本發(fā)明涉及一種材料表面的強化方法，尤其是一種以石墨化微納米碳材料為擴散源的表面深層強化方法。

背景技術：

表面硬化法是指通過適當的方法使零件的表層硬化而零件的心部仍然具有強韌性的處理。通過這種處理，可以改善零件的耐磨性以及耐疲勞性，而由于零件的心部仍然具有良好的韌性和強度，因此對沖擊載荷有良好的抵抗作用。常用的表面硬化處理方法主要有滲碳、氮化、硬質陽極氧化、鍍鉻、表面淬火以及滲金屬等。

通過化學熱處理，在材料表面引入外來元素是最為常見的材料表面改性方法，提高材料表面的硬度、耐磨性和耐蝕性的同時又能保證基體內部具有一定的強韌性，在工業(yè)生產中已經被廣泛的應用。經過長期的發(fā)展，人們投入了大量的精力和物力來研究這些化學熱處理方法，包括各種材料表面改性工藝的優(yōu)化，化學熱處理過程中各種工藝參數的影響，以及改性后表面的硬度、摩擦磨損和腐蝕等性能的分析和測試等。其中滲氮，滲碳等表面改性方法應用最為成熟普遍。然而傳統(tǒng)處理方法普遍存在能耗大，周期長，強化層薄弱等難以解決的技術問題，長期制約其在復雜惡劣工況下的應用。

現有技術僅對固體滲碳劑的成分配方及含量配比進行改善，以獲得良好表面性能，例如，一種可使硬質合金呈梯度結構的滲碳劑，其主要成分為30-50wt％的氧化鋁，10-30wt％的石墨粒，30-50wt％的碳酸鹽/碳酸氫鹽混合而成，所采用的石墨粒徑為0.2-2mm，可縮短滲碳處理時間50-65％，表層厚度提高10-30％；以及一種提高Cr₁₂MoV鋼綜合性能的優(yōu)化滲碳工藝，其中滲劑主要由碳化碳、氟碳酸鉀、碳化硅、活性碳、木炭粉及尿素、氯化稀土等組成。然而現有技術并沒有涉及采用具有超高活性的微納米尺度的碳源所進行的表面改性處理，仍然存在能耗大，周期長，強化層薄弱，強化層厚度不可控等技術問題。

近年來，具備超高性能的新型碳材料的出現，引起了各行各業(yè)的廣泛關注。然而新型碳材料在結構材料，耐磨材料，功能材料的工業(yè)化應用還鮮有可見。尤其對于微納米尺度的碳材料，目前很少在實際工程應用方面得到重視，特別是采用這種微納米碳材料實現對材料表面的強化目前還沒有實現。

技術實現要素：

為了克服現有技術的上述不足，本發(fā)明提供一種以石墨化微納米碳材料為擴散源的表面深層強化方法，能有效提高強化效率，縮短強化周期，材料表面形成的強化層的厚度、強度和硬度都大大提高，且硬化層深度可控，能耗低。

本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是：

一種以石墨化微納米碳材料為擴散源的表面深層強化方法，包含以下步驟：一)對微納米碳材料的微粉進行石墨化處理，獲得石墨化產物微粉；二)使用石墨化產物微粉對基體材料進行擴散處理，對基體材料產生固態(tài)熱擴散作用；三)對擴散處理后的基體材料做相變處理。

相比現有材料表面硬化方法，特別是滲碳處理，本發(fā)明的一種以石墨化微納米碳材料為擴散源的表面深層強化方法，創(chuàng)新性地將微納米碳材料應用到實現對材料表面的強化方法中，該方法過程是在擴散處理過程中引入納米級碳材料及其石墨化產物作為擴散源，有效提高了擴散速率，能縮短強化周期，基體中的碳元素能以特殊方式固溶在晶格中，提高了材料強度，造成大量的晶格畸變與位錯群等微觀亞結構，并且以這種方式固溶的碳元素會使得基體材料表面經過固態(tài)相變后，具有超高的強度和硬度。該方法使材料表層具有高于基體內部1-800HV的高硬度，由表層至材料心部可得0.1μm-50mm量級的硬化層厚度，并可通過調整各階段處理工藝控制硬化層深度。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1為本發(fā)明的所獲得的低碳鋼基體表層的透射電鏡微觀組織。

圖2為實施例3中所獲得的基體由表層到心部硬度分布。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(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)明的保護范圍。

本發(fā)明的種以石墨化微納米碳材料為擴散源的表面深層強化方法，其過程是：首先，利用微納米碳材料的石墨化效應，將石墨化產物微粉混合催化劑，對基體材料表面進行固態(tài)熱擴散處理，固態(tài)熱擴散后的基體材料進行相變處理，并進行回火，穩(wěn)定組織，得到的材料表層微觀組織為納米級混合相結構，最終使材料表層具有高于基體內部1-800HV的高硬度。由表層至材料心部可得0.1μm-50mm量級的硬化層厚度，并可通過調整碳源擴散工藝控制硬化層深度。

在本實施例中，所述步驟一和步驟二可以是分步進行，即先進行石墨化處理，再進行擴散處理，中間間隔時間，還可以是將石墨化處理和擴散處理不間隔時間地連續(xù)進行，石墨化處理所產生的石墨化產物直接作為擴散處理碳源，保證內部碳的反應變化連續(xù)并同時進行，無時間間隔，。而基體材料的相變處理，可在石墨化產物對基體材料的固態(tài)熱擴散處理過程之后無需冷卻，隨即進行，也可在其隨爐冷卻后再進行奧氏體化處理。當完成步驟二的熱擴散作用進行隨爐冷卻時，所得基體材料微觀組織內部含有高密度位錯結構，從而引起基體金屬亞結構細化，有助于提高基體材料的機械性能。

步驟一中石墨化處理的過程可以是，在真空或惰性氣體保護環(huán)境中，且在300℃～1500℃溫度條件下進行，最終得到高活性的石墨化產物。其中，微納米碳材料為微納米級碳的同素異構體中一種或任意幾種的混合物。

步驟二中的擴散處理，可以是在真空或惰性氣體保護的密閉環(huán)境中，將石墨化產物微粉，在高于基體材料奧氏體化溫度1-500℃條件下，混合催化劑，均勻鋪展在基體材料表面，鋪展的厚度保證在0.1-50mm范圍內，保溫0.1-200小時，進行擴散處理。其中，所述催化劑為活性催化劑中的一種或幾種，例如所采用的活性催化劑為Na2CO3，NaCl或BaCO3，則催化劑為Na2CO3，NaCl、BaCO3或其他活性催化劑中的一種或幾種。此步驟中所采用的基體材料為鐵基材料，含鐵量超過30％的多元合金材料，例如，鋁、鎂、鈦合金，多元高溫合金，非晶合金材料或者含有金屬元素的復合材料均可。

步驟三中的相變處理可以是：將所得奧氏體狀態(tài)下的基體材料經水冷或油冷至室溫，再經低溫回火處理，所得材料表層微觀組織為納米級混合相結構。具體地，將得到的基體材料在奧氏體狀態(tài)下進行快速冷卻處理，冷卻介質為油，水，鹽水或特制冷卻劑，然后將基體材料置于80-500℃溫度范圍內的環(huán)境中等溫處理0.1-10小時，之后水冷至室溫。

具體的實施例中的工藝參數和性能參照表1，并且其中實施例1-8中，設置微納米碳材料及催化劑的混合物在基體材料表層的鋪展厚度為20mm，擴散處理的溫度均為高于基體奧氏體化溫度300℃。對應于不同的保溫時間，可以獲得不同的表面硬度和硬化層深度。以下實施例中，擴散完成后的相變處理過程中采取的冷卻介質為油或水。微納米碳材料微粉的石墨化和石墨化產物對基體材料的固態(tài)熱擴散處理可同時進行，亦可分步進行。

表1.各實施例中的工藝參數及性能

由上述表格實施例數據可見，本發(fā)明方法使材料表層具有高于基體內部1-800HV以上的高硬度，由表層至材料心部可得0.1μm-50mm量級的硬化層厚度，并可通過調整碳源擴散工藝控制硬化層深度。

參見圖1，為低碳鋼基體經過該發(fā)明所述的方法強化后獲得的表層透射電鏡組織圖像，其內部含有尺度小于100nm的納米級極細組織，包括納米級α相和γ相的混合結構、馬氏體、貝氏體及殘余奧氏體組織。該組織結構不同于傳統(tǒng)滲碳鋼內部的馬氏體和殘余奧氏體組織。

參見圖2，對應于實施例3，以低碳鋼為基體，擴散保溫5小時，并進行相變處理后，由材料表面至基體內部，材料的硬度逐漸降低，最表面的硬度達到1000MPa以上，而基體內部的硬度則保持在200-300MPa，即表層硬化而心部仍然具有強韌性，達到了表面硬化的目的，并且從圖中還可以得知，材料的硬化層深度為2000μm。證明了本方法能夠得到表層超高硬度和超厚硬化層。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

第一，本發(fā)明采用的擴散源為微納米碳材料及其石墨化產物，具有純凈新鮮微結構，高的表面活性，且不引入破壞性雜質，保證其結構完整。其石墨化產物可不斷由微納米碳材料所提供，保證在對基體材料進行固態(tài)熱擴散過程中的足夠用量。而且微納米碳材料在熱擴散處理過程中消耗量少，不產生副產物，并且可以回收，重復利用。

第二，與傳統(tǒng)固態(tài)化學熱處理方法相比，本發(fā)明能快速有效地將特殊納米碳結構引入到基體材料中，相同時間條件下能得到2-50倍于傳統(tǒng)滲碳的超厚擴散層。且碳元素以特殊方式固溶在基體材料表面，經過固態(tài)相變后，具有超高的強度和硬度。

第三，本發(fā)明技術工藝靈活可控，可根據實際工程的需要，調控處理時間及溫度范圍，獲得所需的擴散層深度?？煽刂乒虘B(tài)相變過程的冷速和后續(xù)的保溫溫度范圍及時長，獲得所需的表面強化層的強度范圍。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據本發(fā)明的技術實質，對以上實施例所做出任何簡單修改和同等變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內。