[发明专利]金属成品的瞬间热处理方法

说明书

技术领域

本发明关于应用于金属成品(诸如工具及机械部件)的表面的表面处理。更具体而言，本发明关于用于金属成品的瞬间热处理的方法，其中借由将具有三个或三个以上近似但不同粒径的混合物的研磨剂(本描述中称作“丸粒”)以高喷射密度间歇地喷射至金属成品的表面上来使金属成品的表面重复地经受瞬间快速加热及快速冷却，借此达成在金属成品的表面附近形成均匀微结构的效果及在金属表面上形成微直径凹坑的效果两者。

在本发明中，术语“粒径(particle size)”是指平均粒子直径的范围。

背景技术

一般而言，使用各种类型的表面处理程序，以便将所需性质赋予金属成品的表面。

特定而言，在各种金属成品中，为了防止易于严重磨损的金属成品的滑动部分、驱动部分及密封部分及尤其易于磨损的切削工具及模的磨损，现有习知的是借由热处理程序(诸如，淬火、渗碳及氮化)来增加此等金属成品材料的硬度。或者，现有习知地借由以机器工具(诸如，车床或铣床)机械加工(诸如，切削、研磨及抛光)来改良此等金属成品的表面粗糙度。此外，已借由油供应程序(诸如，油浴程序、飞溅程序、滴液程序、循环程序或喷雾程序)在金属成品的滑动部分等处的表面上形成油膜以便防止滑动部分等处的磨损，且已取得各种进步，包括用于基于此等油供应程序在金属成品的表面上有效地形成油膜的方法及用于改良润滑油的质量以防止油膜溢流的方法。

金属结构的小型化

与用于借由上述已知淬火方法达成金属成品的表面的高硬度的表面热处理相比，最近已建议瞬间热处理方法，该方法涉及借由瞬间将快速加热及快速冷却应用至金属成品的表面来小型化金属成品的表面中的结构，借此显著地增加金属成品的机械强度。金属变形是由位错引起，且众所熟知，金属晶粒愈小，金属变得愈硬，此系因为此位错归因于增加的数目的晶粒边界(作为小型化的结果)而受限制。

已建议脉冲淬火作为上述应用至金属表面的瞬间热处理方法。因为此脉冲淬火在极短的一段时间(大约ms)中将薄表面层加热至沃斯田铁化(γ)温度且随后借由周围材料移除热，所以可达成快速冷却而不必使用特定冷却剂，借此产生极其精细的硬化结构。除了此效应之外，亦已发现可经由经受快速固化的局部熔化部分的相变换获得微结构，其中摩擦热是由使用铸铁而进行的润滑摩擦产生。此外，已发现雷射热处理可归因于以快速加热及快速冷却为特征的其加热/冷却程序而产生均匀精细的马田散体结构。亦已建议借由高频淬火来小型化晶粒，其中借由高频感应加热在950℃至1,000℃执行快速加热历时两秒，继之以快速冷却。

除了借由上述脉冲淬火方法的瞬间热处理之外，将丸粒喷射至金属成品的表面以借由该丸粒与在金属表面中的纳米尺寸结构的碰撞来立刻加热金属表面归因于自淬火效应而下降至室温的方法也用于小型化金属成品的表面层中的结构的熟知瞬间热处理。

已发现，借由在50μm的粒子直径、190m每秒的喷射速度及10秒的处理时间的丸粒条件下对纯铁应用丸击处理，纯铁在距表面若干μm至几十μm的深度处改变为具有100nm或更小的晶粒直径的纳米晶体。已发现，借由在0.5MPa的气压下将具有45μm的平均粒子直径的SKH59粒子喷射至渗碳-淬火钢JIS-SCr420上历时30秒，纳米晶体结构邻近该钢的表面而产生。

亦已发现，借由在0.8MPa的气压下将具有50μm的粒子直径的丸粒喷射至纯铁上历时100秒的处理时间，纳米晶体邻近该纯铁的表面而形成。

凹坑形成

此外，上述借由喷射丸粒的表面处理用作出于防止磨损的目的而在金属成品的表面上有效地形成油膜的方法。更详细而言，已建议一种用于防止在金属成品的滑动部分处的磨损的方法，其中具有等于或高于该金属成品的硬度的硬度的实质上球形丸粒喷射至该金属成品的滑动部分处的表面上，且由众多精细凹度(凹坑)组成的横截面实质上为弧形的储油器(微池)形成于此金属成品的滑动部分处的表面上以防止油膜易于溢流(日本专利第3212433号)。

已知，除了上述小型化晶体结构及形成凹坑的效应之外，丸击也提供硬化金属成品的表面的效应，增加疲乏强度的效应等等，此系因为由归因于在丸粒喷射至金属成品的表面上时的碰撞的塑料变形引起的压缩残余应力得以产生。

除了上述程序之外，用于在质量上改良金属成品的表面的表面处理程序包括赋予原始金属耐磨性的镜面磨光。此外，执行电镀及陶瓷涂布以提供耐氧化性、耐热性、耐磨性及耐腐蚀性。最近，在表面磨光之后执行借由PVD或CVD的陶瓷涂布、DLC涂布等等。