一種齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于金屬表面化學(xué)熱處理技術(shù)，尤其涉及一種齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧技術(shù)。本發(fā)明采用空氣對(duì)齒輪鋼在離子滲設(shè)備中進(jìn)行300～400℃、15～60min氧化處理，達(dá)到使齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的效果。本發(fā)明不用附加任何輔助設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，氧化氣體為空氣，成本低，而且氧化溫度較低，大幅度節(jié)約能源，降低能耗，節(jié)約處理成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬表面化學(xué)熱處理方法，尤其涉及一種齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]納米材料是指晶粒尺寸在1-1OOnm數(shù)量級(jí)的固體材料。目前，對(duì)于多晶材料，常采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能，使粗大晶粒逐漸細(xì)化至納米數(shù)量級(jí)，由非平衡過(guò)程實(shí)現(xiàn)表面自納米化主要有兩種方法:表面機(jī)械加工處理法和非平衡熱力學(xué)法。金屬表面納米化對(duì)金屬材料力學(xué)性能、疲勞性能、耐磨性能、耐蝕性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)熱處理性能有顯著的影響。金屬表面納米化使材料的化學(xué)性能發(fā)生變化。表面層高體積分?jǐn)?shù)的晶界為原子擴(kuò)散提供了大量通道，大大提高了原子擴(kuò)散系數(shù)，晶界處各種非平衡缺陷以及大量的過(guò)剩能量都有利于化學(xué)反應(yīng)，為化學(xué)熱處理提供了理想的界面條件。
[0003]齒輪是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的零件之一，為了提高齒輪表面的耐磨性，通常采用離子滲氮改性處理。但在實(shí)際生產(chǎn)中，常常需要較長(zhǎng)氮化處理時(shí)間，有的甚至要達(dá)到數(shù)十小時(shí)，才能達(dá)到預(yù)期的改性效果。已發(fā)明了催滲方法，如:電場(chǎng)催滲，稀土催滲，多元素共滲催滲，都不適合應(yīng)用到離子滲氮技術(shù)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧技術(shù)，該發(fā)明可為后續(xù)離子滲氮化學(xué)熱處理提供理想的界面條件，從而達(dá)到顯著的催滲效果。該方案的創(chuàng)新性是在離子滲爐中對(duì)齒輪鋼表面進(jìn)行離子氧化處理，采用空氣作為離子滲氧氣體，工藝為300~400°C +15~60min，處理后齒輪鋼表面形成納米結(jié)構(gòu)氧化膜，具有較高的表面自由能。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案`是:一種齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧技術(shù)；其特包括如下步驟:
[0006](I)從齒輪鋼上取樣，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，并進(jìn)行預(yù)磨、拋光處理；
[0007](2)除去試樣上的油污:試樣在有機(jī)溶劑中進(jìn)行清洗、烘干；
[0008](3)將清洗的試樣置入離子滲設(shè)備的真空室內(nèi)，抽真空至IOPa以下進(jìn)行起輝；
[0009](4)通入氫氣進(jìn)行離子轟擊清洗，調(diào)節(jié)電流和電壓，待爐溫升至300°C~400°C時(shí)，逐步降低氫氣的流量至零，同時(shí)通入空氣對(duì)試樣進(jìn)行離子氧化，設(shè)定空氣流量為3L/min，維持氧化溫度15~60min ；
[0010](5)氧化結(jié)束后，逐步減少空氣流量至零，冷卻到室溫將試樣取出。
[0011]上述技術(shù)方案，所述步驟(4)中離子氧化溫度為300°C，離子氧化時(shí)間為30min。
[0012]上述技術(shù)方案，所述齒輪鋼試樣離子滲氧后表面形成了納米氧化物層，且表面自由能顯著提高。
[0013]采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下積極的效果:[0014](I)在離子氧化階段，工件表面形成一薄層納米結(jié)構(gòu)氧化物層，表面自由能很高，為后續(xù)化學(xué)熱處理提供了理想的界面條件。
[0015](2)本發(fā)明不用附加任何輔助設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，氧化氣體為空氣，無(wú)成本，而且氧化溫度較低，大幅度節(jié)約能源，降低能耗，節(jié)約處理成本；相比現(xiàn)有技術(shù)，操作簡(jiǎn)便易行。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中
[0017]圖1為本發(fā)明300°C +30min離子氧化，表面形貌SEM圖片；
[0018]圖2為本發(fā)明300°C +45min離子氧化，表面形貌SEM圖片；
[0019]圖3為本發(fā)明400°C +30min離子氧化，表面形貌SEM圖片。
[0020]表1為本發(fā)明不同條件離子氧化后試樣表面自由能
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明一種齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧技術(shù)包括如下步驟:
[0022](I)從齒輪鋼上取樣，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，并進(jìn)行預(yù)磨、拋光處理；
[0023](2)除去試樣上的 油污:試樣在有機(jī)溶劑中進(jìn)行清洗、烘干；
[0024](3)將清洗的試樣置入離子滲設(shè)備的真空室內(nèi)，抽真空至IOPa以下進(jìn)行起輝；
[0025](4)通入氫氣進(jìn)行離子轟擊清洗，調(diào)節(jié)電流和電壓，待爐溫升至300°C~400°C時(shí)，逐步降低氫氣的流量至零，同時(shí)通入空氣對(duì)試樣進(jìn)行氧化，設(shè)定空氣流量為3L/min，維持氧化溫度15~60min ；
[0026](5)氧化結(jié)束后，逐步減少空氣流量至零，冷卻到室溫將試樣取出。
[0027]具體包括以下三個(gè)實(shí)施例:
[0028](實(shí)施例1)
[0029]除去試樣上的油污，將試樣浸入有機(jī)溶劑中進(jìn)行清洗、烘干后將試樣置入離子氮化設(shè)備的真空室內(nèi)，抽真空到IOPa以下通入氫氣進(jìn)行離子轟擊清洗，待爐溫升至300°C時(shí)通入空氣，設(shè)定空氣流量為3L/min,保溫30min進(jìn)行氧化。氧化結(jié)束后,逐步減少空氣流量至零，冷卻到室溫將試樣取出。并采用SEM對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行觀(guān)察，測(cè)試表面自由能。
[0030]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:300°C+30min離子氧化，表面形貌見(jiàn)圖1，表面自由能見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，離子滲氧后齒輪鋼表面形成了納米氧化物，表面自由能顯著提高。
[0031](實(shí)施例2)
[0032]除去試樣上的油污，將試樣浸入有機(jī)溶劑中進(jìn)行清洗、烘干后將試樣置入離子氮化設(shè)備的真空室內(nèi)，抽真空到IOPa以下通入氫氣進(jìn)行離子轟擊清洗，待爐溫升至300°C時(shí)通入空氣，設(shè)定空氣流量為3L/min,保溫45min進(jìn)行氧化。氧化結(jié)束后,逐步減少空氣流量至零，冷卻到室溫將試樣取出。并采用SEM對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行觀(guān)察，測(cè)試表面自由能。
[0033]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:300°C+45min離子氧化，表面形貌見(jiàn)圖2，表面自由能見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，離子滲氧后齒輪鋼表面形成了納米氧化物，但氧化物團(tuán)聚較為嚴(yán)重，表面自由能比原始樣顯著提高。[0034](實(shí)施例3)
[0035]除去試樣上的油污，將試樣浸入有機(jī)溶劑中進(jìn)行清洗、烘干后將試樣置入離子氮化設(shè)備的真空室內(nèi)，抽真空到IOPa以下通入氫氣進(jìn)行離子轟擊清洗，待爐溫升至400°C時(shí)通入空氣，設(shè)定空氣流量為3L/min,保溫30min進(jìn)行氧化。氧化結(jié)束后,逐步減少空氣流量至零，冷卻到室溫將試樣取出。并采用SEM對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行觀(guān)察，測(cè)試表面自由能。
[0036]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:400°C+30min離子氧化，表面形貌見(jiàn)圖3，表面自由能見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，離子滲氧后齒輪鋼表面形成了納米氧化物，且氧化物團(tuán)聚現(xiàn)象較明顯，表面自由能比原始樣明顯提聞。
[0037]表1
【權(quán)利要求】
1.一種齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧方法；其特征在于:包括如下步驟: (1)從齒輪鋼上取樣，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，并進(jìn)行預(yù)磨、拋光處理； (2)除去試樣上的油污:試樣在有機(jī)溶劑中進(jìn)行清洗、烘干； (3)將清洗的試樣置入離子滲設(shè)備的真空室內(nèi)，抽真空至IOPa以下進(jìn)行起輝； (4)通入氫氣進(jìn)行離子轟擊清洗，調(diào)節(jié)電流和電壓，待爐溫升至300°C~400°C時(shí)，逐步降低氫氣的流量至零，通入空氣對(duì)試樣進(jìn)行氧化，設(shè)定空氣流量為3L/min，維持氧化溫度15~60min ； (5)氧化結(jié)束后，逐步減少空氣流量至零，冷卻到室溫將試樣取出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧方法，其特征在于:所述離子滲氧在常規(guī)離子滲氮爐進(jìn)行，氣源為自然空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧方法，其特征在于:所述步驟(4)中的離子氧化溫度為300°C，離子氧化時(shí)間為30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的齒輪鋼表面納米化并提高表面自由能的離子滲氧方法，其特征在于:所述齒輪鋼試樣離子滲氧后表面形成了納米氧化物層，且表面自由能顯著提高。
【文檔編號(hào)】C23C8/36GK103805940SQ201410017002
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】胡靜, 李景才, 宋仁國(guó), 蔡劍勇, 楊星梅 申請(qǐng)人:常州大學(xué)