[發明專利]一種合金鋼表面復合強化工藝

在審

• 申請號: 202011331807.5
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112647083A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 任云鵬;萬瀚宇;陸恒;辛志鐸;李致宇
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23F17/00
• 分類號: C23F17/00;C21D10/00;C23C8/32;C23C8/56;C23C8/76;C21D1/18;C21D6/00;C21D9/00
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本發明提供了一種合金鋼表面復合強化工藝，包括如下步驟：將靶材表面預處理；將表面處理后的靶材敷設吸收層和約束層，通過激光對靶材表面進行高能量短脈沖的激光沖擊；將激光沖擊后的靶材進行除污處理，將處理后的靶材裝入熱處理爐內進行碳氮共滲和低溫回火處理。本發明是激光沖擊與碳氮共滲復合處理的工藝，其中激光沖擊可以產生高密度位錯、晶粒細化、晶界增多等缺陷，可以提高碳、氮原子的滲入濃度與深度，降低熱處理工藝的保溫溫度，進而改善因溫度過高而造成的變形和氧化現象。

技術領域

本發明涉及熱處理領域或者激光沖擊技術領域，特別涉及一種合金鋼表面復合強化工藝。

背景技術

軸、軸承和齒輪在工作過程中承受著極高的摩擦力，容易產生疲勞點蝕、剝落等缺陷，需要通過一定工藝來提高材料的表面硬度、耐磨性和接觸疲勞強度。

目前，國內主要通過滲碳、滲氮或碳氮共滲等熱處理工藝來提升軸、齒輪、軸承等零件的強度與耐磨性。滲碳處理后由于滲碳層的結合性較差，受力時容易剝落。滲氮處理后硬化層很薄，不適合在高速沖擊環境中使用。碳氮共滲以滲碳為主，同時滲氮。碳滲入后形成的碳化物可以促進氮化物的形成，氮化物形成后又可以有效的促進滲碳過程的完成。此外，氮化物中的碳元素還可以提高材料硬度，改善材料的耐磨性。因此碳氮共滲能一定程度上彌補單一滲碳或滲氮工藝的不足，對提高材料的綜合表面性能尤為重要。但由于保溫溫度較高，零件表層組織晶粒粗大，易產生熱變形和氧化現象，且碳氮化合物不均勻。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種合金鋼表面復合強化工藝，通過激光沖擊與碳氮共滲復合處理的工藝，激光沖擊可以產生高密度位錯、晶粒細化、晶界增多等缺陷，可以提高碳、氮原子的滲入濃度與深度，降低熱處理工藝的保溫溫度，進而改善因溫度過高而造成的變形和氧化現象。并使熱處理后的晶粒細化且均勻分布，減小了局部應力集中，提高了材料的表面硬度和耐磨性等。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種合金鋼表面復合強化工藝，包括如下步驟：

將靶材表面預處理；

將表面處理后的靶材敷設吸收層和約束層，通過激光對靶材表面進行高能量短脈沖的激光沖擊；

將激光沖擊后的靶材進行除污處理，將處理后的靶材裝入熱處理爐內進行碳氮共滲和低溫回火處理。

進一步，所述表面預處理為通過砂紙和金相拋光劑進行逐級打磨拋光，使表面粗糙度低于Ra0.3，再將靶材放入丙酮或無水乙醇溶液中進行超聲波清洗，然后吹干。

進一步，所述吸收層厚度為0.1～1mm，所述約束層厚度為0.1～2mm。

進一步，當所述靶材為低碳軸承鋼時，所述高能量短脈沖的激光沖擊過程中，激光的脈寬為1～100ns，激光的重復頻率為1～20Hz，激光的功率密度為1～100GW/cm²。

進一步，所述激光的光斑直徑為1～10mm，所述激光的搭接率為30％～70％。

進一步，所述除污處理為去除靶材表面雜質和遺留的吸收層和約束層。

本發明的有益效果在于：

本發明所述的合金鋼表面復合強化工藝，激光沖擊靶材表面，使表層組織晶粒細化、晶界增多，為碳、氮原子的擴散提供了通道，提升了碳氮化合物擴散的深度和濃度，并降低了碳氮共滲的保溫溫度，改善了因溫度過高產生的材料變形和氧化現象。且經過激光沖擊后的碳氮共滲零件表層組織晶粒細化且均勻分布，與過渡層未有明顯分界，減小了局部應力集中，提高了材料的硬度，復合工藝處理后的樣品最高可達422.99HV，而碳氮共滲工藝為408.84HV，相比提升了3.4％，且復合工藝影響層的厚度可達319.091μm，而碳氮共滲工藝為231.356μm，相比提升了37.92％，顯著地提升了零件的使用性能。

附圖說明