[发明专利]一种纯铁基板材表面合金化的机械渗入法

摘要

本发明设涉及一种纯铁基板材表面合金化的机械渗入法，是在振荡式滚丸机上进行的，将纯铁基板材固定在滚丸室顶部，在抽真空后输入氩气气氛中，用轴承合金滚丸，将加入到滚丸室内的镍粉机械渗入到纯铁基板材表面，并形成铁镍合金化层，合金层深度达0.12mm，含镍量达60％，然后再经真空炉高温退火，使合金进一步固溶，大幅度提高了纯铁基板材表面的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，硬度可达1.2GPa，纯铁基板材的基体与合金层不产生新的界面，不出现开裂剥落现象，合金层金相组织致密性好，晶粒细化，此方法使用设备少，工艺简单，不污染环境，纯铁基板材表面合金化后机械、物理性能优良，可在多种工业领域应用，是十分理想的纯铁基板材表面合金化的机械渗入法。

主权项

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：ΔSph≤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％。