專利名稱：離子注入金屬材料工件真空回火處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
材料科學(xué)領(lǐng)域，離子注入金屬材料工件真空回火。
背景技術(shù)：
回火熱處理質(zhì)量最終影響工件的使用性能及壽命，同時熱處理又是機(jī)械行業(yè)的能源消耗大戶和污染大戶。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及其在熱處理方面的應(yīng)用，熱處理技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面節(jié)約能源型清潔回火熱處理傳統(tǒng)熱處理生產(chǎn)形成的廢水、廢氣、廢鹽、粉塵、噪聲等均會對環(huán)境造成污染。解決熱處理的環(huán)境污染問題，實行清潔熱處理，是發(fā)達(dá)國家熱處理技術(shù)發(fā)展的方向之一。為減少SO2、CO、CO2、粉塵及煤渣的排放，已基本杜絕使用煤作燃料，改用輕油或天然氣為燃料。提倡充分利用廢熱、余熱，采用耗能低、周期短的工藝代替周期長、耗能大的工藝等。
精密熱處理提高產(chǎn)品質(zhì)量精密熱處理有兩方面的含義一方面是根據(jù)工件的使用要求、材料、結(jié)構(gòu)尺寸，利用物理冶金知識及先進(jìn)的計算機(jī)模擬和檢測技術(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，達(dá)到所需的性能或最大限度地發(fā)揮材料的潛力；另一方面是充分保證優(yōu)化工藝的穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量分散度很小(或為零)及熱處理畸變?yōu)榱恪?br> 真空回火熱處理真空狀態(tài)下加熱可減少或避免工件的氧化，實現(xiàn)清潔熱處理。真空回火熱處理基本上不向環(huán)境排放廢水、廢鹽、有毒氣體、粉塵等污染物。另外，真空回火熱處理后，工件的顯微組織更加細(xì)小均勻，表面與心部組織一致，熱處理缺陷如脫碳、裂紋等大大減少，硬度均勻，改善質(zhì)量、減少產(chǎn)品變形及畸變、提高壽命，達(dá)到精密熱處理標(biāo)準(zhǔn)。隨著工件加工技術(shù)的發(fā)展，精密鍛造及精密輾擴(kuò)(冷輾)工藝的采用，零件毛坯的加工精度越來越高，逐步推廣少、無車削工藝，由此對熱處理提出了保護(hù)工件的表面，防止其氧化的要求。真空回火熱處理能有效的滿足當(dāng)今精密加工工業(yè)的要求。真空回火熱處理工件加熱的熱源一般為電渦流加熱系統(tǒng)、熱傳導(dǎo)電加熱系統(tǒng)或輻射熱電加熱系統(tǒng)。真空回火熱處理需要配備專用的熱回火處理設(shè)備，包括抽真空機(jī)組設(shè)備等。設(shè)備的投入及加熱程序的復(fù)雜在一定程度上，限制了真空回火技術(shù)的應(yīng)用推廣。
離子注入金屬材料表面改性，是近年來材料科學(xué)領(lǐng)域興起的實用、有效的材料表面處理方法。離子注入金屬加工工具，可降低工具切削時的摩擦系數(shù)、提高切削工具刃口的紅硬性。減少切削金屬時，粘刀現(xiàn)象及冷焊現(xiàn)象，提高被加工工件的加工質(zhì)量，減少工具的刃磨和安裝次數(shù)，能有效的提高加工工效；提高工具使用壽命7-20倍。離子注入軸承和離子注入抽氣泵，均表現(xiàn)出非常好的無油自潤滑性能。北京師范大學(xué)為中國航天工業(yè)總公司五院研制的“尖兵一號乙”返回式衛(wèi)星，遙感器抽氣泵的摩擦件表面，實施離子注入技術(shù)處理，取得良好效果抽氣泵的工作電流由離子注入前的6.3安培以上，降低到離子注入后的4.7安培以下，降低幅度達(dá)25％以上?！?992年8月發(fā)射的衛(wèi)星，衛(wèi)星的在軌工作壽命由以往的3至8天延長到16天。從而獲得更多的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)?！敝袊教旃I(yè)總公司證明“對現(xiàn)已發(fā)射的兩顆衛(wèi)星的測試表明離子注入技術(shù)的應(yīng)用，對降低遙感器的能耗，提高工作可靠性，延長衛(wèi)星在軌工作壽命有著顯著的作用?！泵绹＼妼嶒炇覐?979年起進(jìn)行了軸承零件離子注入的研究，英國、丹麥和葡萄牙等國從1989年開始進(jìn)行與美國海軍實驗室類似的工作。結(jié)果表明注入鉻離子能顯著提高M(jìn)50鋼的抗腐蝕性能，而且抗接觸疲勞性能也有所提高；此外還用注入硼離子來提高儀表軸承的抗磨損能力；對軸承鋼52100進(jìn)行氮等離子源離子注入(PSII)后在表面形成薄層氮化物，可提高軸承鋼的耐蝕性，用于代替昂貴的不銹鋼。
然而，并非所有的工件一經(jīng)離子注入就會呈現(xiàn)出優(yōu)良的性能，在我們的科學(xué)實踐中，有這樣情況鉆頭、銑刀經(jīng)離子注入后，鉆孔、切削性能比沒有進(jìn)行離子注入的對照試樣性能還差，刃口軟化；軸承鋼工件離子注入后體硬度降低；摩擦實驗，低摩擦系數(shù)持續(xù)時間短等。究其原因，主要是因為，離子注入的電壓與離子束流乘積組成離子注入能量。此能量隨離子束流，注入到被加工工件表面，大部分的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋．?dāng)注入能量過高時，被注入工件的體溫度，高于工件材料的回火溫度，(由于，傳統(tǒng)離子注入工藝要求被注入工件，離子注入之前完成一切機(jī)加工和熱處理工序，)則發(fā)生已回火工件再次回火情況。一些工件即產(chǎn)生過回火現(xiàn)象，表現(xiàn)為被注入工件基體組織軟化。如高速鋼使用狀態(tài)的體硬度應(yīng)達(dá)到HRc67-HRc70左右，離子注入過回火能使其硬度下降到小于HRc60；軸承鋼使用狀態(tài)的體硬度應(yīng)達(dá)到HRc61.5以上，離子注入過回火能使其硬度降到小于HRc55。這樣情況出現(xiàn)后，離子注入工件的性能表現(xiàn)為，還不如沒有進(jìn)行過離子注入的工件性能。經(jīng)過多次科學(xué)實驗、研究分析，我們發(fā)明了材料離子注入回火熱處理的理念。用此方法可以解決離子注入金屬材料過回火問題。提高離子注入質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
離子注入金屬材料工件真空回火處理方法，要求被注入工件在離子注入之前，只進(jìn)行高溫淬火及其后續(xù)的定型加工。將其熱處理的回火工序留給離子注入工序完成，這樣可以解決工件在離子注入過程中，雙重回火或過回火問題。即，消除因離子注入束流過大、注入加熱時間過長、被注入工件溫度過高，而引起的工件基體硬度降低，綜合性能變差現(xiàn)象；同時，因取消了工件在常規(guī)熱處理程序中的回火工序，消除了工件在常規(guī)熱處理回火工序中產(chǎn)生的表層氧化問題、有害氣體殘留問題，經(jīng)離子注入真空回火處理后，注入層的馬氏體極細(xì)小、碳化物分布更均勻、殘余奧氏體極少，比一般回火具有更高硬度和滑動耐磨性；若原工件是真空回火工藝，采用此方法，取消了原來真空回火處理工件的繁瑣工序，工件淬火、加工定型后，直接進(jìn)行離子注入工件真空回火處理。此方法，在保留發(fā)展工件真空回火處理的優(yōu)點同時，工件能充分顯示出離子注入的優(yōu)點。此方法減少了被加工工件的整體工序、節(jié)約能源、提高離子注入的可靠性、最終提高被加工工件的性能和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，離子注入金屬材料工件真空回火處理方法，有很好的應(yīng)用前景。


圖1、1、為Ti+C離子注入淬火態(tài)軸承鋼工件，即淬火態(tài)軸承鋼工件直接進(jìn)行離子注入真空回火后，在德國ZEISS設(shè)備上測得的顯微硬度(Hv)—深度(nm)分布曲線，此曲線顯示經(jīng)離子注入金屬材料真空回火后工件有很好的表面性能；圖1、2、為淬火態(tài)軸承鋼真空回火顯微硬度—深度分布曲線；圖1、3、為淬火態(tài)軸承鋼箱式爐回火顯微硬度—深度分布曲線。箱式爐圖2、1、為淬火態(tài)軸承鋼經(jīng)箱式爐正常回火后，離子注入產(chǎn)生過回火現(xiàn)象，工件的顯微硬度—深度分布曲線，此曲線顯示當(dāng)深度超過1000納米時其硬度已經(jīng)低于傳統(tǒng)回火工藝處理的工件硬度；圖2、2、為淬火態(tài)軸承鋼傳統(tǒng)箱式爐正?；鼗痫@微硬度—深度分布曲線。
具體實施例方式
離子注入金屬材料工件真空回火處理方法，是利用離子注入時，加速電場、注入束流產(chǎn)生的能量，此能量由離子攜帶注入到被注入金屬工件表面。依據(jù)注入元素的電離能和注入元素及被注入工件材料中各元素的結(jié)合能大小、依據(jù)離子注入射程、依據(jù)納米陶瓷膜形成條件、依據(jù)材料熱處理數(shù)據(jù)，綜合個條件設(shè)計注入電壓的高低，控制注入離子束流的大小等選擇各種離子注入條件，達(dá)到控制被注入試樣表面所接收的能量多少，從而控制被注入工件的基體平均溫度。以達(dá)到金屬工件離子注入的同時進(jìn)行真空回火。離子注入金屬材料工件真空回火處理方法中，離子種類包括單一金屬離子、單一非金屬離子、金屬和非金屬同時電離混合離子、還包括金屬與金屬同時電離混合離子、非金屬(碳、硼)與非金屬同時電離混合離子的離子注入。用上述各類的離子注入工件，使工件在離子注入條件下加熱到其所需要的回火溫度，保持這個溫度，經(jīng)過一定的回火時間，被注入金屬工件的基體組織轉(zhuǎn)變到此類金屬工件回火組織要求。使工件在離子注入的同時，達(dá)到基體回火的目的。
離子注入金屬材料工件真空回火處理方法中，離子注入能量的范圍為1.0-5000KV。離子注入劑量的范圍為1×1011-5×1020Ion/cm2。離子注入束流的密度為1×10-2-5×105mA/mm2。離子注入靶室的真空度8×10-2MP—1×10-8MPa。離子注入金屬材料工件回火處理方法，溫度控制，是參考被注入金屬材料之工件使用狀態(tài)所需要的回火溫度。溫度測量，其測量點，應(yīng)該避開離子束流的直接照射。即，測量的溫度應(yīng)該是，被注入試樣的基體溫度。離子注入金屬材料工件回火處理方法之回火時間，是參考被注入金屬材料試樣使用狀態(tài)的回火，所需回火時間；及達(dá)到離子注入金屬材料表面改性注入離子劑量，所需要的注入時間的綜合設(shè)計。離子注入金屬材料工件真空回火處理方法，所述金屬材料泛指各種金屬及其合金如各種鋼材、鐵基合金、鈦及鈦合金、鎂及鎂合金、銅及銅基合金、鎳及鎳合金、鈷及鈷合金、鋁及鋁合金、鉻及鉻合金、鋯及鋯合金、鋅及鋅合金等金屬及合金。
離子注入金屬材料工件真空回火熱處理，脫氣效應(yīng)與金屬元素蒸發(fā)各種元素都有自身的蒸汽壓。如環(huán)境中某種元素的分氣壓，低于該元素的飽和蒸汽壓，則該元素就會蒸發(fā)。離子注入金屬材料工件真空回火熱處理時，金屬工件在真空環(huán)境中被離子束加熱，金屬中的有害氣體會被排出，如鎳、鈦和鈦合金中的氫和氧在真空、高溫下會逸出。這有利于提高金屬的機(jī)械性能；而離子注入金屬材料工件真空回火處理時，也應(yīng)根據(jù)金屬材料中所含合金元素的飽和蒸汽壓，來選擇熱處理時的真空度和溫度，以減少被離子注入金屬材料工件真空回火熱處理的金屬材料中，合金元素的蒸發(fā)；也可以在離子源陰極中加入該合金元素，與其他注入元素同時電離進(jìn)行離子注入，以減少該合金元素的損失。
權(quán)利要求
1.一種離子注入金屬材料工件真空回火處理方法。其特征在于利用離子注入過程中，加速電場、注入束流產(chǎn)生的能量，加熱被注入金屬工件。依據(jù)注入元素的電離能和注入元素及被注入工件材料中各元素的結(jié)合能大小、依據(jù)離子注入射程、依據(jù)納米陶瓷膜形成條件、依據(jù)材料熱處理數(shù)據(jù)，綜合個條件設(shè)計注入電壓的高低，控制注入離子束流的大小等選擇各種離子注入條件，達(dá)到控制被注入工件表面所接收能量大小。從而控制被注入工件的溫度。達(dá)到金屬工件離子注入真空回火的目的。
2.權(quán)力要求1的，離子注入金屬材料工件真空回火處理方法中，注入離子種類包括單一金屬離子、單一非金屬離子、金屬和非金屬離子同時電離混合離子、還包括金屬與金屬同時電離混合離子、非金屬與非金屬同時電離混合離子的離子注入。用上述各類的離子注入試樣，使工件加熱到其所需的回火溫度，保持這個溫度，經(jīng)過一定的回火時間，工件的基體組織轉(zhuǎn)變到此類金屬回火組織要求。使工件在離子注入的同時，達(dá)到基體回火的目的。
3.權(quán)力要求1的，離子注入金屬材料工件真空回火處理方法中，離子注入能量的范圍為1.0-5000KV。
4.權(quán)力要求1的，離子注入金屬材料工件真空回火處理方法中，離子注入劑量的范圍為1×1011-5×1020Ion/cm2。
5.權(quán)力要求1的，離子注入金屬材料工件真空回火處理方法中，離子注入束流的密度為1×10-2-5×105mA/mm2。
6.權(quán)力要求1的，離子注入金屬材料工件真空回火處理方法所述真空度，即，離子注入靶室的真空度8×10-2MP-1×10-5MPa。
7.權(quán)力要求2中所述離子注入金屬材料工件回火處理方法，溫度控制，是參考被注入金屬材料之工件使用狀態(tài)所需要的回火溫度。
8.權(quán)力要求7所述的溫度測量，其測量點，應(yīng)該避開離子束流的直接照射。即，測量的溫度應(yīng)該是，被注入工件的基體溫度。
9.權(quán)力要求2中所述離子注入金屬材料工件回火處理方法之回火時間，是參考被注入金屬材料工件使用狀態(tài)的回火，所需回火時間；及離子注入金屬材料表面改性所需注入離子劑量，在設(shè)定溫度條件，控制束流條件下，離子注入所需時間，兩者的綜合設(shè)計。
10.權(quán)力要求1-9中離子注入金屬材料工件真空回火處理方法，所述金屬材料泛指各種金屬及其合金如各種鋼材、鐵基合金、鈦及鈦合金、鎂及鎂合金、銅及銅基合金、鑷及鑷合金、鈷及鈷合金、鋁及鋁合金、鉻及鉻合金、鋯及鋯合金、鋅及鋅合金等金屬及合金。
全文摘要
離子注入金屬材料工件真空回火處理方法，可以解決工件在離子注入過程中，過回火問題。即，消除因離子注入束流過大、注入加熱時間過長、被注入工件溫度過高，而引起的工件基體硬度降低，綜合性能變差；同時，因取消了工件在常規(guī)熱處理程序中的回火工序，消除了工件在常規(guī)熱處理回火工序中產(chǎn)生的表層氧化問題、有害氣體殘留問題；若原工件是真空回火工藝，采用此方法，取消了原來真空回火熱處理工件的繁瑣工序，工件經(jīng)淬火、加工定型后，直接進(jìn)行離子注入真空回火處理。此方法，在保留發(fā)展工件真空回火熱處理優(yōu)點的同時，被注入工件能充分顯示出離子注入的優(yōu)點。此方法減少了被加工工件的整體工序、節(jié)約能源、提高離子注入技術(shù)的可靠性、最終提高被加工工件的性能和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，離子注入金屬材料工件真空回火處理方法，有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號C23C14/54GK1873050SQ200510073390
公開日2006年12月6日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月3日
發(fā)明者丁曉紀(jì), 米娜娃·馬木提, 王平, 劉安東, 劉志國, 陸挺, 周宏余, 房惠榮 申請人:北京師范大學(xué)