离子注入金属材料工件真空回火处理方法技术

离子注入金属材料工件真空回火处理方法，可以解决工件在离子注入过程中，过回火问题。即，消除因离子注入束流过大、注入加热时间过长、被注入工件温度过高，而引起的工件基体硬度降低，综合性能变差；同时，因取消了工件在常规热处理程序中的回火工序，消除了工件在常规热处理回火工序中产生的表层氧化问题、有害气体残留问题；若原工件是真空回火工艺，采用此方法，取消了原来真空回火热处理工件的繁琐工序，工件经淬火、加工定型后，直接进行离子注入真空回火处理。此方法，在保留发展工件真空回火热处理优点的同时，被注入工件能充分显示出离子注入的优点。此方法减少了被加工工件的整体工序、节约能源、提高离子注入技术的可靠性、最终提高被加工工件的性能和产品质量。因此，离子注入金属材料工件真空回火处理方法，有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

材料科学领域，离子注入金属材料工件真空回火。
技术介绍
回火热处理质量最终影响工件的使用性能及寿命，同时热处理又是机械行业的能源消耗大户和污染大户。近年来，随着科学技术的进步及其在热处理方面的应用，热处理技术的发展主要体现在以下几个方面节约能源型清洁回火热处理传统热处理生产形成的废水、废气、废盐、粉尘、噪声等均会对环境造成污染。解决热处理的环境污染问题，实行清洁热处理，是发达国家热处理技术发展的方向之一。为减少SO2、CO、CO2、粉尘及煤渣的排放，已基本杜绝使用煤作燃料，改用轻油或天然气为燃料。提倡充分利用废热、余热，采用耗能低、周期短的工艺代替周期长、耗能大的工艺等。精密热处理提高产品质量精密热处理有两方面的含义一方面是根据工件的使用要求、材料、结构尺寸，利用物理冶金知识及先进的计算机模拟和检测技术，优化工艺参数，达到所需的性能或最大限度地发挥材料的潜力；另一方面是充分保证优化工艺的稳定性，实现产品质量分散度很小(或为零)及热处理畸变为零。真空回火热处理真空状态下加热可减少或避免工件的氧化，实现清洁热处理。真空回火热处理基本上不向环境排放废水、废盐、有毒气体、粉尘等污染物。另外，真空回火热处理后，工件的显微组织更加细小均匀，表面与心部组织一致，热处理缺陷如脱碳、裂纹等大大减少，硬度均匀，改善质量、减少产品变形及畸变、提高寿命，达到精密热处理标准。随着工件加工技术的发展，精密锻造及精密辗扩(冷辗)工艺的采用，零件毛坯的加工精度越来越高，逐步推广少、无车削工艺，由此对热处理提出了保护工件的表面，防止其氧化的要求。真空回火热处理能有效的满足当今精密加工工业的要求。真空回火热处理工件加热的热源一般为电涡流加热系统、热传导电加热系统或辐射热电加热系统。真空回火热处理需要配备专用的热回火处理设备，包括抽真空机组设备等。设备的投入及加热程序的复杂在一定程度上，限制了真空回火技术的应用推广。离子注入金属材料表面改性，是近年来材料科学领域兴起的实用、有效的材料表面处理方法。离子注入金属加工工具，可降低工具切削时的摩擦系数、提高切削工具刃口的红硬性。减少切削金属时，粘刀现象及冷焊现象，提高被加工工件的加工质量，减少工具的刃磨和安装次数，能有效的提高加工工效；提高工具使用寿命7-20倍。离子注入轴承和离子注入抽气泵，均表现出非常好的无油自润滑性能。北京师范大学为中国航天工业总公司五院研制的“尖兵一号乙”返回式卫星，遥感器抽气泵的摩擦件表面，实施离子注入技术处理，取得良好效果抽气泵的工作电流由离子注入前的6.3安培以上，降低到离子注入后的4.7安培以下，降低幅度达25％以上。“1992年8月发射的卫星，卫星的在轨工作寿命由以往的3至8天延长到16天。从而获得更多的科学实验数据。”中国航天工业总公司证明“对现已发射的两颗卫星的测试表明离子注入技术的应用，对降低遥感器的能耗，提高工作可靠性，延长卫星在轨工作寿命有着显著的作用。”美国海军实验室从1979年起进行了轴承零件离子注入的研究，英国、丹麦和葡萄牙等国从1989年开始进行与美国海军实验室类似的工作。结果表明注入铬离子能显著提高M50钢的抗腐蚀性能，而且抗接触疲劳性能也有所提高；此外还用注入硼离子来提高仪表轴承的抗磨损能力；对轴承钢52100进行氮等离子源离子注入(PSII)后在表面形成薄层氮化物，可提高轴承钢的耐蚀性，用于代替昂贵的不锈钢。然而，并非所有的工件一经离子注入就会呈现出优良的性能，在我们的科学实践中，有这样情况钻头、铣刀经离子注入后，钻孔、切削性能比没有进行离子注入的对照试样性能还差，刃口软化；轴承钢工件离子注入后体硬度降低；摩擦实验，低摩擦系数持续时间短等。究其原因，主要是因为，离子注入的电压与离子束流乘积组成离子注入能量。此能量随离子束流，注入到被加工工件表面，大部分的能量转变为热能。当注入能量过高时，被注入工件的体温度，高于工件材料的回火温度，(由于，传统离子注入工艺要求被注入工件，离子注入之前完成一切机加工和热处理工序，)则发生已回火工件再次回火情况。一些工件即产生过回火现象，表现为被注入工件基体组织软化。如高速钢使用状态的体硬度应达到HRc67-HRc70左右，离子注入过回火能使其硬度下降到小于HRc60；轴承钢使用状态的体硬度应达到HRc61.5以上，离子注入过回火能使其硬度降到小于HRc55。这样情况出现后，离子注入工件的性能表现为，还不如没有进行过离子注入的工件性能。经过多次科学实验、研究分析，我们专利技术了材料离子注入回火热处理的理念。用此方法可以解决离子注入金属材料过回火问题。提高离子注入质量。
技术实现思路
，要求被注入工件在离子注入之前，只进行高温淬火及其后续的定型加工。将其热处理的回火工序留给离子注入工序完成，这样可以解决工件在离子注入过程中，双重回火或过回火问题。即，消除因离子注入束流过大、注入加热时间过长、被注入工件温度过高，而引起的工件基体硬度降低，综合性能变差现象；同时，因取消了工件在常规热处理程序中的回火工序，消除了工件在常规热处理回火工序中产生的表层氧化问题、有害气体残留问题，经离子注入真空回火处理后，注入层的马氏体极细小、碳化物分布更均匀、残余奥氏体极少，比一般回火具有更高硬度和滑动耐磨性；若原工件是真空回火工艺，采用此方法，取消了原来真空回火处理工件的繁琐工序，工件淬火、加工定型后，直接进行离子注入工件真空回火处理。此方法，在保留发展工件真空回火处理的优点同时，工件能充分显示出离子注入的优点。此方法减少了被加工工件的整体工序、节约能源、提高离子注入的可靠性、最终提高被加工工件的性能和产品质量。因此，，有很好的应用前景。附图说明图1、1、为Ti+C离子注入淬火态轴承钢工件，即淬火态轴承钢工件直接进行离子注入真空回火后，在德国ZEISS设备上测得的显微硬度(Hv)—深度(nm)分布曲线，此曲线显示经离子注入金属材料真空回火后工件有很好的表面性能；图1、2、为淬火态轴承钢真空回火显微硬度—深度分布曲线；图1、3、为淬火态轴承钢箱式炉回火显微硬度—深度分布曲线。箱式炉图2、1、为淬火态轴承钢经箱式炉正常回火后，离子注入产生过回火现象，工件的显微硬度—深度分布曲线，此曲线显示当深度超过1000纳米时其硬度已经低于传统回火工艺处理的工件硬度；图2、2、为淬火态轴承钢传统箱式炉正常回火显微硬度—深度分布曲线。具体实施例方式，是利用离子注入时，加速电场、注入束流产生的能量，此能量由离子携带注入到被注入金属工件表面。依据注入元素的电离能和注入元素及被注入工件材料中各元素的结合能大小、依据离子注入射程、依据纳米陶瓷膜形成条件、依据材料热处理数据，综合个条件设计注入电压的高低，控制注入离子束流的大小等选择各种离子注入条件，达到控制被注入试样表面所接收的能量多少，从而控制被注入工件的基体平均温度。以达到金属工件离子注入的同时进行真空回火。中，离子种类包括单一金属离子、单一非金属离子、金属和非金属同时电离混合离子、还包括金属与金属同时电离混合离子、非金属(碳、硼)与非金属同时电离混合离子的离子注入。用上述各类的离子注入工件，使工件在离子注入条件下加热到其所需要的回火温度，保持这个温度，经过一定的回火时间，被注入金属工件的基体组织转变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子注入金属材料工件真空回火处理方法。其特征在于利用离子注入过程中，加速电场、注入束流产生的能量，加热被注入金属工件。依据注入元素的电离能和注入元素及被注入工件材料中各元素的结合能大小、依据离子注入射程、依据纳米陶瓷膜形成条件、依据材料热处理数据，综合个条件设计注入电压的高低，控制注入离子束流的大小等选择各种离子注入条件，达到控制被注入工件表面所接收能量大小。从而控制被注入工件的温度。达到金属工件离子注入真空回火的目的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁晓纪，米娜娃马木提，王平，刘安东，刘志国，陆挺，周宏余，房惠荣，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]