[发明专利]一种深层高硬度复合表面淬火强化方法

说明书

本发明公开了一种金属和合金构件深层高硬度复合表面淬火强化方法，属于表面热处理领域。首先通过感应加热预淬火在零件表面获得深度达到2～20mm、晶粒度达7～10级、硬度值达到45～62HRC的感应淬火硬化层；然后通过机加工使零件达到表面所需装配精度和光洁度要求；最后采用高能束表面相变淬火在零件表面获得深度达到0.1～2.5mm、晶粒度达10～16级、硬度值超过62HRC的高能束淬火硬化层。本发明获得的复合硬化层由次表层的感应淬火硬化层和表层高能束淬火硬化层两部分组成，能提高金属和合金材料的表面耐磨性和疲劳寿命，满足现代工业对其的苛刻要求。

技术领域

本发明涉及表面淬火强化处理技术领域，具体地说是涉及适用于金属和合金零部件的深层高硬度复合表面淬火强化处理方法。

背景技术

随着冶金、重矿、石油、船舶兵器、装载、军工、航空航天及发电站等工业领域朝着大载荷、高精度、高效率和高度自动化的方向发展，对关键核心部件的性能要求也日益苛刻。因此，开发出高耐磨、高装配精度、长使用寿命、优异运行可靠性的金属和合金零件的制造加工方法，既是我国先进制造技术的关键核心环节，又是高新技术蓬勃发展的有力支撑。

目前，国内外许多成功的应用实例已经表明，通过表面淬火处理技术来提高材料表面硬度是保证零件尺寸精确度、降低摩擦力矩、提高表面耐磨性、延长疲劳寿命的有效手段。表面淬火强化处理可以将低成本、性能较差的基材表面改性为高硬度、高耐磨的硬化层，从而显著改善整体材料的综合力学性能，并能有效降低成本、提高加工效率。

现有的表面强化处理包括感应加热表面淬火(如公开号为CN 1176229C、CN101379203、CN 103173595B的专利申请)、高能束表面相变淬火(如公开号为CN103614541B、CN 106702094A、CN 103290176A的专利申请)、表面化学热处理(如公开号为CN101343747A、CN 100554519、CN 100523284的专利申请)、表面涂层技术(如公开号为CN106609349A、CN 102527612B的专利申请)和表面机械强化(如公开号为CN 106702116A、CN105177256A专利申请)等。

但是，这些表面强化处理方法都存在各自的工艺局限。比如，表面化学热处理存在镀膜结合力弱、均匀性差的问题，而且生产过程会产生有毒有害物质，不利于人工操作和可持续发展。表面涂层技术则面临涂层与基体结合力差、成本昂贵等难题。而表面机械强化易在表面形成过硬化而变脆，弱化材料性能。相比之下，感应加热表面淬火和高能束表面相变淬火在很多领域有着更广泛的应用前景。

其中，感应加热淬火是将试样置于空心铜管绕成的感应器内，通入交流电或磁等在试样表面形成感应电流，使其表面迅速加热到高温，随后立即喷射或浸泡淬火介质来获得细小马氏体组织，进而提高表面硬度值。这种方法的优势在于加热速度快、能量消耗少、污染小、效率高、易于实现自动化，而且淬火硬化层深度通常较大(能达到数毫米量级)。但是缺点在于，表面硬度仅能提高2～5HRC，而且加热时表面需熔化，不但会破坏构件表面光洁度，而且会导致表面变形较大。

另一种常用的显著提高表面硬度的方法是高能束表面相变淬火。该方法通过高能量密度的高能束以非接触式方式快速辐照工件表面，淬火作用区的温度迅速上升达到材料奥氏体化温度，随后在极短时间内完成奥氏体相变，得到晶粒细化的奥氏体。由于此时工件内部仍处于低温状态，因而在淬火区与基体之间存在很高的温度梯度。一旦停止辐射，热量迅速向金属基体传导扩散，淬火区在瞬时加热后急冷(冷却速率达10^3～10K/s)作用下，通过马氏体相变得到尺寸非常细小的马氏体组织，并完成“自淬火”。相比于常规的感应加热淬火，高能束表面相变淬火能将表面硬度进一步提高15％～40％，耐磨性也明显提高，而且可以对具有精密复杂结构的零件表面实现局部选择性硬化，同时具有无需淬火介质、变形小、无污染等一系列工艺优势。但是由于必须控制在表面不熔化的情况下完成淬火，因而硬化层深度通常较浅(0.2～1.2mm)，而且大面积淬火时，加工效率低，扫描带之间有软带，硬度不连续。