[发明专利]一种齿轮钢表面纳米化并提高表面自由能的离子渗氧方法

说明书

技术领域

本发明属于金属表面化学热处理方法，尤其涉及一种齿轮钢表面纳米化并提高表面自由能的离子渗氧技术。

背景技术

纳米材料是指晶粒尺寸在1-100nm数量级的固体材料。目前，对于多晶材料，常采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，使粗大晶粒逐渐细化至纳米数量级，由非平衡过程实现表面自纳米化主要有两种方法：表面机械加工处理法和非平衡热力学法。金属表面纳米化对金属材料力学性能、疲劳性能、耐磨性能、耐蚀性能、热稳定性、化学热处理性能有显著的影响。金属表面纳米化使材料的化学性能发生变化。表面层高体积分数的晶界为原子扩散提供了大量通道，大大提高了原子扩散系数，晶界处各种非平衡缺陷以及大量的过剩能量都有利于化学反应，为化学热处理提供了理想的界面条件。

齿轮是工业生产中应用最为广泛的零件之一，为了提高齿轮表面的耐磨性，通常采用离子渗氮改性处理。但在实际生产中，常常需要较长氮化处理时间，有的甚至要达到数十小时，才能达到预期的改性效果。已发明了催渗方法，如：电场催渗，稀土催渗，多元素共渗催渗，都不适合应用到离子渗氮技术中。

发明内容

本发明的目的是提供一种齿轮钢表面纳米化并提高表面自由能的离子渗氧技术，该发明可为后续离子渗氮化学热处理提供理想的界面条件，从而达到显著的催渗效果。该方案的创新性是在离子渗炉中对齿轮钢表面进行离子氧化处理，采用空气作为离子渗氧气体，工艺为300～400℃+15～60min，处理后齿轮钢表面形成纳米结构氧化膜，具有较高的表面自由能。

实现本发明目的的技术方案是：一种齿轮钢表面纳米化并提高表面自由能的离子渗氧技术；其特包括如下步骤：

（1）从齿轮钢上取样，制成标准试样，并进行预磨、抛光处理；

（2）除去试样上的油污：试样在有机溶剂中进行清洗、烘干；

（3）将清洗的试样置入离子渗设备的真空室内，抽真空至10Pa以下进行起辉；

（4）通入氢气进行离子轰击清洗，调节电流和电压，待炉温升至300℃～400℃时，逐步降低氢气的流量至零，同时通入空气对试样进行离子氧化，设定空气流量为3L/min，维持氧化温度15～60min；

（5）氧化结束后，逐步减少空气流量至零，冷却到室温将试样取出。

上述技术方案，所述步骤（4）中离子氧化温度为300℃，离子氧化时间为30min。

上述技术方案，所述齿轮钢试样离子渗氧后表面形成了纳米氧化物层，且表面自由能显著提高。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

（1）在离子氧化阶段，工件表面形成一薄层纳米结构氧化物层，表面自由能很高，为后续化学热处理提供了理想的界面条件。

（2）本发明不用附加任何辅助设备，操作简单，氧化气体为空气，无成本，而且氧化温度较低，大幅度节约能源，降低能耗，节约处理成本；相比现有技术，操作简便易行。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明300℃+30min离子氧化，表面形貌SEM图片；

图2为本发明300℃+45min离子氧化，表面形貌SEM图片；

图3为本发明400℃+30min离子氧化，表面形貌SEM图片。

表1为本发明不同条件离子氧化后试样表面自由能

具体实施方式

本发明一种齿轮钢表面纳米化并提高表面自由能的离子渗氧技术包括如下步骤：

（1）从齿轮钢上取样，制成标准试样，并进行预磨、抛光处理；

（2）除去试样上的油污：试样在有机溶剂中进行清洗、烘干；

（3）将清洗的试样置入离子渗设备的真空室内，抽真空至10Pa以下进行起辉；

（4）通入氢气进行离子轰击清洗，调节电流和电压，待炉温升至300℃～400℃时，逐步降低氢气的流量至零，同时通入空气对试样进行氧化，设定空气流量为3L/min，维持氧化温度15～60min；

（5）氧化结束后，逐步减少空气流量至零，冷却到室温将试样取出。

具体包括以下三个实施例：

（实施例1）