一種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法
2023-06-15 03:54:11 2
專利名稱：一種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法
技術領域：
本發明屬於表面硬化技術領域。具體涉及一種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法。
背景技術：
馬氏體不鏽鋼具備高強度和耐蝕性，因此在工業生產中得到了廣泛的應用。可用來製造機器零件如蒸汽渦輪的葉片(lCrl3)、蒸汽裝備的軸和拉杆OCrl3)，以及在腐蝕介質中工作的零件如活門、螺栓等GCrl3)；碳含量較高的合金鋼GCrl3、9Crl8)則用於製造醫療器械、餐刀、測量用具、彈簧等。但由於馬氏體不鏽鋼的表面硬度不高，使用過程中表面易產生劃痕，且耐磨性較差，影響使用壽命。為了克服這些問題，通常對不鏽鋼進行滲氮、滲碳或碳氮共滲，提高不鏽鋼的表面硬度和耐磨性，已公開的技術有1)化學滲入。「提升馬氏體系不鏽鋼表面硬度的方法」(CN200710127264. 3)專利技術的工藝過程是利用混合氣體中的氫氣將不鏽鋼的氧化膜還原，使丙烷所提供的碳原子更容易的進入不鏽鋼基底中，丙烷的流量控制在0. 05 0. 08公升/分鐘，加熱爐溫度920°C以上，所述的混合氣體是氨氣分解氣體和甲烷，通過該方法處理的馬氏體不鏽鋼的表面維氏硬度值為700 760。「馬氏體不鏽鋼滲碳方法及其製品」(CN200710050131. 0) 專利技術的工藝過程是在甲苯氣氛中於950 1000°C溫度範圍內滲碳，滲碳前做預處理，去除油汙和鈍化膜，滲碳後做熱處理，通過該方法處理後的馬氏體不鏽鋼的表面硬度HRC ^ 55(相當於維氏硬度值600)。「馬氏體不鏽鋼氮碳共滲方法及其製品」(CN200810046438. 8)專利技術的工藝過程是將製品的半成品經調質處理、去除油汙及鈍化膜後，在氨氣和二氧化碳氣氛中於550 560°C溫度範圍內氮碳共滲，通過該方法處理後的馬氏體不鏽鋼的共滲層深度> 0. 05mm，共滲層表面維氏硬度值> 509。2)低能離子滲入。「奧氏體不鏽鋼精密硬化方法及設備」(CN200810067779. 3)專利技術，採用離子滲氮的方法對奧氏體不鏽鋼進行表面處理，將工件在380 450°C的溫度下進行離子滲氮或離子碳氮共滲硬化處理1 證，工作真空度為100 500Pa，工作電壓為 400 800V，所得不鏽鋼表面維氏硬度值> 500。同時，由於不鏽鋼表面存在緻密的鈍化層，所以不管是上述的化學滲入或者低能離子滲入，都要首先想辦法除去不鏽鋼的鈍化層，然後再進行滲入工藝。「耐磨性優良的表面碳氮化不鏽鋼部件和其製造方法」(CN200380100962. 4)專利技術，採用含有滷素的氣體對不鏽鋼表面進行活化處理，「裝飾品及其製造方法」(CN00801908.8)專利技術，採用高溫氟化處理去除不鏽鋼表面鈍化層。上述表面處理方法雖可改變不鏽鋼的表面特性，提高其使用壽命，但不足之處在於①高溫處理過程導致工件變形，工作時真空度低導致表面氧化；②熱處理和滲碳處理導致工件表面形貌發生改變，影響工件的精度和表面光潔度；③滲入需要控制的條件多， 碳、氮的滲入量不易控制，影響產品的質量；④去除鈍化層處理時間長，工藝複雜，使用的滷素氣體、強酸等對環境造成嚴重汙染。
發明內容
本發明旨在克服現有技術缺陷，目的是提供一種工藝簡單和處理過程無汙染的馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法；用該方法處理的產品表面耐磨性和硬度高能大幅度提高，產品使用壽命高。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為先將處理後的馬氏體不鏽鋼工件放置在離子注入機真空室的工作檯上，抽真空至2. 0 X 10_3 3. 0 X 10_3Pa，用離子清洗源去除工件表面的鈍化層；然後向去除表面鈍化層的馬氏體不鏽鋼工件注入氮離子，得到表面硬化的馬氏體不鏽鋼。注入氮離子的條件是真空度為5. OX 10_4 5. OX 10_2Pa，離子源加速電壓為 10 100KV,注入劑量為 5. OX IO15 5. 0 X 1019ions/cm2。清洗源的工作條件是燈絲電流6 10A，電弧電壓40 70V，引出電壓0. 6 1. 5KV，引出電流40 70mAO所述的處理是將馬氏體不鏽鋼工件浸沒在無水乙醇中超聲清洗10 20min，取出吹乾。由於採用上述技術方案，本發明所述的氮離子注入硬化馬氏體不鏽鋼的方法有以下優點1、本發明通過調節注入時間和加速電壓，可以精確地控制氮離子注入的劑量，有利於產品的質量控制。2、本發明用高能離子束入射到材料表面，不改變馬氏體不鏽鋼工件的尺寸；離子注入過程在室溫下進行，並且對工件臺提供水冷，不會引起工件的高溫變形；尤其適於精密工件的硬化處理。3、本發明採用清洗源去除馬氏體不鏽鋼工件表面的鈍化層，10分鐘內即可完成， 處理速度快、工藝簡單和處理過程無汙染。4、本發明得到的馬氏體不鏽鋼表面硬度得到了很大提高(HV > 1000)，耐磨性也得到了顯著提高。5、本發明所得到的馬氏體不鏽鋼硬化層和不鏽鋼基體間結合牢固。因此，本發明具有工藝簡單、處理過程無汙染的特點；用該方法處理的產品表面耐磨性和硬度高得到大幅提高，硬化層和不鏽鋼基體間結合牢固，使用壽命高。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明做進一步的描述，並非對其保護範圍的限制實施例1一種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法。先將處理後的馬氏體不鏽鋼工件放置在離子注入機真空室的工作檯上，抽真空至2. 0 X 10_3 2. 3 X 10_3Pa，用離子清洗源去除工件表面的鈍化層；然後向去除表面鈍化層的馬氏體不鏽鋼工件注入氮離子，得到表面硬化的馬氏體不鏽鋼。注入氮離子的條件是真空度為1. OX 10_2 5. OX 10_2Pa，離子源加速電壓為 80 100KV,注入劑量為 5. OX IO18 5. 0 X 1019ions/cm2。清洗源的工作條件是燈絲電流8 10A，電弧電壓40 50V，引出電壓1. 2 1. 5KV，引出電流60 70mAο所述的處理是將馬氏體不鏽鋼工件浸沒在無水乙醇中超聲清洗18 20min，取出吹乾。本實施例所製備產品的性能測試如下1)利用微型摩擦磨損試驗機對處理後的馬氏體不鏽鋼表面進行摩擦測試，摩擦副由在水平面內轉動的盤和位於它上端固定的鋼珠組成，它們之間構成了點面接觸，盤轉動， 球固定，實驗載荷為50g，轉速為200r/min，軌跡半徑3mm，室溫下進行。球摩擦副為GCr 15 鋼珠，直徑為3mm。測試結果表明處理後的馬氏體不鏽鋼表面的摩擦係數下降了 35% 45%。2)採用HX-1000顯微硬度計對處理後的馬氏體不鏽鋼表面進行硬度測試，試驗載荷25g，加載時間為20s，表面顯微硬度測試是在處理過的馬氏體不鏽鋼表面平行等距離取5個點，取平均值。測試結果表明當馬氏體不鏽鋼表面氮離子注入劑量為5. OX IO18 5.0X1019ions/cm2時，其表面維氏硬度值可達1200 1500，是未處理馬氏體不鏽鋼的表面維氏硬度的3. 6 4. 5倍。實施例2一種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法。先將處理後的馬氏體不鏽鋼工件放置在離子注入機真空室的工作檯上，抽真空至2. 3 X 10_3 2. 5 X 10_3Pa，用離子清洗源去除工件表面的鈍化層；然後向去除表面鈍化層的馬氏體不鏽鋼工件注入氮離子，得到表面硬化的馬氏體不鏽鋼。注入氮離子的條件是真空度為5.0\10_3 1.0\10_牛 離子源加速電壓為 60 80KV,注入劑量為 5. OX IO17 5. 0 X 1018ions/cm2。清洗源的工作條件是燈絲電流8 10A，電弧電壓50 60V，引出電壓1. 0 1. 3KV，引出電流50 60mAο所述的處理是將馬氏體不鏽鋼工件浸沒在無水乙醇中超聲清洗15 18min，取出吹乾。本實施例所製備產品的性能測試如下1)利用微型摩擦磨損試驗機對處理後的馬氏體不鏽鋼表面進行摩擦測試，測試方法同實施例1。測試結果表明處理後的馬氏體不鏽鋼表面的摩擦係數下降了 35% 40%。2)採用HX-1000顯微硬度計對處理後的馬氏體不鏽鋼表面進行硬度測試，測試方法同實施例1。測試結果表明當馬氏體不鏽鋼表面氮離子注入劑量為5. OX IO17 5.0X1018ions/cm2時，其表面維氏硬度值可達800 1200，是未處理馬氏體不鏽鋼的表面維氏硬度的2. 4 3. 6倍。實施例3—種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法。先將處理後的馬氏體不鏽鋼工件放置在離子注入機真空室的工作檯上，抽真空至2. 5 X 10_3 2. 7 X 10_3Pa，用離子清洗源去除工件表面的鈍化層；然後向去除表面鈍化層的馬氏體不鏽鋼工件注入氮離子，得到表面硬化的馬氏體不鏽鋼。注入氮離子的條件是真空度為1. OX 10_3 5. OX 10_3Pa，離子源加速電壓為 40 60KV,注入劑量為 5. OX IO16 5. 0 X 1017ions/cm2。
清洗源的工作條件是燈絲電流7 9A，電弧電壓55 65V，引出電壓0. 8 1.0KV，引出電流45 50mA。所述的處理是將馬氏體不鏽鋼工件浸沒在無水乙醇中超聲清洗13 15min，取出吹乾。本實施例所製備產品的性能測試如下1)利用微型摩擦磨損試驗機對處理後的馬氏體不鏽鋼表面進行摩擦測試，測試方法同實施例1。測試結果表明處理後的馬氏體不鏽鋼表面的摩擦係數下降了 20% 30%。2)採用HX-1000顯微硬度計對處理後的馬氏體不鏽鋼表面進行硬度測試，測試方法同實施例1。測試結果表明當馬氏體不鏽鋼表面氮離子注入劑量為5. OX IO16 5. OX 1017ions/cm2時，其表面維氏硬度值可達450 800 ；是未處理的馬氏體不鏽鋼的表面維氏硬度的1.4 2. 4倍。實施例4一種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法。先將處理後的馬氏體不鏽鋼工件放置在離子注入機真空室的工作檯上，抽真空至2. 7 X 10_3 3. 0 X 10_3Pa，用離子清洗源去除工件表面的鈍化層；然後向去除表面鈍化層的馬氏體不鏽鋼工件注入氮離子，得到表面硬化的馬氏體不鏽鋼。注入氮離子的條件是真空度為5.0\10_4 1.0\10』 離子源加速電壓為 10 40KV,注入劑量為 5. OX IO15 5. 0 X 1016ions/cm2。清洗源的工作條件是燈絲電流6 8A，電弧電壓60 70V，引出電壓0. 9 1. 2KV，引出電流40 48mAο所述的處理是將馬氏體不鏽鋼工件浸沒在無水乙醇中超聲清洗10 13min，取出吹乾。本實施例所製備產品的性能測試如下1)利用微型摩擦磨損試驗機對處理後的馬氏體不鏽鋼表面進行摩擦測試，測試方法同實施例1。測試結果表明處理後的馬氏體不鏽鋼表面的摩擦係數下降了 10% 20%。2)採用HX-1000顯微硬度計對處理後的馬氏體不鏽鋼表面進行硬度測試，測試方法同實施例1。測試結果表明當馬氏體不鏽鋼表面氮離子注入劑量為5. OX IO15 5.0X1016ions/cm2時，其表面維氏硬度值可達350 450，是未處理的馬氏體不鏽鋼的表面維氏硬度的1.2 1.4倍。本具體實施方式
具有以下優點1、本具體實施方式
通過調節注入時間和加速電壓，可以精確地控制氮離子注入的劑量，有利於產品的質量控制。2、本具體實施方式
用高能離子束入射到材料表面，不改變馬氏體不鏽鋼工件的尺寸；離子注入過程在室溫下進行，並且對工件臺提供水冷，不會引起工件的高溫變形；尤其適於精密工件的硬化處理。3、本具體實施方式
採用清洗源去除馬氏體不鏽鋼工件表面的鈍化層，10分鐘內即可完成，處理速度快、工藝簡單和處理過程無汙染。4、本具體實施方式
得到的馬氏體不鏽鋼表面硬度得到了很大提高(HV > 1000)， 耐磨性也得到了顯著提高。
5、本具體實施方式
所得到的馬氏體不鏽鋼硬化層和不鏽鋼基體間結合牢固。因此，本具體實施方式
具有工藝簡單、處理過程無汙染的特點；用該方法處理的產品表面耐磨性和硬度高得到大幅提高，硬化層和不鏽鋼基體間結合牢固，使用壽命高。
權利要求
1.一種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法，其特徵在於先將處理後的馬氏體不鏽鋼工件放置在離子注入機真空室的工作檯上，抽真空至2. 0 X 10_3 3. 0 X 10_3Pa，用離子清洗源去除工件表面的鈍化層；然後向去除表面鈍化層的馬氏體不鏽鋼工件注入氮離子，得到表面硬化的馬氏體不鏽鋼；注入氮離子的條件是真空度為5. OX 10_4 5. OX 10_2Pa，離子源加速電壓為10 100KV,注入劑量為 5. OX IO15 5. 0 X 1019ions/cm2 ；清洗源的工作條件是燈絲電流6 10A，電弧電壓40 70V，引出電壓0. 6 1.5KV， 引出電流40 70mA。
2.根據權利要求1所述的馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法，其特徵在於所述的處理是將馬氏體不鏽鋼工件浸沒在無水乙醇中超聲清洗10 20min，取出吹乾。
全文摘要
本發明涉及一種馬氏體不鏽鋼的表面硬化方法。其技術方案為先將處理後的馬氏體不鏽鋼工件放置在離子注入機真空室的工作檯上，抽真空至2.0×10-3～3.0×10-3Pa，用離子清洗源去除工件表面的鈍化層；然後向去除表面鈍化層的馬氏體不鏽鋼工件注入氮離子，得到表面硬化的馬氏體不鏽鋼。注入氮離子的條件是真空度為5.0×10-4～5.0×10-2Pa，離子源加速電壓為10～100kV，注入劑量為5.0×1015～5.0×1019ions/cm2；清洗源的工作條件是燈絲電流6～10A，電弧電壓40～70V，引出電壓0.6～1.5kV，引出電流40～70mA。本發明具有工藝簡單、處理過程無汙染的特點；用該方法處理的產品表面耐磨性和硬度高得到大幅提高，硬化層和不鏽鋼基體間結合牢固，使用壽命高。
文檔編號C23C14/48GK102168254SQ201110108150
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者倪紅衛, 詹瑋婷, 邰軍凱, 陳榮生 申請人:武漢科技大學