[发明专利]一种金属零件面硬化的方法

说明书

本发明涉及一种金属零件表面快速扫描多元共渗硬化的方法，属于金属热处理领域。

在当今的机械制造业中，钢铁、铝及其合金、铜及其合金等仍然是应用十分广泛的工程材料，尤其钢铁材料的应用最为广泛。对机械零件的要求一般分为两大主要性能：第一是使用性能，包括强度、韧性、硬度、耐磨损性、耐腐蚀性等；第二是工艺性能，包括铸造、锻造、焊接、切削、热处理等。在许多场合下，往往上述两种性能不能够同时满足，甚至互相矛盾，例如耐磨损性能与切削加工性能，前者要求高硬度，而后者要求较低的硬度。典型的机械零件如内燃机气缸套、曲轴、齿轮、轧辊、机床导轨等，都存在这一矛盾。对钢铁零件而言，最好的解决方法是在切削加工之后进行热处理硬化，对不能实施热处理硬化的材料而言，则需要进行表面镀覆硬膜。热处理硬化的方法简便易行，已在工业中大量采用。然而热处理工艺过程的高温加热与急剧冷却，会使得已加工好的零件产生变形超差甚至开裂而报废。表面淬火虽然能够较好地解决这一问题，但是表面硬度的提高因主要依赖于钢铁材料的含碳量而限制了其应用范围。改变表面成分的化学热处理则需要长时间的高温渗透，成本高、效率低、变形大。

本发明的目的在于提供一种新的金属零件表面硬化的方法。

本发明是用非氧化性的等离子束流在经过预涂处理的金属零件表面上快速扫描实现的。具体实现步骤如下：

1.首先配制含下述一种或一种以上元素的物质的涂料，这些元素是：碳、氮、硼、磷、硫、硅、钛、钒、铬、钼、钨、锆、铌、及稀土元素，各元素的物质存在形式可以是单质、也可以是它们的化合物如氧化物、氮化物、碳化物、酸、碱、盐等；涂料的配制方法为：先称取含上述元素的颗粒直径小于50微米的各组分粉末，各组分的配比可视对金属零件表面合金化及性能的要求，或者选用仅含上述一种元素的组分，或者选用含有上述两种或两种以上元素的组分，各组分的含量可按合金化要求配比；将各组分称量混合后，加入少量的矿物油或植物油，搅拌均匀至粘稠状态即成为涂料。

2.用毛刷或棉布等将所配制好的涂料均匀涂刷于所需硬化的金属零件表面。

3.用等离子束流在涂刷涂料后的金属零件表面依次快速扫描，所用等离子束流是由等离子炬产生的压缩电离气体即压缩电弧等离子体，其放电电离方式为非转移式放电或转移式放电，非转移式放电是在等离子炬中心阴极与喷嘴阳极之间放电，转移式放电是在等离子炬中心阴极与金属工件阳极之间放电，所用的放电气体为氩气或氮气。

上述的涂刷与等离子束扫描过程可重复进行，直到获得所需的合金化程度、表面硬度与硬化深度。

本发明产生以下积极效果：

金属零件经扫描硬化后，在表层形成了含有涂覆元素的高硬度非平衡合金组织，其硬化机理为非晶强化、微晶强化、过饱和固溶强化、高硬度化合物弥散强化、马氏体相变强化等。经扫描硬化后的零件根据使用要求可直接安装使用，也可经磨削或抛光后再安装使用。

与其他硬化方法相比较，本发明的优点是：金属零件表面硬化效果明显，生产效率高，生产成本低，不造成环境污染，零件不产生变形，可只对所需耐磨的部位进行表面硬化处理，在许多场合可取代昂贵的合金材料。

本发明的实施例1：

称取石墨粉20克，硼酸钠20克，金属钛粉5克，稀土粉3克，与10毫升煤油调成糊状，用毛刷将配制好的涂料均匀涂刷于低碳低合金钢的表面，用氮等离子束流依次扫描涂有涂料的表面，所用的工艺参数为：氮气流量20升/分钟，所用等离子炬喷嘴直径为2毫米，等离子炬与钢板之间构成转移弧，其放电电压为50伏，电流为50安，喷嘴距扫描表面的距离为3毫米，扫描速度300毫米/秒，扫描带密排，扫描后，等钢板冷却至室温，再涂刷一遍涂料后用同样工艺参数扫描。在处理后的钢板上切取1平方厘米试样，将处理表面及其相垂直的四个侧面抛光，用显微硬度计检测侧面由被处理表面至内部的硬度变化，效果如下：距表面40微米的距离范围内，其硬度值为(换算为洛氏硬度)HRC56，再往里硬度逐渐降低，约在70微米处硬度值降为原基体的硬度值HRC26。在金相显微镜下观察其断面的金相组织，在近表面处是隐晶马氏体，由表及里逐步变为热轧的带状组织。能谱分析表明，表层含有碳、钛、铈、硅、氮元素。X射线衍射结果表明，扫描表面层内含有铁和钛的碳化物、氮化物及硼化物。

本发明的实施例2：

称取硼酸钠20克，金属钨粉5克，稀土粉5克，与5毫升煤油调成糊状，用毛刷将配制好的涂料均匀涂刷于普通灰口铸铁的表面，用氩等离子束流依次扫描涂有涂料的表面，所用的工艺参数为：氩气流量30升/分钟，等离子炬喷嘴直径2毫米，等离子炬与铸铁板之间构成转移弧，其放电电压40伏，电流60安，喷嘴距扫描表面的距离为4毫米，扫描速度260毫米/秒，扫描带密排。等铸铁板冷却到室温后，重复上述过程二次。在经过处理的铸铁板上切取1平方厘米试样，将处理表面及其相垂直的四个侧面抛光，在显微硬度计上检测侧面由被处理表面至内部的硬度变化，效果如下：距表面60微米的距离范围内，其硬度值为(换算为洛氏硬度)HRC67，再往里硬度逐渐降低，约在100微米处硬度值降为原基体的硬度值HRC24。在金相显微镜下观察其断面的金相组织，在近表面处是隐晶马氏体加游离态石墨，由表及里逐步变为粗大的灰口铸铁组织。能谱分析表明，表层含有碳、钨、铈、硅、磷、硫元素。X射线衍射结果表明，扫描表面层内含有铁和钨的碳化物、氮化物及硼化物。