[发明专利]一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺

说明书

本发明涉及一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，包括以下步骤：将原始态钢加工切割成试样；将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干；将试样装夹到激光冲击强化试验平台上对表面进行激光冲击处理；将试样置于离子氮化炉中进行离子渗氮处理，随炉冷却至室温。本发明的有益效果是：激光冲击处理使材料表层产生塑性变形，形成高密度位错，晶粒细化甚至产生纳米晶，为氮原子扩散提供扩散通道，并降低扩散激活能，从而显著提高渗氮效率，具有高效、节能的优势。

技术领域

本发明涉及一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺。

背景技术

在工程应用中，离子渗氮是一种应用较为广泛的表面热处理技术，通过气体辉光放电现象产生活性氮原子，在工件表面富集并不断向基体内部扩散，形成渗氮层。离子渗氮能显著提高金属零部件耐磨性和服役寿命，具有渗氮温度较低、渗层均匀、绿色环保等诸多优点，但渗速低和工艺周期长是制约该技术发展的难题，需要探索和改进渗氮工艺来提高离子渗氮效率。

近年来，将喷丸(喷砂)与离子渗氮进行复合处理的技术得到了迅猛发展。工件经过喷丸(喷砂)处理后，表层产生的残余压应力增加了位错密度，再进行离子渗氮，能够有效提高渗层厚度。激光冲击强化(又称激光喷丸)通过强激光诱导的冲击波在金属表层引入残余压应力，是一种新型的表面强化技术。它具有非接触、无热影响区、能耗低、可控性强以及强化效果显著等突出优点。与传统的喷丸(喷砂)处理相比，激光冲击后产生的残余压应力更高，影响层更深，且位错结构更加稳定、密集、均匀。

通过激光冲击产生的位错增多，晶粒细化为氮原子扩散提供通道，可以预测，激光冲击可能是提高离子渗氮效率的有效措施，目前没采用激光冲击预处理对离子渗氮催渗的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于上述离子渗氮渗速低和工艺周期长的问题，本发明提供一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，通过对工件表面进行激光冲击处理获得较高的残余压应力，使材料表面点阵严重畸变，增加位错密度，晶粒细化，为氮原子扩散提供通道，提高离子渗氮效率。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种提高离子渗氮效率的激光冲击工艺，包括以下步骤：

(1)将原始态钢加工切割成试样。原始态钢为合金调质钢的一种，优选42CrMo钢，试样尺寸为10mm×10mm×5mm。

(2)将试样进行调质处理，打磨处理后在有机溶剂中进行超声清洗、烘干；调质处理为先升温至860℃保温12min，油冷至室温，再升温至600℃保温30min，空冷至室温。打磨处理为将试样分别用500#～2000#的SiC砂纸进行打磨至镜面，在有机溶剂中进行超声清洗为将试样浸泡于20ml的丙酮中进行超声波清洗15min去除油污。

(3)将试样装夹到激光冲击强化试验平台上对表面进行激光冲击处理；激光冲击处理为采用高功率密度、短脉冲的激光通过透明约束层作用于试样表面涂覆的吸收保护涂层上，保护涂层吸收激光能量，诱导产生高强度的等离子体运动波，作用于试样表面。

(4)将试样置于离子氮化炉中进行离子渗氮处理，处理完成后冷却至室温。离子渗氮处理具体操作为：抽真空至10Pa以下，通入氢气溅射30min，氢气流量为500ml/min，炉内压力保持300Pa；关闭氢气，通入氮气和氢气混合气体，氮气、氢气的流量分别为200ml/min和600ml/min，压力保持为400Pa，温度为500℃，时间为4h。

步骤(3)中，所述激光波长为1064nm，脉冲宽度为10～30ns，激光能量为3～10J，光斑形状圆形，直径为3mm；等离子体冲击波按照一定路径作用待处理区域，光斑搭接率为50％。

步骤(3)中，所述保护涂层为厚度100μm的黑胶带，作用是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收；约束层为厚度2mm的均匀流水层，约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力，并反射冲击波从而延长其作用时间。