一种氮化钢的表面载能束复合强化处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属材料表面改性技术领域，涉及一种氮化钢的表面载能束复合强化处理方法，是一种采用激光、等离子体氮化加离子镀涂层等载能束技术对氮化钢进行表面复合强化处理的方法。
【背景技术】
[0002]用于氮化处理的合金结构钢，简称渗氮钢或氮化钢。当合金结构钢采用与氮亲和力很强的铝、钛、铌、钒、铬、钼和钨等元素进行合金化时，钢的氮化处理效果增大，因此通常被用为渗氮钢的一般是中碳铬钼铝钢，如38CrMoAl，及38Cr2WVAl、35CrMo、42CrMo和40CrV等。这些钢经过渗氮处理后表面硬度大幅度提高，既能满足整体承载具有高强度、高冲击韧性的要求，也能满足表面高耐磨性的要求。
[0003]38CrMoAl是最成熟牌号的高级氮化钢，经传统的氮化工艺处理后，表面具有800—1000HV的硬度，主要用于制造具有高耐磨性、高疲劳强度的构件，如镗杆、磨床主轴、车床主轴、齿轮、高压阀门、气缸体、压缩机活塞杆，汽轮机上的调速器、转动套，橡胶及塑料挤压机上的各种耐磨件等，应用十分广泛。
[0004]近年来随着在海洋环境工作的工程机械的发展，如各种钻井平台、重工机械、大型船舶、海岸基础设施等，其关键部件的使用，比如各种紧固件、柱销、传动齿轮、传动轴及重载起重吊钩等，服役工况往往带有大载荷的冲击性，大载荷的强磨损性，以及来自于海洋环境的长期表面腐蚀性，为了应对心部整体载荷的强韧性要求，仍然可以选择38CrMoAl钢等氮化结构钢来制造这些构件，但为了应对表面的耐蚀性和在重载荷下的强耐磨性要求，目前仍然选择传统的单纯的氮化工艺进行表面处理，已经不能满足如此复杂的综合性能要求。
[0005]除了氮化处理而外，激光表面处理是另一种现代先进的载能束表面强化方法。经过激光原位纳米化处理后的结构钢表面组织形态发生很大改变，会在钢表面得到纳米尺度的晶粒细化组织，这本身就会大幅度提高结构钢表面的强度。此外，由于这种细晶组织存在大量晶界，可作为氮原子的深度扩散的通道，因此如果在激光处理后再进行氮化处理，此时的氮化深度可提高到0.8-1.2mm，硬度提高到1000-1200HV，会大大增强表面的抗疲劳性能。
[0006]另外，离子镀硬质涂层技术，如用电弧离子镀技术在工具钢、硬质合金表面进行氮化钛、氮化钛铝、碳氮化钛等陶瓷涂层的处理，是在机械加工行业中广泛应用的现代表面工程技术之一，经硬质涂层处理的工具钢表面硬度高达1600-2400HV，大大提高工具的使用寿命。但在38CrMoAl等结构钢表面直接涂镀硬质涂层，会由于基体太软而出现“蛋壳效应”，而造成在重载荷服役过程中由于次表面塌陷而使涂层崩裂。
[0007]将激光强化、等离子体氮化及离子镀硬质涂层等现代先进载能束技术相结合，在经激光表面淬火预处理后的结构钢表面进一步进行等离子体氮化处理，以增加氮化深度和提高表面强度，而后再进行离子镀硬质涂层处理，可形成结构钢表面强度的梯度提高，会大大提高表面综合性能，达到材料表面硬度、韧性、耐磨和耐蚀等性能的完美结合。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种氮化钢的表面载能束复合强化处理方法，是一种采用激光、等离子体氮化加离子镀涂层等载能束技术对氮化钢进行表面复合强化处理，以满足氮化钢构件在海洋环境中能够承受重载荷、强磨损、耐腐蚀等综合条件下服役性能要求的方法。
[0009]本发明的技术解决方案是:
[0010]—种氮化钢的表面载能束复合强化处理方法，先将氮化钢构件进行表面激光强化处理，而后进行等离子体氮化处理，最后进行表面离子镀硬质涂层处理。
[0011 ]具体方法操作步骤如下:
[0012](1)进行激光强化处理。将氮化钢构件夹持于5kW横流C02激光器工作台上。然后用丙酮溶液对构件表面进行清洗，并采用喷枪将氧化硅、紫胶和酒精调制的悬浮液喷涂在预加工表面，以增加构件表面对激光的吸光率。待涂料完全干燥后，启动激光器和数控机床对工件加工原点进行定位，而后在大气环境下按照一定的激光扫描轨迹对其进行强化处理。所采用的具体工艺参数为激光功率2.0-4.0kW，光斑直径3-6_，线扫描速度6-22mm/s。
[0013](2)进行渗氮处理。将样品经表面清理洁净后放进等离子体渗氮炉，关闭渗氮炉，开机械栗抽真空至l-10Pa，通入氨气使腔室气压达到15-30Pa，加500-700V幅值X5-10kHz频率X 20-50 %占空比的脉冲偏压引发辉光放电，用辉光等离子体对工件进行表面清洗8-20min，然后分段升温升压:升温速率为30-40°C/min、升压速率为2_4Pa/min，最终达到渗氮标准条件:气压为300-400Pa，脉冲偏压为400-700V幅值X 20_40kHz频率X 20-50%占空比，渗氮温度为480-520°C，渗氮时间为6-8h。渗氮完成后，关偏压、氨气，在渗氮炉中将样品真空冷却至常温，出炉。
[0014](3)进行离子镀硬质涂层处理。最后将构件经过清洗干燥后放入电弧离子镀设备的真空室中的卡具上，用真空系统抽真空到0.5-1.0 X 10—3Pa;再充入氩气到0.8_4Pa，加脉冲偏压为600-1000V幅值X 10-40kHz频率X 60-80 %占空比，引发辉光等离子体进行离子溅射清洗，时间为5-10min;启动阴极靶电弧引发弧光等离子体，调整弧电流为60-120A，通入反应气体氮气N2，氮气分压为0.8-2Pa，降低偏压到200-400V幅值X 10_40kHz频率X 20-40%占空比，时间为30-120min，在构件表面沉积制备氮化物硬质陶瓷涂层，到时后停弧、停气、卸偏压，充分炉冷后取出构件。
[0015]所述的阴极靶电弧为金属靶电弧，是钛、锆、铝、钒、铌、铬靶等，也可以是几种金属的合金靶。
[0016]本发明的方法在氮化钢构件表面得到0.8-1.2mm厚，由里向外硬度从基体的450-650HV提高到800-1200HV，再提高到1800-2400HV的梯度分布，可以满足氮化钢构件在海洋环境或者腐蚀性环境中需要承受冲击性重载荷、强磨损、耐腐蚀等复杂条件下服役的综合性能要求。
【具体实施方式】
[0017]下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进一步说明。
[0018]实施例1:
[0019]将38CrMoAl钢海岸挖掘机柱销夹持在5kW横流C02激光加工系统的旋转机构上。然后用丙酮溶液对构件表面进行清洗，并采用喷枪将氧化硅、紫胶和酒精调制的悬浮液喷涂在预加工表面，以增加构件表面对激光的吸光率。待涂料完全干燥后，启动激光器和数控机床对工件加工原点进行定位，而后在大气环境下对其表面进行单螺旋搭接激光强化处理。所采用的具体工艺参数为激光功率4.0kW，光斑直径5_，线扫描速度lOmm/s。
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