[发明专利]一种纯铁基板材表面合金化的机械渗入法

权利要求书

1.一种纯铁基板材表面合金化的机械渗入法，其特征在于：使用的设备、纯铁基板材、化学物质原料如下：

振荡式滚丸机：主机、控制机

纯铁基板材：Fe 100mm×100mm×10mm

轴承合金滚丸：GCr15 Φ8mm±0.01mm

表面粗糙度Ra 0.02-0.04μm

滚丸数量200粒±10粒

镍粉：Ni 粒径≤0.03mm 5g±1g

丙酮：CH₃COCH₃ 1000ml±10ml

氩气：Ar 200000cm³±100cm³

砂纸：粒度400

纯铁基板材机械渗入方法如下：

(1)、精选材料、化学物质

对使用的纯铁基板材、轴承合金滚丸、镍粉、丙酮、氩气要进行精选，并进行形状、尺寸、纯度、精度控制：

纯铁基板材：含铁量Fe≥99.5％

轴承合金滚丸：GCr15含铬量Cr 1.4～1.63％

球形误差：ΔS_ph≤0.25μm

表面粗糙度：Ra 0.02-0.04μm

镍粉：99.9％

丙酮：99.9％

氩气：99.9％

砂纸：沙粒均匀；

(2)纯铁基板材退火

将纯铁基板材100mm×100mm×10mm试样置于高温真空退火炉中，进行高温退火：

真空退火炉真空度：1×10^-3pa

退火温度：950℃±5℃

退火时间：150min±10min

消除纯铁基板材表面内应力，稳定金属表面金相组织结构；

退火后关闭退火炉，纯铁基板材随炉冷却至常温20℃±3℃；

(3)研磨纯铁基板材表面

将退火冷却后的纯铁基板材表面用400粒度的砂纸反复打磨，打磨去掉纯铁基板材表面氧化层，使纯铁基板材工作面表面粗糙度为Ra 0.32-0.64μm；

(4)清洗纯铁基板材表面

用丙酮清洗纯铁基板材表面，使之洁净，然后晾干备用；

(5)清洗滚丸机的滚丸室

打开滚丸机滚丸室，用丙酮清洗滚丸室内壁、底部、顶盖，使其洁净；

(6)超声清洗轴承合金滚丸

将轴承合金滚丸Φ8mm，200粒，置于超声波清洗器中，加入丙酮300ml，超声清洗30min，反复清洗，使滚丸表面洁净，清洗后晾干备用；

(7)置放安装纯铁基板材

将打磨、清洗后的纯铁基板材安装于滚丸室的顶盖上，四角部用紧固螺钉固牢；

(8)放置轴承合金

将Φ8mm的轴承合金滚丸160粒，置于滚丸室下部，滚丸与滚丸室的体积比为：3∶40；

(9)关闭滚丸室

将装有纯铁基板材、轴承合金滚丸的滚丸室，用密封条、紧固卡具和螺钉密闭并固牢；

(10)向加料箱加入镍粉

打开滚丸室上部的加料箱，向加料箱加入镍粉5g±1g，封闭加料箱；

(11)滚丸室抽真空

将密封的滚丸室用真空泵抽取滚丸室空气，并驱除存留气体，时间15min，使滚丸室处于真空状态，真空度为1×10^-3Pa；

(12)向滚丸室输入氩气

开启氩气瓶、氩气阀，通过氩气管向滚丸室输入氩气，输入速度为1000cm³/min；当滚丸室压强值升至1×10²pa时关闭氩气瓶，停止输氩气，使滚丸室压强值处于1×10²Pa的恒定状态；

(13)向滚丸室输入镍粉

打开加料箱底部的控制阀，将加料箱中的镍粉送入滚丸室，镍粉与滚丸室内的体积比为：滚丸室体积∶滚丸体积∶镍粉体积＝400∶30∶1；

(14)纯铁基板材表面合金化

①开启滚丸机，开启滚丸机电机变频器，带动振荡器，使之振动，振荡器振荡频率为60次/s，振荡器通过振荡杆，拉动杆，使滚丸室随振荡器做匀速振荡；

②滚丸室内的滚丸随振荡器的振荡做上下、左右转动和跳动，转动频率为60次/s，跳动频率为60次/s，滚丸带动镍粉做间歇式循环撞击纯铁基板材表面；

③滚丸在滚丸室内，在氩气气氛下，在压强恒定为1×10²Pa状态下，在滚丸撞击纯铁基板材表面的过程中，带动镍粉物理性渗入到板材表面，同时与基体材料形成固溶体合金，并循环积累，当振荡器振荡100min时，当镍粉渗入到纯铁基板材表面0.12mm时，即完成了纯铁基板材表面的合金化渗入；

④在滚丸带动镍粉撞击纯铁板基材表面的过程中，滚丸室温度由20℃升至100℃，纯铁板基材温度由20℃升至180℃，温度的升高有利于镍粉在纯铁基板材表面的渗入并固溶，温度由滚丸室温度传感器显示温度值，滚丸带动镍粉撞击纯铁板基材表面的时间为100min±5min；

(15)随滚丸室冷却

纯铁基板材表面渗入镍粉及合金化完成后，关闭滚丸机电机、振荡器，滚丸室在密闭状态下，在氩气保护下，使纯铁基板材随滚丸室冷却至常温20℃±3℃，冷却时间60min；

(16)打开滚丸室，取出合金化后的纯铁基板材

开启滚丸室，拆下合金化后的纯铁基板材，置于干燥、洁净环境；

(17)清理纯铁基板材合金化表面

用400粒砂纸抛光清理纯铁基板材合金化表面，抛光后纯铁基板材表面粗糙度为Ra0.32-0.64μm；然后用丙酮清洗纯铁基板材合金化表面，去除粘附在纯铁基板材表面的镍粉，露出合金化表层，使之洁净；

(18)纯铁基板材表面合金化后真空状态退火

将合金化后的纯铁基板材置于真空退火炉内，在氩气保护下进行真空退火处理，真空退火炉真空度为1×10²Pa，氩气输入速率为200cm³/min，退火温度为600℃±5℃，退火时间为30min±2min，退火后镍粉在纯铁基板材表面进一步固溶和扩散，镍与铁合金化后成镍铁合金层；

(19)检测、分析、表征、对比

对合金化后的纯铁基板材表面和横切面要进行色泽、合金成分、含量、合金深度、强度、硬度的检测、分析、表征；

用X射线衍仪进行成分分析；

用辉光放电光谱仪进行浓度分析；

用扫描电镜仪进行形貌分析；

用硬度仪进行机械性能硬度分析；

(20)储存、包装

对合金化后的纯铁基板材要用软质材料包装，储存于干燥洁净环境，要防水、防潮、防氧化、防酸碱侵蚀，储存温度20℃±3℃，相对湿度≤10％。