合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法技术

合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法，本发明专利技术属于表面工程技术领域，它为了解决现有真空渗碳工艺得到的渗层表面硬度略低、耐磨耐蚀性能较差的问题。复合强化处理方法：一、砂纸打磨合金钢基材；二、采用脉冲模式进行真空渗碳处理；三、对合金钢基材进行热处理；四、砂纸打磨合金钢基材，抛光后清洗；五、采用Ti靶并注入N2气进行Ti和N双元素的离子注入处理。本发明专利技术利用金属Ti离子及非金属N离子注入过程中产生的晶格畸变及真空渗碳层表面较高的碳浓度与注入离子间的合金化作用，以提高真空渗碳层表面硬度，改善渗碳层耐磨耐蚀性能，相对于相同厚度的真空渗碳层，表层硬度提高35％，摩擦系数降低24.1％。

Composite strengthening treatment of alloy steel surface by vacuum carburizing and ion implantation

This invention belongs to the field of surface engineering technology. In order to solve the problem that the surface hardness of the layer surface of the existing vacuum carburizing process is slightly lower and the wear resistance and corrosion resistance is poor. Composite strengthening methods: 1. Grinding the base material of alloy steel in sand paper; two, vacuum carburizing with pulse mode; three, heat treatment of alloy steel base material; four, abrasive paper grinding alloy steel base material, polishing after polishing; five, using Ti target and injecting N2 gas into Ti and N double elements ion implantation treatment. In order to improve the hardness of the surface of the vacuum carburizing layer and improve the wear resistance and corrosion resistance of the carburizing layer, the surface hardness of the surface layer is raised compared with the vacuum carburizing layer with the same thickness. The surface hardness is raised by using the lattice distortion and the high carbon concentration of the vacuum carburized layer on the surface of the vacuum carburized layer with the metal Ti ion and the nonmetal ion implantation. High 35%, the friction coefficient decreased by 24.1%.

【技术实现步骤摘要】
合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法
本专利技术属于表面工程
，具体涉及一种利用离子注入技术在真空渗碳层表层一定范围内引入硬质相层，改善真空渗碳层表层硬度、耐磨及耐蚀性能的一种表面复合强化方法。
技术介绍
低碳合金钢真空渗碳由于表层到心部组织性能的缓慢过度，具有不脱落和承载力强的特点，被广泛的应用于航空航天、汽车及海洋运输等工业领域，但运输业的飞速发展对渗碳层表面的性能要求也越来越高，由于真空渗碳层表面硬度略低，耐蚀性能差，需要对其进一步开展表面强化处理。TiN/TiC陶瓷相具有硬度高、摩擦系数低、耐蚀性好等优异性能，成膜后表面光滑平整，硬质相颗粒分布均匀，致密度高具有较好的防腐耐磨性能。离子注入技术利用高能量离子束将所需元素以离子态注入到材料中，在不改变材料原有尺寸及粗糙度的条件下，实现均匀掺杂。Ti和N双离子注入，注入后的Ti、N离子会直接和材料表面原子或分子结合形成改性层，改性层与基底间无明显界面。双离子注入技术在半导体掺杂改性、材料摩擦学性能、腐蚀性能和寿命提升方面应用广泛。采用真空渗碳与离子注入复方法均能够在形状复杂的零件表面获得强化层，并可实现零件的批量处理，将两种技术复合强化材料表面，可有效提高材料表面硬度，获得优良耐磨耐蚀性的复合强化层，其在表面强化领域具有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有真空渗碳工艺得到的渗层表面硬度略低、耐磨耐蚀性能较差的问题，而提出一种真空渗碳和Ti+N双离子注入复合强化工艺，以提高渗层表面硬度，降低渗层摩擦系数，改善渗层耐蚀性能。本专利技术合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法按以下步骤实现：一、采用砂纸将合金钢基材表面打磨光滑，得到打磨后的合金钢基材；二、将打磨后的合金钢基材放置到真空渗碳炉中，加热至渗碳温度，同时将真空渗碳炉内抽至真空度为1×10-3Pa以下，采用脉冲模式进行真空渗碳处理，完成合金钢基材的真空渗碳处理；三、步骤二的真空渗碳处理结束后，将真空渗碳炉中以600～700℃进行高温回火处理，从真空渗碳炉中取出合金钢基材在750～850℃的温度下油淬，再在-60～-130℃的温度下深冷处理，最后以150～200℃低温回火处理，得到热处理后的合金钢基材；四、使用砂纸将热处理后的合金钢基材打磨光滑，然后对合金钢基材进行机械抛光处理，使用无水乙醇清洗后得到抛光后的合金钢基材；五、将抛光后的合金钢基材放入离子注入机的注入室中，先将注入室抽至真空状态，使用氩气清洗所需注入元素靶材3～10min，采用Ti靶并注入N2气进行Ti和N双元素的离子注入处理，完成合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理。本专利技术利用金属Ti离子及非金属N离子注入过程中产生的晶格畸变及真空渗碳层表面较高的碳浓度与注入离子间的合金化作用，以提高真空渗碳层表面硬度，改善渗碳层耐磨耐蚀性能，真空渗碳层与真空渗碳与Ti+N双离子注入层表面的硬度值能达到23GPa。相比于单一真空渗碳方法，本专利技术所采用的离子注入技术可在渗碳层表层一定范围内生成弥散分布的硬质陶瓷相，操作简单，对渗碳层硬度及耐磨耐蚀性提升效果显著，相对于相同厚度的真空渗碳层，表层硬度提高35％，摩擦系数降低24.1％，同时渗碳层在NaCl溶液中的腐蚀性能得到改善。附图说明图1为真空渗碳层与真空渗碳与Ti+N双离子注入层摩擦系数图，其中1代表真空渗碳层，2代表真空渗碳与Ti+N双离子注入层；图2为真空渗碳层与真空渗碳与Ti+N双离子注入层3.5％NaCl溶液中电化学腐蚀曲线图，其中1代表真空渗碳层，2代表真空渗碳与Ti+N双离子注入层。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法按以下步骤实施：一、采用砂纸将合金钢基材表面打磨光滑，得到打磨后的合金钢基材；二、将打磨后的合金钢基材放置到真空渗碳炉中，加热至渗碳温度，同时将真空渗碳炉内抽至真空度为1×10-3Pa以下，采用脉冲模式进行真空渗碳处理，完成合金钢基材的真空渗碳处理；三、步骤二的真空渗碳处理结束后，将真空渗碳炉中以600～700℃进行高温回火处理，从真空渗碳炉中取出合金钢基材在750～850℃的温度下油淬，再在-60～-130℃的温度下深冷处理，最后以150～200℃低温回火处理，得到热处理后的合金钢基材；四、使用砂纸将热处理后的合金钢基材打磨光滑，然后对合金钢基材进行机械抛光处理，使用无水乙醇清洗后得到抛光后的合金钢基材；五、将抛光后的合金钢基材放入离子注入机的注入室中，先将注入室抽至真空状态，使用氩气清洗所需注入元素靶材3～10min，采用Ti靶并注入N2气进行Ti和N双元素的离子注入处理，完成合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理。本实施方式用于金属Ti离子注入的靶材主要成分为：Ti(纯度≥99％)，采用纯金属Ti靶，其经精细加工、磨削等工序制备而成。用于非金属N离子注入的气体为纯N2气，气体纯度99.95％。本实施方式真空渗碳后对渗碳表层进行Ti+N双离子注入处理，可在渗碳层表面形成TiN/TiC陶瓷颗粒增强渗层，从而提升单一真空渗碳层表面硬度并改善真空渗碳层耐磨耐蚀性能。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一依次采用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂纸将合金钢基材表面打磨光滑。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中真空渗碳处理过程中的渗碳介质为乙炔(C2H2)，保护气体为氮气(N2)，控制渗碳温度910～930℃。本实施方式先对渗碳炉进行抽真空处理，抽至真空度为1×10-3Pa以下，加热至渗碳温度。采用循环脉冲模式进行真空渗碳处理，按照渗碳气-保护气次序进行渗碳处理。渗碳介质为乙炔，保护气体为氮气，控制乙炔流量1000～2000m3/h，氮气流量1500～2000m3/h，每进行一次“渗碳气-保护气”作为一个脉冲周期，在一个脉冲周期内，乙炔气体分解提供碳源，碳原子扩散到试样表面，为了保持气压恒定，通入氮气保持炉内气压不变，并防止渗碳过程中引入杂质气体。由于碳原子从表面扩散到心部需要的时间不同，因此每个脉冲周期的通气时间不完全相同，具体时间应按照所需要的渗碳层厚度而确定。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三以600～700℃进行高温回火处理1h～4h。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三在750～850℃的温度下油淬0.5h～3h。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三在-60～-130℃的温度下深冷处理0.5h～3h。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三以150～200℃低温回火处理1h～3h。具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四依次使用1000#和2000#砂纸将热处理后的合金钢基材打磨光滑。具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤五将注入室抽至真空状态，控制真空度为1×10-3Pa以下。具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤五Ti和N双元素的离子注入处理过程控制注入电压40～60KV，注入计量1×1017ion/cm2～2×本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法，其特征在于该方法按以下步骤实现：一、采用砂纸将合金钢基材表面打磨光滑，得到打磨后的合金钢基材；二、将打磨后的合金钢基材放置到真空渗碳炉中，加热至渗碳温度，同时将真空渗碳炉内抽至真空度为1×10‑3Pa以下，采用脉冲模式进行真空渗碳处理，完成合金钢基材的真空渗碳处理；三、步骤二的真空渗碳处理结束后，将真空渗碳炉中以600～700℃进行高温回火处理，从真空渗碳炉中取出合金钢基材在750～850℃的温度下油淬，再在‑60～‑130℃的温度下深冷处理，最后以150～200℃低温回火处理，得到热处理后的合金钢基材；四、使用砂纸将热处理后的合金钢基材打磨光滑，然后对合金钢基材进行机械抛光处理，使用无水乙醇清洗后得到抛光后的合金钢基材；五、将抛光后的合金钢基材放入离子注入机的注入室中，先将注入室抽至真空状态，使用氩气清洗所需注入元素靶材3～10min，采用Ti靶并注入N2气进行Ti和N双元素的离子注入处理，完成合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理。

【技术特征摘要】
1.合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法，其特征在于该方法按以下步骤实现：一、采用砂纸将合金钢基材表面打磨光滑，得到打磨后的合金钢基材；二、将打磨后的合金钢基材放置到真空渗碳炉中，加热至渗碳温度，同时将真空渗碳炉内抽至真空度为1×10-3Pa以下，采用脉冲模式进行真空渗碳处理，完成合金钢基材的真空渗碳处理；三、步骤二的真空渗碳处理结束后，将真空渗碳炉中以600～700℃进行高温回火处理，从真空渗碳炉中取出合金钢基材在750～850℃的温度下油淬，再在-60～-130℃的温度下深冷处理，最后以150～200℃低温回火处理，得到热处理后的合金钢基材；四、使用砂纸将热处理后的合金钢基材打磨光滑，然后对合金钢基材进行机械抛光处理，使用无水乙醇清洗后得到抛光后的合金钢基材；五、将抛光后的合金钢基材放入离子注入机的注入室中，先将注入室抽至真空状态，使用氩气清洗所需注入元素靶材3～10min，采用Ti靶并注入N2气进行Ti和N双元素的离子注入处理，完成合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理。2.根据权利要求1所述的合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法，其特征在于步骤一依次采用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂纸将合金钢基材表面打磨光滑。3.根据权利要求1所述的合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：金国，董美伶，崔秀芳，蔡召兵，卢冰文，冯相如，侯兴隆，岳彩文，魏悠悠，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23