本發(fā)明屬于金屬材料的表面改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層及其制備方法。

背景技術(shù)：

氣體滲氮是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的表面改性技術(shù)之一，它可以有效提高鋼鐵材料表面的硬度、耐磨性及耐腐蝕性能等。通常情況下，采用氣體滲氮工藝可于零件表面獲得由最外化合物層(ε-Fe_2-3N+γ′-Fe₄N型氮化物)和次表層氮擴(kuò)散區(qū)組成的復(fù)合滲氮改性層。然而，化合物層通常因內(nèi)應(yīng)力高導(dǎo)致韌性較差，尤其是在重載磨損、高剪切應(yīng)力及熱/力沖擊工況下易發(fā)生破碎、剝落，表現(xiàn)出極短的服役壽命。為此，應(yīng)用于上述特殊場合的氣體滲氮零件在使用前，通常將其表面化合物層去除，以韌性和承載能力更優(yōu)良的次表層擴(kuò)散區(qū)(無化合物滲氮層)直接服役。盡管該方法確實(shí)可提高滲氮表層韌性，并降低脆性剝落風(fēng)險(xiǎn)，但這種無化合物滲氮表層(即氮擴(kuò)散層)的硬度(強(qiáng)度)和常規(guī)輕載耐磨性又顯著低于化合物層。

顯然，常規(guī)氣體滲氮工藝無法同時提高零件表層的強(qiáng)度(硬度)和韌性，即氣體滲氮所得化合物表層的硬度高，但韌性差，而無化合物滲氮表層(擴(kuò)散表層)盡管韌性優(yōu)良，但硬度低。目前，傳統(tǒng)的氣體滲氮強(qiáng)化機(jī)制中存在硬度與韌性的倒置關(guān)系，氣體滲氮工藝的進(jìn)一步發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用仍存在一定的局限性。

申請?zhí)枮?01310668391.X的中國發(fā)明專利公開了一種金屬材料高強(qiáng)韌化表面改性方法。該方法是將金屬材料表面進(jìn)行打磨、拋光、清洗和干燥預(yù)處理后，將預(yù)處理的材料表面進(jìn)行激光噴丸處理，而后將激光噴丸處理的表面進(jìn)行磁場滲氮，將滲氮后的表面進(jìn)行磁場淬火，在將磁場淬火后的表面再進(jìn)行低能激光噴丸處理，最后將低能激光噴丸處理的表面再次進(jìn)行磁場淬火，獲得平整的高強(qiáng)韌表面。與上述專利相比，本發(fā)明的目的在于綜合改善滲氮層的強(qiáng)韌性能，但在技術(shù)手段及實(shí)施方面則有明顯差異。不同于上述對比專利，本發(fā)明方法重點(diǎn)關(guān)注可控氣體滲氮和噴丸強(qiáng)化處理工藝的自身優(yōu)點(diǎn)并將其合理結(jié)合，即首先控制滲氮強(qiáng)化層的脆性，而后提高強(qiáng)度，在中間工藝并不引入表層脆性，實(shí)現(xiàn)最終的表面強(qiáng)韌化，工藝操作簡單且可控性強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可綜合改善滲氮層的強(qiáng)度及韌性，能有效提高滲氮零件服役壽命的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層及其制備方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層的制備方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟(1)：將鐵基合金樣品的表面進(jìn)行打磨、拋光后，裝入氣體滲氮爐，通入氣態(tài)氮源，進(jìn)行氣體滲氮處理，將氮勢控制在化合物層形成的氮勢臨界值以下，待氣體滲氮處理結(jié)束后，進(jìn)行爐冷或油冷，即制得無化合物層的滲氮層；

步驟(2)：對步驟(1)制得的無化合物層的滲氮層進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化處理，即制得所述的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層。

步驟(1)所述的氣體滲氮處理的條件為：控制溫度為500～580℃，滲氮處理的時間為5～20h。

步驟(1)所述的氮勢控制為0.15-0.22。

步驟(1)所述的氣態(tài)氮源為氨氣。

步驟(1)所述的氣體滲氮處理過程中，可以通過調(diào)節(jié)氨氣分解率及流量，獲得穩(wěn)定的氮勢并將其控制在化合物層形成的氮勢臨界值以下。

步驟(2)所述的表面噴丸強(qiáng)化處理的條件為：彈丸直徑為0.6～3mm，噴丸強(qiáng)度為0.10～0.40A，覆蓋率為100～300％。

采用上述方法制備而成的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層，該滲氮層為經(jīng)表面塑性變形處理的無化合物層的氣體滲氮層。

所述的表面塑性變形處理為表面噴丸強(qiáng)化處理。

所述的無化合物層的氣體滲氮層為無連續(xù)氮化物形成的表面滲氮層。

實(shí)際上，目前氣體滲氮與噴丸處理相結(jié)合的工藝主要集中在預(yù)噴丸后氣體滲氮復(fù)合工藝，其主要是依靠噴丸處理為工件表面引入位錯，提供氮原子的擴(kuò)散通道，起到加速滲氮的目的。鑒于常規(guī)氣體滲氮化合物層的高脆性，一般氣體滲氮后無法進(jìn)行進(jìn)一步的變形處理，因此本發(fā)明提出選取可控氣體滲氮為初始工藝，意在控制其滲氮層的脆性，也為后續(xù)的表面噴丸形變處理提供必要條件。

本發(fā)明方法可綜合改善滲氮層的強(qiáng)度和韌性，尤其克服重載磨損條件下常規(guī)氣體滲氮表層的脆性剝落現(xiàn)象，優(yōu)化滲氮表層熱疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展行為，提高滲氮零件的服役壽命，擴(kuò)大氣體滲氮工藝的應(yīng)用范圍。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

1)整個氣體滲氮過程中，采用可控氣體滲氮工藝抑制滲氮表層化合物的出現(xiàn)，不僅控制了滲氮表層脆性，也為下一階段的表面變形處理提供了先決條件，該階段可獲得具備一定厚度的韌性滲氮層；

2)采用表面噴丸強(qiáng)化處理可在不損失硬化層整體厚度的前提下，于滲氮件表層引入位錯及殘余壓應(yīng)力等，進(jìn)而能有效補(bǔ)償?shù)谝浑A段所得滲氮層硬度不足的缺陷；

3)本發(fā)明方法打破了單一氣體滲氮強(qiáng)化導(dǎo)致的“硬度-韌性”倒置關(guān)系，尤其能有效克服常規(guī)氣體滲氮表層的重載磨損剝落現(xiàn)象，優(yōu)化熱疲勞過程裂紋的萌生與擴(kuò)展行為，同時為關(guān)鍵零部件表面高強(qiáng)韌改性層的制備提供技術(shù)依據(jù)，拓寬氣體滲氮工藝的應(yīng)用范圍；

4)采用本發(fā)明方法所得滲氮表層的硬度可與常規(guī)氣體滲氮化合物層硬度相當(dāng)(甚至更高)，且韌性明顯優(yōu)于化合物層。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制備樣品的橫截面組織形貌SEM圖；

圖2為實(shí)施例2中常規(guī)氣體滲氮化合物層經(jīng)噴丸處理后的橫截面組織形貌SEM圖；

圖3為實(shí)施例2中本發(fā)明方法制備的樣品表層的重載磨損形貌SEM圖；

圖4為實(shí)施例2中常規(guī)氣體滲氮化合物表層的重載磨損形貌SEM圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

H 13鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后加工成80×30×10mm薄板樣品，經(jīng)打磨、拋光、清洗后懸掛于自制的氣體滲氮爐中，升溫至550℃，在NH₃為介質(zhì)，氮勢為0.20水平下氣體滲氮處理10h，后在爐內(nèi)N₂保護(hù)條件下快速冷卻。而后選取0.8mm直徑的彈丸，在0.15Amm強(qiáng)度和200％覆蓋率參數(shù)下對滲氮處理后的樣品進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化。

本發(fā)明工藝所得表面形變滲氮層組織平整，無明顯的裂紋出現(xiàn)(見圖1)。

實(shí)施例2：

將38CrMoAl鋼加工成70×30×12mm的板狀樣品置于自制的氣體滲氮爐中，在NH₃為介質(zhì)，530℃溫度，0.22和2.0氮勢水平下氣體滲氮處理20h，而后在N₂保護(hù)條件下快速冷卻。而后選取3mm直徑的彈丸，在0.40Amm強(qiáng)度和300％覆蓋率參數(shù)下對上述兩種滲氮工藝處理后的樣品進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)常規(guī)氣體滲氮層(氮勢2.0)層經(jīng)噴丸處理后出現(xiàn)明顯的縱向裂紋，部分已沿化合物層貫穿開裂(見圖2)。

采用銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對兩組樣品在300g載荷下磨損30min，其表面磨損形貌差異較大。本實(shí)施例所得表面形變滲氮層較2.0氮勢水平下制備的常規(guī)氣體滲氮層具備更為優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性搭配，在法向載荷較高的磨損工況下并未觀察到明顯的磨粒磨損特征(見圖3)，而在常規(guī)氣體滲氮化合物層的磨損形貌中發(fā)現(xiàn)明顯的脆性剝落現(xiàn)象(見圖4)，其磨損性能較本發(fā)明制備樣品明顯較差，這跟化合物層內(nèi)應(yīng)力高、脆性大，在高載荷條件下易破碎密切相關(guān)。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟(1)：將鐵基合金樣品的表面進(jìn)行打磨、拋光后，裝入氣體滲氮爐，通入氣態(tài)氮源，進(jìn)行氣體滲氮處理，將氮勢控制在化合物層形成的氮勢臨界值以下，待氣體滲氮處理結(jié)束后，進(jìn)行爐冷或油冷，即制得無化合物層的滲氮層；

步驟(2)：對步驟(1)制得的無化合物層的滲氮層進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化處理，即制得所述的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層。

其中，步驟(1)中氣體滲氮處理的條件為：控制溫度為500℃，滲氮處理的時間為20h。氮勢控制為0.15。氣態(tài)氮源為氨氣。氣體滲氮處理過程中，可以調(diào)節(jié)氨氣分解率(85％以上)及流量，獲得穩(wěn)定的氮勢并將其控制在化合物層形成的氮勢臨界值以下

步驟(2)中，表面噴丸強(qiáng)化處理的條件為：彈丸直徑為0.6mm，噴丸強(qiáng)度為0.10Amm，覆蓋率為100％。

本實(shí)施例制得的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層，該滲氮層為經(jīng)表面塑性變形處理的無化合物層的氣體滲氮層。表面塑性變形處理為表面噴丸強(qiáng)化處理。無化合物層的氣體滲氮層為無連續(xù)氮化物形成的表面滲氮層。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟(1)：將鐵基合金樣品的表面進(jìn)行打磨、拋光后，裝入氣體滲氮爐，通入氣態(tài)氮源，進(jìn)行氣體滲氮處理，將氮勢控制在化合物層形成的氮勢臨界值以下，待氣體滲氮處理結(jié)束后，進(jìn)行爐冷或油冷，即制得無化合物層的滲氮層；

步驟(2)：對步驟(1)制得的無化合物層的滲氮層進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化處理，即制得所述的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層。

其中，步驟(1)中氣體滲氮處理的條件為：控制溫度為580℃，滲氮處理的時間為5h。氮勢控制為0.22。氣態(tài)氮源為氨氣。氣體滲氮處理過程中，可以調(diào)節(jié)氨氣分解率(85％以上)及流量，獲得穩(wěn)定的氮勢并將其控制在化合物層形成的氮勢臨界值以下

步驟(2)中，表面噴丸強(qiáng)化處理的條件為：彈丸直徑為3mm，噴丸強(qiáng)度為0.40Amm，覆蓋率為300％。

本實(shí)施例制得的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層，該滲氮層為經(jīng)表面塑性變形處理的無化合物層的氣體滲氮層。表面塑性變形處理為表面噴丸強(qiáng)化處理。無化合物層的氣體滲氮層為無連續(xù)氮化物形成的表面滲氮層。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟(1)：將鐵基合金樣品的表面進(jìn)行打磨、拋光后，裝入氣體滲氮爐，通入氣態(tài)氮源，進(jìn)行氣體滲氮處理，將氮勢控制在化合物層形成的氮勢臨界值以下，待氣體滲氮處理結(jié)束后，進(jìn)行爐冷或油冷，即制得無化合物層的滲氮層；

步驟(2)：對步驟(1)制得的無化合物層的滲氮層進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化處理，即制得所述的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層。

其中，步驟(1)中氣體滲氮處理的條件為：控制溫度為550℃，滲氮處理的時間為10h。氮勢控制為0.20。氣態(tài)氮源為氨氣。氣體滲氮處理過程中，可以調(diào)節(jié)氨氣分解率(85％以上)及流量，獲得穩(wěn)定的氮勢并將其控制在化合物層形成的氮勢臨界值以下

步驟(2)中，表面噴丸強(qiáng)化處理的條件為：彈丸直徑為2mm，噴丸強(qiáng)度為0.30Amm，覆蓋率200％。

本實(shí)施例制得的鐵基合金表面高強(qiáng)韌滲氮層，該滲氮層為經(jīng)表面塑性變形處理的無化合物層的氣體滲氮層。表面塑性變形處理為表面噴丸強(qiáng)化處理。無化合物層的氣體滲氮層為無連續(xù)氮化物形成的表面滲氮層。

上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。