一種提升真空滲碳效率的稀土注入處理方法與流程
2023-09-23 21:52:05
本發明涉及的是一種材料的表面處理方法，具體地說是一種離子注入與真空滲碳相結合的表面處理方法。
背景技術：
因真空滲碳是在真空條件下進行滲碳熱處理，易於獲得表面無晶間氧化的高硬度馬氏體組織，同時心部兼具良好的韌性，其耐磨性和抗疲勞性能均優於傳統滲碳，是目前汽車底盤、軸承、齒輪、活塞銷等零部件強化的重要手段。但其仍存在滲碳溫度較高，滲碳工藝生產周期較長等缺點，因此利用稀土催滲技術加速熱處理過程，改善滲層質量，降低滲碳溫度及能耗是此項技術的一個突破點。
稀土具有很低的電負性，化學活潑性很強，可以與碳、氮等間隙元素共滲，使被滲基體缺陷密度增殖，其在滲碳、滲氮等熱處理中存在極大的應用價值。早在1988年就有人提出了使用混合稀土催滲劑進行滲氮、滲碳的思想，但所選用的無機稀土催滲劑在應用中存在稀土利用率較低、殘渣量較大、催滲劑容易失效等問題。後期北京有色金屬研究總院提出的名稱為「一種化學熱處理用有機稀土催滲劑」的專利申請，可以較好地解決無機催滲劑的堵塞管路問題，但是稀土催滲劑的組分比較複雜，對滲碳工藝環節中碳勢、溫度等參數控制要求較高，並且此種加入稀土催滲劑的方法並不適用於真空滲碳。
離子注入技術是利用高能量離子束將所需元素以離子態注入到材料中，在不改變材料原有尺寸及粗糙度的條件下，實現均勻摻雜。注入離子直接和材料表面原子或分子結合，形成改性層，改性層和基底材料沒有清晰的界面，結合牢靠。離子注入技術常用於半導體摻雜改性及材料摩擦係數，提高耐磨性和耐蝕性，延長使用壽命方面，對於離子注入技術用於熱處理催滲，改善真空滲碳效果的研究還鮮有報導。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種能解決真空滲碳中滲層組織碳化物粗大、分散不均、滲碳周期長、效率低、溫度高等問題的提升真空滲碳效率的稀土注入處理方法。
本發明的目的是這樣實現的：
在真空滲碳之前，先對基材進行稀土鈰離子注入處理，在基材表面形成50-70nm厚的鈰離子稀土注入層，再進行真空滲碳熱處理。
本發明的還可以包括：
1、所述進行稀土鈰離子注入處理的注入電壓為40～60KV，注入計量為1×1017ion/cm2～2 ×1017ion/cm2，注入溫度為25～100℃。
2、所述真空滲碳熱處理的真空滲碳溫度為905℃～925℃，真空滲碳後過高溫回火、淬火、冷處理及低溫回火處理。
3、所述高溫回火的處理溫度為500～650℃，保溫時間為1h～4h；所述淬火的溫度為800～880℃，保溫時間為0.5h～3h；所述冷處理的溫度為-60～-150℃，保溫為0.5h～3h；所述低溫回火處理的溫度為150～250℃，保溫時間為1h～3h。
4、所述真空滲碳熱處理採用環脈衝模式，按照滲碳氣-冷卻氣-滲碳氣-冷卻氣的次序進行，滲碳介質為乙炔，冷卻氣體為氮氣，乙炔流量為1000～2000m3/h。
本發明屬於熱處理及表面工程等技術領域，具體涉及一種利用離子注入技術在材料表層引入稀土改性層，改善真空滲碳層質量、提高滲碳速率並降低滲碳溫度的複合熱處理方法。
本發明的目的是為了解決現有真空滲碳技術滲層組織碳化物粗大、分散不均、滲碳周期長、效率低、溫度高等問題而提供用於真空滲碳質量改善及效率提高的一種採用離子注入手段預先在基體注入稀土離子，後進行真空滲碳的複合處理方法。
本發明利用稀土注入產生晶格畸變及稀土微合金化作用，來提高真空滲碳效率，降低滲碳溫度、改善滲碳層質量。相比於現有稀土混合催滲劑的製備方法，本發明所採用的離子注入技術具有操作簡單、無殘渣、滲碳過程中無需分段控制碳勢等優點，可在真空滲碳爐內完成催滲反應，且滲碳後滲層中碳化物細小、分布均勻，可實現滲碳溫度的降低與速率的提升。
附圖說明
圖1為試驗用基本真空滲碳工藝圖；
圖2a為925℃未注入稀土真空滲碳表面金相組織圖片，圖2b為925℃未注入稀土真空滲碳截面金相組織圖片；
圖3a為Ce離子注入後925℃真空滲碳層表面金相組織圖片，圖3b為Ce離子注入後925℃真空滲碳層截面金相組織圖片；
圖4為925℃真空滲碳稀土未注入與注入後滲碳層深度變化圖；
圖5a為905℃真空滲碳Ce離子注入後層表面金相組織圖片，圖5b為905℃真空滲碳Ce離子注入後層截面金相組織圖片；
圖6為905℃真空滲碳稀土未注入與注入後滲碳層深度變化圖。
具體實施方式
本發明用於稀土元素注入的靶材主要成分為：Ce(純度≥99％)，採用純稀土Ce金屬經精細加工、磨削等工序製備而成。
本發明採用離子注入稀土元素+真空滲碳的複合處理手段來改善滲碳層質量，提升滲碳效率的方法按以下步驟實現：
一、取待滲基體，切割成塊體，並依此使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂紙將切割後的基材表面打磨光滑，隨後使用金剛石拋光膏拋光，並用無水乙醇清洗備用；
二、將步驟一中處理好的試樣塊，放入MEVVA直流線性離子注入機中進行稀土元素注入。注入前，先將注入室抽至真空狀態，隨後使用氬氣清洗所需注入元素靶材3-10min。注入試驗參數為：控制注入電壓40～60KV，注入計量1×1017ion/cm2～2×1017ion/cm2，注入溫度25～100℃；
三、取出稀土Ce注入後的樣品放入真空滲碳爐中，加熱至滲碳溫度，同時將爐內抽至真空度為1×10-3Pa以下。真空滲碳過程採用環脈衝模式，按照滲碳氣-冷卻氣-滲碳氣-冷卻氣的次序對試樣進行滲碳處理，滲碳介質為乙炔(C2H2)，冷卻氣體為氮氣(N2)，滲碳溫度920℃，乙炔流量1000～2000m3/h。
四、真空滲碳結束後，將爐溫降至600～700℃進行高溫回火處理。隨後取出試樣，進行油淬(750～850℃)、冷處理(-60～-130℃)及低溫回火(150～200℃)等過程，完成真空滲碳及熱處理工藝，基本工藝如圖1所示。真空滲碳及熱處理工序完成後，取出Ce注入後真空滲碳複合處理的試樣塊，空冷至室溫以備後續檢測。
下面舉例對本發明做更詳細的描述。
具體實施方式一：本實施方式參照常規真空滲碳工藝進行。將試樣依次打磨、拋光、清洗，具體實施步驟如下：
一、使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂紙將基體試樣表面打磨光滑，拋光後使用無水乙醇清洗；
二、將試驗得到的拋光基體試塊放入ECM真空滲碳試驗爐中，關閉爐門，設定滲碳模式為氣體脈衝式，將爐內抽紙真空，按照滲碳氣-冷卻氣-滲碳氣-冷卻氣的次序對試樣進行滲碳處理，滲碳介質為乙炔(C2H2)，冷卻氣體為氮氣(N2)，滲碳溫度為925℃，乙炔流量為1000～2000m3/h。其中步驟二中用於滲碳及擴散冷卻的氣體純度均勻為99％以上。
三、真空滲碳結束，將爐溫度降至500～650℃進行高溫回火處理，隨後取出試樣，進行油淬(800～880℃)、冷處理(-60～-150℃)及低溫回火(150～250℃)等過程完成真空滲碳及熱處理工藝，真空滲碳及熱處理工序完成後，取出試樣塊，空冷至室溫以備後續檢測。真空滲碳及後續熱處理基本工藝如圖1所示。
具體實施方式二：本實施方式用於離子注入的稀土靶材為稀土Ce靶，純度達99％。1.
稀土Ce注入結合真空滲碳技術改善滲碳速率的複合處理方法按以下步驟實現：
一、使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂紙將基體是樣塊表面打磨光滑，拋光後使用無水乙醇清洗；
二、採用MEVVA直流線性離子注入機進行稀土Ce離子注入試驗，具體參數為：控制注入電壓為40～60KV，注入計量2×1017ion/cm2，注入溫度25～100℃，在合金鋼表面得到Ce離子注入層；
其中步驟二中，試塊放入直流線性離子注入系統後需將室內抽至真空，並用Ar氣對靶材表面進行3-10min轟擊處理，清洗時，注意將擋板移至靶材處，避免雜質濺射到試樣塊體表面。
三、將試驗得到稀土Ce離子注入樣品，放入ECM真空滲碳試驗爐中，關閉爐門，設定滲碳模式為氣體脈衝式，按照滲碳氣-冷卻氣-滲碳氣-冷卻氣的次序對試樣進行滲碳處理，滲碳介質為乙炔(C2H2)，冷卻氣體為氮氣(N2)，滲碳溫度925℃，乙炔流量1000～2000m3/h。其中用於滲碳及擴散冷卻的氣體純度均勻為99％以上。
四、真空滲碳結束，將爐溫度降至600～700℃進行高溫回火處理，隨後取出試樣，進行油淬(750～850℃)、冷處理(-60～-130℃)及低溫回火(150～200℃)等過程完成真空滲碳及熱處理工藝，真空滲碳及熱處理工序完成後，取出試樣塊，空冷至室溫以備後續檢測。
具體實施方式三：本實施方式將依次經打磨、拋光、清洗不做任何前處理工藝的試樣進行低溫真空滲碳熱處理，具體實施步驟如下：
一、使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂紙將基體試樣表面打磨光滑，拋光後使用無水乙醇清洗；
二、將試驗得到的拋光基體試塊放入ECM真空滲碳試驗爐中，關閉爐門，設定滲碳模式為氣體脈衝式，將爐內抽至真空，按照滲碳氣-冷卻氣-滲碳氣-冷卻氣的次序對試樣進行滲碳處理，滲碳介質為乙炔(C2H2)，冷卻氣體為氮氣(N2)，滲碳溫度為905℃，乙炔流量為1000～2000m3/h。用於滲碳及擴散冷卻的氣體純度均勻為99％以上。
三、真空滲碳結束，對試樣以及進行高溫回火、油淬、冷處理及低溫回火等過程，具體工藝流程如圖1所示，真空滲碳及熱處理工序完成後，取出試樣塊，空冷至室溫以備後續檢測。
具體實施方式四：本實施方式用於離子注入的稀土靶材為稀土Ce靶，純度達99％。運用離子注入稀土Ce離子複合處理進行真空滲碳催滲方法按以下步驟實現：
一、使用60#、240#、600#、800#、1000#、2000#砂紙將基體是樣塊表面打磨光滑，拋光後使用無水乙醇清洗；
二、採用MEVVA直流線性離子注入機進行稀土Ce離子注入試驗，具體參數為：控制注入電壓為40～60KV，注入計量2×1017ion/cm2，注入溫度25～100℃，在合金鋼表面得到Ce離子注入層；
其中步驟二中，試塊放入直流線性離子注入系統後需將室內抽至真空，並用Ar氣對靶材表面進行3-10min轟擊處理，清洗時，注意將擋板移至靶材處，避免雜質濺射到試樣塊體表面。
三、將試驗得到稀土Ce離子注入樣品，放入ECM真空滲碳試驗爐中，關閉爐門，設定滲碳模式為氣體脈衝式，按照滲碳氣-冷卻氣-滲碳氣-冷卻氣的次序對試樣進行滲碳處理，滲碳介質為乙炔(C2H2)，冷卻氣體為氮氣(N2)，滲碳溫度905℃，乙炔流量1000～2000m3/h，用於滲碳及擴散冷卻的氣體純度均勻為99％以上。
四、真空滲碳結束，對試樣以及進行高溫回火、油淬、冷處理及低溫回火等過程，具體工藝流程如圖1所示，真空滲碳及熱處理工序完成後，取出試樣塊，空冷至室溫以備後續檢測。
本實施分別得到925℃和905℃真空滲碳樣品截面硬度測試在TH702型顯微硬度儀上進行，測試載荷為1000g；截面金相腐蝕液為4％的硝酸-酒精，檢測結果如圖2a～b、圖3a～b、圖4、圖5a～b、圖6所示，說明前處理離子注入稀土Ce可提高真空條件下碳元素的滲碳係數，縮短滲碳時間，降低滲碳溫度，改善滲層質量。
低碳合金鋼真空滲碳表面組織形貌及硬度分布曲線表明：採用相同工藝，注入稀土Ce催滲在滲層組織上碳化物級別降低，更為細小彌散，分布更加均勻，在滲碳速度上有明顯提高，採用離子注入Ce離子層前處理稀土催滲的真空滲碳速度要比未注入稀土的真空滲碳速度提高13％左右。降低真空滲碳溫度到905℃，經過相同的真空滲碳條件(滲碳時間、真空度、脈衝周期等)稀土前處理滲層深度與925℃相當，Ce離子注入相比於未經處理試樣，滲碳速度可提升12％。