[发明专利]一种加快真空渗碳速率的表面纳米化方法

说明书

一种加快真空渗碳速率的表面纳米化方法，本发明属于热处理及表面工程领域，它为了解决现有真空渗碳技术中存在的渗层组织不均匀、渗碳周期长的问题。表面纳米化方法：一、基体材料丙酮清洗后打磨并抛光；二、将基体材料装夹到夹具中；三、装夹有基体材料的夹具置于超音速微粒轰击装置内进行表面纳米化处理；四、采用循环脉冲模式对表面纳米化改性的基体材料进行真空渗碳处理；五、对基体材料进行热处理。本发明经表面纳米化“催渗”处理后进行真空渗碳热处理的样品在渗层组织上碳化物级别降低，更为细小弥散，并在渗碳速度上有明显提高，采用表面纳米化催渗的真空渗碳速度要比普通真空渗碳速度提高24％左右。

技术领域

本发明属于热处理及表面工程领域，具体涉及一种利用表面纳米化技术在材料表面制备纳米化改性层，加快真空渗碳速率并改善渗层质量的方法。

背景技术

真空渗碳技术是一种在真空环境下进行的渗碳热处理技术，在保证表面具有高硬度的同时也保证心部兼具韧性，其相对于传统气氛渗碳可以有效防止表面碳黑和晶内氧化、能在更高温度下渗碳来缩短渗碳时间、更加经济环保。但其仍存在渗碳温度较高、渗碳周期较长、能源消耗较大等问题，在工艺方面进行优化并添加相应辅助手段研究提高渗碳效率及渗层质量，延长其使用寿命来满足日益更新的工业需求是必要的，因此利用表面纳米化技术作为真空渗碳的前处理技术，旨在改善渗层组织、加快渗碳速度、降低能源消耗。

金属材料表面纳米化处理是通过剧烈的塑性变形在块体金属表层形成一定厚度的纳米晶组织，并产生残余应力和加工硬化效应的处理技术，可以有效提高材料的整体性能。首次提出结构材料纳米化概念的是中国的卢柯教授与华裔学者吕坚，材料表面纳米化技术已经被列入国家纳米科技发展规划中。金属材料发生表面纳米化的基本原理是塑性变形。超音速微粒轰击技术是纳米化研究者提出的一种新的获得表面纳米化的机械加工方法，是利用气-固双相流的基本原理，以超音速气流作为载体，携带数量巨大的硬质固体微粒以极高的动能反复轰击金属表面，使金属表面发生强烈塑性变形，晶粒细化直至纳米量级，从而在合金表面制备出具有一定厚度的纳米晶粒层。

超音速微粒轰击技术进行表面纳米化处理后，金属表面发生强烈塑性变形，形成塑性变形层；产生大量位错，位错密度增加；位错运动造成晶格畸变，细化晶粒，形成小角度晶界、亚晶界，畸变和晶界增加。在渗碳过程中，碳原子通过扩散的方式进入金属内部，根据扩散的相关理论：原子在表面、晶界、位错处的扩散速度比其他地方要快，这也被称为“短路扩散”。原因在于：在晶界处原子处于较高能状态，易于跳动，而且这些地方原子排列不规则，比较开阔，原子运动阻力小，因而扩散速度快。位错作为一种线缺陷，可作为碳原子快速扩散的通道，提高碳原子的扩散系数，降低碳原子的扩散激活能，因而扩散速度较快。

金属材料表面纳米化技术能够提高材料的整体性能，但将其与真空渗碳技术相结合用于真空渗碳热处理催渗碳、改善真空渗碳层组织的技术并没有记载。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有真空渗碳技术中存在的渗层组织不均匀、渗碳周期长、能耗高等问题，而提供用于真空渗碳过程中加快渗碳速率并改善渗层组织的一种采用超音速微粒轰击技术预先在基体表面形成纳米改性层后进行真空渗碳的复合表面强化方法。

本发明加快真空渗碳速率的表面纳米化方法按以下步骤实现：

一、将基体材料切割成型，使用丙酮清洗基体材料表面，然后用砂纸打磨基体材料表面并抛光处理，然后使用无水乙醇进行超声清洗，吹干后得到清洗后的基体材料；

二、将清洗后的基体材料装夹到夹具中，得到装夹有基体材料的夹具；

三、将装夹有基体材料的夹具置于超音速微粒轰击装置内进行表面纳米化处理，在表面纳米化处理过程中移动喷枪使基材表面不同位置在单位时间内得到均匀的表面纳米化处理，得到表面纳米化改性的基体材料；