[发明专利]一种提高离子渗氮效率的复合预处理工艺

说明书

本发明涉及一种提高离子渗氮效率的复合预处理工艺，包括以下步骤：将原始态钢加工切割成试样；将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干；将试样进行激光冲击处理；将试样置于离子氮化炉中，抽真空，通入氢气溅射，先后进行预氧化和离子渗氮处理，随炉冷却至室温。本发明的有益效果是：第一阶段激光冲击处理，促使材料表层晶粒细化，位错密度增加，为氮原子扩散提供了理想的通道；第二阶段材料表面形成了一薄层氧化膜，离子渗氮过程中氧化膜逐渐被氢气还原，形成疏松多孔的扩散通道，达到进一步的催渗效果；通过激光冲击和预氧化复合预处理能够在短时间内大幅度提高渗氮效率和渗层厚度，具有显著的高效、节能优势。

技术领域

本发明涉及一种提高离子渗氮效率的复合预处理工艺。

背景技术

离子渗氮作为应用较为广泛的化学热处理工艺，具有工件变形小、渗层质量稳定以及绿色环保等优点，得到表面改性领域的广泛认同。然而，现有离子渗氮技术存在的明显不足是：渗速慢、渗层浅。为获得满足性能要求的渗层厚度，所需的时间仍然很长。为了达到快速、深层渗氮的目的，需要近一步探索和改进渗氮工艺来提高离子渗氮效率。

激光冲击是近年来出现的一种新型表面处理技术，在材料表层形成高密度位错以及晶粒细化，活化表面并提高表层势能、为氮原子的扩散提供通道。

预氧化则是在离子渗氮之前对试样表面进行氧化的工艺，在表层形成一薄层氧化膜，该预氧化膜在渗氮过程中不断被还原，进一步活化表面并形成疏松和孔洞，为氮原子向内扩散提供进一步的通道。

可见，激光冲击和预氧化处理均能为氮原子扩散提供通道，提高渗氮渗速，把两者结合在一起，是否可以相互促进，得到更加显著的催渗效果呢？目前该复合催渗技术属于空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于现有离子渗氮技术渗速慢和渗层浅的问题，本发明提供一种提高离子渗氮效率的复合预处理工艺，本发明通过激光冲击和预氧化复合预处理增加氮原子扩散通道有效提高离子渗氮效率。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种提高离子渗氮效率的复合预处理工艺，包括以下步骤：

(1)将原始态钢加工切割成试样。原始态钢为合金调质钢的一种，优选42CrMo钢，试样尺寸为10mm×10mm×5mm。

(2)将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干；调质处理为先升温至860℃保温12min，油冷至室温，再升温至600℃保温30min，空冷至室温。打磨处理为将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，去离子水清洗并浸泡于20ml的丙酮中进行超声波清洗15min去除油污。

(3)将试样装夹到激光冲击强化试验平台上对表面进行激光冲击处理；激光冲击处理为采用高功率密度、短脉冲的激光通过透明约束层作用于试样表面涂覆的吸收保护涂层上，保护涂层吸收激光能量，诱导产生高强度的等离子体运动波，作用于试样表面。

(4)将试样置于离子氮化炉中，抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，氢气流量为500ml/min，炉内压力保持300Pa；关闭氢气，先后进行预氧化和离子渗氮处理，处理完成后随炉冷却至室温。冷却后采用DMI-3000M型光学金相显微镜观察截面显微组织，并测量化合物层厚度。

步骤(3)中，所述激光波长为1064nm，脉冲宽度为10～30ns，激光能量为3～10J，光斑形状圆形，直径为3mm；等离子体冲击波按照一定路径作用待处理区域，光斑搭接率为50％。

步骤(3)中，所述保护涂层为厚度100μm的黑胶带；约束层为厚度2mm的均匀流水层。

步骤(4)中，所述预氧化处理具体操作为：将炉温升高到300℃，通入空气流量为3L/min，炉内压力设为自由压，预氧化时间为30min。