[发明专利]一种铁基合金表面高强韧渗氮层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铁基合金表面高强韧渗氮层及其制备方法，制备时，将铁基合金样品的表面进行打磨、抛光后，装入气体渗氮炉，通入气态氮源，进行气体渗氮处理，将氮势控制在化合物层形成的氮势临界值以下，待气体渗氮处理结束后，进行炉冷或油冷，即制得无化合物层的渗氮层；对制得的无化合物层的渗氮层进行表面喷丸强化处理，即制得铁基合金表面高强韧渗氮层。与现有技术相比，本发明方法制得的渗氮层的硬度可与常规气体渗氮化合物层硬度相当(甚至更高)，且韧性明显优于化合物层，同时，本发明方法可有效克服常规气体渗氮零件在重载、剪切应力工况下服役时的脆性剥落缺陷，拓宽气体渗氮工艺的应用范围。

技术领域

本发明属于金属材料的表面改性技术领域，涉及一种铁基合金表面高强韧渗氮层及其制备方法。

背景技术

气体渗氮是工业生产中应用最为广泛的表面改性技术之一，它可以有效提高钢铁材料表面的硬度、耐磨性及耐腐蚀性能等。通常情况下，采用气体渗氮工艺可于零件表面获得由最外化合物层(ε-Fe_2-3N+γ′-Fe₄N型氮化物)和次表层氮扩散区组成的复合渗氮改性层。然而，化合物层通常因内应力高导致韧性较差，尤其是在重载磨损、高剪切应力及热/力冲击工况下易发生破碎、剥落，表现出极短的服役寿命。为此，应用于上述特殊场合的气体渗氮零件在使用前，通常将其表面化合物层去除，以韧性和承载能力更优良的次表层扩散区(无化合物渗氮层)直接服役。尽管该方法确实可提高渗氮表层韧性，并降低脆性剥落风险，但这种无化合物渗氮表层(即氮扩散层)的硬度(强度)和常规轻载耐磨性又显著低于化合物层。

显然，常规气体渗氮工艺无法同时提高零件表层的强度(硬度)和韧性，即气体渗氮所得化合物表层的硬度高，但韧性差，而无化合物渗氮表层(扩散表层)尽管韧性优良，但硬度低。目前，传统的气体渗氮强化机制中存在硬度与韧性的倒置关系，气体渗氮工艺的进一步发展和大规模应用仍存在一定的局限性。

申请号为201310668391.X的中国发明专利公开了一种金属材料高强韧化表面改性方法。该方法是将金属材料表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理后，将预处理的材料表面进行激光喷丸处理，而后将激光喷丸处理的表面进行磁场渗氮，将渗氮后的表面进行磁场淬火，在将磁场淬火后的表面再进行低能激光喷丸处理，最后将低能激光喷丸处理的表面再次进行磁场淬火，获得平整的高强韧表面。与上述专利相比，本发明的目的在于综合改善渗氮层的强韧性能，但在技术手段及实施方面则有明显差异。不同于上述对比专利，本发明方法重点关注可控气体渗氮和喷丸强化处理工艺的自身优点并将其合理结合，即首先控制渗氮强化层的脆性，而后提高强度，在中间工艺并不引入表层脆性，实现最终的表面强韧化，工艺操作简单且可控性强。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可综合改善渗氮层的强度及韧性，能有效提高渗氮零件服役寿命的铁基合金表面高强韧渗氮层及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铁基合金表面高强韧渗氮层的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤(1)：将铁基合金样品的表面进行打磨、抛光后，装入气体渗氮炉，通入气态氮源，进行气体渗氮处理，将氮势控制在化合物层形成的氮势临界值以下，待气体渗氮处理结束后，进行炉冷或油冷，即制得无化合物层的渗氮层；

步骤(2)：对步骤(1)制得的无化合物层的渗氮层进行表面喷丸强化处理，即制得所述的铁基合金表面高强韧渗氮层。

步骤(1)所述的气体渗氮处理的条件为：控制温度为500～580℃，渗氮处理的时间为5～20h。

步骤(1)所述的氮势控制为0.15-0.22。

步骤(1)所述的气态氮源为氨气。

步骤(1)所述的气体渗氮处理过程中，可以通过调节氨气分解率及流量，获得稳定的氮势并将其控制在化合物层形成的氮势临界值以下。