升温时间为1-30h；保温阶段温度为920℃-1120℃，保温时间为1-50h；降温阶段温度以0.5-20℃/min降温至室温，降温时间为1-40h；加热处理三个阶段在绝氧环境下进行，其保护气通入的流速为50-500ml/min，加热处理时的压强为10-30Pa，用无水乙醇将经过加工处理的42CrMo齿轮钢试样洗净并烘干；
步骤6、对经过加工并洗净烘干的42CrMo齿轮钢试样进行淬火和回火处理：将上述洗净的42CrMo齿轮钢放置加热炉中以1-20℃/min的升温至500-1000℃保温10-120min后取出，进行淬火；将淬火完的42CrMo齿轮钢试样用无水乙醇超声清洗后放置加热炉中以1-20℃/min的升温速率升温至100-900℃保温0.5-3h后取出在室温下进行冷却完成回火处理，即得。
2.根据权利要求1所述的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法，其特征在于：所述的碳纳米混合材料是由纳米级别的金刚石、石墨烯和碳纳米管粉料三者中至少一种组成的。
3.根据权利要求1所述的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法，其特征在于：所述的淬火工艺为单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、喷雾淬火中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法，其特征在于：所述的为低温回火、中温回火、高温回火中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法，其特征在于：碳纳米混合材料所含纳米金刚石粉料含量不少于95％，纳米石墨烯粉料含量占比为0-3％，碳纳米管粉料含量占比为0-2％。
6.根据权利要求2所述的一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法，其特征在于：所述的纳米金刚石粉料粒径大小为5-100nm，所述的石墨烯粉料粒径大小为10-150nm，所述的碳纳米管粉料粒径大小为20-150nm。
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| CN202311166101.1A CN116987845A (zh) | 2023-09-11 | 2023-09-11 | 一种采用激光强化辅助碳纳米材料提升42CrMo齿轮钢硬度方法 |
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2023
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