[發明專利]一種高溫下合金鋼表面植入納米金剛石顆粒的方法及裝置

在審

• 申請號: 202010697128.3
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111962058A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 任云鵬;陸恒;辛志鐸;萬瀚宇;李致宇
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23C24/08
• 分類號: C23C24/08;C21D10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種高溫下合金鋼表面植入納米金剛石顆粒的方法，包括：將納米金剛石顆粒與工業凡士林軟膏按比例混合預涂到合金鋼靶材表面形成納米金剛石涂層，然后在所述納米金剛石涂層上緊密敷設吸收層；將所述合金鋼靶材加熱至設定溫度后保溫；在所述吸收層上設置約束層，利用高能短脈沖激光按設定搭接率沖擊所述合金鋼靶材表面；激光沖擊后，去除所述約束層、所述吸收層和所述納米金剛石涂層，得到納米金剛石超硬強化層。本發明能夠提高合金鋼的表面硬度、耐磨性、接觸疲勞強度等性能。

技術領域

本發明涉及金屬表面改性技術領域，尤其涉及一種高溫下合金鋼表面植入納米金剛石顆粒的方法及裝置。

背景技術

船用傳動齒輪尺寸大、受力復雜，一般采用20Cr2Ni4A或18Cr2Ni4WA等合金鋼制造，這類鋼材合金含量高、淬透性好。由于船用傳動齒輪對齒面硬度要求高，目前主要通過滲碳、滲氮、氮碳共滲工藝、直接淬火或感應淬火等熱處理工藝來提高齒輪強度和耐磨性。但齒輪經滲碳處理后，滲碳層結合性能較差，重載沖擊時容易剝離；另外，過高的滲碳溫度會進一步加劇齒輪的變形，造成齒輪晶粒粗大，致使力學性能下降。滲氮技術形成的硬化層很薄，不適用于高速沖擊的環境。此外，如果齒輪精度要求較高，齒面在熱處理后需進行磨齒加工，以克服熱處理變形，磨齒磨削加工過程中會出現拉應力，導致微裂紋的萌生、擴展，從而降低齒輪的疲勞壽命和抗沖擊性能。

因此，開發一種合金鋼既能避免受高溫形變又能在表面形成超硬強化層的全新方法具有重要意義和廣闊的應用前景。

發明內容

針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種高溫下合金鋼表面植入納米金剛石顆粒的方法及裝置，利用激光沖擊使納米金剛石顆粒植入合金鋼表層形成超硬強化層，以提高合金鋼的表面硬度、耐磨性、接觸疲勞強度等性能。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種高溫下合金鋼表面植入納米金剛石顆粒的方法，包括：

將納米金剛石顆粒與工業凡士林軟膏按比例混合預涂到合金鋼靶材表面形成納米金剛石涂層，然后在所述納米金剛石涂層上緊密敷設吸收層；

將所述合金鋼靶材加熱至設定溫度后保溫；

在所述吸收層上設置約束層，利用高能短脈沖激光按設定搭接率沖擊所述合金鋼靶材表面；

激光沖擊后，去除所述約束層、所述吸收層和所述納米金剛石涂層，得到納米金剛石超硬強化層。

進一步地，在預涂納米金剛石涂層前，對合金鋼靶材進行預處理，所述預處理的方法為：將經過退火處理的合金鋼進行切割分樣，用400～1500目金相水磨砂紙逐級打磨表面，然后用0.5～3.5μm規格金相拋光劑逐級拋光至鏡面效果，最后在無水乙醇或丙酮溶液中超聲清洗合金鋼靶材，清洗完畢后立即吹干表面。

進一步地，所述納米金剛石顆粒與所述工業凡士林軟膏的比例為1:1～5。

進一步地，所述納米金剛石顆粒涂層的厚度范圍為0.05～1mm。

進一步地，所述納米金剛石顆粒的尺寸為1～250nm。

進一步地，所述高能短脈沖激光的脈寬1～100ns，重復頻率為1-20Hz，激光功率密度為1～100GW/cm²，激光光斑直徑為1～10mm，光斑搭接率范圍為50～70％。

進一步地，所述吸收層為黑膠帶或者黑漆或者鋁箔，所述吸收層的厚度范圍為0.1～1mm。

進一步地，所述約束層為離子水或K9玻璃，所述約束層的厚度范圍為0.1～2mm。

進一步地，所述設定溫度不小于450℃。

一種實現上述高溫下合金鋼表面植入納米金剛石顆粒的方法的裝置，其特征在于，包括：