本發(fā)明屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化重構(gòu)處理方法。

背景技術(shù)：

近年來，超聲表面滾壓(Ultrasonic surface rolling extrusion,USRE)加工技術(shù)在材料表面改性強化和納米技術(shù)方面越來越重要，鋼鐵類的表面納米化深滾技術(shù)的研究相對較多，但是在沉淀硬化不銹鋼表面的研究卻是相對較少的，技術(shù)也顯得不夠成熟，所以未來的發(fā)展離不開對新型材料的深滾技術(shù)研究。

表面納米化技術(shù)因能顯著改善材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能，引發(fā)研究金屬納米材料的新方向，隨著研究的不斷進展，該技術(shù)已在鋼鐵與冶金、表面工程及航天航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。納米化技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在一些部件的性能改進上，如含20％超微鈷顆粒的金屬陶瓷可用于火箭噴管；對液浮軸承處理后使其壽命和可靠性得到大幅度提高；通過晶粒細(xì)化的金屬材料，可用作吸收能量的準(zhǔn)納米金屬泡沫等。雖然納米化技術(shù)已取得很多有意義的研究成果，但是在金屬尤其是1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼方向上仍存在以下問題：1)實現(xiàn)金屬材料表面組織的結(jié)構(gòu)與組成、形貌與尺寸的有效控制；2)發(fā)展較為有效并能優(yōu)化傳統(tǒng)工藝的納米化方法和前后預(yù)處理，通過優(yōu)化后的納米化制備工藝對金屬進行表面強化；3)有關(guān)金屬表面納米化的組織性能、摩擦特性與應(yīng)用方面仍空白。

表面納米化技術(shù)引起了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，已利用某些表面機械加工處理法成功地實現(xiàn)材料表面納米化，如純鐵、純銅、鋁合金、40Cr、不銹鋼和低碳鋼等，而對于航空裝備零部件中常用的綜合性能較好的1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼表面及其表面熔覆層的納米化重構(gòu)處理研究卻是鮮有報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化重構(gòu)處理方法，利用超聲滾壓納米化在沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面制備滾壓納米層，得到具有優(yōu)異耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性的表面納米化的沉淀硬化不銹鋼熔覆層。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化的制備方法，包括以下步驟：

(1)基體材料的預(yù)處理：先將基體材料進行真空淬火并保溫一段時間后油浴，然后冰冷處理并保溫一段時間后空冷；再對冰冷處理后的基體材料進行回火并保溫一段時間空冷出爐，為后序激光熔覆做準(zhǔn)備；

(2)熔覆層材料選擇：熔覆層選用與步驟(1)所述基體材料元素相近、含量不同的粉末，所述熔覆層粉末為200-300目的圓球形粉末；

(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層的制備：采用同步送粉激光系統(tǒng)方式將步驟(2)所述熔覆層粉末通過送粉器送入激光光束下方熔化，在步驟(1)所述基體材料表面凝固形成沉淀硬化不銹鋼熔覆層；

(4)沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化重構(gòu)處理：安裝超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲滾壓工藝參數(shù)，將步驟(3)所述沉淀硬化不銹鋼熔覆層涂抹潤滑油，然后進行超聲深滾納米化處理，得到表面超聲滾壓納米化的沉淀硬化不銹鋼表面熔覆層。

步驟(1)中所述的基體材料為1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸。

步驟(1)中所述真空淬火溫度為1050-1070℃，保溫時間為40-60min，所述真空淬火后的基體材料結(jié)構(gòu)為馬氏體和大量殘余奧氏體；所述冰冷處理溫度為-(70-75)℃，保溫時間為100-120min，所述冰冷處理后的基體材料結(jié)構(gòu)為馬氏體和少量殘余奧氏體；所述回火溫度為350-400℃，保溫時間為100-120min，所述回火后的基體材料結(jié)構(gòu)為馬氏體和少量碳化物。

步驟(1)中所述的基體材料由包含以下組分和重量百分比含量組成：C0.11-0.16wt％,Mn 0.5-1.0wt％，Mo 2.3-2.8wt％，Ni 4.0-5.0wt％，Cr 14.0-15.5wt％，N0.05-0.10wt％,Si不大于0.7wt％，S不大于0.02wt％，P不大于0.03wt％，余量為Fe。

優(yōu)選的，步驟(1)中所述的基體材料由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 0.12-0.14wt％,Mn 0.7-0.9wt％，Mo 2.5-2.7wt％，Ni 4.4-4.6wt％，Cr 14.5-15.0wt％，N 0.07-0.09wt％,Si不大于0.5wt％，S不大于0.01wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

步驟(2)中所述的熔覆層材料由包含以下組分和重量百分比含量組成：C10.65-12.50wt％,Mo 2.36-2.77wt％，Ni 4.08-4.79wt％，Cr 11.18-13.12wt％，N1.96-6.02wt％，Al 0.23-0.37wt％，Si 0.16-0.25wt％，S不大于0.05wt％，P不大于0.05wt％，余量為Fe。

優(yōu)選的，步驟(2)中所述的熔覆層材料由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 11.50-12.00wt％,Mo 2.55-2.65wt％，Ni 4.35-4.55wt％，Cr 11.50-12.50wt％，N3.50-5.50wt％，Al 0.30-0.34wt％，Si 0.18-0.22wt％，S不大于0.03wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

步驟(3)中所述的激光熔覆工藝參數(shù)包括：激光功率為1200W-1400W，掃描速度為0.01m/s，送粉器讀數(shù)5(刻度)，載粉氣流量380-400L/h，光斑直徑2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工藝，搭接率為40-50％，單道熔覆層高度不大于0.5mm。

步驟(4)中所述的超聲滾壓加工裝置包括：超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床、超聲沖擊槍和潤滑冷卻系統(tǒng)。

步驟(4)中所述的超聲滾壓工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為300-600r/min，橫向進給量為5mm/min，加工速度為50-100mm/min，工作靜壓力為200-600N，輸出頻率為20-25KHz，處理次數(shù)為8-12次，輸出振幅為10-30μm。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明通過激光熔覆技術(shù)在1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸表面形成熔覆層，使熔覆層與基體形成良好的金屬結(jié)合，強度和硬度提高，改善其耐磨性、耐腐蝕性，提高其磨損率，延長材料的使用壽命、提高部件的工作可靠性；

2、本發(fā)明以簡單、便捷、有效的超聲深滾工藝細(xì)化和均勻晶粒獲得納米結(jié)構(gòu)層，實現(xiàn)沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化，進一步增強了材料表面的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性，擴寬沉淀硬化不銹鋼大軸的應(yīng)用范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米結(jié)構(gòu)形貌。可以看出，經(jīng)超聲滾壓處理后，沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面形成了細(xì)小的納米晶粒，晶粒尺寸為10～80nm。

圖2為熔覆層經(jīng)納米重構(gòu)處理處理后的顯微硬度分布。從硬度分布可以看出，納米重構(gòu)表面硬度較基體提高180Hv左右，超聲滾壓硬化層的深度達到1.5mm。

圖3為納米重構(gòu)熔覆層的磨損表面形貌：(a-b)原始表面；(c-d)納米重構(gòu)表面?？梢钥闯觯{米重構(gòu)后，其磨損表面形貌較未處理的得到顯著的改善，氧化膜的形成與破裂程度較原始表面明顯下降；磨損的機制沒有改變，仍為氧化磨損、疲勞磨損和脆性開裂。

具體實施方式

以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例1

一種沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化重構(gòu)處理方法，包括以下步驟：

(1)基體材料預(yù)處理：將基體材料1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸在1065℃下真空淬火并保溫50min后油浴，然后在-72℃下冰冷處理并保溫110min后空冷；再在380℃下回火并保溫110min空冷出爐，回火后的基體材料結(jié)構(gòu)為馬氏體和少量碳化物；其中，C 0.13wt％，Mn 0.8wt％，Mo 2.6wt％，Ni 4.5wt％，Cr 14.8wt％，N 0.08wt％,Si不大于0.5wt％，S不大于0.01wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

(2)熔覆層材料選擇：熔覆層選用與步驟(1)基體材料元素相近、含量不同的280目規(guī)則圓球狀，由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 11.80wt％,Mo2.60wt％，Ni 4.40wt％，Cr 12.00wt％，N 4.50wt％,Al 0.32wt％，Si 0.20wt％，S不大于0.03wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層的制備：采用同步送粉激光系統(tǒng)方式將步驟(2)熔覆層粉末通過送粉器送入激光光束下方熔化，在步驟(1)1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸表面凝固形成熔覆層，其中，激光熔覆工藝參數(shù)包括：激光功率為1200W，掃描速度為0.01m/s，送粉器讀數(shù)5，載粉氣流量400L/h，光斑直徑2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工藝，搭接率為50％，單道熔覆層高度不大于0.5mm。

(4)沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化：安裝包括有超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床、超聲沖擊槍和潤滑冷卻系統(tǒng)的超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲滾壓工藝參數(shù)，將步驟(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層涂抹潤滑油，然后進行超聲深滾納米化處理，得到表面超聲滾壓納米化的沉淀硬化不銹鋼熔覆層；其中，超聲滾壓工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為300r/min，橫向進給量為5mm/min，加工速度為50mm/min，工作靜壓力為200N，輸出頻率為20KHz，處理次數(shù)為8次，輸出振幅為10μm。

實施例2

一種沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化的制備方法，包括以下步驟：

(1)基體材料預(yù)處理：將基體材料1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸在1060℃下真空淬火并保溫50min后油浴，然后在-74℃下冰冷處理并保溫115min后空冷；再在390℃下回火并保溫115min空冷出爐，回火后的基體材料結(jié)構(gòu)為馬氏體和少量碳化物；其中，C 0.14wt％，Mn 0.9wt％，Mo 2.7wt％，Ni 4.6wt％，Cr 15.0wt％，N 0.09wt％,Si不大于0.5wt％，S不大于0.01wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

(2)熔覆層材料選擇：熔覆層選用與步驟(1)基體材料元素相近、含量不同的250目規(guī)則圓球狀，由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 12.00wt％,Mo2.65wt％，Ni 44.55wt％，Cr 12.50wt％，N 5.50wt％,Al 0.34wt％，Si 0.22wt％，S不大于0.03wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層的制備：采用同步送粉激光系統(tǒng)方式將步驟(2)熔覆層粉末通過送粉器送入激光光束下方熔化，在步驟(1)1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸表面凝固形成熔覆層，其中，激光熔覆工藝參數(shù)包括：激光功率為1350W，掃描速度為0.01m/s，送粉器讀數(shù)5，載粉氣流量385L/h，光斑直徑2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工藝，搭接率為42％，單道熔覆層高度不大于0.5mm。

(4)沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化：安裝包括有超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床、超聲沖擊槍和潤滑冷卻系統(tǒng)的超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲滾壓工藝參數(shù)，將步驟(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層涂抹潤滑油，然后進行超聲深滾納米化處理，得到表面超聲滾壓納米化的沉淀硬化不銹鋼熔覆層；其中，超聲滾壓工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為600r/min，橫向進給量為5mm/min，加工速度為100mm/min，工作靜壓力為600N，輸出頻率為25KHz，處理次數(shù)為12次，輸出振幅為30μm。

實施例3

一種沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化的制備方法，包括以下步驟：

(1)基體材料預(yù)處理：將基體材料1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸在1050℃下真空淬火并保溫40min后油浴，然后在-70℃下冰冷處理并保溫100min后空冷；再在350℃下回火并保溫100-120min空冷出爐，回火后的基體材料結(jié)構(gòu)為馬氏體和少量碳化物；其中，1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 0.11wt％，Mn 0.5wt％，Mo 2.3wt％，Ni 4.0wt％，Cr 14.0wt％，N0.05wt％，Si不大于0.7wt％，S不大于0.02wt％，P不大于0.03wt％，余量為Fe。

(2)熔覆層材料選擇：熔覆層選用與步驟(1)基體材料元素相近、含量不同的200目的規(guī)則圓球狀，由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 10.65wt％,Mo2.36wt％，Ni 4.08wt％，Cr 11.18wt％，N 1.96wt％,Al 0.23wt％，Si 0.16wt％，S不大于0.05wt％，P不大于0.05wt％，余量為Fe。

(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層的制備：采用同步送粉激光系統(tǒng)方式將步驟(2)熔覆層粉末通過送粉器送入激光光束下方熔化，在步驟(1)1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸表面凝固形成熔覆層，其中，激光熔覆工藝參數(shù)包括：激光功率為1200W，掃描速度為0.01m/s，送粉器讀數(shù)5，載粉氣流量380L/h，光斑直徑2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工藝，搭接率為40％，單道熔覆層高度不大于0.5mm。

(4)沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化：安裝包括有超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床、超聲沖擊槍和潤滑冷卻系統(tǒng)的超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲滾壓工藝參數(shù)，將步驟(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層涂抹潤滑油，然后進行超聲深滾納米化處理，得到表面超聲滾壓納米化的沉淀硬化不銹鋼熔覆層；其中，超聲滾壓工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為400r/min，橫向進給量為5mm/min，加工速度為80mm/min，工作靜壓力為400N，輸出頻率為22KHz，處理次數(shù)為10次，輸出振幅為20μm。

實施例4

一種沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化的制備方法，包括以下步驟：

(1)基體材料預(yù)處理：將基體材料1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸在1070℃下真空淬火并保溫40-60min后油浴，然后在-75℃下冰冷處理并保溫120min后空冷；再在400℃下回火并保溫120min空冷出爐，回火后的基體材料結(jié)構(gòu)為馬氏體和少量碳化物；其中，1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 0.16wt％，Mn 1.0wt％，Mo 2.5wt％，Ni 5.0wt％，Cr 15.5wt％，N 0.10wt％,Si不大于0.5wt％，S不大于0.01wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

(2)熔覆層材料選擇：熔覆層選用與步驟(1)基體材料元素相近、含量不同的粉末，為300目的規(guī)則圓球狀，由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 12.50wt％,Mo 2.77wt％，Ni 4.79wt％，Cr 13.12wt％，N 6.02wt％，Al 0.37wt％，Si 0.25wt％，S不大于0.05wt％，P不大于0.05wt％，余量為Fe。

(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層的制備：采用同步送粉激光系統(tǒng)方式將步驟(2)熔覆層粉末通過送粉器送入激光光束下方熔化，在步驟(1)1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸表面凝固形成熔覆層，其中，激光熔覆工藝參數(shù)包括：激光功率為1400W，掃描速度為0.01m/s，送粉器讀數(shù)5，載粉氣流量400L/h，光斑直徑2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工藝，搭接率為50％，單道熔覆層高度不大于0.5mm。

(4)沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化：安裝包括有超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床、超聲沖擊槍和潤滑冷卻系統(tǒng)的超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲滾壓工藝參數(shù)，將步驟(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層涂抹潤滑油，然后進行超聲深滾納米化處理，得到表面超聲滾壓納米化的沉淀硬化不銹鋼熔覆層；其中，超聲滾壓工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，橫向進給量為5mm/min，加工速度為90mm/min，工作靜壓力為500N，輸出頻率為25KHz，處理次數(shù)為9次，輸出振幅為15μm。

實施例5

一種沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化的制備方法，包括以下步驟：

(1)基體材料預(yù)處理：將基體材料1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸在1060℃下真空淬火并保溫50min后油浴，然后在-72℃下冰冷處理并保溫110min后空冷；再在380℃下回火并保溫110min空冷出爐，回火后的基體材料結(jié)構(gòu)為馬氏體和少量碳化物；其中，C 0.12wt％,Mn 0.7wt％，Mo 2.5wt％，Ni 4.4wt％，Cr 14.5wt％，N 0.07wt％,Si不大于0.5wt％，S不大于0.01wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

(2)熔覆層材料選擇：熔覆層選用與步驟(1)基體材料元素相近、含量不同的220目規(guī)則圓球狀，由包含以下組分和重量百分比含量組成：C 11.50wt％,Mo2.55wt％，Ni 4.35wt％，Cr 11.50wt％，N 3.50wt％，Al 0.30wt％，Si 0.18wt％，S不大于0.03wt％，P不大于0.02wt％，余量為Fe。

(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層的制備：采用同步送粉激光系統(tǒng)方式將步驟(2)熔覆層粉末通過送粉器送入激光光束下方熔化，在步驟(1)1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼大軸表面凝固形成熔覆層，其中，激光熔覆工藝參數(shù)包括：激光功率為1300W，掃描速度為0.01m/s，送粉器讀數(shù)5，載粉氣流量390L/h，光斑直徑2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工藝，搭接率為45％，單道熔覆層高度不大于0.5mm。

(4)沉淀硬化不銹鋼熔覆層表面納米化：安裝包括有超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、機床、超聲沖擊槍和潤滑冷卻系統(tǒng)的超聲滾壓加工裝置，設(shè)定超聲滾壓工藝參數(shù)，將步驟(3)沉淀硬化不銹鋼熔覆層涂抹潤滑油，然后進行超聲深滾納米化處理，得到表面超聲滾壓納米化的沉淀硬化不銹鋼熔覆層；其中，超聲滾壓工藝參數(shù)包括：主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，橫向進給量為5mm/min，加工速度為100mm/min，工作靜壓力為300N，輸出頻率為20KHz，處理次數(shù)為12次，輸出振幅為30μm。

采用透射電子顯微鏡、維氏顯微硬度計和摩擦磨損試驗機對實施例的表面結(jié)構(gòu)、顯微硬度及耐磨性能進行了評價，結(jié)果如圖1-3所示。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施例對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。