本發(fā)明涉及表面強化技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種表面納米化高能離子注滲復(fù)合處理方法。

背景技術(shù)：

模具是機械、電子、輕工、國防等行業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備，模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。模具的失效往往開始于模具表面，因此，模具表面性能的優(yōu)劣直接影響到模具的使用及壽命。表面改性技術(shù)是提高材料表面性能的重要手段，廣泛應(yīng)用于要求耐磨、耐蝕等場合。

金屬表面納米化技術(shù)是運用外加載荷重復(fù)作用于材料表面，增加多晶體金屬材料表面的自由能，使表面組織產(chǎn)生不同方向的強烈塑性變形而逐漸將材料表層的粗晶組織細(xì)化至納米量級。納米化后發(fā)現(xiàn)由于梯度納米結(jié)構(gòu)的存在復(fù)合層的硬度得到了進一步的提高，而使得材料的摩擦性能得到了明顯的改善。該技術(shù)具有工藝簡單、成本低、易于實現(xiàn)；納米層結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)成分與基體相同；納米層具有梯度結(jié)構(gòu)，不易剝離等優(yōu)點。目前比較成功的材料表面納米化方法有：表面機械研磨處理(smat)、超聲噴丸(ussp)、氣動噴丸(ab-sp)、超音速噴丸處理(sfpb)、旋轉(zhuǎn)輥壓塑性變形法(crpd)和超聲沖擊技術(shù)(usrp)等。

高能離子注滲技術(shù)(heii)是將高能離子注入到材料表面,獲得對性能提高有益的新合金相，使材料表面層的物理、化學(xué)和機械性能發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)通過高能離子注滲(heii)后，某些金屬材料的硬度、耐磨性和耐腐蝕性可得到明顯改善。盡管表面改性的技術(shù)很多,但經(jīng)高能離子注入表面改性后,可獲得其它方法不能得到的新合金相,且與基體結(jié)合牢固,無明顯界面和脫落現(xiàn)象,從而解決了許多涂層技術(shù)中存在的粘附問題和熱膨脹系數(shù)不匹配問題，但注滲層的厚度和均勻性還存在一定的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述的問題，本發(fā)明提供一種能夠基于超聲表面滾壓和高能離子注滲碳化鎢的表面納米化高能離子注滲復(fù)合處理方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種表面納米化高能離子注滲復(fù)合處理方法，該方法包括以下步驟：

(1)樣品表面滾壓之前的預(yù)處理

先利用線切割將鐵板切成直徑為10mm、厚度為12mm的圓柱；

將樣品放在磨床上固定，進行打磨，先對樣品一面進行樣品平整度打磨，直至表面平整，然后再對另一面也進行表面平整度的打磨，最后在該表面進行細(xì)磨處理降低滾壓面的粗糙度；

(2)樣品表面的超聲滾壓處理

將步驟(1)處理完的樣品固定在機床上，進行樣品同軸度和平整度的調(diào)整；

先運轉(zhuǎn)機床使得樣品做旋轉(zhuǎn)運動，然后開啟滾壓設(shè)備進行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)定，等待5分鐘左右使得超聲設(shè)備的振動頻率達到正玄波形式，最后對滾壓頭施加壓力，機床參數(shù)為電流2-10a，機床主軸轉(zhuǎn)速為100r/min，機床進給速度為0.1mm/r，超聲設(shè)備的振動頻率在20-27khz，振幅6.5-7.5μm，滾壓頭施加壓力為300n；

(3)碳化鎢復(fù)合層制備

將經(jīng)過步驟(2)處理后的工件鉆孔，利用鐵絲穿過空洞將工件懸掛于注滲爐內(nèi)；

調(diào)節(jié)電壓至600v使?fàn)t內(nèi)溫度保持在470℃適宜的溫度，使得既可以達到很好的注滲效果，而且還可以不使得工件的晶粒粗大；

保溫時間24h。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所述的一種表面納米化高能離子注滲復(fù)合處理方法，

(1)超聲沖擊處理可以細(xì)化晶粒，納米化后發(fā)現(xiàn)由于梯度納米結(jié)構(gòu)的存在復(fù)合層的硬度得到了進一步的提高，而使得材料的摩擦性能得到了明顯的改善。

(2)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲滾壓預(yù)處理再進行高能離子碳化鎢注滲后，獲得的表面復(fù)合層具有更厚的硬度、較好的均勻性和硬度。

(3)將機械表面改性強化技術(shù)與化學(xué)表面改性強化技術(shù)復(fù)合應(yīng)用于金屬模具表面，顯著提高模具表面的硬度和耐磨性，而心部則保持原有鋼基體的強韌性，并且在表層與心部之間還存在一個性能漸變的梯度過渡區(qū)，可以有效避免性能突變時可能引起的材料破壞，從而大大延長模具的使用壽命。

附圖說明

圖1為超聲表面滾壓原理的簡易示意圖；

圖2(a)為實施例1樣品的表面sem圖；

圖2(b)為實施例2樣品的表面sem圖；

圖3(a)為實施例1樣品的截面sem圖；

圖3(b)為實施例2樣品的截面sem圖；

圖4為實施例1樣品和實施例2樣品的截面硬度圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施方式中的附圖，對本發(fā)明實施方式中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施方式，而不是全部的實施方式?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本試驗中選取的材料為dievar熱作模具鋼，其微觀組織結(jié)構(gòu)為過共析鋼萊氏體相。主要化學(xué)成份是cr、mo、v。

其合金成分和材料的基礎(chǔ)力學(xué)性能分別如表1及表2所示。

表1材料的合金成分

表2dievar熱作模具鋼的力學(xué)性能

實施例1

步驟(1)、進行超聲表面滾壓處理前的準(zhǔn)備工作，包括用砂輪打磨材料表面；

通過大量的試驗不斷地調(diào)整試驗設(shè)備的工藝參數(shù)，如沖擊頭振幅、施加在板料表面的靜載荷、板料的旋轉(zhuǎn)速度及沖擊頭橫向進給的速度等，對比試樣的滾壓效果，選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)制備本課題所需要的試樣。

步驟(2)、將試樣和超聲滾壓頭分別固定在機床上。

步驟(3)、預(yù)先打開超聲滾壓設(shè)備，進行工藝參數(shù)的設(shè)定，其工藝參數(shù)為：電流2a、頻率20hz、振幅7μm、載荷300n。

步驟(4)、先運轉(zhuǎn)機床使得樣品做旋轉(zhuǎn)運動，然后設(shè)定機床參數(shù)，其參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速為100r/min、進給速度為0.1mm/r。

步驟(5)、將工件鉆孔，利用鐵絲穿過空洞將工件懸掛于注滲爐內(nèi)，樣品在注滲爐中進行高能離子注滲鎢，然后進行滲碳熱處理；真空容器內(nèi)設(shè)置尺寸30mm×100mm×10mm的dievar熱作模具鋼試樣和純鎢絲源極。利用桶型陰極異常輝光放電原理，使欲滲的物質(zhì)變成高能離子，在金屬基體表層形成注滲層；在大型密閉的離子滲碳爐中通入氬氣使?fàn)t內(nèi)設(shè)施及試樣均處于氬氣氣氛中，通過桶型陰極異常輝光放電將爐內(nèi)的氬氣電離成離子，高速運動的氬離子沖擊放置好的鎢棒使其產(chǎn)生鎢離子，受沖擊產(chǎn)生的鎢離子具有很高的動能，其對試樣表面進行沖擊，最終打入試樣內(nèi)部，接著再對試樣進行滲碳處理，在試樣內(nèi)部原位生成碳化鎢。

步驟(6)、調(diào)節(jié)電壓至600v使?fàn)t內(nèi)溫度保持在470℃適宜的溫度，使得既可以達到很好的注滲效果，而且還可以不使得工件的晶粒粗大。

步驟(7)、保溫時間24h。在工藝參數(shù)不變的時候，增加保溫時間可以提高注滲效果。

對試樣進行超聲表面滾壓處理，超聲沖擊頻率為20khz，超聲沖擊強度為10s/cm2，執(zhí)行機構(gòu)前端帶有滾珠的工作頭硬度不低于900hv。值得注意的是，在試驗過程中要進行冷卻液潤滑，試驗表明，油冷效果更好。

將執(zhí)行機構(gòu)和機械零部件安裝在機床上，利用機床帶動執(zhí)行機構(gòu)的進給以及其底部的壓力彈簧提供的滾壓力，執(zhí)行機構(gòu)前端帶有滾珠的工作頭將壓力和高頻沖擊振動傳遞給機床帶動旋轉(zhuǎn)的機械零部件的表面，其中高頻沖擊振動是利用壓電陶瓷的特殊性能將交流電轉(zhuǎn)變成相同頻率的機械振動，具有聚能作用的超聲變幅桿通過把超聲波能量聚集在一起，使能量集中，變幅桿將換能器帶來的機械振動的位移放大，利用在常溫狀態(tài)下金屬具有冷縮性的特點，使所處理的材料發(fā)生彈性變形和塑性變形。

實施例2

一種表面納米化高能離子注滲復(fù)合處理方法，該方法包括以下步驟：

將工件鉆孔，利用鐵絲穿過空洞將工件懸掛于注滲爐內(nèi)；

調(diào)節(jié)電壓至600v使?fàn)t內(nèi)溫度保持在470℃適宜的溫度，使得既可以達到很好的注滲效果，而且還可以不使得工件的晶粒粗大；

保溫時間24h。

實施例1所采用的是超聲表面滾壓和高能離子注滲碳化鎢復(fù)合的工藝制成樣品；

實施例2所采用的是高能離子注滲碳化鎢的單工藝制成樣品。

效果評定：通過分析圖1-4，實施例1的樣品相比于實施例2的樣品，其表面的顆粒組織更加的細(xì)小致密，并且碳化鎢的注入深度提高了26.85％。

實施例1的表面硬度為945hv相比于未處理基體材料的硬度提高了4倍，相比于實施例2樣品的表面硬度提高了31.13％。除此之外，相比于實施例2樣品，在高溫摩擦磨損實驗條件下，實施例1的樣品具有更低的平均摩擦系數(shù)和磨損體積。

雖然在上文中已經(jīng)參考實施例對本發(fā)明進行了描述，然而在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，本發(fā)明所披露的實施例中的各項特征均可通過任意方式相互結(jié)合起來使用，在本說明書中未對這些組合的情況進行窮舉性的描述僅僅是出于省略篇幅和節(jié)約資源的考慮。因此，本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。

技術(shù)特征：

1.一種表面納米化高能離子注滲復(fù)合處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)樣品表面滾壓之前的預(yù)處理

先利用線切割將鐵板切成直徑為10mm、厚度為12mm的圓柱；

將樣品放在磨床上固定，進行打磨，先對樣品一面進行樣品平整度打磨，直至表面平整，然后再對另一面也進行表面平整度的打磨，最后在該表面進行細(xì)磨處理降低滾壓面的粗糙度；

(2)樣品表面的超聲滾壓處理

將步驟(1)處理完的樣品固定在機床上，進行樣品同軸度和平整度的調(diào)整；

先運轉(zhuǎn)機床使得樣品做旋轉(zhuǎn)運動，然后開啟滾壓設(shè)備進行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)定，等待5分鐘左右使得超聲設(shè)備的振動頻率達到正玄波形式，最后對滾壓頭施加壓力，機床參數(shù)為電流2-10a，機床主軸轉(zhuǎn)速為100r/min，機床進給速度為0.1mm/r，超聲設(shè)備的振動頻率在20-27khz，振幅6.5-7.5μm，滾壓頭施加壓力為300n；

(3)碳化鎢復(fù)合層制備

將經(jīng)過步驟(2)處理后的工件鉆孔，利用鐵絲穿過空洞將工件懸掛于注滲爐內(nèi)；

調(diào)節(jié)電壓至600v使?fàn)t內(nèi)溫度保持在470℃適宜的溫度，使得既可以達到很好的注滲效果，而且還可以不使得工件的晶粒粗大；

保溫時間24h。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及表面強化技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種表面納米化高能離子注滲復(fù)合處理方法，該方法包括樣品表面滾壓之前的預(yù)處理，先利用線切割將鐵板切成圓柱；將樣品放在磨床上固定，進行打磨，先對樣品一面進行樣品平整度打磨，直至表面平整，然后再對另一面也進行表面平整度的打磨，最后在該表面進行細(xì)磨處理降低滾壓面的粗糙度；將機械表面改性強化技術(shù)與化學(xué)表面改性強化技術(shù)復(fù)合應(yīng)用于金屬模具表面，顯著提高模具表面的硬度和耐磨性，而心部則保持原有鋼基體的強韌性，并且在表層與心部之間還存在一個性能漸變的梯度過渡區(qū)，可以有效避免性能突變時可能引起的材料破壞，從而大大延長模具的使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：胡春華;韓建波;徐德生;趙小輝;桑娜

受保護的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2019.11.20

技術(shù)公布日：2020.01.21