專利名稱：一種沉淀硬化不銹鋼激光表面硬化工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬表面硬化技術，具體為一種沉淀硬化不銹鋼表面激光硬化工藝，適用于17-4PH沉淀硬化不銹鋼的表面硬化強化，也適用于其它與17-4PH沉淀硬化不銹鋼類似的在化學組成不變條件下的表面硬度提高。
背景技術：
沉淀硬化不銹鋼，與普通馬氏體不銹鋼相比，具有更高的強度與韌性、更好的可焊性、冷加工性和耐蝕性，為此廣泛應用于制作在化學腐蝕環(huán)境下承受較大負載或沖擊負載的關鍵零部件，然而由于此類鋼的沉淀硬化硬度大小與鋼的韌性高低相矛盾，因此，對于此類鋼采用通常的固溶一時效沉淀硬化方法很難能獲得強度與韌性好、硬度又高的零件。而采用目前諸如氮化、噴涂堆焊等涂層工藝來提高此鋼表面硬度(即耐磨性)，又會導致此類鋼的耐蝕性與韌性明顯降低，還會引起涂層與基材之間電偶腐蝕。例如，核反應堆控制棒的驅動機構組件采用17-4PH鋼不僅有滿意的耐此種環(huán)境侵蝕的電化學性能，同時還可獲得滿意的抗沖擊性能。然而驅動組件之間的相互接觸碰撞摩擦損傷，需要零件表面硬度比基材更高一些，由此獲得高的耐磨性能。
如何僅使17-4PH這類沉淀硬化不銹鋼件表面硬度提高呢，通常是采用氮化、氮離子注入、噴涂和熔敷耐磨合金涂層，但是噴涂層易剝落，離子注入僅數(shù)微米，太薄，需真空條件；熔敷涂層包括采用激光束、電子束、離子束以及各種弧作用熱源的堆焊涂層，都會在基材上形成一定的軟化區(qū)。涂層與軟化區(qū)的存在使工件的強度、韌性發(fā)生降低，同時，會使工件在含有硼離子的高溫水中發(fā)生電偶腐蝕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種針對沉淀硬化不銹鋼表面硬化的激光加工方法。采用激光表面快速熔凝、自淬火技術，利用激光快速加熱、熔池快速凝固的特點，能夠在材料表面形成過飽和的固溶體并在隨后的的輔助熱處理過程中沉淀析出第二相，均勻彌散分布，從而提高材料的表面硬度。本發(fā)明解決了氮化處理時的形變、改變材料表面化學成分、硬化層易腐蝕剝落等問題，同時實現(xiàn)了激光表面硬化層的深度與硬度可控制。
本發(fā)明的主要技術方案是先清潔沉淀硬化不銹鋼的表面，并將其進行恒溫處理，待達到設計的溫度后，根據(jù)處理表面幾何構形選擇一種光斑的光束進行激光處理，使處理表面快速熔化，同時用低溫保護氣體覆蓋激光作用區(qū)，提高激光作用區(qū)凝固速率，隨后對熔凝區(qū)進行的熱處理。
所述的恒溫處理是將鋼置入通常的恒溫裝置中0.5小時以上即可達到恒溫，恒溫處理的溫度為25℃～-40℃中的某一溫度。
激光處理的工藝參數(shù)如下激光連續(xù)輻照時，光功率≥500W，功率密度≥104W/cm2，掃描速度≥3m/min，搭接量30～70％，輻照光斑Φ0.5mm～Φ3.0mm；激光脈沖輻照時，脈沖能量5J～70J，脈沖頻率1Hz～1000Hz，脈寬0.2ms～20ms，搭接量30～70％，輻照光斑Φ0.5mm～Φ3.0mm；實施時，應根據(jù)沉淀硬化鋼的種類、工件大小對以上范圍的參數(shù)進行優(yōu)化搭配。
所述的保護氣體是氮氣或氬氣、氦氣或二氧化碳，氣體溫度為25℃～-40℃，以提高激光作用區(qū)的冷卻速度。
所述的熱處理溫度為200℃～680℃，保溫時間為30min～6小時，空冷。
所述的激光波長1.06μm或10.6μm.。
所述的沉淀硬化不銹鋼尤其指17-4PH。
通過以上方法處理的17-4PH鋼，可達到以下具體技術指標表面硬化層平均硬度可達到HV350～HV650，硬化層深度≥0.15mm，工件表面可實現(xiàn)全表面硬化。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明采用某一特定波長的激光，在一定的環(huán)境中對沉淀硬化不銹鋼表面進行掃描輻照，然后在一定溫度下進行熱處理，可獲得一定厚度的硬度明顯高于基體的硬化層。該硬化工藝方法簡單，表面層化學組成不改變，硬化層和基體材料的耐腐蝕性一樣，基體材料的力學性能不變化。此工藝方法在核反應堆結構件上應用，工件的強度和韌性好，并且表面抗磨性能高。與傳統(tǒng)的表面氮化硬化工藝相比，本發(fā)明無涂層剝落，無電偶腐蝕，有高得多的耐磨蝕性能。
2、本發(fā)明解決了沉淀硬化不銹鋼表面氮化處理時的形變等問題，硬度較氮化處理高20～30％，同時，表面硬化層冶金結合不剝落，耐環(huán)境腐蝕性能高。此外，硬化處理方便，通過數(shù)據(jù)編程，還可以實現(xiàn)工件的自動加工生產(chǎn)。
3、本發(fā)明根據(jù)處理表面幾何構形選擇一種光斑的光束進行激光處理，使處理表面快速熔凝，用低溫保護氣體覆蓋激光作用區(qū)，控制激光作用區(qū)熔凝速率，不會在基材上形成軟化區(qū)，因而不會降低工件的強度、韌性。
4、本發(fā)明通過輔助熱處理沉淀析出第二相，均勻彌散分布，從而提高材料的表面硬度。


圖1為17-4PH鋼激光連續(xù)輻照表面硬化處理后硬度分布。
圖2為17-4PH鋼激光脈沖輻照表面硬化處理后硬度分布。
具體實施例方式
實施例1本實施例對17-4PH鋼進行激光硬化處理，先清潔沉淀硬化不銹鋼的表面，并將其進行恒溫處理，待達到設計的溫度后，根據(jù)處理表面幾何構形選擇一種光斑的光束進行激光處理，使表面快速熔凝，同時用低溫保護氣體覆蓋激光作用區(qū)，控制激光作用區(qū)熔凝速率，隨后對熔凝區(qū)進行的熱處理。
1、清洗處理區(qū)表面用丙酮、酒精或松香水等去油污；2、工件恒溫處理溫度20℃，保溫時間0.5小時；3、激光處理激光連續(xù)輻照，光功率500W，功率密度104W/cm2，掃描速度3m/min；光斑Φ1.5mm，搭接量50％，0℃氬氣保護；4、輔助熱處理溫度360℃，保溫時間1小時，空冷，沉淀析出均勻彌散分布ε-Cu相；如圖1所示，工件表面激光處理區(qū)的顯微硬度可達到HV400，本實施例硬化層深度為0.2mm。
實施例2本實施例對17-4PH鋼進行激光硬化處理，與實施例1不同之處是1、工件恒溫處理溫度0℃，保溫時間8小時；2、激光處理激光脈沖輻照，脈沖能量30J，脈沖頻率30Hz，脈寬1ms，搭接量40％，輻照光斑Φ2mm；4℃氬氣保護；3、輔助熱處理溫度600℃，保溫時間4小時，空冷，沉淀析出均勻彌散分布ε-Cu相；如圖2所示，工件表面激光處理區(qū)的顯微硬度可達到HV470，本實施例硬化層深度為0.4mm。
權利要求
1.一種沉淀硬化不銹鋼激光表面硬化工藝，其特征在于工藝步驟如下清潔沉淀硬化不銹鋼需處理區(qū)表面，并將其進行恒溫冷處理，恒溫處理的溫度為25℃～-40℃；根據(jù)處理表面幾何構形選擇一種光斑的光束進行激光處理，使處理表面熔凝，同時用保護氣體覆蓋激光作用區(qū)，隨后對熔凝區(qū)進行的熱處理，熱處理溫度為200℃～680℃，保溫時間為30min～6小時，空冷；表面激光處理區(qū)的顯微硬度達到HV350～HV650。
2.根據(jù)權利要求1所述的沉淀硬化不銹鋼激光表面硬化工藝，其特征在于所述的恒溫處理是將鋼置入恒溫裝置中0.5小時以上。
3.根據(jù)權利要求1所述的沉淀硬化不銹鋼激光表面硬化工藝，其特征在于所述的激光處理的工藝參數(shù)如下激光連續(xù)輻照時，光功率≥500W，功率密度≥104W/cm2，掃描速度≥3m/min，搭接量30～70％，輻照光斑Φ0.5mm～Ф3.0mm；激光脈沖輻照時，脈沖能量5J～70J，脈沖頻率1Hz～1000Hz，脈寬0.2ms～20ms，搭接量30～70％，輻照光斑Φ0.5mm～Φ3.0mm。
4.根據(jù)權利要求3所述的沉淀硬化不銹鋼激光表面硬化工藝，其特征在于激光波長為1.06μm或10.6μm。
5.根據(jù)權利要求1所述的沉淀硬化不銹鋼激光表面硬化工藝，其特征在于激光處理是在低溫氣體保護下進行的，低溫氣體為CO2、N2或惰性氣體，通過使用低溫氣體來提高冷卻速度，低溫氣體的溫度范圍為25℃～-40℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬表面硬化技術，具體為一種沉淀硬化不銹鋼表面激光硬化工藝，適用于沉淀硬化不銹鋼的表面硬化強化，具體方法為采用某一特定波長的激光，在一定的環(huán)境中對沉淀硬化不銹鋼表面進行掃描輻照，使處理表面熔化，同時用低溫保護氣體覆蓋激光作用區(qū)，提高冷卻速度，然后在一定溫度下進行熱處理，可獲得一定厚度的硬度明顯高于基體的硬化層。該工藝方法的優(yōu)點是硬化工藝方法簡單，表面層化學組成不改變，硬化層和基體材料的耐腐蝕性一樣，基體材料的力學性能不變化。此工藝方法在核反應堆結構件上應用，工件的強度和韌性好，并且表面抗磨性能高。較傳統(tǒng)的表面氮化硬化工藝無涂層剝落，無電偶腐蝕，有高得多的耐磨蝕性能。
文檔編號C21D11/00GK101089201SQ20061004694
公開日2007年12月19日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權日2006年6月16日
發(fā)明者王茂才, 謝玉江, 王東生, 吳維 申請人:中國科學院金屬研究所