阅读说明：本技术 一种合金钢表面复合强化工艺 (Alloy steel surface composite strengthening process ) 是由 任云鹏 万瀚宇 陆恒 辛志铎 李致宇 于 2020-11-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种合金钢表面复合强化工艺,包括如下步骤：将靶材表面预处理；将表面处理后的靶材敷设吸收层和约束层,通过激光对靶材表面进行高能量短脉冲的激光冲击；将激光冲击后的靶材进行除污处理,将处理后的靶材装入热处理炉内进行碳氮共渗和低温回火处理。本发明是激光冲击与碳氮共渗复合处理的工艺,其中激光冲击可以产生高密度位错、晶粒细化、晶界增多等缺陷,可以提高碳、氮原子的渗入浓度与深度,降低热处理工艺的保温温度,进而改善因温度过高而造成的变形和氧化现象。(The invention provides a composite strengthening process for an alloy steel surface, which comprises the following steps: pretreating the surface of the target material; laying an absorption layer and a constraint layer on the target material after surface treatment, and performing high-energy short-pulse laser impact on the surface of the target material through laser; and (3) carrying out decontamination treatment on the target after laser impact, and loading the treated target into a heat treatment furnace for carbonitriding and low-temperature tempering treatment. The invention relates to a laser shock and carbonitriding composite treatment process, wherein the laser shock can generate defects of high-density dislocation, grain refinement, increased grain boundary and the like, can improve the infiltration concentration and depth of carbon and nitrogen atoms, and reduces the heat preservation temperature of a heat treatment process, thereby improving the deformation and oxidation phenomena caused by overhigh temperature.)

一种合金钢表面复合强化工艺

技术领域

本发明涉及热处理领域或者激光冲击技术领域，特别涉及一种合金钢表面复合强化工艺。

背景技术

轴、轴承和齿轮在工作过程中承受着极高的摩擦力，容易产生疲劳点蚀、剥落等缺陷，需要通过一定工艺来提高材料的表面硬度、耐磨性和接触疲劳强度。

目前，国内主要通过渗碳、渗氮或碳氮共渗等热处理工艺来提升轴、齿轮、轴承等零件的强度与耐磨性。渗碳处理后由于渗碳层的结合性较差，受力时容易剥落。渗氮处理后硬化层很薄，不适合在高速冲击环境中使用。碳氮共渗以渗碳为主，同时渗氮。碳渗入后形成的碳化物可以促进氮化物的形成，氮化物形成后又可以有效的促进渗碳过程的完成。此外，氮化物中的碳元素还可以提高材料硬度，改善材料的耐磨性。因此碳氮共渗能一定程度上弥补单一渗碳或渗氮工艺的不足，对提高材料的综合表面性能尤为重要。但由于保温温度较高，零件表层组织晶粒粗大，易产生热变形和氧化现象，且碳氮化合物不均匀。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种合金钢表面复合强化工艺，通过激光冲击与碳氮共渗复合处理的工艺，激光冲击可以产生高密度位错、晶粒细化、晶界增多等缺陷，可以提高碳、氮原子的渗入浓度与深度，降低热处理工艺的保温温度，进而改善因温度过高而造成的变形和氧化现象。并使热处理后的晶粒细化且均匀分布，减小了局部应力集中，提高了材料的表面硬度和耐磨性等。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种合金钢表面复合强化工艺，包括如下步骤：

将靶材表面预处理；

将表面处理后的靶材敷设吸收层和约束层，通过激光对靶材表面进行高能量短脉冲的激光冲击；

将激光冲击后的靶材进行除污处理，将处理后的靶材装入热处理炉内进行碳氮共渗和低温回火处理。

进一步，所述表面预处理为通过砂纸和金相抛光剂进行逐级打磨抛光，使表面粗糙度低于Ra0.3，再将靶材放入丙酮或无水乙醇溶液中进行超声波清洗，然后吹干。

进一步，所述吸收层厚度为0.1～1mm，所述约束层厚度为0.1～2mm。

进一步，当所述靶材为低碳轴承钢时，所述高能量短脉冲的激光冲击过程中，激光的脉宽为1～100ns，激光的重复频率为1～20Hz，激光的功率密度为1～100GW/cm²。

进一步，所述激光的光斑直径为1～10mm，所述激光的搭接率为30％～70％。

进一步，所述除污处理为去除靶材表面杂质和遗留的吸收层和约束层。

本发明的有益效果在于：

本发明所述的合金钢表面复合强化工艺，激光冲击靶材表面，使表层组织晶粒细化、晶界增多，为碳、氮原子的扩散提供了通道，提升了碳氮化合物扩散的深度和浓度，并降低了碳氮共渗的保温温度，改善了因温度过高产生的材料变形和氧化现象。且经过激光冲击后的碳氮共渗零件表层组织晶粒细化且均匀分布，与过渡层未有明显分界，减小了局部应力集中，提高了材料的硬度，复合工艺处理后的样品最高可达422.99HV，而碳氮共渗工艺为408.84HV，相比提升了3.4％，且复合工艺影响层的厚度可达319.091μm，而碳氮共渗工艺为231.356μm，相比提升了37.92％，显著地提升了零件的使用性能。

附图说明

图1为本发明所述的合金钢表面复合强化工艺的流程图。

图2为本发明所述的合金钢表面复合强化工艺的加工示意图。

图3为本发明所述的复合工艺渗层与现有碳氮共渗工艺渗层对比图。

图4为本发明所述的复合工艺硬度与现有碳氮共渗工艺硬度对比图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本发明所述的合金钢表面复合强化工艺，其特征在于：

步骤一：首先将退火态的靶材用砂纸和金相抛光剂进行逐级打磨抛光，使表面粗糙度低于Ra0.3，之后在丙酮或无水乙醇溶液中进行超声波清洗，之后立即吹干；

步骤二：将表面处理后的靶材敷设吸收层和约束层，通过激光对靶材表面进行高能量短脉冲的激光冲击；吸收保护层为铝箔、黑漆或黑胶带等，其厚度范围在0.1～1mm。约束层为离子水或K9玻璃等，厚度范围在0.1～2mm。高能短脉冲激光脉宽为1～100ns，激光功率密度为1～100GW/cm2，激光光斑直径为1～10mm，光斑搭接率为30％～70％，采用单点、单点重复、多点分布、多点重复和搭接大面积冲击方式。

步骤三：去除吸收层，用丙酮溶液或者无水乙醇溶液清洗表面残余物；

步骤四：将靶材放入真空炉内进行碳氮共渗，油淬之后再进行低温回火。

结合附图1所示，本发明主要工艺为激光冲击强化和碳氮共渗。其中所述激光器为纳秒激光器，所述热处理炉为真空气氛炉。结合附图2所示，本发明所述激光冲击工艺为通过高能短脉冲激光冲击吸收保护层产生的等离子体轰击靶材表面，使表层组织产生高密度位错、晶格畸变和晶粒细化等微观组织变化，同时提高了晶粒的能量，进而降低奥氏体化的保温温度，实现降低碳氮共渗温度的目标。

实施例：

20Cr2Ni4A合金钢激光冲击降低碳氮共渗温度的方法，包括如下步骤：

步骤一：首先将靶材放入850℃的热处理炉中保温1小时，之后随炉冷却，300℃后出炉空冷；

步骤二：将退火态靶材切成15×15×10mm的长方体，用400#、800#、1200#、1500#砂纸进行逐级打磨，然后用0.5～3.5μm规格的金相抛光剂进行逐级抛光，之后在丙酮或无水乙醇溶液中进行超声波清洗，之后立即吹干；

步骤三：将表面处理后的靶材敷设吸收层和约束层，吸收层为0.12mm厚的铝箔胶带纸，约束层为2mm厚的去离子水。用单脉冲能量为10J的高能短脉冲激光冲击靶材，高能短脉冲激光脉宽为10ns，激光功率密度为8.5GW/cm²，波长为1064nm，重复频率为5Hz，激光光斑直径为3mm，光斑搭接率为50％，冲击区域面积为12×12mm²。

步骤四：去除吸收层，用丙酮或者无水乙醇溶液清洗表面残余物，之后立即吹干表面；

步骤五：将靶材放入真空炉内进行碳氮共渗，之后再将靶材进行油淬和低温回火。

结合图3和图4所示，现有碳氮共渗工艺硬度最高可达408.84HV，碳氮共渗层为118.068μm，影响层为231.356μm；而本发明的激光冲击与碳氮共渗复合工艺硬度最高可达422.99HV，碳氮共渗层为165.958μm，影响层为319.091μm，与现有碳氮共渗工艺，渗层提升了40.56％，影响层提升了40.56％，硬度提升了3.4％。并与硬度图变化趋势相似，复合工艺硬度到300μm深时趋于稳定，现有碳氮共渗工艺到250μm趋于稳定。且渗层放大图显示复合工艺晶粒和碳氮化合物分布均匀，碳氮共渗层与过渡层之间未有明显边界，有利于减小局部的应力集中，有效抑制疲劳裂纹的产生。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。