專利名稱：一種金屬零件面硬化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬零件表面快速掃描多元共滲硬化的方法，屬于金屬熱處理領(lǐng)域。
在當(dāng)今的機(jī)械制造業(yè)中，鋼鐵、鋁及其合金、銅及其合金等仍然是應(yīng)用十分廣泛的工程材料，尤其鋼鐵材料的應(yīng)用最為廣泛。對(duì)機(jī)械零件的要求一般分為兩大主要性能第一是使用性能，包括強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨損性、耐腐蝕性等；第二是工藝性能，包括鑄造、鍛造、焊接、切削、熱處理等。在許多場(chǎng)合下，往往上述兩種性能不能夠同時(shí)滿足，甚至互相矛盾，例如耐磨損性能與切削加工性能，前者要求高硬度，而后者要求較低的硬度。典型的機(jī)械零件如內(nèi)燃機(jī)氣缸套、曲軸、齒輪、軋輥、機(jī)床導(dǎo)軌等，都存在這一矛盾。對(duì)鋼鐵零件而言，最好的解決方法是在切削加工之后進(jìn)行熱處理硬化，對(duì)不能實(shí)施熱處理硬化的材料而言，則需要進(jìn)行表面鍍覆硬膜。熱處理硬化的方法簡(jiǎn)便易行，已在工業(yè)中大量采用。然而熱處理工藝過程的高溫加熱與急劇冷卻，會(huì)使得已加工好的零件產(chǎn)生變形超差甚至開裂而報(bào)廢。表面淬火雖然能夠較好地解決這一問題，但是表面硬度的提高因主要依賴于鋼鐵材料的含碳量而限制了其應(yīng)用范圍。改變表面成分的化學(xué)熱處理則需要長(zhǎng)時(shí)間的高溫滲透，成本高、效率低、變形大。
本發(fā)明的目的在于提供一種新的金屬零件表面硬化的方法。
本發(fā)明是用非氧化性的等離子束流在經(jīng)過預(yù)涂處理的金屬零件表面上快速掃描實(shí)現(xiàn)的。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1.首先配制含下述一種或一種以上元素的物質(zhì)的涂料，這些元素是碳、氮、硼、磷、硫、硅、鈦、釩、鉻、鉬、鎢、鋯、鈮、及稀土元素，各元素的物質(zhì)存在形式可以是單質(zhì)、也可以是它們的化合物如氧化物、氮化物、碳化物、酸、堿、鹽等；涂料的配制方法為先稱取含上述元素的顆粒直徑小于50微米的各組分粉末，各組分的配比可視對(duì)金屬零件表面合金化及性能的要求，或者選用僅含上述一種元素的組分，或者選用含有上述兩種或兩種以上元素的組分，各組分的含量可按合金化要求配比；將各組分稱量混合后，加入少量的礦物油或植物油，攪拌均勻至粘稠狀態(tài)即成為涂料。
2.用毛刷或棉布等將所配制好的涂料均勻涂刷于所需硬化的金屬零件表面。
3.用等離子束流在涂刷涂料后的金屬零件表面依次快速掃描，所用等離子束流是由等離子炬產(chǎn)生的壓縮電離氣體即壓縮電弧等離子體，其放電電離方式為非轉(zhuǎn)移式放電或轉(zhuǎn)移式放電，非轉(zhuǎn)移式放電是在等離子炬中心陰極與噴嘴陽(yáng)極之間放電，轉(zhuǎn)移式放電是在等離子炬中心陰極與金屬工件陽(yáng)極之間放電，所用的放電氣體為氬氣或氮?dú)狻?br> 上述的涂刷與等離子束掃描過程可重復(fù)進(jìn)行，直到獲得所需的合金化程度、表面硬度與硬化深度。
本發(fā)明產(chǎn)生以下積極效果金屬零件經(jīng)掃描硬化后，在表層形成了含有涂覆元素的高硬度非平衡合金組織，其硬化機(jī)理為非晶強(qiáng)化、微晶強(qiáng)化、過飽和固溶強(qiáng)化、高硬度化合物彌散強(qiáng)化、馬氏體相變強(qiáng)化等。經(jīng)掃描硬化后的零件根據(jù)使用要求可直接安裝使用，也可經(jīng)磨削或拋光后再安裝使用。
與其他硬化方法相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是金屬零件表面硬化效果明顯，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，不造成環(huán)境污染，零件不產(chǎn)生變形，可只對(duì)所需耐磨的部位進(jìn)行表面硬化處理，在許多場(chǎng)合可取代昂貴的合金材料。
本發(fā)明的實(shí)施例1稱取石墨粉20克，硼酸鈉20克，金屬鈦粉5克，稀土粉3克，與10毫升煤油調(diào)成糊狀，用毛刷將配制好的涂料均勻涂刷于低碳低合金鋼的表面，用氮等離子束流依次掃描涂有涂料的表面，所用的工藝參數(shù)為氮?dú)饬髁?0升/分鐘，所用等離子炬噴嘴直徑為2毫米，等離子炬與鋼板之間構(gòu)成轉(zhuǎn)移弧，其放電電壓為50伏，電流為50安，噴嘴距掃描表面的距離為3毫米，掃描速度300毫米/秒，掃描帶密排，掃描后，等鋼板冷卻至室溫，再涂刷一遍涂料后用同樣工藝參數(shù)掃描。在處理后的鋼板上切取1平方厘米試樣，將處理表面及其相垂直的四個(gè)側(cè)面拋光，用顯微硬度計(jì)檢測(cè)側(cè)面由被處理表面至內(nèi)部的硬度變化，效果如下距表面40微米的距離范圍內(nèi)，其硬度值為(換算為洛氏硬度)HRC56，再往里硬度逐漸降低，約在70微米處硬度值降為原基體的硬度值HRC26。在金相顯微鏡下觀察其斷面的金相組織，在近表面處是隱晶馬氏體，由表及里逐步變?yōu)闊彳埖膸罱M織。能譜分析表明，表層含有碳、鈦、鈰、硅、氮元素。X射線衍射結(jié)果表明，掃描表面層內(nèi)含有鐵和鈦的碳化物、氮化物及硼化物。
本發(fā)明的實(shí)施例2稱取硼酸鈉20克，金屬鎢粉5克，稀土粉5克，與5毫升煤油調(diào)成糊狀，用毛刷將配制好的涂料均勻涂刷于普通灰口鑄鐵的表面，用氬等離子束流依次掃描涂有涂料的表面，所用的工藝參數(shù)為氬氣流量30升/分鐘，等離子炬噴嘴直徑2毫米，等離子炬與鑄鐵板之間構(gòu)成轉(zhuǎn)移弧，其放電電壓40伏，電流60安，噴嘴距掃描表面的距離為4毫米，掃描速度260毫米/秒，掃描帶密排。等鑄鐵板冷卻到室溫后，重復(fù)上述過程二次。在經(jīng)過處理的鑄鐵板上切取1平方厘米試樣，將處理表面及其相垂直的四個(gè)側(cè)面拋光，在顯微硬度計(jì)上檢測(cè)側(cè)面由被處理表面至內(nèi)部的硬度變化，效果如下距表面60微米的距離范圍內(nèi)，其硬度值為(換算為洛氏硬度)HRC67，再往里硬度逐漸降低，約在100微米處硬度值降為原基體的硬度值HRC24。在金相顯微鏡下觀察其斷面的金相組織，在近表面處是隱晶馬氏體加游離態(tài)石墨，由表及里逐步變?yōu)榇执蟮幕铱阼T鐵組織。能譜分析表明，表層含有碳、鎢、鈰、硅、磷、硫元素。X射線衍射結(jié)果表明，掃描表面層內(nèi)含有鐵和鎢的碳化物、氮化物及硼化物。
權(quán)利要求
1.一種金屬零件表面硬化的方法，其特征是在經(jīng)過預(yù)涂處理的金屬零件表面上用非氧化性等離子束流快速掃描實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)步驟為1. 1首先根據(jù)對(duì)金屬零件表面合金化及性能的要求，按配比稱取含下述一種或一種以上元素的顆粒直徑小于50微米的物質(zhì)粉末，這些元素是碳、氮、硼、磷、硫、硅、鈦、釩、鉻、鉬、鎢、鋯、鈮、及稀土元素，它們的物質(zhì)存在形式可以是單質(zhì)，也可以是化合物如氧化物、氮化物、碳化物、酸、堿、鹽等；將稱量后的物質(zhì)粉末混合后加入礦物油或植物油攪拌至粘稠狀態(tài)，即成為本發(fā)明的涂料；1. 2用毛刷或棉布等將以上配制好的涂料均勻涂刷于所需硬化的金屬零件表面；1. 3用等離子炬產(chǎn)生的等離子束流在涂刷后的金屬零件表面依次快速掃描，使金屬零件表面硬化；上述涂刷和等離子束掃描過程可反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到所要求的合金化程度、表面硬度與硬化深度。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬零件表面硬化的方法，其特征是所用的等離子束為壓縮電離氣體即壓縮電弧等離子體，其放電電離方式為非轉(zhuǎn)移式放電或轉(zhuǎn)移式放電，非轉(zhuǎn)移式放電是在等離子炬中心陰極與噴嘴陽(yáng)極之間放電，轉(zhuǎn)移式放電是在等離子炬中心陰極與金屬工件陽(yáng)極之間放電，所用的放電氣體為氬氣或氮?dú)狻?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬材料零件表面快速掃描多元共滲硬化的方法。該方法是用等離子束流噴射到金屬零件表面上實(shí)現(xiàn)的,具體步驟為:①在零件表面預(yù)涂一層含碳、氮、硼、磷、硫、硅、鈦、釩、鉻、鉬、鎢、鋯、鈮、稀土等元素物質(zhì)的涂料;②用氮?dú)饣驓鍤庠诘入x子炬中電離產(chǎn)生的等離子束流在金屬零件表面快速掃描。上述步驟可重復(fù)進(jìn)行,直到達(dá)到所需滲層厚度與性能。
文檔編號(hào)C23C24/00GK1197126SQ97105800
公開日1998年10月28日 申請(qǐng)日期1997年4月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月22日
發(fā)明者李惠東, 李惠琪 申請(qǐng)人:山東礦業(yè)學(xué)院