專利名稱：一種沉淀硬化不銹鋼表面的類三明治結(jié)構(gòu)強(qiáng)化涂層的制作方法
一種沉淀硬化不銹鋼表面的類三明治結(jié)構(gòu)強(qiáng)化涂層(-)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化處理技術(shù)，具體涉及一種沉淀硬化不銹鋼表面的具有類似“三明治”結(jié)構(gòu)的激光復(fù)合強(qiáng)化涂層。背景技術(shù)：
沉淀硬化不銹鋼目前多用于制作軸類、葉片以及各類泵閥等過流部件。以17-4PH 為代表的沉淀硬化不銹鋼制造的零部件目前公認(rèn)的有效強(qiáng)化手段為整體固溶+時效處理， 使用中一般是通過固溶處理后產(chǎn)生馬氏體相變，再經(jīng)過時效處理，在馬氏體基體上沉淀析出細(xì)小、彌散分布的ε -Cu和M23C6等強(qiáng)化相來提高其性能，其優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得大厚度的強(qiáng)化表面。但整體固溶由于對工件的整體加熱保溫，勢必造成工件的整體或局部變形，影響零部件的尺寸精度。因此人們嘗試開展了大量的表面直接強(qiáng)化/硬化研究，包括滲碳、滲氮、 滲金屬、表面噴涂或堆焊硬質(zhì)涂層等技術(shù)。這類表面直接制備一層強(qiáng)化層的方法通常對表面耐磨強(qiáng)化有非常好的效果，但一般存在強(qiáng)化層厚度薄，或與基體結(jié)合力較差以及在沖擊性載荷作用下易脫落等問題，從而極大地影響相關(guān)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及安全性。
如何能避免上述問題呢？傳統(tǒng)的表面高硬度強(qiáng)化層通常較薄，盡管短期強(qiáng)化效果較好，但下方通常為基體，沒有沖擊應(yīng)力緩沖區(qū)，因此在高強(qiáng)度沖擊性載荷作用下極易發(fā)生強(qiáng)化層破壞、脫落，進(jìn)而導(dǎo)致基體裸露至侵蝕表面，從而加速破壞，而且較薄的表面強(qiáng)化層也不利于獲得設(shè)備長期運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及安全性。因此目前工業(yè)上急需一種既能夠發(fā)揮表面高硬度強(qiáng)化層高強(qiáng)度特性，又能夠兼顧長期穩(wěn)定工作的沉淀硬化鋼表面強(qiáng)化技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種沉淀硬化不銹鋼表面的“類三明治結(jié)構(gòu)”復(fù)合涂層，在提高沉淀硬化不銹鋼表面硬度的同時能夠兼顧較厚的強(qiáng)化層厚度，從而有利于長期穩(wěn)定工作。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種沉淀硬化不銹鋼表面的“類三明治結(jié)構(gòu)”強(qiáng)化涂層，所述強(qiáng)化涂層包括表面高硬層、功能性軟化層和基底硬化層，具有“硬一軟一硬”的“類三明治”夾心結(jié)構(gòu)特征，所述表面高硬層厚度在1(Γ80μπ ，所述功能性軟化層厚度在ΙμπΓ ΟΟμπ ，所述基底硬化層厚度在10 μ nT6mm ;所述的基底硬化層與沉淀硬化不銹鋼基體結(jié)合；
所述沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層的制備方法包括如下步驟
( I)對沉淀硬化不銹鋼表面待處理區(qū)域進(jìn)行表面清潔處理；
(2)在步驟(I)處理后的沉淀硬化不銹鋼表面待處理區(qū)域預(yù)置特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物，根據(jù)表面幾何構(gòu)形進(jìn)行激光輻照，在激光作用過程中采用保護(hù)性氣氛對激光作用區(qū)進(jìn)行保護(hù)，隨后對激光作用區(qū)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為30(T69(rc，保溫時間為15mirT6小時，然后在空氣中冷卻，從而在沉淀硬化不銹鋼表面獲得強(qiáng)化涂層；所述特殊增強(qiáng)材料粉末是下列三類物質(zhì)混和得 到的混和粉末①單質(zhì)或合金、②金屬氧化物、③碳化物和/或硼化物和/或氮化物，所述的單質(zhì)選自下列一種或者任意幾種的組合T1、W、Co、 Cr、N1、Mo、Fe、S1、B,所述的合金選自下列任意兩種以上金屬形成的合金T1、W、Co、Cr、N1、 Mo、Fe，所述的金屬氧化物為對紅外激光及可見光波段激光具有良好吸收效果的金屬氧化物，所述的碳化物或硼化物或氮化物為在50(T4000°C能夠參加熔池反應(yīng)并提供B和/或C 和/或N元素的化合物，或者所述的碳化物或硼化物或氮化物分別為可作為增強(qiáng)相的金屬碳化物或金屬硼化物或金屬氮化物；以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物質(zhì)量為100% 計(jì)，其中單質(zhì)或合金的質(zhì)量百分比在2 95%之間，金屬氧化物的質(zhì)量百分比在O.廣80%之間，碳化物和/或硼化物和/或氮化物的質(zhì)量百分比在O. f 80%之間，并且粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比蘭80%ο
本發(fā)明中，具有“硬一軟一硬”的“類三明治”夾心結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合涂層是在激光處理過程中一次性掃描獲得，其中表面高硬層是通過激光在基體表面直接作用而獲得，激光在基體表面作用過程中作用區(qū)域表面可以發(fā)生熔化或微熔，增強(qiáng)材料進(jìn)入形成高硬層， 厚度根據(jù)處理工藝參數(shù)的不同介于1(Γ80μπι之間；功能性軟化層位于表面高硬層和基底硬化層之間，是通過激光作用過程中表面下方形成過熱高溫區(qū)而在激光表面處理過程中同步獲得，其厚度根據(jù)處理工藝參數(shù)的不同介于I μ πΓιοο μ m之間，且其與表面高硬層和與基底硬化層之間的硬度過渡可以是梯度過渡或非梯度的階躍式過渡；基底硬化層位于功能性軟化層與沉淀硬化不銹鋼基體之間，其是利用了沉淀硬化鋼在80(Tl20(rC溫區(qū)具有固溶強(qiáng)化的特性形成，其厚度根據(jù)處理工藝參數(shù)的不同介于10μπΓ6πιπι之間，且其與功能性軟化層和與沉淀硬化不銹鋼基體之間的硬度過渡可以是梯度過渡或非梯度的階躍式過渡。
下面對技術(shù)方案做具體說明。
本發(fā)明步驟(I)中，所述的表面清潔處理即為常規(guī)的除油、除銹等清潔處理。
本發(fā)明步驟(2)中預(yù)置的材料為特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑，所述特殊增強(qiáng)材料粉末中，單質(zhì)或合金主要起強(qiáng)化作用。金屬氧化物為對紅外激光及可見光波段激光具有良好吸收效果的金屬氧化物，主要起吸光作用，可選自下列一種或任意幾種的組合αι2ο3、 TiO2, ZrO2, MgO2、稀土氧化物，所述的稀土氧化物可以是Y203、Ce2O3、市售的混和稀土氧化物等，優(yōu)選所述金屬氧化物為Al2O3和TiO2的混合物，更優(yōu)選Al2O3和TiO2的混合物中兩者質(zhì)量比例為1:0. 5 3。碳化物和/或硼化物和/或氮化物也起強(qiáng)化作用，其中碳化物可以是 WC、TiC, Cr3C2等；硼化物可以是BN、TiB, TiB2等；氮化物可以是TiN等。本發(fā)明預(yù)置的材料中加入粘結(jié)劑可以提高特殊增強(qiáng)材料粉末的附著能力，粘結(jié)劑可選自下列一種或任意幾種的組合膠水、纖維素或環(huán)氧樹脂等。
本發(fā)明步驟(2)預(yù)置的特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物，以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的總質(zhì)量為100%計(jì)，優(yōu)選其中單質(zhì)或合金的質(zhì)量百分比為5 30%，金屬氧化物的質(zhì)量百分比為20飛0%，碳化物或硼化物或氮化物的質(zhì)量百分比為1(Γ50%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為1(Γ50%。更優(yōu)選單質(zhì)或合金的質(zhì)量百分比為5 21%，金屬氧化物的質(zhì)量百分比為2(Γ40%，碳化物或硼化物或氮化物的質(zhì)量百分比為15 45%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為 16 30 %。
本發(fā)明在表面待處理區(qū)域預(yù)置特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑后，根據(jù)表面幾何構(gòu)形選擇一定經(jīng)整形后的光束進(jìn)行激光處理，所述的經(jīng)整形后的光束為矩形光斑、圓形光斑或環(huán)形光斑光束。采用矩形光斑時，焦點(diǎn)處光斑尺寸(長X寬)在5mmX0. 2mnT60mmX20mm之`間；米用圓形光斑時，焦點(diǎn)處光斑直徑在O. 5mnT60mm之間；米用環(huán)形光斑時,焦點(diǎn)處光斑內(nèi)直徑不小于O. 5mm,外直徑不大于60mm。所述的激光處理的工藝參數(shù)推薦如下
采用激光連續(xù)輻照時，激光功率彡300W，激光功率密度彡104W/cm2，掃描速度彡O. Olm/min，多道掃描時搭接量5 90% ;進(jìn)一步，優(yōu)選激光功率50(T2000W，激光功率密度 104 106胃/0112，掃描速度O. 05 O. 8m/min，多道掃描時搭接量5 20% ；
采用激光脈沖輻照時，脈沖能量> 5J，脈沖頻率> 1Hz，脈寬O. 2ms 200ms，多道掃描時搭接量5 90%;進(jìn)一步，優(yōu)選脈沖能量5 10J，脈沖頻率I 20Hz，脈寬I 20ms，多道掃描時搭接量5 20%。
本發(fā)明激光處理過程中的保護(hù)性氣氛推薦為惰性氣體氣氛，如氬氣、氦氣等。
本發(fā)明所述的復(fù)合涂層，可以只包含一個“硬一軟一硬”的類“三明治”夾心結(jié)構(gòu)， 也可以包含多個“硬一軟一硬”的類“三明治”夾心結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以通過如下步驟形成包含多個“硬一軟一硬”的類“三明治”夾心結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層在上述步驟(2)獲得的強(qiáng)化涂層表面通過激光熔覆或電子束沉積或堆焊的方式制備一層與沉淀硬化不銹鋼基底相同材料的基底層，然后在其上重復(fù)步驟(I)和步驟(2 )的操作，從而在沉淀硬化不銹鋼表面形成包含多個“硬一軟一硬”的類“三明治”夾心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化涂層。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定合理的制備步驟制備包含所需要個數(shù)的“硬一軟一硬”的類“三明治”夾心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化涂層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括
1.本發(fā)明的“硬一軟一硬”的“類三明治”夾心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化涂層能提高沉淀硬化不銹鋼表面硬度，而且強(qiáng)化層厚度較厚，從而有利于長期穩(wěn)定工作。
2.多層類“三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)各復(fù)合層可以在激光處理過程中一次性掃描獲得， 工藝簡單，可靠性好，易于獲得；
3.不需要復(fù)雜保護(hù)，僅在大氣條件下采用Ar、He等惰性氣體進(jìn)行局部保護(hù)即可獲得高質(zhì)量復(fù)合結(jié)構(gòu)多層強(qiáng)化層；
4.通過變化不同工藝參數(shù)與表面施涂材料，可以獲得不同表面硬度與綜合性能的夾心結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同的表面強(qiáng)化應(yīng)用領(lǐng)域，適用面廣。

圖1為本發(fā)明類“三明治”復(fù) 合結(jié)構(gòu)示意圖，其中a表面高硬層，b功能性軟化層， c基底硬化層，d基體。
圖2為實(shí)施例1制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度示意圖。
圖3為實(shí)施例2制得的強(qiáng)化涂層在距涂層外表面不同距離處的硬度示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此
實(shí)施例中選用的沉淀硬化不銹鋼牌號為17-4PH，首先進(jìn)行除油、除銹等表面清理， 然后將待加工表面預(yù)磨至600#砂紙，清洗并烘干。
實(shí)施例1 :
1.強(qiáng)化表面預(yù)涂專用增強(qiáng)材料，成分為混和金屬氧化物(Al2O3 =TiO2 = I 3) 40%、WC15%、Co9%、Cr9%，Ni3%，其余為粘結(jié)劑(502 膠水:E_44 型環(huán)氧樹脂=3:1)。
2.激光處理，激光功率1200W，光斑尺寸12Xlmm，掃描速度O. 3m/min，搭接量 10%，采用Ar氣對激光輻照區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。
3.輔助熱處理熱處理溫度為450°C，保溫時間為3小時，空冷。
如圖2所示，工件表面3mm范圍內(nèi)可獲得具有“硬一軟一硬”3層的類“三明治”夾 心結(jié)構(gòu)復(fù)合強(qiáng)化層，其中表面最大硬度大于590HV，基底硬化層硬度在35(T500HV之間并呈 梯度下降趨勢，復(fù)合強(qiáng)化層總強(qiáng)化深度大于1. 2mm。
實(shí)施例2
1.強(qiáng)化表面預(yù)涂專用增強(qiáng)材料，成分為混和金屬氧化物(Al2O3 =TiO2 = I 3) 26. 7%、VC33%、WC10%、Co6%、Cr6%，Ni2%，其余為粘結(jié)劑(502 膠水環(huán)氧樹脂=3:1)。
2.激光處理，激光功率2100W，光斑尺寸9Xlmm，掃描速度500mm/min，搭接量 10%，采用Ar氣對激光輻照區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。
3.輔助熱處理熱處理溫度為450°C，保溫時間為3小時，空冷。
如圖3所示，工件表面3mm范圍內(nèi)可獲得具有“硬一軟一硬”3層的類“三明治”夾 心結(jié)構(gòu)復(fù)合強(qiáng)化層，其中表面最大硬度大于650HV，基底硬化層硬度在35(T500HV之間并呈 梯度下降趨勢，復(fù)合強(qiáng)化層總強(qiáng)化深度大于O. 8mm。
權(quán)利要求
1.一種沉淀硬化不銹鋼表面的“類三明治結(jié)構(gòu)”強(qiáng)化涂層，其特征在于所述強(qiáng)化涂層包括表面高硬層、功能性軟化層和基底硬化層，具有“硬一軟一硬”的“類三明治”夾心結(jié)構(gòu)特征，所述表面高硬層厚度在1(Γ80μπ ，所述功能性軟化層厚度在ΙμπΓ ΟΟμπ ，所述基底硬化層厚度在10 μ nT6mm ;所述的基底硬化層與沉淀硬化不銹鋼基體結(jié)合； 所述沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層的制備方法包括如下步驟 (1)對沉淀硬化不銹鋼表面待處理區(qū)域進(jìn)行表面清潔處理； (2)在步驟(I)處理后的沉淀硬化不銹鋼表面待處理區(qū)域預(yù)置特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物，根據(jù)表面幾何構(gòu)形進(jìn)行激光輻照，在激光作用過程中采用保護(hù)性氣氛對激光作用區(qū)進(jìn)行保護(hù)，隨后對激光作用區(qū)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為30(T69(rC，保溫時間為15mirT6小時，然后在空氣中冷卻，從而在沉淀硬化不銹鋼表面獲得強(qiáng)化涂層；所述特殊增強(qiáng)材料粉末是下列三類物質(zhì)混和得到的混和粉末①單質(zhì)或合金、②金屬氧化物、③碳化物和/或硼化物和/或氮化物，所述的單質(zhì)選自下列一種或者任意幾種的組合T1、W、Co、Cr、N1、Mo、Fe、S1、B,所述的合金選自下列任意兩種以上金屬形成的合金T1、W、Co、Cr、N1、Mo、Fe，所述的金屬氧化物為對紅外激光及可見光波段激光具有良好吸收效果的金屬氧化物，所述的碳化物或硼化物或氮化物為在50(T400(TC能夠參加熔池反應(yīng)并提供B和/或C和/或N元素的化合物，或者所述的碳化物或硼化物或氮化物分別為可作為增強(qiáng)相的金屬碳化物或金屬硼化物或金屬氮化物；以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的混合物質(zhì)量為100%計(jì)，其中單質(zhì)或合金的質(zhì)量百分比在疒95%之間，金屬氧化物的質(zhì)量百分比在O.廣80%之間，碳化物和/或硼化物和/或氮化物的質(zhì)量百分比在O. Γ80%之間，并且粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比芻 80%ο
2.如權(quán)利要求1所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的總質(zhì)量為100%計(jì)，其中單質(zhì)或合金的質(zhì)量百分比為5 30%，金屬氧化物的質(zhì)量百分比為2(Γ60%，碳化物和/或硼化物和/或氮化物的質(zhì)量百分比為1(Γ50%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為10 50%。
3.如權(quán)利要求2所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于以特殊增強(qiáng)材料粉末和粘結(jié)劑的總質(zhì)量為100%計(jì)，其中單質(zhì)或合金的質(zhì)量百分比為5 21%，金屬氧化物的質(zhì)量百分比為2(Γ40%，碳化物或硼化物或氮化物的質(zhì)量百分比為15 45%，粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為16 30 %。
4.如權(quán)利要求Γ3之一所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于所述的金屬氧化物選自下列一種或任意幾種的組合Α1203、TiO2, ZrO2、MgO2、稀土氧化物。
5.如權(quán)利要求Γ3之一所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于所述的碳化物選自下列一種或任意幾種的組合:wc、TiC、Cr3C2 ;所述的硼化物選自下列一種或任意幾種的組合BN、TiB, TiB2 ;所述的氮化物為TiN。
6.如權(quán)利要求f3之一所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于所述的粘結(jié)劑為膠水、纖維素或環(huán)氧樹脂。
7.如權(quán)利要求Γ3之一所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于根據(jù)表面幾何構(gòu)形選擇一定經(jīng)整形后的光束進(jìn)行激光處理，所述的經(jīng)整形后的光束為矩形光斑、圓形光斑或環(huán)形光斑光束；采用矩形光斑時，焦點(diǎn)處光斑尺寸在5mmX0. 2mnT60mmX20mm之間；米用圓形光斑時，焦點(diǎn)處光斑直徑在O. 5mnT60mm之間；米用環(huán)形光斑時,焦點(diǎn)處光斑內(nèi)直徑不小于O. 5mm,外直徑不大于60mm。
8.如權(quán)利要求7所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于所述的激光處理的工藝參數(shù)如下采用激光連續(xù)輻照，激光功率> 300W，激光功率密度> 104W/cm2，掃描速度> O. Olm/min，多道掃描時搭接量5 90% ;或者采用激光脈沖輻照，脈沖能量> 5J，脈沖頻率≥1Hz，脈寬O. 2ms 200ms，多道掃描時搭接量5 90%。
9.如權(quán)利要求8所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于所述的激光處理的工藝參數(shù)如下采用激光連續(xù)輻照，激光功率50(T2000W，激光功率密度IO4 106W/cm2，掃描速度O. 05、. 8m/min，多道掃描時搭接量5 20% ;或者采用激光脈沖輻照，脈沖能量5 20J，脈沖頻率I 20Hz，脈寬I 20ms，多道掃描時搭接量5 20%。
10.如權(quán)利要求Γ3之一所述的沉淀硬化不銹鋼表面的強(qiáng)化涂層，其特征在于所述的強(qiáng)化涂層包含多個“硬一軟一硬”的類“三明治”夾心結(jié)構(gòu)，所述的制備方法還包括如下步驟在步驟(2)獲得的強(qiáng)化涂層表面通過激光熔覆或電子束沉積或堆焊的方式制備一層與沉淀硬化不銹鋼基底相同材料的基底層，然后在其上重復(fù)步驟(I)和步驟(2)的操作，從而在沉淀硬化不銹鋼表面形成包含多個“硬一軟一硬”的類“三明治”夾心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種沉淀硬化不銹鋼表面的“類三明治結(jié)構(gòu)”強(qiáng)化涂層，所述強(qiáng)化涂層包括表面高硬層、功能性軟化層和基底硬化層，具有“硬－軟－硬”的“類三明治”夾心結(jié)構(gòu)特征，所述表面高硬層厚度在10~80μm，所述功能性軟化層厚度在1μm~100μm，所述基底硬化層厚度在10μm~6mm；所述的基底硬化層與沉淀硬化不銹鋼基體結(jié)合。本發(fā)明的“類三明治結(jié)構(gòu)”強(qiáng)化涂層在提高沉淀硬化不銹鋼表面硬度的同時能夠兼顧較厚的強(qiáng)化層厚度，從而有利于長期穩(wěn)定工作。
文檔編號C23C24/10GK103042759SQ20121036633
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者王維夫 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)